层厚检测雷达在湖南干线公路上的应用

2011-07-30施兴华邓志斌于景兰

湖南交通科技 2011年3期

施兴华，邓志斌，于景兰

(1.中国电波传播研究所，山东青岛 266107;2.湖南省公路管理局，湖南长沙 410011)

“十一五”期间我国公路建设取得了突飞猛进的发展，以湖南省为例到2010年底累计完成通车3 000 km，其中大部分为水泥混凝土路面。这使得新建道路的质量检测任务日益加重。但原有的以钻芯取样为主的传统公路质量检测方法不仅效率低、偶然性大、代表性差，而且对公路具有很大的破坏。为此急需发展快速、有效、无损的公路检测技术。

层厚雷达是一种利用地下介质的介电特性来探测地下目标的有效工具，具有高效、高分辨率、操作灵活方便、无损等优点。层厚检测雷达在公路工程质量无损检测中的应用，克服了原有检测方法效率低、代表性差、成本高等不足，为新建公路、改扩建公路的质量评定提供了一种准确、快捷的检测方法。

本文以LTD公路层厚检测雷达在湖南水泥混凝土路面检测工程为实例，对雷达厚度检测中的常见技术问题做了说明，详细分析了误差的来源并提供了解决的办法。

1 层厚检测雷达原理［1］

层厚检测雷达是探地雷达专业化的一个分支。探地雷达是通过向地下发送脉冲形式的高频宽带电磁波来确定介质内部分部规律。电磁波在地下介质传播过程中，当遇到存在电性差异的地下目标体，如空洞、分界面时，电磁波便发生反射和折射，返回到地面时被接收天线所接收。在对接收到的雷达波信号处理和分析的基础上，根据信号波形、强度、双程走时等参数便可以推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐藏目标物的探测。［2］

对面层厚度检测而言，就是通过得到电磁波在各结构层的交界面的反射时间和各结构层内的传播速度计算得到，因此厚度检测的关键，首先是确定各结构层界面的回波时间，其次要确定电磁波在各结构层内的传播速度。图1为层厚检测雷达检测路面结构层厚度的原理图。图中R0为电磁波与空气—面层界面产生的反射波;R1为面层—基层界面产生的反射波;R2为基层—土基界面产生的反射波;Δt1为电磁波在面层中的往返时间;Δt2为电磁波在基层中的往返时间。

图1 层厚检测雷达在公路层厚检测的原理图

速度与电磁波在结构层中往返时间一半的乘积，即该结构层的厚度。面层厚度为:

基层厚度为:

其中C为电磁波在真空中的速度，ε1和ε2分别为面层和基层的介电常数。

2 厚度检测实例

2.1 设备选择

在公路路面层厚检测中，使用层厚检测雷达一体化设计比常用的车载空气耦合天线配合雷达主机的方式更加方便，更加经济。而且省去了装卸车载的架子麻烦，同时能比空气耦合天线穿透更深，获取更多的信息。

公路层厚检测雷达是以双通道超宽带雷达为基础，以公路层厚检测软件为核心，以距离传感器为辅助，以便携式手推车为工具，实现公路层厚的检测、分析。见图2所示，其中的数据处理单元包含对双通道雷达的实时控制，并且可以在检测现场使用数据处理单元的层厚检测软件直接给出层厚数据。

图2 公路层厚检测雷达示意图

其中双通道雷达由1 500 MHz地面耦合天线和900 MHz地面耦合天线组成。1 500 MHz地面耦合天线在检测中分辨率较高，而900 MHz天线具有较深的穿透能力，把两者的数据结合分析就可以同时满足分辨率和探测深度的要求。

2.2 波速标定

要减少测量误差必须对波速进行精确标定，目前最常用的就是采用钻芯的方法标定混凝土路面的波速。沿公路厚度检测的测线上采集一个静态数据，在本次检测中通过钻芯机得到水泥混凝土路面的厚度h=30 cm，并根据静态数据(见图3)从雷达图谱上得到电磁波在混凝土中的双层走时t=6 ns就可以得到波速v=2h/t=10 cm/ns。

图3 静态数据剖面及波形

2.3 数据采集实例

2010年12月使用LTD公路层厚检测雷达在湖南常德207国道樟木桥到界牌段进行现场检测。测线总长度为500 m;采样间隔为10 cm;选用20 ns的时窗;每次扫描采样点为512个;采用轮测的方式采集数据。在检测现场将实测数据使用数据处理单元的层厚检测处理软件经过标记归一化和道标准化、滤波等处理后，再使用公路工程评价模块的层位自动追踪功能会得到如下图像(见图4)。

图4 雷达图谱中的层厚曲线

从图中可以清晰地看到水泥混凝土面层与基层的分界。

由层厚检测处理软件中的公路工程评价模块得到的“公路面层厚度检测明细表”(如图5)。

这里软件直接给出了《公路工程质量检验评定标准》规定的路段设计值、平均值、代表值以及起始里程和终止里程。

在207国道的检测期间还进行了现场钻芯验证，如图6所示，并对由软件中给出的雷达估计值和钻芯的实际值进行了比较，结果如表1。

图5 公路面层厚度检测明细

图6 钻芯现场图片

表1 钻芯厚度与GPR估计厚度对比表

所有的数据都是由公路层厚检测雷达在现场得到的，而不需要像通用的探地雷达计算那样需进行事后分析。这种方法大大提高了公路检测管理部门的工作效率。

3 误差分析

3.1 波速误差

采用钻芯标定的方法可以得到该点的波速，但是由于水泥混凝土的配比并非完全一样，即使是相同的路段也会存在不同的波速。如检测30 cm的混凝土面层，假设A点的波速为:V1=10.1 cm/ns，而离A点3 km处的B点的波速V2=10.2 cm/ns。如果B点的波速用A点来代替的话，对于3个ns单程传播时间来说就会有3 mm的误差。因此解决的办法是在这3 km的检测路段分前后各钻一个芯，并以这两个芯的平均值来求得波速以代表整个路段的波速:V=(V1+V2)/2=10.15 cm/ns。

一般采用钻芯标定时都采用v=2h/t来计算波速，其中h为垂直钻芯厚度;t为电磁波双程传播时间。但由于天线的偏移距存在天线的发射接收路径是由图7所示，得到的传播距离为:

计算得到的波速为:

图7 波速计算图

例如，对于900 MHz天线的收发距离为15 cm。混凝土的深度为30 cm，假设单程传播时间为3 ns。采用v=2h/t得到的波速为:

V1=30 cm/3 ns=10 cm/ns

而采用式(4)得到的波速为:

如果用这个波速去检测单程走时为2.9 ns的公路路面厚度时，采用V1波速得到厚度为29 cm，而采用V2得到的厚度为:

误差为0.5 mm，这点误差在公路层厚检测中可以忽略，而且由于采用v=2h/t计算波速比较简单，故在公路层厚检测雷达中同样使用该公式来计算波速。

3.2 采样率误差

由于水泥混凝土本身是以水泥、砂、碎石和水搅拌而成的，它与下面的基层的界面没有沥青与基层的界面那么清楚，如果选错了反射界面会造成严重的误差，而且对于900 MHz天线来说选用20 ns的时窗，每次扫描采样点为 512个，采样率 Δt=0.039 ns，对于波速为10 cm/ns可以得到两个采样点的距离为d=Δt×v=0.39 cm，即有一个采样点的偏差就会有3.9 mm误差。

由采样率引起的误差公路层厚检测雷达中的处理软件自动修正，该软件可以自动追踪层位中的峰值点，避免了采样率的误差。但是由介质变化引起的相位反向还是要靠经验人工判断层位的位置。