現代公路路面檢測中短脈沖雷達檢測技術應用研究

王賢巍

（浙江交工交通科技發展有限公司，浙江杭州 311112）

0 引言

在科技飛速發展的背景下，國內公路檢測技術更新換代的速度也較以往有所提升，用無損技術取代傳統有損技術成為發展趨勢。對公路檢測工作而言，使用無損技術的優點是，在不改變或影響檢測對象當前狀態的基礎上，對檢測對象相關參數進行全面且準確的獲取。其中，最具代表性的無損技術即為短脈沖雷達，現階段，多數施工單位引入該技術對路面進行檢測，所取得的效果有目共睹。

1 短脈沖雷達檢測概述

1.1 脈沖雷達

脈沖雷達的本質為傳感系統，強調以物體反射脈沖信號為依據，對雷達天線、被測物體間的實際距離加以確定，工作原理概括如下：由脈沖調制器負責形成并放大短脈沖，隨后通過開關電路、雙工器等設備，將經過放大處理的脈沖運往雷達天線，脈沖與可反射其射頻能量的實體充分接觸后，通常會產生相應的電信號，由開關、雙工器負責將信號運送到接收器內部，與此同時，對脈沖發射方向進行切換。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，運送至對應檢測器。由檢測器對發出脈沖、接收信號間所花費的時間進行測量，根據時間差對脈沖實際飛行時長、檢測對象和雷達的距離加以確定。

1.2 短脈沖雷達

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量。無論路面性質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、使用壽命可達到預期值，關鍵是要對每層路面的厚度進行嚴格控制。以往檢測路面厚度所使用的技術多為鉆孔取芯，該技術需要相關人員以公路檢測規程為依據，在隨機選點的基礎上鉆孔、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據加以分析，進而得出最終的結論。雖然該技術具有檢測速度快、結果直觀等優點，但該方法會破壞路面結構，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，少數檢測人員會選擇減少鉆孔數量或是增加相鄰鉆孔的距離，但該種做法無法保證檢測結果完全符合實際情況，換句話說，檢測結果并不具備應有的代表性。

為解決以上問題，有關人員指出引入短脈沖雷達，即：以路面雷達系統為依托，對路面厚度進行快速檢測。該項技術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域、空洞和破損程度進行檢測。目前，多數施工單位所使用的雷達系統的型均為SIR-20，該設備的檢測流程如下：

第一步，裝載雷達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按照預設參數向下方路面發出相應的電磁脈沖，確保電磁脈沖能夠由道路表面順利到達底層。

第二步，由接收機負責對電磁脈沖所形成反射波進行接收，與此同時，雷達所安裝采集系統負責對不連續電介質具體數值、脈沖從發出到返回所花費的時間及其他相關數據進行準確記錄。考慮到道路各層所用材料往往存在一定差別，受材料成分構成影響，不同材料對應電介質數值自然有所不同，一般情況下，電介質數值發生突變的區域，便是結構層邊緣，也可以被認為是各結構層的交界處。

第三步，相關人員以測試獲取的波速、電介質數值為依據，結合其他相關參數，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量問題的區域加以確定。

短脈沖雷達強調的重點為“短脈沖”，簡單來說，就是持續時間未達到毫秒級的脈沖波。在開展檢測或相關工作的過程中，短脈沖往往能夠表現出以下優點：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境中，仍然能夠快速且高效地完成目標檢測工作；最后是對信號進行處理的步驟較少，可在保證處理結果準確的前提下，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 標準。瀝青混凝土路面可分成瀝青面層、水穩層；其中，水穩層的主要材料是水穩級配碎石，路面厚度在70cm 左右，瀝青面層的厚度是15cm，水穩層的厚度是55cm。瀝青面層共用到兩種不同規格的改性材料，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

由于項目方對檢測結果的準確性、精確性提出了極為嚴格的要求，鑒于此，相關人員決定使用GSSI 設計并生產的4105NR 天線。根據以往所積累的實踐經驗表明，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。此外，該天線還有以下優勢：一是可達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重磨損、損壞。在該項目中，相關人員還引入了GSSI 所開發的處理軟件，通過處理軟件對地面直達波、反射波進行快速分離，保證測量所得數據更加準確且具有使用價值[2]。

國內瀝青混凝土路面厚度多在40mm 以上，相關人員將可分辨層最小厚度設為40mm，避免測量期間出現問題。從理論上來說，雷達波長與其垂直分辨率的比值為2∶1，即垂直分辨率為A/2，要想縮小實際數值和理論值的差距，關鍵是要對天線主頻進行合理設置。在該項目中，雷達波穿過道路面層時，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，極易出現適得其反的情況，這是因為可探測深度、天線主頻的關系為負相關，要想使探測面層厚度最大程度接近預期，關鍵是要先確定誤差范圍，再在允許范圍內酌情對天線主頻進行降低。

作為電子產品，雷達在使用前應先通電，具體操作步驟如下：在檢測工作開始前，充分預熱雷達系統，按照規定設置增益、時間窗和采樣間隔時長等參數，以免預熱效果不理想導致雷達出現零漂移或是類似問題，給后續檢測工作造成不利影響。

2.3 檢測過程與結果

2.3.1 前期準備工作

該項目使用的雷達系統可被拆分成四部分，分別是承載車、控制單元、發射及接收天線。相關人員對測試設備提出了以下要求：一是測量結果和標定的誤差在0.1%以內，二是測量天線采取空氣耦合法，對應帶寬與脈沖發射頻率相符。

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、圖紙及其他相關資料進行收集，根據所掌握資料對標定路段進行確定。其二，根據要求完成標定距離的工作。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，開啟主機完成預熱。其四，在天線的下方安裝金屬板，由測試人員開啟相關控制軟件，確保標定測試系統等工作能夠按照預期計劃推進。其五，以測試目的為依據，對控制軟件各項參數進行設置，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，由地質探測雷達發出電磁波，一般情況下，雷達發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，到達瀝青層邊緣、水穩層邊緣時，電磁波將出現明顯的反射。由天線負責接收反射波，分別將反射波傳送到接收器和主機內，主機通常需要按照放大—濾波—疊加數字的順序，對反射波進行處理；隨后，通過顯示器對處理所得數字進行顯示，與此同時，根據處理后的數字，對彩色剖面圖進行繪制、展示，確保工作人員能夠及時且準確地了解雷達檢測路面厚度值（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了多種材料介質，不同材料對應介電常數值均有所不同，材料電導性也存在一定的差別[4]。只有準確把握電導性對電磁波傳播速度產生的影響，才能保證檢測結論具有實際意義。鑒于此，在開展檢測工作時，相關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所描述的內容是穿過材料介質時，電磁波的實際傳播速度，單位是mm/ns。C所描述的內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所描述的內容是介電常數，需要根據材料介質類型，對其具體數值加以確定。相關人員以不同材料中電磁波實際雙程走時長、材料介電常數為依據，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，分別是T和△t。其中，T指的是材料介質具體厚度，單位是mm。△t指的是由雷達發出電磁波到達材料介質后，在其內部的雙程走時具體時長，單位是ns。

在確定路面鋪設材料的介電常數時，相關人員可選擇路面芯樣，作為出發點。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確識別；其次，以分界線為依據，對各層內雷達波實際雙層走時加以確定；最后，使用以上公式進行計算，得出具體的結果。檢測工作形成報告應包括三方面內容：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，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

現階段，短脈沖雷達檢測技術主要被用來對改建公路、新建公路質量進行驗收，與此同時，還可被用來對加鋪路面厚度進行檢測。在使用該技術對公路進行檢測期間，有以下幾點內容需要相關人員引起注意。

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，直至其速度達到測試規定速度。第二步，由現場人員對路段內既有隧道、橋梁還有其他物體的位置、起終點進行標記。第三步，根據現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參數進行標記，保證測試雷達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，對天線中心對應路面位置進行確定并標記。第四步，承載車順利到達終點后，工作人員可終止正在運行的采集程序，對測試數據信息進行整理，形成相應的文件，并保證文件內容完整且真實，若發現文件內容存在遺漏，則需要再次展開測試工作。測試結束后將雷達系統總電源關閉。

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存在較大差異，各層分界線往往十分清晰，用雷達對路面厚度進行檢測，既能夠保證檢測結果的準確性，又可使檢測環節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人員前往現場，對施工路段進行檢測的基礎上，確定原有面層、新建面層材料的實際介電常數，如果二者介電常數并不存在顯著差異，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，僅憑借短脈沖雷達對路面厚度進行檢測，其所取得結果的有效性、準確性將難以得到保證。

其四，由雷達發出電磁波的強度與所到達深度的關系為負相關，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、雷達系統相關參數。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，則不應使用該技術進行測試。

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

3 結語

綜上，作為在國內公路施工領域得到廣泛運用的檢測方法之一，短脈沖雷達檢測技術主要具有檢測結果準確、精度理想和長期穩定運行等優點。若施工方決定對路面厚度使用該技術進行檢測，則要保證雷達天線頻率不低于1GHz，只有這樣才能使測試的準確性達到行業要求，同時其垂直分辨率也能夠得到保證。