朱潔 仝潤北 於建洋 余昆
交通運輸部科學研究院
摘 要：為探究探地雷達在道路檢測領域中的應用，本文論述了探地雷達的工作原理、理論依據及天線類型，開展了探地雷達在路面厚度和板底脫空中的應用研究。結合實際工程，本研究闡述了道路厚度和板底脫空的判斷的步驟，解釋了雷達信號干擾的濾波方法。以雷達電磁波反射信號的振幅和相位特徵為基礎，本文分析了板底脫空病害的雷達圖像特徵，最後採用鑽芯取樣的方法進行驗證。
關鍵詞：探地雷達;無損檢測;道路厚度;板底脫空;
基金：中央級公益性科研院所基本科研業務費項目(20207509);
隨著交通行業的發展，道路服務水平大幅提高，但隨著道路里程的不斷增加，對道路檢測及養護科學化決策的要求也越來越高。在道路施工、驗收、養護過程中經常需要對路面取芯判斷道路的損壞情況，但取芯破壞了路面整體性，回填後也往往出現不密實、裂縫等現象，因此使用地質雷達對道路進行無損檢測可有效的提升道路品質，延長使用壽命，對道路提升道路服務水平具有重要意義，探地雷達法(Ground Penetrating Radar Method)有著快捷、準確、檢測效率高、檢測過程連續等特點，在道路隱性病害檢測方法中脫穎而出。
本文從探地雷達的工作原理和理論依據出發，以實際道路檢測為依託，開展道路厚度檢測和板底脫空檢測的應用研究，包含雷達天線的選擇依據、檢測路段的確定、鐵板文件的標定、波速的標定、檢測數據的處理與分析等，為後期道路隱性病害的檢測、養護決策工作提供參考。
1 探地雷達的工作原理與理論依據
1.1 探地雷達的工作原理
探地雷達的基本工作原理是通過發射高頻脈衝電磁波，當電磁波遇到目標體時，由於目標體介電常數與周圍物質介電常數存在差異，產生反射回波。由雷達接收天線接收目標體的反射回波從而判定目標的位置及反射體的性質，探地雷達原理如圖1所示。
目前我國公路路面尤其是新建道路一般採用改性瀝青，基層和路基一般採用無機結合料，而隱性病害由於空氣和水的介入使得介電常數產生明顯變化，接收天線接收到的信號強弱表示兩種介質間的介電常數差。當雷達波接觸與周圍介電常數不同的物體時，由於電性的較大差異，會產生強烈的反射波。並且，根據惠更斯原理雷達波會在目標體周圍產生繞射波，在道路斷面中出現拋物線，可通過雷達波的變化判斷目標體的位置和體積。
圖1 探地雷達原理 下載原圖
1.2 理論依據
1.2.1 電磁波在結構層中的傳播規律
探地雷達發射的波為電磁波，根據電磁波的傳播理論，其在道路結構層中的傳播服從麥克斯韋方程組。
1.2.2 電磁波旅行時間
式中:h為目標體的埋深;x為收發天線的距離(本文所用天線為收發一體天線故忽略x);v為電磁波在介質中的傳播速度。
1.2.3 電磁波在介質中的傳播速度
式中:C為電磁波在真空中的傳播速度(0.29979m/ns);εr為介質的相對介電常數;μr為介質的相對磁導率(路面材料一般μr≈1)。
由此公式可見電磁波只與介電常數密切相關。所以介電常數成為了探地雷達應用中的最重要的參數。
2 雷達天線的選擇
探地雷達接收到的信號大小取決於天線的頻率、目標體介電常數、目標體的深度及地層的衰減係數，當地下介質一定時由目標體深度或目標地層深度決定雷達天線的頻率，天線頻率越低，則探測深度越深，頻率越高則深度越低。
首先探地雷達頻率的選擇首先需考慮目標體深度，探地雷達的最大探測深度由雷達天線所接收到的回波信號振幅與系統的背景噪聲的比值所決定(信噪比)，若背景噪聲大於或等於接收到的反射回波，則目標體或地層超出雷達的探測深度。但實際使用中深度越接近最大探地深度背景噪聲干擾越明顯，無法清楚的分辨出目標體。所以在頻率選擇時目標體預計深度一般不超過最大探測深度的80%。
其次需考慮解析度，解析度為將兩目標分開的能力，即能分辨的最小目標，理論上頻率的極限為主頻波波長的八分之一，而實際應用中由於噪音的影響離散目標的垂直解析度大概為二分之一主頻波波長，天線的頻率越高則解析度越高反之亦然。故選用滿足探測深度的最高頻天線。
在道路檢測中通常採用單體屏蔽天線和空氣耦合天線兩種。單體屏蔽天線主頻範圍廣但是檢測時必須與地面接觸，若接觸不好會對圖像產生影響，空氣耦合天線離地面有一定高度適合車載進行高速公路快速測量，但探測深度較淺。道路檢測中常用天線見表1。
表1 雷達參數 下載原圖
3 探地雷達在道路厚度檢測中的應用研究
探地雷達在道路厚度檢測中的應用包含步:
(1)將雷達檢測車、編碼器、主機、天線等組裝完成;
(2)確定檢測路段，檢測段落以介電常數相近為原則，選擇相同路面結構、級配、料場及同一拌合站，路面濕度不得相差過大，一個檢測段落不超過一個施工標段，測線布置應避免施工接縫;
(3)鐵板文件的標定;
(4)波速的標定;
(5)雷達檢測數據的處理與分析。
3.1 鐵板文件的標定
(1)建立工區文件，選擇測量輪觸發模式並標定測量輪。
(2)設置測量參數見表2。
(3)製作鐵板文件—初始化天線，調整並保存天線的參數。
(4)調整時窗範圍—在FIR Filter濾波器中設置濾波參數，延時(position)去除干擾波，保留直達波和地面反射波，一般直達波前預留1.1ns左右。
表2 設置參數 下載原圖
表3 天線參數 下載原圖
圖2 調整時窗 下載原圖
(5)開始採集鐵板文件，先採集一段靜止的數據，然後人上下搖晃天線，模擬車輛在行駛時的天線晃動情況。
圖3 採集鐵板文件 下載原圖
3.2 標定波速
在厚度檢測應用中介電常數的獲取採用鑽芯取樣法標定在面層中的代表波速，由於道路病害在取芯孔位置發生較頻繁，為減少對路面的損壞，儘量減少取芯數量，一般在一個檢測段落取兩個芯樣(若芯樣求出的波速差別過大則增加一個標定芯樣)。
取芯位置選擇雷達回波信號較強，地層分界清晰明顯的位置，採用時間觸發模式對取芯位置採集數據並鑽芯;芯樣的直徑為100mm，鑽心深度達到面層整個厚度，取出芯樣後去除底部附著的多餘材料，並在芯樣表面畫十字，分鋼板尺測量四點，求出四點平均值，精確至0.1mm。取芯後打開文件添加鑽孔信息利用公式2計算該點波速，多個波速取平均值代表該檢測段落波速，經標定，檢測路段的波速為12.6cm/ns。
3.3 雷達檢測數據的處理與分析
以實際道路厚度檢測為例，某新建一級公路，路面結構為上面層4cm AC-16+下面層6cm AC-20，採用美國GSSI公司生產的SIR-20多通道高速地質雷達，中心頻率為2GHz空氣耦合天線。
本研究對採集的.dzt文件使用radan7軟體進行數據處理，其步驟為如下:
(1)掃描信息預編輯，切除多餘掃描信息。
(2)文件方向調轉，使樁號從小到大。
(3)添加里程信息，輸入起點坐標。
(4)自動調節增益，若採集時信號足夠清晰則調節顯示增益，使灰度對比明顯。
圖4 增益調節前後 下載原圖
(5)空氣耦合天線反射拾取(調整地面時間零點)如下圖所示:
圖5 調整地面時間零點前後 下載原圖
(6)消除雪花噪音干擾，使用IIR濾波選擇水平高通濾波。
圖6 濾波前後 下載原圖
(7)交互式解釋，使用範圍拾取工具拾取目標地層界面並設置波速。
(8)人工識別自動拾取產生的錯誤點並修正。
圖7 異常點人工修正前後 下載原圖
(9)根據需要導出每隔一段距離(此例為50cm)的面層厚度信息，如表4所示。
表4 道路厚度信息 下載原圖
4 探地雷達在板底脫空檢測中的應用研究
4.1 技術分析
以實際道路板底脫空檢測為例，檢測道路為已建道路，道路等級為三級，重載交通量大，病害較為嚴重，路面層厚度為25cm水泥混凝土。採用美國GSSI公司生產的SIR-20多通道高速地質雷達，中心頻率1GHz空氣耦合天線，採用測量輪觸發模式，發射率350k Hz，採樣/測點為512，測點/秒為300，掃描/米為20，附加現有宏(鐵板文件)，鐵板文件的標定參見3.1節。
應用地質雷達檢測水泥路面板底脫空方法與厚度檢測方法基本類似，但由於板底脫空的產生原因是因為基層沉降，或路面在車輛荷載的反覆作用下，基層產生塑性變形，以及填縫料損壞導致水的進入，長期積累導致水泥混凝土面板與基層分離，出現原始脫空區並惡化。所以脫空病害多發在接縫處，故測線布置應選擇在接縫兩側。
4.2 數據處理
本研究對採集的.dzt文件使用radan7軟體進行數據處理，其步驟與厚度檢測相同，部分病害處理結果見圖8、圖9所示。
圖8 無病害雷達圖像 下載原圖
圖9 板底脫空 下載原圖
4.3 鑽芯取樣驗證
在圖10標記位置圖像出現明顯的水平條紋，且明暗交錯間隔較大，反射信號幅值增強，呈連續近似水平的橫向分布，且出現規律的多次反射，結合人工調查該段落裂縫較嚴重，判斷該區域出現大面積脫空區，取芯驗證證實出現較明顯板底脫空現象。
圖1 0 取芯驗證 下載原圖
5 結論
目前探地雷達技術在公路領域已有廣泛應用，探地雷達技術的無損、快捷、準確的特性使其具有廣闊的發展空間並具有很好的經濟效益，提早檢測並採取相應的措施可有效減少路面的持續損壞，消除更嚴重病害發生的隱患。
(1)本文首先介紹了探地雷達的原理以及雷達天線的選擇依據;
(2)以實際道路檢測為例，介紹了探地雷達在道路厚度和板底脫空檢測中的應用，包括設備的組裝，檢測路段的確定，鐵板文件的標定，波速的標定和雷達檢測數據的處理與分析。
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