路用探地雷达脱空检测参数研究

刘志声,王 乾,万 捷

摘 要:天线的中心频率、分辨率等因素是影响探地雷达脱空检测精度和准确度的主要因素,以此为出发点,在解释探地雷达脱空检测工作原理的基础上,对天线的中心频率、分辨率、采样率等各参数的计算方法和适用范围进行了全面分析和系统研究:根据道路材料介电特性及路面结构尺寸确定了天线中心频率的上限,参考脱空量值资料确定了天线中心频率的下限和最小垂直分辨率,按照优化处理要求结合经典理论规律提出了采样率计算公式,并将研究内容实践于清连一级路,吉林外环路,烟威高速路三项依托工程中,取得了良好的使用效果。

关键词:探地雷达;脱空检测;中心频率;分辨率;采样率

中图分类号:U141,TP274文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)20-163-04

Parameter Research of Ground Penetrating Radar on Detecting Cavity

LIU Zhisheng1,WANG Qian2,WAN Jie2

(1.Xidian University,Xi′an,710071,China;2.Highway College,Chang′an University,Xi′an,710064,China)

Abstract:Both the central frequency of antenna and the resolution are chief factors influencing the accuracy of ground penetrating radar on detecting cavity.Considering it as the starting point,the methods of calculation and application for the parameters of central frequency of antenna,resolution and simpling frequency are analysed,and systematic research based on explaining the working principle of ground penetrating radar on detecting cavity.The upper limit of central frequency of antenna is recommended according to the dielectric property of road materials and the size of pavement structure.The low limit of central frequency of antenna and the minimal value of vertical resolution are determined by considering the data of cavity.The calculation formula of sampling frequency is presented according to the request of optimizing process with classical theory law.The contents are practised on attaching projects of Qingyuan-lianzhou highway,Jilin outer ring highway,Yantai-Weihai highway,achieving a good result.

Keywords:ground penetrating radar;detecting cavity;central frequency;resolution;sampling frequency

0 引 言

探地雷达是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。探地雷达脱空检测是一种高新技术检测,它实质上是一种高频电磁波发射与接收技术。在此通过直接向路基路面中发射射频电磁波,接收反射波而获得路基路面的采样信号,再经过硬件与软件处理,最后分析研究数据图像得到检测结果。探地雷达脱空检测具有探测效率高、无损性、高精度、抗干扰能力强、使用灵活方便等优点[1],在旧水泥混凝土路板底脱空检测中正得到越来越广泛的应用,发挥越来越重要的作用。

天线的中心频率、分辨率、采样率等因素是影响探地雷达脱空检测精度和准确度的主要因素,在此通过对这些因素进行全面分析和系统研究,推荐了各参数的计算方法和适用范围,并结合依托工程评价了使用效果,为今后探地雷达在道路工程中的应用提供了理论依据和技术支持。

1 工作原理

探地雷达脱空检测是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式[2],其工作过程是由置于地面的发射天线向地下发送一高频电磁脉冲波(主频为数十兆赫至数百兆赫乃至千兆赫),地层系统的结构层可以根据其电磁特性如介电常数来区分,当相邻的结构层材料的电磁特性不同时,就会在其界面间影响射频信号的传播,发生透射和反射。一部分电磁波能量被界面反射回来,另一部分能量会继续穿透界面进入下一层介质,电磁波在地层系统内传播的过程中,每遇到不同的结构层,就会在层间界面发生透射和反射,各界面反射的电磁波由天线接收器接收并由主机记录,利用采样技术将其转化为数字信号进行处理。从测试结果剖面图得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时T。当地下界质的波速已知时,可根据测得的精确T值求得目标体的位置和埋深。这样,可对各测点进行快速连续地探测,并根据反射波组的波形与强度特征,通过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测,则可了解场地目标体平面分布情况,如图1所示[3]。通过对电磁波反射信号(即回波信号)的时频特征、振幅特征、相位特征等进行分析,便能了解地层的特征信息(如层厚、缺陷、空洞等)。

图1 探地雷达检测原理图

2 参数研究

2.1 天线的中心频率的选择

探地雷达能探测到最深的目标体深度称为探地雷达的最大探测深度。其是关系到探地雷达技术能否运用的一个关键因素,当目标体埋深超出系统探测深度的50%,探地雷达方法将失效。

探地雷达的最大探测深度主要与环境因素和目标特性有关。电磁波在道路介质中传播时的波长λm为:

λm=cfcεrμr(1)

式中:fc为脉冲信号的中心频率;c为光速,εr为介电常数;μr为磁导率。

雷达脱空探测中常用道路材料介电常数的如表1所示[4]。

表1 常用道路材料介电常数

介质介电常数实部介电常数虚部介质介电常数实部介电常数虚部

旧混凝土9-0.47饱和柔性基层>16-1.2

新混凝土10~20-2.2砂砾路基8~15-0.5

沥青3.7~10-(0.05-0.50)湿砂20~30-(0.1-1)

剥落沥青

混凝土小于4-0.035石灰岩4~8-(0.5-2)

湿沥青混凝土大于8-0.20粘土5~40-2

干柔性基层小于8-0.20花岗岩7-0.001

湿柔性基层大于12-0.80玄武岩8-0.01

从探地雷达系统本身来说,使用的天线频率越高,探测深度越小;反之,天线频率越低,探测深度越深。但对于同一天线频率来说,最大探测深度将取决于地下介质的电属性,需探测目标体的尺寸大小以及目标体与周围介质的电性差异程度等因素。商用探地雷达一般允许介质的吸收损耗达60 dB。通常的道路地质环境中,则可用Annan给出的探测深度dmas简易估算式进行估算[5]:

dmas<30/α或dmas<35/σ(2)

式中:α为衰减系数(dB/m);σ为电导率(ms•m-1)。

路用探地雷达的探测深度与中心频率之间的关系见表2。

表2 不同天线频率探测深度值

天线频率

/GHz探测深度

/m天线频率

/MHz探测深度

/m天线频率

/MHz探测深度

/m

2.50.3~0.69000.75~1.53003~6

1.00.6~1.05001.5~3.010010~20

对于旧混凝土路面板脱空等厚度在0~0.5 m左右的检测,根据道路材料介电特性和不同路面结构类型统计分析,当天线中心频率大于2 GHz后,探地雷达基本不能穿透旧混凝土路面板,即无法探测板底脱空情况。因此,探地雷达脱空检测天线中心频率上限值为2 GHz。

2.2 分辨率的选择

探地雷达分辨率是指雷达区分两个在空间上相距很近的目标的能力(也可定义为雷达区分在时间上相距很近的脉冲信号的能力)。其决定了探地雷达分辨最小异常介质的能力和应用的范围,分为垂直分辨率和水平分辨率,在路面脱空检测中起主导作用的是垂直分辨率。

假定在同一垂直方向上有两个目标存在,目标在深度上相距为Δd,探地雷达要在空间上能分辨出这两个目标回波信号,必须满足[6]:

Δd≥v/4fc=λm/4(3)

即Δd要大于介质中脉冲信号中心频率所对应得电磁波波长的1/4。因此探地雷达的最小分辨率为:

(Δd)min=λm/4=c/4fcεrμr(4)

已有研究资料表明,旧混凝土路面板脱空量值基本在0.5～3 cm范围内,故只有最小垂直分辨率(Δd)min≤3 cm探地雷达才能分辨脱空情况。而由式(4)可知,当(Δd)min为3 cm时,探地雷达天线的中心频率fc大约为900 MHz。因此,探地雷达脱空检测天线中心频率下限值为900 MHz。在实际检测中,从分辨率角度考虑,所选雷达天线的频率越高越好,但是中心频率越高其探测深度越小,所以应合理地选择天线中心频率,以兼顾探测深度和分辨率。

2.3 采样率的选择

采样率是用记录目标反射波时,探地雷达采样头采样间隔的倒数来衡量的,采样率越高,采样间隔越短。而采样率由奈奎斯特采样定律控制,即采样率至少应达到记录的反射波中最高频率的2倍。对大多数探地雷达系统,频带与中心频率比大致为1,则发射脉冲能量覆盖的频率范围为0.5~1.5倍中心频率,即反射波的最高频率大约为中心频率的1.5倍,因此按奈奎斯特定律,采样率至少要达到天线中心频率的3倍。

采样率还应满足检测数据反滤波技术处理的要求[7]。理想地质雷达发射脉冲应该是一个尖脉冲,然而,由于天线频谱响应的限制,这种反射脉冲,实际是一个具有一定时间延续的波形b(t)。雷达记录可看成是雷达子波与反射系数ξ(t)的卷积。

x(t)=b(t)*ξ(t)(5)

在雷达记录中,相距在0.5 m以内的两个反射界面其到达时间差仅为几ns,难以在雷达反射剖面图像中区别开来。反滤波的目的是要把雷达记录x(t)变成反射系数序列ξ(t),即令:

ξ(t)=a(t)*x(t)(6)

式(5)代入式(6)得:

ξ(t)=a(t)*b(t)*ξ(t)(7)

即:

a(t)*b(t)=1(8)

a(t)称为反子波。由此可知,已知雷达子波b(t),求出反子波a(t),利用式(6),把反子波a(t)与雷达记录x(t)卷积,即可求出反射序列ξ(t):

ξ(t)=a∑a(τ)x(t-τ)(9)

由以上反滤波卷积分析,再结合奈奎斯特定律[8],最终提出探地雷达脱空检测采样率计算公式为:

Δt=1 000/(6fc)(10)

3 依托工程中应用

(1) 清远-连州一级公路试验段。雷达选用美国GSSI公司SIR-10H地质雷达,采用空气耦合型天线,天线中心频率为1 GHz,对K2150+000～K2151+000段行车道进行脱空检测,检测参数见表3。为验证雷达检测准确度,同时采用落锤式弯沉仪(FWD)对比检测,以便更好的判断比较,检测结果见表4。

表3 依托工程雷达检测参数

工程天线中心频率/MHz分辨率 /m采样时窗 /ns采样率 /ns相邻扫描点间距 /m

清连一级路9000.03200.1850.2

吉林外环路1 0000.02200.1670.2

烟威高速路1 5000.01200.1110.2

表4 探地雷达和FWD脱空检测结果

FWD检测脱空雷达检测脱空(起止里程)

K2150+075K2150+546K2150+152～K2150+178K2150+537～K2150+550K2150+762～K2150+797

K2150+226K2150+703K2150+217～K2150+229K2150+580～K2150+593K2150+800～K2150+810

K2150+350K2150+753K2150+345～K2150+370K2150+622～K2150+640K2150+835～K2150+880

K2150+450K2150+803K2150+410～K2150+475K2150+673～K2150+720K2150+888～K2150+913

对比分析两种检测结果后发现,FWD共检测出九处脱空,雷达检测出其中八处,仅有一处未检测出来。而雷达共检测出13处脱空,有四处FWD未检测出来。经对这四处路面进行实际钻芯核查,发现确实存在脱空现象,证明雷达检测具有较高的可信度。

(2) 吉林外环高速公路试验段。探地雷达检测使用美国GSSI公司产SIR-10H型路用探地雷达系统,选用空气耦合型天线,天线中心频率为900 MHz,对K103+000～K105+000试验段路面逐板进行检测。检测路面沿行车道、超车道各布设一条检测剖面,检测路线见图2。首先对雷达检测原始数据进行滤波、增益和反卷积处理,然后确定有关参数(见表3)和计算方法,最后运用相应RADAN软件生成检测结果。分析检测结果图像可知,脱空多发生在板边和板角处,多数脱空为不明显脱空,即板边、板角小范围轻微脱空,同时可发现多数板块存在脱空连续现象。通过对雷达检测出的脱空板进行压浆和灌缝处治时材料使用量的统计,再结合路面板破损状况调查和少量钻芯取样,综合评定雷达检测结果后发现,雷达检测确定脱空状况基本与实际脱空情况相符合,整体检测效果较好。

图2 雷达检测脱空测线布设示意图

(3) 烟台-威海高速公路试验段。雷达采用美国GSSI公司产SIR-20型地质雷达,天线中心频率为900 MHz和1 500 MHz,对K176+650～K178+550试验段路面逐板进行检测,行车道、超车道板中位置各布置一条测线,两车道板之间位置布置1条测线,共计3条,检测参数见表3。通过对扫描图和灰度图(见图3,图4)两种雷达图像的判读、识别与解释,将检测重点放在面板下疏松与脱空。为验证雷达检测脱空的可信度,随机选取10处路面板进行钻芯复核,调查脱空情况,调查结果如表5所示。

图3 900 MHz雷达探测灰度图

表5 雷达检测和钻芯复核脱空结果

钻芯板号雷达检测钻芯复核钻芯板号雷达检测钻芯复核

行车道板a无脱空无脱空超车道板a无脱空中度脱空

行车道板b轻度脱空轻度脱空超车道板b重度脱空重度脱空

行车道板c重度脱空重度脱空超车道板c轻度脱空轻度脱空

行车道板d无脱空无脱空超车道板d轻度脱空轻度脱空

行车道板e重度脱空重度脱空超车道板e中度脱空中度脱空

由表5可知,雷达检测与钻芯复核相符率达到90%,仅有一块板判别情况稍有差异,充分说明雷达检测具有较高的准确性。

4 结 语

以上依托工程实践表明,探地雷达检测参数选用的是否合理,关系到能否对旧水泥混凝土路板底脱空情况作出准确的判断,因此参数的选择至关重要,但参数的选择仍是一个很复杂的问题,往往要根据各种具体情况进行反复调整才可达到最佳效果,这里各参数的计算方法和适用范围还需要在工程实践中进一步检验和修正。

图4 1 500 MHz雷达探测扫描图

参考文献

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