浅谈短脉冲雷达检测技术在现代公路路面检测中的应用

2021-01-18王佳宾

四川水泥 2021年1期

关键词：结构层面层天线

王佳宾

道路桥梁 Roads and Bridges

浅谈短脉冲雷达检测技术在现代公路路面检测中的应用

王佳宾

（安徽交通职业技术学院 230054）

本文在简述地质雷达基本原理和工作方法的基础上，将探地雷达的道路厚度检测技术与常规的钻孔取芯方法进行对比,并根据实际检测结果,说明探地雷达在公路厚度结构检测方面有广阔应用前景。

短脉冲雷达；钻孔取芯；厚度检测

在现代路面工程施工中，每个路面层次的厚度和道路的整体强度有着密不可分的关系。在路基路面设计中，不管面层选用刚性路面，还是柔性路面，最终要决定路面整体强度的都是各个层次的厚度，因此只有在保证道路每层厚度的情况下，才能让路面的各个层次及整体的强度得到保证。在之前道路路面层厚度一直沿用传统的检测方法——钻孔取芯法，它是通过公路试验规程随机选点的方法，钻孔、取样，测得路面层厚度，然后进行试验数据分析计算，得到最终试验结果。这种方法虽然相对直观，但是在一定程度上破坏了路面结构层，造成路面的局部强度、防水出现破坏。另外，由于测点选择是随机的、稀疏的，使得检测结果缺乏代表性，不能够说明道路厚度的实际情况。路面雷达测试系统则是一种非接触式、非破损的路面厚度无损检测技术，它不仅适用于水泥混凝土路面、沥青路面隔层厚度、路面总厚度测试、探测路面下的空洞、路面下的相对高湿度区域检测，以及路面下破损状况检测等等。

随着科技水平的发展，越来越多的无损检测技术应用在公路工程的检测中，他可以在不破坏待测物质的原有状态的前提下，来获取与待测物品质有关的内容、性质等信息，而雷达监测路面厚度的方法就是其中较为成熟的技术，也将更多的应用于现代道路工程现场检测中。

1 雷达检测车的基本原理与工作方法

SIR-20型地质探测雷达仪是车辆以一定速度在待测路面上行驶，路面探测雷达仪向路面发射出电磁脉冲，电磁脉冲在短时间内穿过被检测的路面，产生的脉冲反射波被无线接收机接收，仪器中的数据采集系统则记录电磁脉冲的返回时长和待测路面结构中的出现的不连续电介质常数等突变情况。由于路面各结构层材料的电介质常数因为组成材质明显不同，因而材料的电介质常数出现突变的地方，就是两不同结构层的界面。根据测定所知的各种路面材料的电介质常数、波速，通过计算，可以得到路面各结构层的厚度、给出待测路段结构层的含水量、出现损坏的位置等资料。人们将雷达波脉冲持续时间在毫秒级以下的脉冲波成为——短脉冲，这类波型在实际检测过程中，具有抗干扰能力强、距离分辨力高、强杂波背景下目标检测能力强、信号处理(DSP)方式相对简化等优势，因此可以较好地适应各种公路检测中的复杂环境。

2 雷达检测车在S105公路路面厚度检测中的实际应用

2.1 检测路段路面结构设计情况

要求检测的S105合肥至巢湖段为安徽省省道的改建项目，路面结构设计为沥青砼路面，路面设计标准为后轴载BZZ-100KN，该路段的沥青混凝土路面结构是由水稳层（水泥稳定级配碎石基层）和沥青面层组成，总厚度为72cm，其中水稳层厚度为56cm；沥青层总厚度为16cm，由上到下分别为AC-13改性沥青面层（厚4cm ）、AC-20改性沥青面层（厚6cm ）、AC-20改性沥青面层（厚6cm ）。

2.2 雷达天线及参数选择

在本次检测中，由于对试验结果精度要求比较高，因此选择使用美国GSSI公司生产的SIR-20型地质探测雷达系统的4105NR型高频空气耦合天线。4105NR型号地质雷达天线用于高速和高分辨率测量路面厚度测量和桥梁板分析。天线设计能满足车载式高分辨率测量的需求；高速测量的同时而不会损害或者磨损天线。而且，GSSI公司的RADAN后处理软件能够把地面反射波和直达波分开，因此能够准确测量路面厚度。

沥青路面的最小厚度多为40mm，因此这里规定最小分辨层厚为不超过40mm。雷达垂直分辨率理论值为雷达波波长的一半，即A/2，这同时也对天线主频提出了要求。例如，雷达波在道路面层材料中的传播速率为10cm/ns，那么为了能够更好的分清层厚40mm，设置天线主频就要大于1. 25GHz。但要说明的是，天线主频不是越大越好，天线频率与可探测深度是成反比的，为了探测较大的面层厚度，在误差允许范围内，可以适当降低天线频率：电子产品一般都需要进行通电稳定，雷达设备也不例外。在正式开始检测之前，应对整套系统进行充分预热和必要的参数设置（如设置采样间隔、时间窗、增益等），防止因预热不充分产生零漂移现象。

2.3 雷达检测工作过程、数据处理及检测结果

在路面厚度检测过程中，SIR-20型地质探测雷达仪向路面下发出的超高频电磁波，遇到沥青层底界面和水稳层底界面就会发生强烈反射，反射波被天线接收送入接收器，并传入主机进行数字化处理【1】，主机对反射波进行放大、滤波、数字叠加等处理后的，就会在显示器上显示出类似于地震反射时间剖面的雷达连续探测彩色剖面，图1即是本次检查路段的厚度探测结果的一段原始彩色雷达数据剖面。

由于路面层以下各层的材料介质均具有不同的介电常数，因而造成各种材料介质具有不同的电导性，而这种电导性的差异，则会影响电磁波在材料层之间的传播速度。在检测过程中，一般采用下式来计算电磁波在不同材料介质中的传播速度：

根据测定电磁波在不同材料介质中的双程走时长以及材料介质的相对介电常数，可以采用下式计算，来确定各面层的厚度。

式中： T 代表材料介质厚度，mm；

图1 雷达检测路段数据剖面

经过实际测点开挖后验证，通过厚度数据分析技术测得的路面厚度值，与实际路面测定厚度结果情况非常吻合，证明，通过短脉冲雷达检测可以准确的测得道路格结构层的实际厚度值。

3 结语

短脉冲雷达是目前公路行业路面厚度无损检测应用最广泛一种检测方法，它具有测值精度高、工作稳定、结果准确等特点。用于检测路面厚度的雷达天线频率一般设置在1.0GHz以上。这样就可以满足测试过程中准确度和垂直分辨率的要求。

短脉冲雷达检测可以适用于新、改建路面工程质量验收和旧路加铺路面设计的厚度调查。改建路面工程中的检测需要注意一些问题。如果遇到重新铺筑的沥青路面，由于新铺筑的面层与原有基层材料的差异较大，层面分界信号会非常清晰，这样的路面类型比较适合使用雷达测试路面厚度；如果是在原有的沥青面层上加铺新的面层材料，那就需要在施工路段进行现场试验，通过检测新旧沥青面层材料的介电常数的差异性，如果新旧面层之间的差异性过小，将难以区分清新旧面层之间的位置，这种情况下就不适合用此雷达法测试加铺路面厚度。

雷达发射的电磁波在道路面层传播过程中会逐渐衰减。雷达最大探测深度是由雷达系统的参数以及路面材料的电磁属性决定的。对于材料过度潮湿或饱水以及有高含铁量的矿渣集料的路面不适合用本方法测试。雷达波受环境条件的影响