探地雷达在路面面层厚度检测中的应用与分析

王 林 寇战策

（1.河南交院工程技术集团有限公司，河南 郑州 450000；2.安徽省公路桥梁工程有限公司，安徽 合肥 230031）

1 探地雷达检测技术原理及特点

探地雷达的基本原理，是将一个宽频谱，脉宽为亚毫微秒量级的无载波脉冲加宽到宽带色散时域保形发射天线上，并有效的辐射到地下，当脉冲波在地下传播过程中遇到介质面，目标或其他局域介质不均匀体时，一部分脉冲波能量反射回地面，由宽度非色散时域保形接收天线将探测到的地下的反射回波接收并传输到时域宽带接收机，然后再转化为数字信息来进行数字信号的处理。作为一种物理检测手段，现今探地雷达技术应用范围愈加广泛，如建筑工程的地质探测、矿井探测以及公路路面厚度检测等多个领域，这与它独特的优势特点是分不开的，其特点如下：第一，可以对路面进行无损性的探测，雷达检测技术在公路路面的检测中可以不进行损毁就可以进行连续的探测，因此省去了后面修补路面的成本和劳力，从而节约大量的成本和劳动时间。第二，检测效率高，雷达探测器可以实现数据的采集和应用成像的全过程，并且整个过程仪器操作较为简单，数据采集迅速，并且在车辆实际运行的状况下也能进行检测，检测的速度达到80km/h。第三，检测的精度高，同其它检测方法相比，探测雷达的实际分辨率可以达到厘米的等级，并且探测深度的符合率通常都小于5cm，因此探测的精度较高。第四，探测频带较宽，雷达探测器的无载频脉冲类型，可以拥有宽度较高的频带，因此可以通过信息处理技术的应用来提高公路检测的探测能力和信号的分辨效率。第五，较强的抗干扰能力，雷达中设有屏蔽天线，因此可以只接受地面探测的信号，避开其它电磁波的影响，因此具有较强的抗干扰能力。

2 影响探地雷达路面厚度检测的重要因素

1）环境电导率。环境电导率直接影响介质传导电荷的能力。因为探地雷达拥有较高的工作效率。电磁波的工作条件无论是在介电极限时，还是在静态的极限时或者是在两种情况之间时，它的深度都会也电导率成反比。电导率的数值不断增加，电磁波的传播深度逐渐减小。当处于极限状态时，环境的导电效果越来越低，电磁波减慢的速度逐渐降低，探测的深度逐渐增加。

2）介电常数。介电常数直接反映介质的极化特性，彰显介质的贮藏作用。在介质损耗的情况下，探地雷达的电荷通过外部的作用力产生了位移和摩擦，这时产生了一定的热能。因为能量的转变，影响电磁波的传播效果，使其逐渐减弱。

3）磁导率。磁导率显示了路面进行磁化的情况。以磁导率的数值进行划分，主要可以分为三类，即反磁性材料、顺磁性材料以及铁磁性材料。不同的材料对电磁波的传播效果不同。

4）中心频率。在探究中心频率时要考虑路面的深度以及天下的使用情况。通常情况下在满足以上两个条件时，应该适当调低中心频率，这样有利于提高电磁波传播的效果。在实际调节时还需要考虑测量地的实际情况，设置科学的数值。

5）采样时间。采样时贯穿探地雷达测量的整个过程。它的取值主要由路面的实际深度和电磁波在各层结构中的传播速度决定。

6）采样率。采样率主要有采样的间隔来决定的，它的数值越高，采集的电磁波样品的时间就越短。目前，我国大部分的探地雷达频带与中心频率的比值在0.8～1.2左右。电磁波的采用率应该达到3.5左右，才能满足探地雷达的正常运行。

3 案例分析

以某段公路为例，它之前的建设结构为水泥混凝土路面，之后因为损害严重改为沥青混凝土路面，路面的承载年限为20年。沥青混凝土路面主要是由沥青层和水泥层这两部分构成的。路面的总体厚度在70cm左右，在现在的路面结构中水泥层的厚度在45cm左右，沥青层的厚度在25cm左右。按照由浅入深的顺序进行排列依次为：沙土泥浆层厚度为3cm、沥青粗粒堆积凝结层厚度为11cm、沥青中粒堆积凝结层厚度为7cm、沥青碎石堆积凝结层厚度为4cm。根据探测的要求可知被要求探测的这段路面，在道路的两侧分别设置了一条用于测量的纵线。它主要是考查这段沥青路面在水泥层和沥青层的实际厚度[2]。在实际的操作中需要在纵向的方向上每间隔9m的距离设置一条测线，测量这个路面在横向上水泥层和沥青层的厚度。以路面的实际长度为参考，按照之前的规律依次进行铺设工作，整个路面检测的距离为5.0km。

1）探地雷达天线以及参数。在探班地雷达运行中要调试好雷达的天线以及实际的运行参数。结合探地雷达的实际应用效果来看，它能够进行探测的厚度应该保持在35cm左右，探测结果的误差值可以控制在0.8cm左右。如果在实际的测量中要求较高，并且对探测的深度有明确的要求，这时就可以采用高精度的雷达探测仪器进行测量工作。例如，2016年7月某市进行路面探测改造工作。这个路面是在原有的基础上增加沥青混合材料，表层结构较为复杂。路面原来的厚度为27cm，修补之后增加了11cm。探测时使用配套1250m耦合天线，时窗为32ns，道采样点数为1029。在进行探测时分别采用雷达探测与钻孔两种方式。沥青层都采用SIR-3000型号的雷达探测仪进行测量工作，为了保障测量的精准性，在路面上随机抽取4点进行验证工作。通过对比GPR测定的厚度和芯样的厚底可知，这四个点中的误差值都控制在0.6cm以内，符合施工的要求。通过数据对比可知，探地雷达技术在实际的工作中可以取代原有的技术模式。但是目前探地雷达技术在探测中的应用率不高，因为在实际的操作运行中需要一定的专业知识与技能，要拥有一定的雷达设备的使用经验才能够顺利的操控设备。以上面的对比结果为依据可知：（1）在避免人为误差、天线数值及参数误差的前提下，探地雷达技术可以准确的探测出路面的厚度。（2）要想提高雷达的使用效率，操作人员应该多积累，学习雷达和电磁波的相关知识。（3）要想促进雷达系统的进一步发展就应该加强对雷达信号的研究。

2）探测过程、资料处理和结果。当探地雷达设备进行探测工作时，雷达设备在主机的引导下发射装置借由天线向地下发射电磁波信号，当地下的电磁波遇到水泥层或者沥青层时就会发生反射的情况，由地面反射回来的信号被另外一个天线接收，然后传输到接收器内。同时还收集了由地面反射回来的信号。两种信号一同被收入到探地雷达的主机内进行数据分析工作。主机对信号进行扩大、过滤、数字化等加工处理，形成一段类似于地震波纹的画面，从而直观展示水泥层与沥青层的分界线。

以剖面图作为参考，每条反射曲线的反射强度可以按照颜色的深浅进行划分。在对数据进行汇总时，要仔细观察电磁波扫射回波的状态、电磁波反射的强度的数值和在自身剖面上的变化走向。确定出电磁波反射的属性情况，分析沥青层与水泥层不同反射波的形态变化，设置点位逐次分析，之后计算反射回波所用的准确时间以及电磁波在两个界面层传播的速度来计算路面实际的厚度情况。

将通过测量线测量出的数据制作成表格，直观地分析出这段路面厚度的变化情况。然后把剖面图与表格进行对比，总结出更加精准的路面厚度。

4 结束语

综上所述，一般来讲，路面厚度检测多采用钻芯法，但这种方法一定程度上会破坏路面结构，检测完后需做及时修补，加之检测结果随机性大、效率低等情况，无法有效评估公路路面厚度。基于反射系数法的探地雷达是一种无损检测技术，在道路结构层厚度及病害检测中应用较为广泛，其特点为无损、高效、迅速等，可有效提高检测精度。