淺談短脈沖雷達檢測技術在現代公路路面檢測中的應用

王佳賓

道路橋梁 Roads and Bridges

淺談短脈沖雷達檢測技術在現代公路路面檢測中的應用

王佳賓

（安徽交通職業(yè)技術學院 230054）

本文在簡述地質雷達基本原理和工作方法的基礎上，將探地雷達的道路厚度檢測技術與常規(guī)的鉆孔取芯方法進行對比,并根據實際檢測結果,說明探地雷達在公路厚度結構檢測方面有廣闊應用前景。

短脈沖雷達；鉆孔取芯；厚度檢測

在現代路面工程施工中，每個路面層次的厚度和道路的整體強度有著密不可分的關系。在路基路面設計中，不管面層選用剛性路面，還是柔性路面，最終要決定路面整體強度的都是各個層次的厚度，因此只有在保證道路每層厚度的情況下，才能讓路面的各個層次及整體的強度得到保證。在之前道路路面層厚度一直沿用傳統(tǒng)的檢測方法——鉆孔取芯法，它是通過公路試驗規(guī)程隨機選點的方法，鉆孔、取樣，測得路面層厚度，然后進行試驗數據分析計算，得到最終試驗結果。這種方法雖然相對直觀，但是在一定程度上破壞了路面結構層，造成路面的局部強度、防水出現破壞。另外，由于測點選擇是隨機的、稀疏的，使得檢測結果缺乏代表性，不能夠說明道路厚度的實際情況。路面雷達測試系統(tǒng)則是一種非接觸式、非破損的路面厚度無損檢測技術，它不僅適用于水泥混凝土路面、瀝青路面隔層厚度、路面總厚度測試、探測路面下的空洞、路面下的相對高濕度區(qū)域檢測，以及路面下破損狀況檢測等等。

隨著科技水平的發(fā)展，越來越多的無損檢測技術應用在公路工程的檢測中，他可以在不破壞待測物質的原有狀態(tài)的前提下，來獲取與待測物品質有關的內容、性質等信息，而雷達監(jiān)測路面厚度的方法就是其中較為成熟的技術，也將更多的應用于現代道路工程現場檢測中。

1 雷達檢測車的基本原理與工作方法

SIR-20型地質探測雷達儀是車輛以一定速度在待測路面上行駛，路面探測雷達儀向路面發(fā)射出電磁脈沖，電磁脈沖在短時間內穿過被檢測的路面，產生的脈沖反射波被無線接收機接收，儀器中的數據采集系統(tǒng)則記錄電磁脈沖的返回時長和待測路面結構中的出現的不連續(xù)電介質常數等突變情況。由于路面各結構層材料的電介質常數因為組成材質明顯不同，因而材料的電介質常數出現突變的地方，就是兩不同結構層的界面。根據測定所知的各種路面材料的電介質常數、波速，通過計算，可以得到路面各結構層的厚度、給出待測路段結構層的含水量、出現損壞的位置等資料。人們將雷達波脈沖持續(xù)時間在毫秒級以下的脈沖波成為——短脈沖，這類波型在實際檢測過程中，具有抗干擾能力強、距離分辨力高、強雜波背景下目標檢測能力強、信號處理(DSP)方式相對簡化等優(yōu)勢，因此可以較好地適應各種公路檢測中的復雜環(huán)境。

2 雷達檢測車在S105公路路面厚度檢測中的實際應用

2.1 檢測路段路面結構設計情況

要求檢測的S105合肥至巢湖段為安徽省省道的改建項目，路面結構設計為瀝青砼路面，路面設計標準為后軸載BZZ-100KN，該路段的瀝青混凝土路面結構是由水穩(wěn)層（水泥穩(wěn)定級配碎石基層）和瀝青面層組成，總厚度為72cm，其中水穩(wěn)層厚度為56cm；瀝青層總厚度為16cm，由上到下分別為AC-13改性瀝青面層（厚4cm ）、AC-20改性瀝青面層（厚6cm ）、AC-20改性瀝青面層（厚6cm ）。

2.2 雷達天線及參數選擇

在本次檢測中，由于對試驗結果精度要求比較高，因此選擇使用美國GSSI公司生產的SIR-20型地質探測雷達系統(tǒng)的4105NR型高頻空氣耦合天線。4105NR型號地質雷達天線用于高速和高分辨率測量路面厚度測量和橋梁板分析。天線設計能滿足車載式高分辨率測量的需求；高速測量的同時而不會損害或者磨損天線。而且，GSSI公司的RADAN后處理軟件能夠把地面反射波和直達波分開，因此能夠準確測量路面厚度。

瀝青路面的最小厚度多為40mm，因此這里規(guī)定最小分辨層厚為不超過40mm。雷達垂直分辨率理論值為雷達波波長的一半，即A/2，這同時也對天線主頻提出了要求。例如，雷達波在道路面層材料中的傳播速率為10cm/ns，那么為了能夠更好的分清層厚40mm，設置天線主頻就要大于1. 25GHz。但要說明的是，天線主頻不是越大越好，天線頻率與可探測深度是成反比的，為了探測較大的面層厚度，在誤差允許范圍內，可以適當降低天線頻率：電子產品一般都需要進行通電穩(wěn)定，雷達設備也不例外。在正式開始檢測之前，應對整套系統(tǒng)進行充分預熱和必要的參數設置（如設置采樣間隔、時間窗、增益等），防止因預熱不充分產生零漂移現象。

2.3 雷達檢測工作過程、數據處理及檢測結果

在路面厚度檢測過程中，SIR-20型地質探測雷達儀向路面下發(fā)出的超高頻電磁波，遇到瀝青層底界面和水穩(wěn)層底界面就會發(fā)生強烈反射，反射波被天線接收送入接收器，并傳入主機進行數字化處理【1】，主機對反射波進行放大、濾波、數字疊加等處理后的，就會在顯示器上顯示出類似于地震反射時間剖面的雷達連續(xù)探測彩色剖面，圖1即是本次檢查路段的厚度探測結果的一段原始彩色雷達數據剖面。

由于路面層以下各層的材料介質均具有不同的介電常數，因而造成各種材料介質具有不同的電導性，而這種電導性的差異，則會影響電磁波在材料層之間的傳播速度。在檢測過程中，一般采用下式來計算電磁波在不同材料介質中的傳播速度：

根據測定電磁波在不同材料介質中的雙程走時長以及材料介質的相對介電常數，可以采用下式計算，來確定各面層的厚度。

式中： T 代表材料介質厚度，mm；

圖1 雷達檢測路段數據剖面

經過實際測點開挖后驗證，通過厚度數據分析技術測得的路面厚度值，與實際路面測定厚度結果情況非常吻合，證明，通過短脈沖雷達檢測可以準確的測得道路格結構層的實際厚度值。

3 結語

短脈沖雷達是目前公路行業(yè)路面厚度無損檢測應用最廣泛一種檢測方法，它具有測值精度高、工作穩(wěn)定、結果準確等特點。用于檢測路面厚度的雷達天線頻率一般設置在1.0GHz以上。這樣就可以滿足測試過程中準確度和垂直分辨率的要求。

短脈沖雷達檢測可以適用于新、改建路面工程質量驗收和舊路加鋪路面設計的厚度調查。改建路面工程中的檢測需要注意一些問題。如果遇到重新鋪筑的瀝青路面，由于新鋪筑的面層與原有基層材料的差異較大，層面分界信號會非常清晰，這樣的路面類型比較適合使用雷達測試路面厚度；如果是在原有的瀝青面層上加鋪新的面層材料，那就需要在施工路段進行現場試驗，通過檢測新舊瀝青面層材料的介電常數的差異性，如果新舊面層之間的差異性過小，將難以區(qū)分清新舊面層之間的位置，這種情況下就不適合用此雷達法測試加鋪路面厚度。

雷達發(fā)射的電磁波在道路面層傳播過程中會逐漸衰減。雷達最大探測深度是由雷達系統(tǒng)的參數以及路面材料的電磁屬性決定的。對于材料過度潮濕或飽水以及有高含鐵量的礦渣集料的路面不適合用本方法測試。雷達波受環(huán)境條件的影響

表1 設置測量參數

以下表格增加在 2.2雷達天線及參數選擇 這部分中

[1]鄧春為.金開大道地質雷達檢測[R].煤炭科學研究總院重慶分院檢測報告，2003雷達字第005號3-21

U45

A

1007-6344（2021）01-0270-02