公路检测中探地雷达的应用分析

2023-10-30易立雷运波冉强雍林林

建材与装饰 2023年32期

易立，雷运波，冉强，雍林林

（健研检测集团重庆有限公司，重庆 400000）

0 引言

近几年，我国公路网络因公路建设的高速发展而具有了一定的规模。然而，公路使用的寿命受到了公路路面的维护质量影响，路面的维护起支撑就是路面系统情况的数据，所以，对公路状况加以合理科学的检测极为关键。在传统的检测方面，不但会在不同的程度上对路面造成损伤，且不具有代表性和效率低等缺点。探地雷达其发射的电磁波使用的是无载波的毫微秒脉冲，瞬时扫频是其最大特点，在不同的土壤频率区域里，其频谱性能包括了全覆盖与穿透性，能够对地下目标进一步加以探测[1]。探测回波在宽频谱的作用下，不仅会使目标电测有较为整完的特性，而且还不会出现丢失，进而对目标的识别更为有效。

1 探地雷达的系统组成及其工作的原理

1.1 探地雷达的系统组成

探地雷达系统主要包括供电的电源、雷达主机、发射机、结果显示、接收机以及信号处理、储存与收发天线等。

1.1.1 发射机

发射机主要凭借着电路来对能量加以有效的存储，且还可以在短时间得以释放，从而形成的脉冲较为强烈，再就是形成单周期的雷达信号，在经分离器作用而传输到天线，最后凭借着天线将此电磁波传输至路面系统[2]。

1.1.2 接收机

高速的采样电路是探地雷达接收机核心，其关键是对反射的信号加以获取，并对此信号加以放大，然后再将信号输送给信号处理机，对所获取的信号高效加以处理。

1.1.3 天线

天线可以发射电磁波的信号和接收反射的信号，公路用的探地雷达其对应天线包括地面耦合型和空气耦合型这两种天线。

1.1.4 分离机

天线与发射机两者之间是凭借着分离机来实现联结的，且于短期的发射完成以后，分离器会将两者之间的联结断开，并且会重新对接收机与天线加以联结[3]。分离器会对接收机的输入单元加以保护，并可使输入单元于发射机高能输出的情况下得以保护。

1.1.5 信号的处理机与计算机

信号处理机其关键作用便是有效处理反射的信号，计算机其作用就是对数据和信息加以收集、储存与处理以及展示与研究。

1.2 探地雷达系统的工作原理

探地雷达其方法就是有效运用高频电磁脉冲在界面上加以反射来对公路结构的相关病害加以检测。在此流程当中，经下达给发射机与接收机一系列管控的指令，发射机按照指令来完成电磁波往地下发射的情况，接收机按照指令来对地下介质界面的反射波相关的数据加以采集[4]。在通过采取样本与A/D 的变换以后，其显示与保存就是接收到的反射信号变换成数字信号。因为发射与接收的天线是紧靠着地面，发射机所发射出的短脉冲电磁波是通过发射的天线产生辐射而传送至大地，地下传输当中，若遭遇了介质分界面之后，那么就会被折射或者是反射回来，回波即被反射至地面且被接收到的电磁波。雷达的图形通常是因脉冲反射波的波形而记录下来的。在波形当中，白色与黑色则表示了正负峰，而有的时候其表示也会用到灰阶与彩色。那么同相轴亦或是等色线及等灰度，可以直观的将地下反射界面形象直观的表现出来。通常反射的脉冲其波形是较为明显的，在图像实施地质解释当中属于关键依据。相关的工作者能按照回波的讯号与传播的时间及实时的图像来对地下介质的分布与病害状况加以推断，进而推断公路的内部有哪些问题。

2 探地雷达的数据处理及其运用关键点

2.1 探地雷达对数据的处理

雷达数据的处理应使用专业化分析软件，按照公路检测雷达波相关特征，数据的处理流程具体如下。

2.1.1 偏移的处理

在现场所获得的原始数据，通常是存在振幅正负的半周并不对称等相关的问题，其之所以出现此情况正是因为数据存在直流的漂移量，应对数据加以偏移处理。

2.1.2 静校正

在对雷达数据加以处理的时候，往往是校正雷达的数据至统一的基准面之上，这一基准面大多都是道路的表面。

2.1.3 滑动平均

按照小波去噪原理，把信号里面毛刺及噪声有效的加以去除，使得有信息成分的信号得以保存，促使图像更为干净及平滑。

2.1.4 数字滤波

在探地雷达的检测过程当中，因现场的多元环境会直接对其造成一定的影响，这便导致了在环境当中的噪声频谱不但会出现低频，而且还会出现高频，那么这便需带通滤波这一方式来对雷达的信号加以合理处理。

2.1.5 能量增益

能量增益即对雷达的图像加以增强方面的处理，因为地下反射处部分反射的信号是较强的，也有部分区域所反射的信号是较弱的，较强的信号会压制到较弱的信号，这便需要对雷达的信号在增益方面进行相关的处理。

2.2 探地雷达运用的关键点

探地雷达于公路检测当中的应用关键是分为下面

3 个步骤。

（1）勘查现场与搜集资料，其目的就是了解周围的环境与地下的地形和介质，此外，也可以对周边工作的环境与交通和干扰等有所了解。

（2）在对公路加以探地雷达检测时，要先对天线加以选择并把测线布置好，这是为了对探测品质加以有效确保，然后对数据加以采集，并有效的对多条波形记录所形成的图像加以收集。探地雷达其数据的收集主要包括了普查与详查这两类，对于不同的区域是使用的差异化检测，并且对异常部位加以标记与坐标加以定位，其目的就是对病害的位置加以明确。

（3）对病害加以分类，并将病害等级明确出来，从而再针对相关病害实施有效的措施。

3 实例分析探地雷达于公路检测当中的运用

3.1 工程概况

以某道路的路面为例分析，此道路是高速公路并且是沥青的路面，其路面的结构是4cm AC 到13C，混合料的上部层加6cm AC 到20C 混合料的中部层是加8cm AC 到25C，混合料的下部层是加36cm，水泥稳定的碎石基层加18cm 石灰粉煤灰土底基层。

3.2 沥青路面的破损情况

为了对探地雷达技术在沥青路面裂缝检测的结果其精准程度有进一步的验证，先使用传统的人工作业来对裂缝的路段路面加以钻芯取样，并对其破损加以分析。本次的取芯作业是随机的选择46 条裂缝完成，一共选取取61 个芯样，因为取芯工具其有效取芯的筒长是300mm，其面层加基层厚度的设计为355mm，这就使得取出芯样以后，面层和基层两者间是分离的，但实际上面层和基层是完整的。

对全部的芯样加以统计，其具体的统计结果如表1所示。因为二灰土基层有着比较严重的松散情况，使得在取芯当中，碎石与松散灰土把取芯筒卡住了，在钻孔的四周泥浆也是比较多的，所获取到的基层芯样是比较松散的。裂缝的部位其病害主要表现为面层裂缝，基层贯穿的裂缝，面层松散以及面层层间不良等。

表1 芯样的统计结果

3.3 探地雷达对路面深层次裂缝识别运用

3.3.1 选取设备

经对现阶段三维探地雷达加以调研与分析以后得知，其主要包括了时域雷达（同频率天线）与频域雷达（步进频率天线）这两类。步进频率天线其带宽范围是于100MHz～3000MHz，其能够有效的探测深度是0.2～10m，这对探测未知的深度缺陷方面更为适合。同频率天线其是由同一频率的天线交错等距排列构成，能够对固定的深度进行有效精准的探测，这对检测已知深度缺陷方面更加适合。现场分别用这两种方式来对裂缝加以测试，并对比相应数据得知，步进频率天线对路面结构内部的病害识别率低于同频率天线，其平面图像的成像所表现出的效果也较为普通，这就表明步进频率天线不适合于路面的缺陷探测[5]。同频率天线在路面病害中的识别度较高，如果使用1300MHz 高频天线阵，能够进一步提升路面内部病害的识别精确程度。

3.3.2 路面裂缝的识别

在钻芯取样及人工步检的路段之上，使用探地雷达技术来对裂缝进一步的加以检测及分析，从而得知沥青路面的基层有无开裂问题以及其他的破损问题。雷达的检测方式是：沿着轮迹带不断连续加以检测，并且还要于裂缝部位将相关的标记做好，检测到的路面内部裂缝不同情况对比雷达图像如图1 所示。

图1 路面内部裂缝不同情况对比

3.3.3 路面裂缝的检测结果剖析

使用探地雷达来对出现裂缝沥青路面的面层部位加以检测，一般是确保雷达的参数不变，并且再次对裂缝状况沿着原测线加以检测。整体上完善的路面结构与出现了病害的路面结构相对比，其在电介质的常数方面的偏差还是比较大的，这就使得在雷达图像当中，能够看到路面结构病害部位雷达图像的振幅变化比内部结构完整路面的振幅变化会更加的明显。其检测到的路面裂缝结构内部情况雷达图像如图2 所示。在图2当中的箭头即裂缝位置，用方框把路面结构内部裂缝的变化情况圈了出来。然后再经雷达图像来加以对比并分析后能够知道，在图2a 处的病害呈现特征属于单一型的裂缝，图2b 处的病害呈现特征是面积型的裂缝，并且层间不好，图2c 处的病害呈现特征是面积型的裂缝，并且结构也较为松散，雷达的图像信号于裂缝部位出现了明显的改变。

图2 路面裂缝处检测的雷达图像

4 探地雷达于公路检测当中适用性及有关注意事项

（1）因探地雷达属于超宽带的雷达，在公路检测的使用当中，若天线工作的频率有差异，那么对其探测的深度和探测分析分辨率造成的影响也会有差异，通常，工作的频率若是越高，则天线加以高频电磁波的辐射检测其分辨率也会比较高，其探测的深度就会比较小。按照此情况，在探地雷达实施公路检测当中，工作频率天线的组合与设置应选择不相同的，从而保证检测全面性。例如，公路工程验收的阶段，其关键的检测和分析内容是公路结构层的厚度，需要检测的速度比较快，需注意防止检测的操作损伤到公路的结构，而对公路整体的结构质量造成影响。于此情况时，在对公路结构层的厚度进行检测的时候，应使用空气耦合天线，其在公路的检测当中可经天线直达波和地面波相分离，来对公路面层的厚度加以精准的检测与分析。

（2）在使用探地雷达对公路加以检测时，需对分辨率加以管控，按照在探地雷达的检测当中，垂向的分辨率对公路结构层的厚度探测精准度存在直接的影响，那么在公路结构层的厚度检测当中，需使用高频天线来加以检测，从而保证检测效果与品质。探地雷达于公路的检测当中是存在着天线辐射这一特性的，于近地的模式来检测及分析公路工程的时候，能量传递是呈现出感应场和似稳场的形式，于非地面的模式时，所呈现出的是远区场内的辐射传播。