現(xiàn)代公路路面檢測中短脈沖雷達(dá)檢測技術(shù)應(yīng)用研究

王賢巍

（浙江交工交通科技發(fā)展有限公司，浙江杭州 311112）

0 引言

在科技飛速發(fā)展的背景下，國內(nèi)公路檢測技術(shù)更新?lián)Q代的速度也較以往有所提升，用無損技術(shù)取代傳統(tǒng)有損技術(shù)成為發(fā)展趨勢。對公路檢測工作而言，使用無損技術(shù)的優(yōu)點是，在不改變或影響檢測對象當(dāng)前狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對檢測對象相關(guān)參數(shù)進行全面且準(zhǔn)確的獲取。其中，最具代表性的無損技術(shù)即為短脈沖雷達(dá)，現(xiàn)階段，多數(shù)施工單位引入該技術(shù)對路面進行檢測，所取得的效果有目共睹。

1 短脈沖雷達(dá)檢測概述

1.1 脈沖雷達(dá)

脈沖雷達(dá)的本質(zhì)為傳感系統(tǒng)，強調(diào)以物體反射脈沖信號為依據(jù)，對雷達(dá)天線、被測物體間的實際距離加以確定，工作原理概括如下：由脈沖調(diào)制器負(fù)責(zé)形成并放大短脈沖，隨后通過開關(guān)電路、雙工器等設(shè)備，將經(jīng)過放大處理的脈沖運往雷達(dá)天線，脈沖與可反射其射頻能量的實體充分接觸后，通常會產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，由開關(guān)、雙工器負(fù)責(zé)將信號運送到接收器內(nèi)部，與此同時，對脈沖發(fā)射方向進行切換。若接收信號強度相對較弱，可使用放大器對信號強度進行放大，運送至對應(yīng)檢測器。由檢測器對發(fā)出脈沖、接收信號間所花費的時間進行測量，根據(jù)時間差對脈沖實際飛行時長、檢測對象和雷達(dá)的距離加以確定。

1.2 短脈沖雷達(dá)

對路面進行施工期間，路面各層厚度往往直接影響公路整體強度及質(zhì)量。無論路面性質(zhì)是柔性路面或是剛性路面，其強度均由各層厚度決定，由此可見，要想保證路面強度理想、使用壽命可達(dá)到預(yù)期值，關(guān)鍵是要對每層路面的厚度進行嚴(yán)格控制。以往檢測路面厚度所使用的技術(shù)多為鉆孔取芯，該技術(shù)需要相關(guān)人員以公路檢測規(guī)程為依據(jù)，在隨機選點的基礎(chǔ)上鉆孔、取樣，隨后通過檢測樣品的方式，對路面厚度加以確定，分別從不同角度對所得數(shù)據(jù)加以分析，進而得出最終的結(jié)論。雖然該技術(shù)具有檢測速度快、結(jié)果直觀等優(yōu)點，但該方法會破壞路面結(jié)構(gòu)，如果鉆孔位置或是深度不合理，還會給局部路面的強度、防水性等造成影響[1]。在實際工作中，為避免鉆孔給道路性能帶來影響，少數(shù)檢測人員會選擇減少鉆孔數(shù)量或是增加相鄰鉆孔的距離，但該種做法無法保證檢測結(jié)果完全符合實際情況，換句話說，檢測結(jié)果并不具備應(yīng)有的代表性。

為解決以上問題，有關(guān)人員指出引入短脈沖雷達(dá)，即：以路面雷達(dá)系統(tǒng)為依托，對路面厚度進行快速檢測。該項技術(shù)具有非破損和非接觸式的特點，既能夠被用來對瀝青路面、水泥路面的各層厚度及整體厚度進行檢測，又可以被用來對路面下方高濕區(qū)域、空洞和破損程度進行檢測。目前，多數(shù)施工單位所使用的雷達(dá)系統(tǒng)的型均為SIR-20，該設(shè)備的檢測流程如下：

第一步，裝載雷達(dá)的車輛沿固定方向在待測道路上勻速行駛，在行駛過程中由雷達(dá)按照預(yù)設(shè)參數(shù)向下方路面發(fā)出相應(yīng)的電磁脈沖，確保電磁脈沖能夠由道路表面順利到達(dá)底層。

第二步，由接收機負(fù)責(zé)對電磁脈沖所形成反射波進行接收，與此同時，雷達(dá)所安裝采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對不連續(xù)電介質(zhì)具體數(shù)值、脈沖從發(fā)出到返回所花費的時間及其他相關(guān)數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確記錄。考慮到道路各層所用材料往往存在一定差別，受材料成分構(gòu)成影響，不同材料對應(yīng)電介質(zhì)數(shù)值自然有所不同，一般情況下，電介質(zhì)數(shù)值發(fā)生突變的區(qū)域，便是結(jié)構(gòu)層邊緣，也可以被認(rèn)為是各結(jié)構(gòu)層的交界處。

第三步，相關(guān)人員以測試獲取的波速、電介質(zhì)數(shù)值為依據(jù)，結(jié)合其他相關(guān)參數(shù)，對路面各層實際厚度進行計算，與此同時，對各層實際含水量以及存在損壞或質(zhì)量問題的區(qū)域加以確定。

短脈沖雷達(dá)強調(diào)的重點為“短脈沖”，簡單來說，就是持續(xù)時間未達(dá)到毫秒級的脈沖波。在開展檢測或相關(guān)工作的過程中，短脈沖往往能夠表現(xiàn)出以下優(yōu)點：首先是對外界因素干擾具有極強的抵抗能力；其次是具有良好的距離分辨力；再次是即使處于強雜波環(huán)境中，仍然能夠快速且高效地完成目標(biāo)檢測工作；最后是對信號進行處理的步驟較少，可在保證處理結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，對處理速度進行一定程度的提升。

2 短脈沖雷達(dá)用于路面檢測的探究

2.1 項目介紹

檢測對象為某地改建后的省道，公路的路面材料是瀝青混凝土，遵循BZZ-100kN 標(biāo)準(zhǔn)。瀝青混凝土路面可分成瀝青面層、水穩(wěn)層；其中，水穩(wěn)層的主要材料是水穩(wěn)級配碎石，路面厚度在70cm 左右，瀝青面層的厚度是15cm，水穩(wěn)層的厚度是55cm。瀝青面層共用到兩種不同規(guī)格的改性材料，上層是AC-13，厚度是4cm，中層是AC-20，厚度是5cm，下層材料與中層相同，厚度則被增加到了6cm 左右。

2.2 確定參數(shù)

由于項目方對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、精確性提出了極為嚴(yán)格的要求，鑒于此，相關(guān)人員決定使用GSSI 設(shè)計并生產(chǎn)的4105NR 天線。根據(jù)以往所積累的實踐經(jīng)驗表明，該天線的測量速度、分辨率效果均十分理想，在分析橋梁板、測量路面具體厚度等方面有著極為突出的表現(xiàn)。此外，該天線還有以下優(yōu)勢：一是可達(dá)到車載式測量對分辨率的要求，二是既能夠保證測量速度，又不會使天線受到嚴(yán)重磨損、損壞。在該項目中，相關(guān)人員還引入了GSSI 所開發(fā)的處理軟件，通過處理軟件對地面直達(dá)波、反射波進行快速分離，保證測量所得數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確且具有使用價值[2]。

國內(nèi)瀝青混凝土路面厚度多在40mm 以上，相關(guān)人員將可分辨層最小厚度設(shè)為40mm，避免測量期間出現(xiàn)問題。從理論上來說，雷達(dá)波長與其垂直分辨率的比值為2∶1，即垂直分辨率為A/2，要想縮小實際數(shù)值和理論值的差距，關(guān)鍵是要對天線主頻進行合理設(shè)置。在該項目中，雷達(dá)波穿過道路面層時，實時傳播速率在9cm/ns 左右，要想將層厚分清，則需要保證天線主頻在1.2GHz 以上[3]。這里要注意一點，在不考慮其他因素的情況下，一味地增大天線主頻，極易出現(xiàn)適得其反的情況，這是因為可探測深度、天線主頻的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，要想使探測面層厚度最大程度接近預(yù)期，關(guān)鍵是要先確定誤差范圍，再在允許范圍內(nèi)酌情對天線主頻進行降低。

作為電子產(chǎn)品，雷達(dá)在使用前應(yīng)先通電，具體操作步驟如下：在檢測工作開始前，充分預(yù)熱雷達(dá)系統(tǒng)，按照規(guī)定設(shè)置增益、時間窗和采樣間隔時長等參數(shù)，以免預(yù)熱效果不理想導(dǎo)致雷達(dá)出現(xiàn)零漂移或是類似問題，給后續(xù)檢測工作造成不利影響。

2.3 檢測過程與結(jié)果

2.3.1 前期準(zhǔn)備工作

該項目使用的雷達(dá)系統(tǒng)可被拆分成四部分，分別是承載車、控制單元、發(fā)射及接收天線。相關(guān)人員對測試設(shè)備提出了以下要求：一是測量結(jié)果和標(biāo)定的誤差在0.1%以內(nèi)，二是測量天線采取空氣耦合法，對應(yīng)帶寬與脈沖發(fā)射頻率相符。

正式開始檢測前，先要完成以下五項工作：其一，對項目施工配合比、圖紙及其他相關(guān)資料進行收集，根據(jù)所掌握資料對標(biāo)定路段進行確定。其二，根據(jù)要求完成標(biāo)定距離的工作。其三，將天線安裝在指定位置并對其加固，通過連接線對天線、主機進行連接，開啟主機完成預(yù)熱。其四，在天線的下方安裝金屬板，由測試人員開啟相關(guān)控制軟件，確保標(biāo)定測試系統(tǒng)等工作能夠按照預(yù)期計劃推進。其五，以測試目的為依據(jù)，對控制軟件各項參數(shù)進行設(shè)置，主要包括增益、時間窗還有采樣間隔。

2.3.2 脈沖檢測過程

在檢測路面厚度時，由地質(zhì)探測雷達(dá)發(fā)出電磁波，一般情況下，雷達(dá)發(fā)出電磁波均為高頻電磁波，旨在保證電磁波能夠順利穿透路面，到達(dá)瀝青層邊緣、水穩(wěn)層邊緣時，電磁波將出現(xiàn)明顯的反射。由天線負(fù)責(zé)接收反射波，分別將反射波傳送到接收器和主機內(nèi)，主機通常需要按照放大—濾波—疊加數(shù)字的順序，對反射波進行處理；隨后，通過顯示器對處理所得數(shù)字進行顯示，與此同時，根據(jù)處理后的數(shù)字，對彩色剖面圖進行繪制、展示，確保工作人員能夠及時且準(zhǔn)確地了解雷達(dá)檢測路面厚度值（該剖面圖與地震反射時間圖，形式基本相同）。

該次檢測路段面層下方鋪設(shè)了多種材料介質(zhì)，不同材料對應(yīng)介電常數(shù)值均有所不同，材料電導(dǎo)性也存在一定的差別[4]。只有準(zhǔn)確把握電導(dǎo)性對電磁波傳播速度產(chǎn)生的影響，才能保證檢測結(jié)論具有實際意義。鑒于此，在開展檢測工作時，相關(guān)人員選擇利用以下公式，對電磁波實際傳播速度進行計算：

式（1）中：v所描述的內(nèi)容是穿過材料介質(zhì)時，電磁波的實際傳播速度，單位是mm/ns。C所描述的內(nèi)容是空氣中電磁波的實際傳播速度，其取值與光速基本相同。εr所描述的內(nèi)容是介電常數(shù)，需要根據(jù)材料介質(zhì)類型，對其具體數(shù)值加以確定。相關(guān)人員以不同材料中電磁波實際雙程走時長、材料介電常數(shù)為依據(jù)，推理出了對面層厚度進行計算的公式：

式（2）中：該公式新增了兩個參數(shù)，分別是T和△t。其中，T指的是材料介質(zhì)具體厚度，單位是mm。△t指的是由雷達(dá)發(fā)出電磁波到達(dá)材料介質(zhì)后，在其內(nèi)部的雙程走時具體時長，單位是ns。

在確定路面鋪設(shè)材料的介電常數(shù)時，相關(guān)人員可選擇路面芯樣，作為出發(fā)點。對路面厚度進行計算的步驟如下：首先，通過識別軟件，對各層之間的分界線進行準(zhǔn)確識別；其次，以分界線為依據(jù)，對各層內(nèi)雷達(dá)波實際雙層走時加以確定；最后，使用以上公式進行計算，得出具體的結(jié)果。檢測工作形成報告應(yīng)包括三方面內(nèi)容：其一，檢測對象各項信息，例如，路面所使用材料的種類和性質(zhì)，再例如，起止樁號；其二，測試期間電磁波的實時傳播速度，該路段面層的實際厚度；其三，測試對象的平均厚度，代表值。

2.4 注意事項

現(xiàn)階段，短脈沖雷達(dá)檢測技術(shù)主要被用來對改建公路、新建公路質(zhì)量進行驗收，與此同時，還可被用來對加鋪路面厚度進行檢測。在使用該技術(shù)對公路進行檢測期間，有以下幾點內(nèi)容需要相關(guān)人員引起注意。

其一，測試工作往往需要分幾個步驟展開：第一步，打開警示燈，對齊天線與起點，開啟測試軟件，確保承載車行駛速度能夠勻速增加，直至其速度達(dá)到測試規(guī)定速度。第二步，由現(xiàn)場人員對路段內(nèi)既有隧道、橋梁還有其他物體的位置、起終點進行標(biāo)記。第三步，根據(jù)現(xiàn)場情況確定承載車行駛長度，待承載車完全停止后，通過采集軟件對相關(guān)參數(shù)進行標(biāo)記，保證測試?yán)走_(dá)圖像滿足辨識難度小、界面清楚和不存在突變的要求，與此同時，對天線中心對應(yīng)路面位置進行確定并標(biāo)記。第四步，承載車順利到達(dá)終點后，工作人員可終止正在運行的采集程序，對測試數(shù)據(jù)信息進行整理，形成相應(yīng)的文件，并保證文件內(nèi)容完整且真實，若發(fā)現(xiàn)文件內(nèi)容存在遺漏，則需要再次展開測試工作。測試結(jié)束后將雷達(dá)系統(tǒng)總電源關(guān)閉。

其二，若施工方在原有路面上方鋪筑了瀝青，考慮到公路基層材料、新建面層材料的性質(zhì)存在較大差異，各層分界線往往十分清晰，用雷達(dá)對路面厚度進行檢測，既能夠保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，又可使檢測環(huán)節(jié)花費的時間得到壓縮。

其三，若施工方以公路原有路面瀝青料為參照物，采購或制作了性質(zhì)相近、相同的材料，并用該材料對路面進行改建或升級，則需要施工方委派專業(yè)人員前往現(xiàn)場，對施工路段進行檢測的基礎(chǔ)上，確定原有面層、新建面層材料的實際介電常數(shù)，如果二者介電常數(shù)并不存在顯著差異，則難以通過肉眼或借助簡單工具對新舊面層邊界加以確定；此時，僅憑借短脈沖雷達(dá)對路面厚度進行檢測，其所取得結(jié)果的有效性、準(zhǔn)確性將難以得到保證。

其四，由雷達(dá)發(fā)出電磁波的強度與所到達(dá)深度的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，換句話說，電磁波強度會隨著傳播距離、深度的增加而衰減，電磁波所能探測到的最大深度，通常取決于路面材料的電磁性能、雷達(dá)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。如果路面材料為含有大量鐵元素的礦渣或存在飽水、過度潮濕等情況，則不應(yīng)使用該技術(shù)進行測試。

其五，研究證實，雷達(dá)波極易被外界環(huán)境條件所影響。實踐積累經(jīng)驗表明，即使對相同路段進行檢測，陰雨天和晴天測得數(shù)據(jù)也存在明顯的差異，二者的誤差率甚至達(dá)到約20%。由此可見，若檢測現(xiàn)場剛經(jīng)歷強降雨等天氣，相關(guān)人員可先等待24h 左右的時間，確保路面各層和整體含水率趨于穩(wěn)定后，再著手開展后續(xù)的檢測工作。如果路面基層材料為含鐵量偏高的礦渣，則不應(yīng)使用該技術(shù)，因為礦渣會在一定程度上干擾雷達(dá)信號，導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

綜上，作為在國內(nèi)公路施工領(lǐng)域得到廣泛運用的檢測方法之一，短脈沖雷達(dá)檢測技術(shù)主要具有檢測結(jié)果準(zhǔn)確、精度理想和長期穩(wěn)定運行等優(yōu)點。若施工方?jīng)Q定對路面厚度使用該技術(shù)進行檢測，則要保證雷達(dá)天線頻率不低于1GHz，只有這樣才能使測試的準(zhǔn)確性達(dá)到行業(yè)要求，同時其垂直分辨率也能夠得到保證。