公路檢測中探地雷達的應用分析

易立，雷運波，冉強，雍林林

（健研檢測集團重慶有限公司，重慶 400000）

0 引言

近幾年，我國公路網絡因公路建設的高速發展而具有了一定的規模。然而，公路使用的壽命受到了公路路面的維護質量影響，路面的維護起支撐就是路面系統情況的數據，所以，對公路狀況加以合理科學的檢測極為關鍵。在傳統的檢測方面，不但會在不同的程度上對路面造成損傷，且不具有代表性和效率低等缺點。探地雷達其發射的電磁波使用的是無載波的毫微秒脈沖，瞬時掃頻是其最大特點，在不同的土壤頻率區域里，其頻譜性能包括了全覆蓋與穿透性，能夠對地下目標進一步加以探測[1]。探測回波在寬頻譜的作用下，不僅會使目標電測有較為整完的特性，而且還不會出現丟失，進而對目標的識別更為有效。

1 探地雷達的系統組成及其工作的原理

1.1 探地雷達的系統組成

探地雷達系統主要包括供電的電源、雷達主機、發射機、結果顯示、接收機以及信號處理、儲存與收發天線等。

1.1.1 發射機

發射機主要憑借著電路來對能量加以有效的存儲，且還可以在短時間得以釋放，從而形成的脈沖較為強烈，再就是形成單周期的雷達信號，在經分離器作用而傳輸到天線，最后憑借著天線將此電磁波傳輸至路面系統[2]。

1.1.2 接收機

高速的采樣電路是探地雷達接收機核心，其關鍵是對反射的信號加以獲取，并對此信號加以放大，然后再將信號輸送給信號處理機，對所獲取的信號高效加以處理。

1.1.3 天線

天線可以發射電磁波的信號和接收反射的信號，公路用的探地雷達其對應天線包括地面耦合型和空氣耦合型這兩種天線。

1.1.4 分離機

天線與發射機兩者之間是憑借著分離機來實現聯結的，且于短期的發射完成以后，分離器會將兩者之間的聯結斷開，并且會重新對接收機與天線加以聯結[3]。分離器會對接收機的輸入單元加以保護，并可使輸入單元于發射機高能輸出的情況下得以保護。

1.1.5 信號的處理機與計算機

信號處理機其關鍵作用便是有效處理反射的信號，計算機其作用就是對數據和信息加以收集、儲存與處理以及展示與研究。

1.2 探地雷達系統的工作原理

探地雷達其方法就是有效運用高頻電磁脈沖在界面上加以反射來對公路結構的相關病害加以檢測。在此流程當中，經下達給發射機與接收機一系列管控的指令，發射機按照指令來完成電磁波往地下發射的情況，接收機按照指令來對地下介質界面的反射波相關的數據加以采集[4]。在通過采取樣本與A/D 的變換以后，其顯示與保存就是接收到的反射信號變換成數字信號。因為發射與接收的天線是緊靠著地面，發射機所發射出的短脈沖電磁波是通過發射的天線產生輻射而傳送至大地，地下傳輸當中，若遭遇了介質分界面之后，那么就會被折射或者是反射回來，回波即被反射至地面且被接收到的電磁波。雷達的圖形通常是因脈沖反射波的波形而記錄下來的。在波形當中，白色與黑色則表示了正負峰，而有的時候其表示也會用到灰階與彩色。那么同相軸亦或是等色線及等灰度，可以直觀的將地下反射界面形象直觀的表現出來。通常反射的脈沖其波形是較為明顯的，在圖像實施地質解釋當中屬于關鍵依據。相關的工作者能按照回波的訊號與傳播的時間及實時的圖像來對地下介質的分布與病害狀況加以推斷，進而推斷公路的內部有哪些問題。

2 探地雷達的數據處理及其運用關鍵點

2.1 探地雷達對數據的處理

雷達數據的處理應使用專業化分析軟件，按照公路檢測雷達波相關特征，數據的處理流程具體如下。

2.1.1 偏移的處理

在現場所獲得的原始數據，通常是存在振幅正負的半周并不對稱等相關的問題，其之所以出現此情況正是因為數據存在直流的漂移量，應對數據加以偏移處理。

2.1.2 靜校正

在對雷達數據加以處理的時候，往往是校正雷達的數據至統一的基準面之上，這一基準面大多都是道路的表面。

2.1.3 滑動平均

按照小波去噪原理，把信號里面毛刺及噪聲有效的加以去除，使得有信息成分的信號得以保存，促使圖像更為干凈及平滑。

2.1.4 數字濾波

在探地雷達的檢測過程當中，因現場的多元環境會直接對其造成一定的影響，這便導致了在環境當中的噪聲頻譜不但會出現低頻，而且還會出現高頻，那么這便需帶通濾波這一方式來對雷達的信號加以合理處理。

2.1.5 能量增益

能量增益即對雷達的圖像加以增強方面的處理，因為地下反射處部分反射的信號是較強的，也有部分區域所反射的信號是較弱的，較強的信號會壓制到較弱的信號，這便需要對雷達的信號在增益方面進行相關的處理。

2.2 探地雷達運用的關鍵點

探地雷達于公路檢測當中的應用關鍵是分為下面

3 個步驟。

（1）勘查現場與搜集資料，其目的就是了解周圍的環境與地下的地形和介質，此外，也可以對周邊工作的環境與交通和干擾等有所了解。

（2）在對公路加以探地雷達檢測時，要先對天線加以選擇并把測線布置好，這是為了對探測品質加以有效確保，然后對數據加以采集，并有效的對多條波形記錄所形成的圖像加以收集。探地雷達其數據的收集主要包括了普查與詳查這兩類，對于不同的區域是使用的差異化檢測，并且對異常部位加以標記與坐標加以定位，其目的就是對病害的位置加以明確。

（3）對病害加以分類，并將病害等級明確出來，從而再針對相關病害實施有效的措施。

3 實例分析探地雷達于公路檢測當中的運用

3.1 工程概況

以某道路的路面為例分析，此道路是高速公路并且是瀝青的路面，其路面的結構是4cm AC 到13C，混合料的上部層加6cm AC 到20C 混合料的中部層是加8cm AC 到25C，混合料的下部層是加36cm，水泥穩定的碎石基層加18cm 石灰粉煤灰土底基層。

3.2 瀝青路面的破損情況

為了對探地雷達技術在瀝青路面裂縫檢測的結果其精準程度有進一步的驗證，先使用傳統的人工作業來對裂縫的路段路面加以鉆芯取樣，并對其破損加以分析。本次的取芯作業是隨機的選擇46 條裂縫完成，一共選取取61 個芯樣，因為取芯工具其有效取芯的筒長是300mm，其面層加基層厚度的設計為355mm，這就使得取出芯樣以后，面層和基層兩者間是分離的，但實際上面層和基層是完整的。

對全部的芯樣加以統計，其具體的統計結果如表1所示。因為二灰土基層有著比較嚴重的松散情況，使得在取芯當中，碎石與松散灰土把取芯筒卡住了，在鉆孔的四周泥漿也是比較多的，所獲取到的基層芯樣是比較松散的。裂縫的部位其病害主要表現為面層裂縫，基層貫穿的裂縫，面層松散以及面層層間不良等。

表1 芯樣的統計結果

3.3 探地雷達對路面深層次裂縫識別運用

3.3.1 選取設備

經對現階段三維探地雷達加以調研與分析以后得知，其主要包括了時域雷達（同頻率天線）與頻域雷達（步進頻率天線）這兩類。步進頻率天線其帶寬范圍是于100MHz～3000MHz，其能夠有效的探測深度是0.2～10m，這對探測未知的深度缺陷方面更為適合。同頻率天線其是由同一頻率的天線交錯等距排列構成，能夠對固定的深度進行有效精準的探測，這對檢測已知深度缺陷方面更加適合。現場分別用這兩種方式來對裂縫加以測試，并對比相應數據得知，步進頻率天線對路面結構內部的病害識別率低于同頻率天線，其平面圖像的成像所表現出的效果也較為普通，這就表明步進頻率天線不適合于路面的缺陷探測[5]。同頻率天線在路面病害中的識別度較高，如果使用1300MHz 高頻天線陣，能夠進一步提升路面內部病害的識別精確程度。

3.3.2 路面裂縫的識別

在鉆芯取樣及人工步檢的路段之上，使用探地雷達技術來對裂縫進一步的加以檢測及分析，從而得知瀝青路面的基層有無開裂問題以及其他的破損問題。雷達的檢測方式是：沿著輪跡帶不斷連續加以檢測，并且還要于裂縫部位將相關的標記做好，檢測到的路面內部裂縫不同情況對比雷達圖像如圖1 所示。

圖1 路面內部裂縫不同情況對比

3.3.3 路面裂縫的檢測結果剖析

使用探地雷達來對出現裂縫瀝青路面的面層部位加以檢測，一般是確保雷達的參數不變，并且再次對裂縫狀況沿著原測線加以檢測。整體上完善的路面結構與出現了病害的路面結構相對比，其在電介質的常數方面的偏差還是比較大的，這就使得在雷達圖像當中，能夠看到路面結構病害部位雷達圖像的振幅變化比內部結構完整路面的振幅變化會更加的明顯。其檢測到的路面裂縫結構內部情況雷達圖像如圖2 所示。在圖2當中的箭頭即裂縫位置，用方框把路面結構內部裂縫的變化情況圈了出來。然后再經雷達圖像來加以對比并分析后能夠知道，在圖2a 處的病害呈現特征屬于單一型的裂縫，圖2b 處的病害呈現特征是面積型的裂縫，并且層間不好，圖2c 處的病害呈現特征是面積型的裂縫，并且結構也較為松散，雷達的圖像信號于裂縫部位出現了明顯的改變。

圖2 路面裂縫處檢測的雷達圖像

4 探地雷達于公路檢測當中適用性及有關注意事項

（1）因探地雷達屬于超寬帶的雷達，在公路檢測的使用當中，若天線工作的頻率有差異，那么對其探測的深度和探測分析分辨率造成的影響也會有差異，通常，工作的頻率若是越高，則天線加以高頻電磁波的輻射檢測其分辨率也會比較高，其探測的深度就會比較小。按照此情況，在探地雷達實施公路檢測當中，工作頻率天線的組合與設置應選擇不相同的，從而保證檢測全面性。例如，公路工程驗收的階段，其關鍵的檢測和分析內容是公路結構層的厚度，需要檢測的速度比較快，需注意防止檢測的操作損傷到公路的結構，而對公路整體的結構質量造成影響。于此情況時，在對公路結構層的厚度進行檢測的時候，應使用空氣耦合天線，其在公路的檢測當中可經天線直達波和地面波相分離，來對公路面層的厚度加以精準的檢測與分析。

（2）在使用探地雷達對公路加以檢測時，需對分辨率加以管控，按照在探地雷達的檢測當中，垂向的分辨率對公路結構層的厚度探測精準度存在直接的影響，那么在公路結構層的厚度檢測當中，需使用高頻天線來加以檢測，從而保證檢測效果與品質。探地雷達于公路的檢測當中是存在著天線輻射這一特性的，于近地的模式來檢測及分析公路工程的時候，能量傳遞是呈現出感應場和似穩場的形式，于非地面的模式時，所呈現出的是遠區場內的輻射傳播。

5 結語

探地雷達屬于現代化的檢測技術，在技術方面有著明顯的優勢與特征，于公路檢測當中得以廣泛應用，這給公路的質量保障與缺陷維護等方面提供了良好支持，需持續對其加以研究，將此技術的效果充分發揮出來，不斷提高公路建設的效果。