雷达检测技术在道路工程中的应用

2014-12-25关恺

交通运输研究 2014年16期

关恺

（杭州市公路管理局检测试验中心，浙江杭州310016）

0 引言

地质雷达同时也被称为透地雷达、探地雷达，它是利用频率介于106～109Hz 的无线电波来确定岩体、砌体、地下介质分布状况的一种方法。地质雷达是利用发射天线向地下介质发射高频电磁波，电磁波在地下介质中传播时若遇到存在电性差异的界面时会发生反射，依据接收天线所接收到的电磁波的振幅强度、时间和波形的变化特征等，推断出介质的形态、埋藏深度及结构与空间位置。使用地质雷达对道路的结构与厚度进行检测具有精度高、分辨率高、抗干扰能力强、轻便快速等特点。目前，这项技术被广泛地应用于道路等领域的质量控制及其病害检测工作中。

1 地质雷达检测技术的意义

在现阶段的道路建设全过程中，特别是在道路质量无损检测技术中，地质雷达检测技术不但可以提高工程交（竣）工质量验收速度，同时还可以提供科学、准确的数据，确保技术指标的精确度，减少了人为干扰、取样偏差等因素。除此之外，地质雷达检测技术优于钻孔取芯等破损检测方法，减少了对道路原结构的破坏。在路况调查时（特别是水泥混凝土路面），利用地质雷达检测系统能发现板下脱空等病害，从而及时处理，避免造成面板碎裂、断裂，从而延长公路使用寿命，提高经济效益。

地质雷达检测技术是一项无损检测技术，其抗电磁干扰能力较强，在道路工程中有着较满意的探测深度和分辨率。不但可提供实时的剖面记录图，而且图像清晰直观。与此同时其属轻便类仪器，现场操作时仅需3 人甚至于更少人员。因此，地质雷达检测技术在我国道路工程检测工作中得到了广泛的应用。

2 地质雷达工作的原理

地质雷达检测方法是利用高频电磁脉冲波的反射原理。通过发射天线向目的体发射高频宽带短脉冲电磁波，经目的体反射后返回并由接收天线接收，电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性及几何形态的变化而变化。根据电磁波传播所携带的信息，经过分析、处理与计算，即可获得介质厚度及背后空洞等信息。地质雷达所接收到的信号经过模数的转换处理后送达计算机，经过滤波、增益等一连串的数据处理之后形成地质雷达探测图像。地质雷达图像是解释资料的根本图件，地下介质中若存在着电性差异，就可能在地质雷达的图像剖面中被反映出来。地质雷达的工作原理如图1所示。

图1 地质雷达的工作原理

通过同相轴的追踪，可以测定各介质反射层反射波的旅行时T。依据地下介质的电磁波速V与反射波旅行时T，由以下公式可以计算出目的层的深度h：

式中：h为目的层深度；x为发射天线与接收天线的间距；V为介质中的电磁波传播速度。

地质雷达波反射信号的振幅与其反射系数成正比，在低损耗介质中以位移电流为主，其中反射系数r可表示为：

式中：ε1与ε2为界面上介质与下介质的相对介电常数；c为光速。

上、下层介质的电性差异决定了反射信号的强度，若电性差异越大，反射信号则越强。

地下介质的电性和中心频率决定了雷达波的穿透深度。若导电率越高，穿透深度则越小；若中心频率越高，穿透深度则越小，反之亦然。相比较而言，空气的介电常数是1，较小；水的介电常数是81，较大；然而对于其他介质而言，相对的介电常数大部分都是处在这两者之间。不管是电磁波从空气中穿入非空气的介质还是从非空气中的介质进入空气中的介质，在两者界面都会产生强反射。例如混凝土介质的介电常数是6，它与空气介质的介电特性有着明显的差别，假如两者间存在着裂缝或者空洞，地质雷达信号将会被反射，同时测试回波信号幅度将会明显增强，从而在地质雷达检测的剖面上形成明显的异常。工作人员通过此现象进行检测判断。

3 地质雷达仪器及其检测技术

杭州市公路管理局检测试验中心现阶段检测所使用的地质雷达为意大利IDS 公司所生产的RIS—K2型地质雷达（见图2）。它的系统硬件是由以下几个部分组成：DAD 控制单元、天线、网络电缆、笔记本电脑和电池包。此系统具有体积小、质量轻、分辨率高、快速稳定且易于操作等特点。本文案例测量时所采用的技术参数是：中心频率为2 000MHz 的天线，转换为16 位A/D，采样点数为512，时窗为15ns，采样点距为2cm。收发天线将以固定天线之间的间距及其测点的间距沿测线同步移动，连续测量所得到的测线剖面上形成的雷达图像称为反射剖面法。

图2 IDS RIS—K2地质雷达

4 地质雷达数据处理的相关分析

地质雷达资料不仅具有短时、高噪的特点，并且随着探测深度的增加，有用的信号将会越来越弱，而干扰成分相对而言变得更加突出。雷达数据的采集是分析解释的基础，数据处理则是提高信噪比，将异常突出化的过程。雷达将其所采集到的原始记录输入计算机后，使用IDS GRED/S—3D 高级雷达处理成像软件（该软件既可以用于解释单个雷达数据，也可以用于解释在同一场区采集到的单个或多个雷达数据文件）进行相关的预处理，以及通过漂移去除、零线设定、背景去噪、谱值平衡、滑动平均等技术处理后，有效地压制干扰信号的能量，提高雷达信号的信噪比，使雷达图像更易于识别地质信息，清晰地反映地质现象，从而提供更准确的解释结果。

5 工程实例

某一级公路水泥混凝土路面的基层为水泥稳定碎石，上路床是填土，从地质雷达剖面上可看到分层界面及其脱空位置的反射波，有着比较高的分辨率与信噪比。

5.1 路面脱空缺陷判定原理

路面层与基层、基层与路床之间会存在着比较明显的介电常数差异，然而脱空后因空隙的存在，将会使脱空处的介电常数差异加大。依据地质雷达反射波的振幅（能量）差异、同相轴畸变的程度以及相关经验，将面层与基层界面处所存在的脱空程度划分为“轻微”与“明显”两种类型。

5.2 路面地质雷达检测

以某区段桩号ZKl0+596.5～ZKl0+616.5 的路面为例，对其区段进行地质雷达检测，检测的总里程是20m，一共有4 块板，测线布置如图3 所示。通过对地质雷达图像进行处理分析之后，会发现此区段的局部地段存在着明显脱空或者轻微脱空，纵向区脱空的长度累计12.5m，每条测线平均为4.2m，占本区段总体长度的20.8%。检测结果见表1，地质雷达检测剖面如图4 与图5所示。