公路檢測中探地雷達的應用分析

易立，雷運波，冉強，雍林林

（健研檢測集團重慶有限公司，重慶 400000）

0 引言

近幾年，我國公路網(wǎng)絡(luò)因公路建設(shè)的高速發(fā)展而具有了一定的規(guī)模。然而，公路使用的壽命受到了公路路面的維護質(zhì)量影響，路面的維護起支撐就是路面系統(tǒng)情況的數(shù)據(jù)，所以，對公路狀況加以合理科學的檢測極為關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的檢測方面，不但會在不同的程度上對路面造成損傷，且不具有代表性和效率低等缺點。探地雷達其發(fā)射的電磁波使用的是無載波的毫微秒脈沖，瞬時掃頻是其最大特點，在不同的土壤頻率區(qū)域里，其頻譜性能包括了全覆蓋與穿透性，能夠?qū)Φ叵履繕诉M一步加以探測[1]。探測回波在寬頻譜的作用下，不僅會使目標電測有較為整完的特性，而且還不會出現(xiàn)丟失，進而對目標的識別更為有效。

1 探地雷達的系統(tǒng)組成及其工作的原理

1.1 探地雷達的系統(tǒng)組成

探地雷達系統(tǒng)主要包括供電的電源、雷達主機、發(fā)射機、結(jié)果顯示、接收機以及信號處理、儲存與收發(fā)天線等。

1.1.1 發(fā)射機

發(fā)射機主要憑借著電路來對能量加以有效的存儲，且還可以在短時間得以釋放，從而形成的脈沖較為強烈，再就是形成單周期的雷達信號，在經(jīng)分離器作用而傳輸?shù)教炀€，最后憑借著天線將此電磁波傳輸至路面系統(tǒng)[2]。

1.1.2 接收機

高速的采樣電路是探地雷達接收機核心，其關(guān)鍵是對反射的信號加以獲取，并對此信號加以放大，然后再將信號輸送給信號處理機，對所獲取的信號高效加以處理。

1.1.3 天線

天線可以發(fā)射電磁波的信號和接收反射的信號，公路用的探地雷達其對應天線包括地面耦合型和空氣耦合型這兩種天線。

1.1.4 分離機

天線與發(fā)射機兩者之間是憑借著分離機來實現(xiàn)聯(lián)結(jié)的，且于短期的發(fā)射完成以后，分離器會將兩者之間的聯(lián)結(jié)斷開，并且會重新對接收機與天線加以聯(lián)結(jié)[3]。分離器會對接收機的輸入單元加以保護，并可使輸入單元于發(fā)射機高能輸出的情況下得以保護。

1.1.5 信號的處理機與計算機

信號處理機其關(guān)鍵作用便是有效處理反射的信號，計算機其作用就是對數(shù)據(jù)和信息加以收集、儲存與處理以及展示與研究。

1.2 探地雷達系統(tǒng)的工作原理

探地雷達其方法就是有效運用高頻電磁脈沖在界面上加以反射來對公路結(jié)構(gòu)的相關(guān)病害加以檢測。在此流程當中，經(jīng)下達給發(fā)射機與接收機一系列管控的指令，發(fā)射機按照指令來完成電磁波往地下發(fā)射的情況，接收機按照指令來對地下介質(zhì)界面的反射波相關(guān)的數(shù)據(jù)加以采集[4]。在通過采取樣本與A/D 的變換以后，其顯示與保存就是接收到的反射信號變換成數(shù)字信號。因為發(fā)射與接收的天線是緊靠著地面，發(fā)射機所發(fā)射出的短脈沖電磁波是通過發(fā)射的天線產(chǎn)生輻射而傳送至大地，地下傳輸當中，若遭遇了介質(zhì)分界面之后，那么就會被折射或者是反射回來，回波即被反射至地面且被接收到的電磁波。雷達的圖形通常是因脈沖反射波的波形而記錄下來的。在波形當中，白色與黑色則表示了正負峰，而有的時候其表示也會用到灰階與彩色。那么同相軸亦或是等色線及等灰度，可以直觀的將地下反射界面形象直觀的表現(xiàn)出來。通常反射的脈沖其波形是較為明顯的，在圖像實施地質(zhì)解釋當中屬于關(guān)鍵依據(jù)。相關(guān)的工作者能按照回波的訊號與傳播的時間及實時的圖像來對地下介質(zhì)的分布與病害狀況加以推斷，進而推斷公路的內(nèi)部有哪些問題。

2 探地雷達的數(shù)據(jù)處理及其運用關(guān)鍵點

2.1 探地雷達對數(shù)據(jù)的處理

雷達數(shù)據(jù)的處理應使用專業(yè)化分析軟件，按照公路檢測雷達波相關(guān)特征，數(shù)據(jù)的處理流程具體如下。

2.1.1 偏移的處理

在現(xiàn)場所獲得的原始數(shù)據(jù)，通常是存在振幅正負的半周并不對稱等相關(guān)的問題，其之所以出現(xiàn)此情況正是因為數(shù)據(jù)存在直流的漂移量，應對數(shù)據(jù)加以偏移處理。

2.1.2 靜校正

在對雷達數(shù)據(jù)加以處理的時候，往往是校正雷達的數(shù)據(jù)至統(tǒng)一的基準面之上，這一基準面大多都是道路的表面。

2.1.3 滑動平均

按照小波去噪原理，把信號里面毛刺及噪聲有效的加以去除，使得有信息成分的信號得以保存，促使圖像更為干凈及平滑。

2.1.4 數(shù)字濾波

在探地雷達的檢測過程當中，因現(xiàn)場的多元環(huán)境會直接對其造成一定的影響，這便導致了在環(huán)境當中的噪聲頻譜不但會出現(xiàn)低頻，而且還會出現(xiàn)高頻，那么這便需帶通濾波這一方式來對雷達的信號加以合理處理。

2.1.5 能量增益

能量增益即對雷達的圖像加以增強方面的處理，因為地下反射處部分反射的信號是較強的，也有部分區(qū)域所反射的信號是較弱的，較強的信號會壓制到較弱的信號，這便需要對雷達的信號在增益方面進行相關(guān)的處理。

2.2 探地雷達運用的關(guān)鍵點

探地雷達于公路檢測當中的應用關(guān)鍵是分為下面

3 個步驟。

（1）勘查現(xiàn)場與搜集資料，其目的就是了解周圍的環(huán)境與地下的地形和介質(zhì)，此外，也可以對周邊工作的環(huán)境與交通和干擾等有所了解。

（2）在對公路加以探地雷達檢測時，要先對天線加以選擇并把測線布置好，這是為了對探測品質(zhì)加以有效確保，然后對數(shù)據(jù)加以采集，并有效的對多條波形記錄所形成的圖像加以收集。探地雷達其數(shù)據(jù)的收集主要包括了普查與詳查這兩類，對于不同的區(qū)域是使用的差異化檢測，并且對異常部位加以標記與坐標加以定位，其目的就是對病害的位置加以明確。

（3）對病害加以分類，并將病害等級明確出來，從而再針對相關(guān)病害實施有效的措施。

3 實例分析探地雷達于公路檢測當中的運用

3.1 工程概況

以某道路的路面為例分析，此道路是高速公路并且是瀝青的路面，其路面的結(jié)構(gòu)是4cm AC 到13C，混合料的上部層加6cm AC 到20C 混合料的中部層是加8cm AC 到25C，混合料的下部層是加36cm，水泥穩(wěn)定的碎石基層加18cm 石灰粉煤灰土底基層。

3.2 瀝青路面的破損情況

為了對探地雷達技術(shù)在瀝青路面裂縫檢測的結(jié)果其精準程度有進一步的驗證，先使用傳統(tǒng)的人工作業(yè)來對裂縫的路段路面加以鉆芯取樣，并對其破損加以分析。本次的取芯作業(yè)是隨機的選擇46 條裂縫完成，一共選取取61 個芯樣，因為取芯工具其有效取芯的筒長是300mm，其面層加基層厚度的設(shè)計為355mm，這就使得取出芯樣以后，面層和基層兩者間是分離的，但實際上面層和基層是完整的。

對全部的芯樣加以統(tǒng)計，其具體的統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。因為二灰土基層有著比較嚴重的松散情況，使得在取芯當中，碎石與松散灰土把取芯筒卡住了，在鉆孔的四周泥漿也是比較多的，所獲取到的基層芯樣是比較松散的。裂縫的部位其病害主要表現(xiàn)為面層裂縫，基層貫穿的裂縫，面層松散以及面層層間不良等。

表1 芯樣的統(tǒng)計結(jié)果

3.3 探地雷達對路面深層次裂縫識別運用

3.3.1 選取設(shè)備

經(jīng)對現(xiàn)階段三維探地雷達加以調(diào)研與分析以后得知，其主要包括了時域雷達（同頻率天線）與頻域雷達（步進頻率天線）這兩類。步進頻率天線其帶寬范圍是于100MHz～3000MHz，其能夠有效的探測深度是0.2～10m，這對探測未知的深度缺陷方面更為適合。同頻率天線其是由同一頻率的天線交錯等距排列構(gòu)成，能夠?qū)潭ǖ纳疃冗M行有效精準的探測，這對檢測已知深度缺陷方面更加適合。現(xiàn)場分別用這兩種方式來對裂縫加以測試，并對比相應數(shù)據(jù)得知，步進頻率天線對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的病害識別率低于同頻率天線，其平面圖像的成像所表現(xiàn)出的效果也較為普通，這就表明步進頻率天線不適合于路面的缺陷探測[5]。同頻率天線在路面病害中的識別度較高，如果使用1300MHz 高頻天線陣，能夠進一步提升路面內(nèi)部病害的識別精確程度。

3.3.2 路面裂縫的識別

在鉆芯取樣及人工步檢的路段之上，使用探地雷達技術(shù)來對裂縫進一步的加以檢測及分析，從而得知瀝青路面的基層有無開裂問題以及其他的破損問題。雷達的檢測方式是：沿著輪跡帶不斷連續(xù)加以檢測，并且還要于裂縫部位將相關(guān)的標記做好，檢測到的路面內(nèi)部裂縫不同情況對比雷達圖像如圖1 所示。

圖1 路面內(nèi)部裂縫不同情況對比

3.3.3 路面裂縫的檢測結(jié)果剖析

使用探地雷達來對出現(xiàn)裂縫瀝青路面的面層部位加以檢測，一般是確保雷達的參數(shù)不變，并且再次對裂縫狀況沿著原測線加以檢測。整體上完善的路面結(jié)構(gòu)與出現(xiàn)了病害的路面結(jié)構(gòu)相對比，其在電介質(zhì)的常數(shù)方面的偏差還是比較大的，這就使得在雷達圖像當中，能夠看到路面結(jié)構(gòu)病害部位雷達圖像的振幅變化比內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整路面的振幅變化會更加的明顯。其檢測到的路面裂縫結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況雷達圖像如圖2 所示。在圖2當中的箭頭即裂縫位置，用方框把路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的變化情況圈了出來。然后再經(jīng)雷達圖像來加以對比并分析后能夠知道，在圖2a 處的病害呈現(xiàn)特征屬于單一型的裂縫，圖2b 處的病害呈現(xiàn)特征是面積型的裂縫，并且層間不好，圖2c 處的病害呈現(xiàn)特征是面積型的裂縫，并且結(jié)構(gòu)也較為松散，雷達的圖像信號于裂縫部位出現(xiàn)了明顯的改變。

圖2 路面裂縫處檢測的雷達圖像

4 探地雷達于公路檢測當中適用性及有關(guān)注意事項

（1）因探地雷達屬于超寬帶的雷達，在公路檢測的使用當中，若天線工作的頻率有差異，那么對其探測的深度和探測分析分辨率造成的影響也會有差異，通常，工作的頻率若是越高，則天線加以高頻電磁波的輻射檢測其分辨率也會比較高，其探測的深度就會比較小。按照此情況，在探地雷達實施公路檢測當中，工作頻率天線的組合與設(shè)置應選擇不相同的，從而保證檢測全面性。例如，公路工程驗收的階段，其關(guān)鍵的檢測和分析內(nèi)容是公路結(jié)構(gòu)層的厚度，需要檢測的速度比較快，需注意防止檢測的操作損傷到公路的結(jié)構(gòu)，而對公路整體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量造成影響。于此情況時，在對公路結(jié)構(gòu)層的厚度進行檢測的時候，應使用空氣耦合天線，其在公路的檢測當中可經(jīng)天線直達波和地面波相分離，來對公路面層的厚度加以精準的檢測與分析。

（2）在使用探地雷達對公路加以檢測時，需對分辨率加以管控，按照在探地雷達的檢測當中，垂向的分辨率對公路結(jié)構(gòu)層的厚度探測精準度存在直接的影響，那么在公路結(jié)構(gòu)層的厚度檢測當中，需使用高頻天線來加以檢測，從而保證檢測效果與品質(zhì)。探地雷達于公路的檢測當中是存在著天線輻射這一特性的，于近地的模式來檢測及分析公路工程的時候，能量傳遞是呈現(xiàn)出感應場和似穩(wěn)場的形式，于非地面的模式時，所呈現(xiàn)出的是遠區(qū)場內(nèi)的輻射傳播。

5 結(jié)語

探地雷達屬于現(xiàn)代化的檢測技術(shù)，在技術(shù)方面有著明顯的優(yōu)勢與特征，于公路檢測當中得以廣泛應用，這給公路的質(zhì)量保障與缺陷維護等方面提供了良好支持，需持續(xù)對其加以研究，將此技術(shù)的效果充分發(fā)揮出來，不斷提高公路建設(shè)的效果。