探地雷達在路面面層厚度檢測中的應用與分析

王 林 寇戰策

（1.河南交院工程技術集團有限公司，河南 鄭州 450000；2.安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230031）

1 探地雷達檢測技術原理及特點

探地雷達的基本原理，是將一個寬頻譜，脈寬為亞毫微秒量級的無載波脈沖加寬到寬帶色散時域保形發射天線上，并有效的輻射到地下，當脈沖波在地下傳播過程中遇到介質面，目標或其他局域介質不均勻體時，一部分脈沖波能量反射回地面，由寬度非色散時域保形接收天線將探測到的地下的反射回波接收并傳輸到時域寬帶接收機，然后再轉化為數字信息來進行數字信號的處理。作為一種物理檢測手段，現今探地雷達技術應用范圍愈加廣泛，如建筑工程的地質探測、礦井探測以及公路路面厚度檢測等多個領域，這與它獨特的優勢特點是分不開的，其特點如下：第一，可以對路面進行無損性的探測，雷達檢測技術在公路路面的檢測中可以不進行損毀就可以進行連續的探測，因此省去了后面修補路面的成本和勞力，從而節約大量的成本和勞動時間。第二，檢測效率高，雷達探測器可以實現數據的采集和應用成像的全過程，并且整個過程儀器操作較為簡單，數據采集迅速，并且在車輛實際運行的狀況下也能進行檢測，檢測的速度達到80km/h。第三，檢測的精度高，同其它檢測方法相比，探測雷達的實際分辨率可以達到厘米的等級，并且探測深度的符合率通常都小于5cm，因此探測的精度較高。第四，探測頻帶較寬，雷達探測器的無載頻脈沖類型，可以擁有寬度較高的頻帶，因此可以通過信息處理技術的應用來提高公路檢測的探測能力和信號的分辨效率。第五，較強的抗干擾能力，雷達中設有屏蔽天線，因此可以只接受地面探測的信號，避開其它電磁波的影響，因此具有較強的抗干擾能力。

2 影響探地雷達路面厚度檢測的重要因素

1）環境電導率。環境電導率直接影響介質傳導電荷的能力。因為探地雷達擁有較高的工作效率。電磁波的工作條件無論是在介電極限時，還是在靜態的極限時或者是在兩種情況之間時，它的深度都會也電導率成反比。電導率的數值不斷增加，電磁波的傳播深度逐漸減小。當處于極限狀態時，環境的導電效果越來越低，電磁波減慢的速度逐漸降低，探測的深度逐漸增加。

2）介電常數。介電常數直接反映介質的極化特性，彰顯介質的貯藏作用。在介質損耗的情況下，探地雷達的電荷通過外部的作用力產生了位移和摩擦，這時產生了一定的熱能。因為能量的轉變，影響電磁波的傳播效果，使其逐漸減弱。

3）磁導率。磁導率顯示了路面進行磁化的情況。以磁導率的數值進行劃分，主要可以分為三類，即反磁性材料、順磁性材料以及鐵磁性材料。不同的材料對電磁波的傳播效果不同。

4）中心頻率。在探究中心頻率時要考慮路面的深度以及天下的使用情況。通常情況下在滿足以上兩個條件時，應該適當調低中心頻率，這樣有利于提高電磁波傳播的效果。在實際調節時還需要考慮測量地的實際情況，設置科學的數值。

5）采樣時間。采樣時貫穿探地雷達測量的整個過程。它的取值主要由路面的實際深度和電磁波在各層結構中的傳播速度決定。

6）采樣率。采樣率主要有采樣的間隔來決定的，它的數值越高，采集的電磁波樣品的時間就越短。目前，我國大部分的探地雷達頻帶與中心頻率的比值在0.8～1.2左右。電磁波的采用率應該達到3.5左右，才能滿足探地雷達的正常運行。

3 案例分析

以某段公路為例，它之前的建設結構為水泥混凝土路面，之后因為損害嚴重改為瀝青混凝土路面，路面的承載年限為20年。瀝青混凝土路面主要是由瀝青層和水泥層這兩部分構成的。路面的總體厚度在70cm左右，在現在的路面結構中水泥層的厚度在45cm左右，瀝青層的厚度在25cm左右。按照由淺入深的順序進行排列依次為：沙土泥漿層厚度為3cm、瀝青粗粒堆積凝結層厚度為11cm、瀝青中粒堆積凝結層厚度為7cm、瀝青碎石堆積凝結層厚度為4cm。根據探測的要求可知被要求探測的這段路面，在道路的兩側分別設置了一條用于測量的縱線。它主要是考查這段瀝青路面在水泥層和瀝青層的實際厚度[2]。在實際的操作中需要在縱向的方向上每間隔9m的距離設置一條測線，測量這個路面在橫向上水泥層和瀝青層的厚度。以路面的實際長度為參考，按照之前的規律依次進行鋪設工作，整個路面檢測的距離為5.0km。

1）探地雷達天線以及參數。在探班地雷達運行中要調試好雷達的天線以及實際的運行參數。結合探地雷達的實際應用效果來看，它能夠進行探測的厚度應該保持在35cm左右，探測結果的誤差值可以控制在0.8cm左右。如果在實際的測量中要求較高，并且對探測的深度有明確的要求，這時就可以采用高精度的雷達探測儀器進行測量工作。例如，2016年7月某市進行路面探測改造工作。這個路面是在原有的基礎上增加瀝青混合材料，表層結構較為復雜。路面原來的厚度為27cm，修補之后增加了11cm。探測時使用配套1250m耦合天線，時窗為32ns，道采樣點數為1029。在進行探測時分別采用雷達探測與鉆孔兩種方式。瀝青層都采用SIR-3000型號的雷達探測儀進行測量工作，為了保障測量的精準性，在路面上隨機抽取4點進行驗證工作。通過對比GPR測定的厚度和芯樣的厚底可知，這四個點中的誤差值都控制在0.6cm以內，符合施工的要求。通過數據對比可知，探地雷達技術在實際的工作中可以取代原有的技術模式。但是目前探地雷達技術在探測中的應用率不高，因為在實際的操作運行中需要一定的專業知識與技能，要擁有一定的雷達設備的使用經驗才能夠順利的操控設備。以上面的對比結果為依據可知：（1）在避免人為誤差、天線數值及參數誤差的前提下，探地雷達技術可以準確的探測出路面的厚度。（2）要想提高雷達的使用效率，操作人員應該多積累，學習雷達和電磁波的相關知識。（3）要想促進雷達系統的進一步發展就應該加強對雷達信號的研究。

2）探測過程、資料處理和結果。當探地雷達設備進行探測工作時，雷達設備在主機的引導下發射裝置借由天線向地下發射電磁波信號，當地下的電磁波遇到水泥層或者瀝青層時就會發生反射的情況，由地面反射回來的信號被另外一個天線接收，然后傳輸到接收器內。同時還收集了由地面反射回來的信號。兩種信號一同被收入到探地雷達的主機內進行數據分析工作。主機對信號進行擴大、過濾、數字化等加工處理，形成一段類似于地震波紋的畫面，從而直觀展示水泥層與瀝青層的分界線。

以剖面圖作為參考，每條反射曲線的反射強度可以按照顏色的深淺進行劃分。在對數據進行匯總時，要仔細觀察電磁波掃射回波的狀態、電磁波反射的強度的數值和在自身剖面上的變化走向。確定出電磁波反射的屬性情況，分析瀝青層與水泥層不同反射波的形態變化，設置點位逐次分析，之后計算反射回波所用的準確時間以及電磁波在兩個界面層傳播的速度來計算路面實際的厚度情況。

將通過測量線測量出的數據制作成表格，直觀地分析出這段路面厚度的變化情況。然后把剖面圖與表格進行對比，總結出更加精準的路面厚度。

4 結束語

綜上所述，一般來講，路面厚度檢測多采用鉆芯法，但這種方法一定程度上會破壞路面結構，檢測完后需做及時修補，加之檢測結果隨機性大、效率低等情況，無法有效評估公路路面厚度。基于反射系數法的探地雷達是一種無損檢測技術，在道路結構層厚度及病害檢測中應用較為廣泛，其特點為無損、高效、迅速等，可有效提高檢測精度。