雷达法检测路面厚度的精度分析与建议

许木照

（广东省交通运输建设工程质量检测中心，广州 510420）

根据JTG F80/1—2017《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》规定，厚度是沥青路面工程检验的关键项目，厚度检验方法规定为钻取芯样法[1]。传统的钻芯法检测沥青路面厚度存在效率低、对路面造成损害等缺陷，而且不能全面反映路面的厚度状况。基于这种情况，雷达检测路面厚度作为一种无损、高效，并且可以全面连续检测路面的厚度状况的检测方法，在公路路面厚度检测上具有广阔的发展前景。

路面雷达是一种利用天线发射电磁波穿透一定厚度的路面，电磁波在穿透过程中遇到不同的介质发生反射，发射信号重新由天线接收，根据电磁波的路面介质当中的走时及电磁波在路面介质中的传播速度计算得出路面的厚度技术的。目前，在公路沥青路面厚度的检测中一直以钻芯法检测结果为评定标准，主要是因为路面雷达法检测路面厚度的过程中存在着各种因素影响检测结果的精确性。本文通过结合路面雷达在实际工程中的应用，深入分析雷达检测路面厚度的影响因素，为路面雷达检测技术的发展提供参考依据。

1 路面雷达工作原理

路面雷达主要由承载车、发射天线、接收天线、测距轮、雷达信号分析软件和控制单元组成。其工作原理为雷达检测车以一定的速度在路面上行驶，控制单元输出触发信号，由发射天线发出电磁波，电磁波在经过不同介电常数的各层路面材料时，形成透射和反射，透射进入下层材料，而反射回来的脉冲信号由接收天线接收并记录形成信号图像，如图1所示。

图1 路面雷达工作原理示意图

短脉冲雷达是一种电磁波技术，电磁波及其传播理论是雷达技术的理论基础。电磁波在空间的传播满足麦克斯韦方程，在工程介质（岩土、混凝土、钢筋、沥青、水和空气等）中传播时，当作无源场考虑，满足下列方程组

式中：H为磁场强度；D为电通量密度；E为电场强度；B为磁通密度；l为长度；S为面积；t为时间；I0为常数。

由于短脉冲雷达的工作频率高，在介质中以位移电流为主。因此，实际传播过程中很少发生频散，速度基本上由介质的介电性质决定，可简单地表示为

式中：C为光在真空中的速度，取300 mm/ns；εr为介质的相对介电常数。

对于非磁性介质，当电磁波垂直入射时，其反射特性也主要取决于介质的介电常数，其反射系数R为

可见，电磁波由介电常数小进入介电常数大的介质时，即由高速介质进入低速介质时，反射系数为负，也就是说，反射波振幅反向。反之，电磁波从低速介质进入高速介质时，反射波振幅与入射波同向[2]。

路面雷达发射的电磁波进入路面面层后，部分信号形成反射，部分信号透射进入基层，由于面层与基层的材料不同，雷达信号分析软件可以自动识别并在信号图像中形成明显分界线，通过得到电磁波在路面面层中入射与反射所用的时间，再根据电磁波在该路面面层中的传播速度，即可按照下式计算路面面层厚度[3]。

式中：T为路面面层厚度；ν为电磁波在面层中的传播速度；Δt为电磁波在路面面层入射与反射所用的时间。

2 雷达检测路面厚度的精度分析

2.1 雷达参数设置的影响

2.1.1 采样时窗

采样时窗是指雷达扫描检测开始和截止的时间范围。开始时间一般选为略早于直达波到达时间。截止时间的选择主要取决于需要检测的路面厚度，截止时间的最小值必须大于所需检测深度的反射信号到达的时间。要达到一定的检测深度，必须保证能较完整地记录这一深度的反射信号。一般最小时窗w可由公式w=1.3×（2 h/v）估计，式中：h为最大检测深度；v为电磁波速。在很多实际测量中，一般都是力求将所有高于噪声水平的反射波信号全部记录下来，因此截止时间设置为不再存在有效信号的时间。

2.1.2 测点距

测点距的选取原则是要使检测目标的反射信号在足够多的测点上记录下来，以便使其可以辨认。一般要使一个目标的反射信号可以辨认，至少应有5～10条反射记录。因为雷达天线的张角约为60°，所以如果要检测路面厚度为h的点状目标，点距应不大于h/5。例如，要探测埋深1 m的地下管线，点距应选为0.2 m。而如果要探测地下界面起伏，且界面起伏较平缓时，则点距可适当放宽，以提高工作效率。

2.1.3 叠加次数

为了提高信噪比，现在的地质雷达仪器均设置了信号叠加功能。叠加次数的增加使信噪比增强，但却使工作效率降低。在实际测量中，应视噪声水平确定叠加次数。当环境噪声水平较高时，叠加次数多一些；环境噪声水平较低时，叠加次数少一些，在保证使勘探深度内的反射信号都能被辩认出来的前提下，应选取尽可能少的叠加次数。具体选择多少叠加次数，应在现场试验确定。

2.1.4 采样速率

采样速率是指相邻2次采样的时间间隔，也有用一条记录中的采样个数来定义采样速率的。采样速率高，记录的波形细致，但数据量大；采样速率低，记录的波形就粗略，但数据量小。当反射波难以识别或需要对波形进行分析时，应取较高的采样速率；否则，采样速率可取得小一些。

2.2 天线频率的影响

频率是指雷达在检测过程中电磁脉冲的中心频率。频率主要通过目标分辨率和路面厚度来选择，需要较高的分辨率则应选择较高的频率，需要检测较大的路面厚度时则应选择较低的频率。路面雷达天线频率是影响路面厚度检测精度的重要影响因素，在设备和路面介质不变的条件下，雷达探测的深度取决于天线频率的大小。一般来说天线频率越高，探测深度越小，天线频率越低，探测深度越大。天线频率的选择应根据被测路面厚度的大小来决定。因此频率的选择要兼顾分辨率和路面厚度，而在实际工作中，一般都是在保证所需的路面厚度的前提下选择尽可能高的频率，以取得尽可能高的分辨率。有时候不论采用什么频率都不能得到同时满足分辨率和路面厚度2方面的要求，那么就需要采用2种不同的频率对同一道路相同的纵向剖面进行2次测量，以高频获得对浅部的高分辨率；以低频获得对深部的勘探能力。频率的选取一般可预先进行估算，必要时通过试验确定。通常情况下，当被测路面标称厚度小于10 cm时，通常可选择不小于2 GHz的雷达天线；当被测路面标称厚度介于10～25 cm时，可选择不小于1.5 GHz的雷达天线；当被测路面标称厚度大于25 cm时，可选择不小于1 GHz的雷达天线。如果选择的天线频率与被测路面厚度不相对应，雷达扫描所得到的图像分辨率低，会导致图像处理得到的数据误差较大。

2.3 介电常数标定的影响

介电常数是物体本身的一种特性，不同的材料具有不一样的介电常数。理论上，材料不变其介电常数是固定的，但是由于沥青路面结构设计厚度、混合料类型、施工水平及压实度、湿度等的变化会使得介电常数产生不同[4-5]。由上文的计算公式可看出介电常数对路面厚度的计算结果影响重大，因此确保介电常数标定的准确性是准确计算路面厚度的前提。部分常见材料的介电常数参考范围可见表1。

（1）对于沥青路面而言，原材料与配合比的不同是影响其介电常数的主要因素。由表1可以看出不同的材料的介电常数不一样，沥青相对介电常数为3～5，集料（石灰岩、花岗岩和玄武岩）的相对介电常数为4～9，所以对于不用种类或者不同配合比的沥青混合料，其介电常数也存在一定的差异。

表1 部分常见材料的介电常数范围

（2）沥青路面空隙率与含水率不一致对介电常数也有影响。空气的介电常数为1，水的介电常数为81，相差甚大，导致对路面的介电常数影响也较大。采用相同的沥青混合料通过成型车辙板试件，测试不同空隙率的车辙板的介电常数，对比结果见表2；将车辙板用浸水和晾干的方式形成不同含水率再测试其介电常数，测试结果见表3。

表2 不同空隙率的车辙板试件（干燥状态）介电常数测试结果

表3 不同含水率的车辙板试件介电常数测试结果

由表2、表3可知，相同的沥青混合料，其空隙率越大，介电常数越小；含水率越大，介电常数越大。所以进行沥青路面介电常数标定时，要确保路面类型相同，并且路面干燥，这样标定结果才能更精确。

（3）钻芯厚度标定对介电常数的影响。钻芯厚度标定时建议采用时间模式（静态）而非距离模式（动态）进行，因为采用距离模式标定难以确保钻芯位置与标定位置相一致，由此可能会因为芯样实际厚度与标定厚度的差异导致介电常数的计算不准确。采用时间模式可以确保钻芯位置与标定位置相一致，同时在对芯样厚度的测量上也必须准确，才能准确计算出路面的介电常数。

2.4 距离标定及行驶路线、测试距离的影响

雷达检测路面厚度需要测距轮对路面距离进行标定，测距轮对路面位置标记的准确性就关系到厚度结果对应路面位置的准确性。雷达检测路面厚度除可以得出路面整体厚度的合格率外，还可以针对局部路段，甚至特定位置的厚度情况作出评价。另外，雷达承载车的行驶路线及连续行驶路线的长短也会产生一定的影响。测距轮对行驶距离的标定是建立在直线段的基础上的，而在实际的工程项目上，道路却是存在一定的弯道的，弯道越多、连续行驶距离越大，对路面厚度结果对应的位置产生的误差就越大。

2.5 施工水平的影响

目前利用雷达检测路面厚度的方法是建立在所检测路面单元匀质性相当好的前提下，因为路面的匀质性关系到介电常数是否相同。因此施工水平和施工条件一致性越高，路面的厚度、空隙率和压实度等越均匀，介电常数就越统一，介电常数的标定也越准确。

3 建议与结论

（1）根据实际需求选用合适频率的天线，设置参数合理，提高采样的准确性，对于同一评定段落应采用相同频率的天线进行检测。

（2）介电常数标定的准确性直接影响路面厚度检测结果的精确性，同时影响介电常数标定结果的因素也较多，因此在实际的检测工作中，建议通过以下措施对介电常数标定的影响进行规避：①对于不同材料或者不同配合比的沥青路面，应分别进行介电常数标定；②不同厚度的路面应分别进行介电常数标定，以减小电磁波走时误差的影响；③被检测的路面应保持干燥状态，以消除不同含水率对介电常数标定的影响；④采用时间模式（静态）进行介电常数标定；⑤提高钻芯厚度测量的准确性。

（3）检测前应对测距轮进行标定，确保检测路面距离的标记与路面实际位置相一致；检测的行驶路线应沿车道中线匀速行驶，避免频繁变化车道行驶导致距离标记位置误差增大；连续检测距离不宜过大，要根据路面实际情况而定，路面弯道较多宜适当减小连续检测距离。

（4）提高路面施工水平的一致性可减小各种因素对检测结果的影响。

（5）文中通过实际的检测，分析了路面雷达检测厚度的精度影响因素，通过各种措施尽量减小测量的误差。目前，由于路面雷达设备的不同、路面实际情况的差异，采用路面雷达进行厚度检测还存在一定的误差，对于雷达检测的结果存在异议时应用钻芯测量加以验证。因此，希望广大的学者在以后的研究中继续对此问题进行深入探讨，为路面雷达检测技术的发展提供参考依据。