三維探地雷達在道路裂縫檢測中的應用

邵華

（山東省交通科學研究院，濟南 250100）

1 三維探地雷達概述

1.1 工作原理

三維探地雷達作為一種新型無損檢測設備，基本工作原理是通過發射和接受高頻電磁波來獲取信息，因此，不會對路面結構造成破壞，近年來在道路檢測方面應用較為廣泛。在探測時，由定距發射天線負責向被探測路面發射高頻電磁波，高頻電磁波具有穿透性，可以穿透路面結構，電磁波反射后由對應的接收天線負責接收反射信號，最后，由雷達主機負責對接收到的數據信息進行處理分析，并在計算機中構建三維路面結構信息。

由于高頻電磁波在穿透路面結構后需要穿越多種不同介質層，會產生折射與反射，這會影響高頻電磁波的振幅、波形，據此可以準確判斷路面結構的詳細信息。影響高頻電磁波波形、振幅的主要因素是不同介質層的介電常數，高頻電磁波波形、振幅變化規律可以根據反射系數公式進行計算：

式中，Ri為電磁波的反射系數；ε1和ε2分別為路面不同結構的介電常數。

若ε2大于ε1，則發射系數Ri為負，這意味著入射波與反射波的極性相反，即電磁波振幅變小，波形變長，反之則發射系數Ri為正。這意味著入射波與反射波的極性相同，即電磁波振幅變大，波形變短。

1.2 三維探地雷達基本構成

三維探地雷達主要由3 部分構成，包括雷達主機、地面耦合天線、數據分析軟件，本文以21 通道地面耦合式三維探地雷達系統為例，介紹三維探地雷達的基本構成。雷達主機的核心是頻率步進技術，可以完成高密度的數據采集，也具備深度探測能力和高分辨率，可以支持不同深度的探測作業，通過對分辨率及信號帶寬進行優化處理，可以確保在高速探測的情況下保留圖像細節。地面耦合天線的核心是天線陣列技術，該系統共有21 個雷達電子掃描天線振子，可以提供范圍在200～3 000 MHz 的高頻電磁波，適用性較強，并且其單次檢測可以支持同時對20 條測線進行掃描，覆蓋范圍較廣，最終可以形成網格化數據與三維圖像信息。數據分析軟件主要是負責對接收的反射波信號進行轉化處理，最終呈現出檢測信息。三維探地雷達單次掃描可以同時獲取行進方向水平與垂直斷面信息和橫斷方向垂直斷面信息，經過數據分析軟件進行處理，可以轉化為高精度的三維圖像信息[1]。

2 三維探地雷達在道路裂縫檢測中的應用

某道路路面結構為13 cm 水泥砂礫調平層+15 cm 水泥砂礫底基層+16 cm 水泥碎石基層+7.5 cm 瀝青混凝土，道路于2010 年建成投入使用，由于該道路所經區域的礦產資源和石料較為豐富，周邊有多處煤礦和1 座水泥廠，因此，道路重載、超載的情況較為嚴重。目前，該道路因長期超負荷運營，已經有多處路段出現路面病害，包括大面積的塊狀裂縫、縱橫方向裂縫、龜裂等。2020 年，對該道路全線進行了修復，增加了1 層厚度為2.5 cm 的瀝青混凝土薄層罩面，但是這種修復措施只能改善道路表面功能，對于道路結構產生的補強效果極為有限，無法完全組織路面結構開裂及裂縫的發展，因此，仍需采取進一步的修復措施。擬對該條道路存在病害的路段采用三維探地雷達系統進行檢測，以便為制訂病害處理方案及后續養護計劃提供基礎依據。

2.1 檢測要點

2.1.1 天線中心頻率

采用三維探地雷達對道路進行檢測時，需要對系統參數進行調控，其中，天線中心頻率是最為關鍵的參數之一，關系到系統檢測深度與分辨率。為確保道路檢測精度，需要使用不同天線中心頻率對路面進行檢測，然后分析比對檢測結果，以確定最為理想的天線中心頻率。具體而言需要注意的是，應優先選擇中心頻率最高的天線，同時，結合道路實際情況確定天線尺寸。一般來說中線天線頻率越高，則檢測深度越大，分辨率越高，比如，檢測深度約為5 m 時，中線天線頻率應控制在約100 MHz。這不僅可以精準識別面層裂縫，同時，也能精準識別基層結構，從而準確判斷道路內部結構是否存在裂縫或含水量過高的情況。

2.1.2 布設測線

道路檢測作業人員在開始檢測前，需要布設測線，以確定測線方位，進而確保檢測結果的精度。在本項目中，現場作業人員結合道路實際情況及試驗測試數據，選擇剖面法進行檢測，首先，選取多個不同頻率的天線構成屏蔽天線組合；然后，根據天線頻率確定其他參數。本項目中選擇了中心頻率為400 MHz、300 MHz、200 MHz、100 MHz 4 種天線構成屏蔽天線組合，輻射時間寬度分別為2.5 ns、5.0 ns、7.5 ns、10.0 ns，以此遞增，向下輻射距離分別為0.25 m、0.50 m、0.75 m、1.0 m。若待檢測道路裂縫病害較為嚴重，情況比較復雜，則可以視實際情況增加測線密度，以確保檢測結果的可靠性與準確性[2]。

2.1.3 檢測速率

采用三維探地雷達對道路進行檢測時，檢測速率即天線移動速度是影響探地雷達掃描精度的關鍵性因素，若天線移動速度過快，則三維探地雷達可能會出現信號丟失的問題，進而導致部分裂縫無法被精準識別。若天線移動速度過慢，則檢測質量可以得到有效保障，但檢測作業效率必然受到影響。因此，在正式檢測前需要進行試驗性檢測，確定最佳檢測速率，避免因檢測速率的問題導致三維探地雷達的掃描精度、作業效率受到影響。

2.2 裂縫寬度識別模型

不同形態的裂縫其反射電磁波在三維探地雷達掃描圖像中會表現出不同的特征，比如，垂直裂縫在掃描圖像同相軸上表現為拋物線的形式，根據這一特征即可判斷裂縫所處區域及空間位置，但無法據此判斷出裂縫的寬度。由于高頻電磁波在穿越不同介質時，介電常數不同會導致電磁波振幅產生不同變化，因此，可以根據這一特征來判斷裂縫的寬度。

2.2.1 數值模擬

由于該道路結構采用的是半剛性基層與面層的組合結構，水泥砂礫底基層與水泥碎石基層在材料方面較接近，單層最大厚度為16 cm，因此，在參數設置上，天線頻率控制在1 000 MHz，單層厚度設置為16 cm。表1 為各結構層材料的參數，其中，基層和面層的介電常數是通過現場測算得出，裂縫區域的介電常數為空氣介電常數。計算公式為：

表1 各結構層材料參數表

式中，c 為光速，為3×108m/s；v 為波速，m/s；h 為芯樣厚度；t 為測試時間。芯樣厚度為16 cm；基層測試時間4.5 ns，面層測試時間2.5 ns。空氣本身不具備導電特性，因此，電導率為0，面層與基層的導電性極差，取電導率為0.001 s/m。

為明確寬度不同的路面裂縫的反射電磁波信號特征，分別模擬寬度為0.2 cm、0.5 cm、1.0cm、2.0 cm、4.0 cm、5.0 cm、8.0 cm、15.0 cm 的貫穿基層與面層的裂縫，裂縫內部介質為空氣，裂縫沿垂直方向一直延伸至基層，模擬演示結果如圖1所示。

圖1 模擬演示結果

由圖1 可知：（1）從模擬演示結果來看，道路基層和面層界面探測時間為3 ns；（2）寬度為0.2 cm、0.5 cm、1.0 cm、2.0 cm、4.0 cm、5.0 cm、8.0 cm、15.0 cm 的裂縫中，三維探地雷達無法準確識別寬度為5.0 cm 以下的裂縫，僅當裂縫寬度超過8.0 cm 層面以上時才能精準識別。

2.2.2 模型分析

通過上述對寬度不同的裂縫進行模擬識別演示，理論上而言，三維探地雷達系統無法精準識別目標寬度在8.0 cm 以下的裂縫；從掃描圖像來看，也無法準確判斷寬度在8.0 cm 以下的裂縫哪個更為嚴重。因此，要對路面裂縫進行精準識別，必須解決細小裂縫的識別問題。而根據三維探地雷達系統在裂縫區域發出的高頻電磁波的反射波振幅與無裂縫路面反射波振幅的差異可以實現對裂縫的精準識別[3]。根據模擬結果顯示，反射波振幅與路面裂縫寬度顯著相關，二者相關性可以達到98.0%以上；隨著路面裂縫寬度不斷增加，反射波振幅變化幅度會逐漸下降，這意味著路面裂縫寬度的增加對反射波振幅變化的影響會逐步衰弱；通過對反射波振幅變化和路面裂縫寬度間的關系進行分析，可以確定基于反射波振幅變化的量化指標。

2.2.3 實測研究

根據模擬結果顯示，反射波振幅與路面裂縫寬度顯著相關，且二者的相關性較高。基于此，在該道路中選取了16 處裂縫斷面的38 個芯樣開展現場實測研究，結果顯示，三維探地雷達檢測的裂縫寬度與現場芯樣統計結果一致，實現了對不同寬度路面裂縫的精準識別。同時，在實測研究過程中，路面裂縫寬度與反射波振幅變化的相關性與模擬演示得出的結論一致。結果顯示，路面裂縫寬度和反射波振幅變化顯著相關，根據計算二者的相關性高達84.91%；同時，隨著路面裂縫寬度不斷增加，其對于路面裂縫區域反射波振幅變化的影響逐步衰弱，這與模擬演示的結果基本契合。

3 結語

本文通過三維探地雷達系統的工作原理和基本構成進行分析，明確了三維探地雷達覆蓋范圍廣、檢測精度高等優勢，應用于道路裂縫檢測方面可以取得良好的成效；闡述了三維探地雷達檢測的要點，并構建了精準識別裂縫寬度的模型。通過構建寬度不同的裂縫模型進行模擬演示，得出了路面裂縫寬度和反射波振幅變化顯著相關，以及隨著路面裂縫寬度不斷增加，其對于反射波振幅變化的影響逐步衰弱的結論，并經過實測研究進行驗證了上述結論。因此，本文列出的裂縫寬度識別方法的可行性較高，但在后期路面病害實踐檢測過程中仍需收集更多的數據資料，進一步完善模型，從而提高裂縫識別的準確性與可靠性。