劉志聲,王 乾,萬 捷

摘 要:天線的中心頻率、分辨率等因素是影響探地雷達脫空檢測精度和準確度的主要因素,以此為出發(fā)點,在解釋探地雷達脫空檢測工作原理的基礎(chǔ)上,對天線的中心頻率、分辨率、采樣率等各參數(shù)的計算方法和適用范圍進行了全面分析和系統(tǒng)研究:根據(jù)道路材料介電特性及路面結(jié)構(gòu)尺寸確定了天線中心頻率的上限,參考脫空量值資料確定了天線中心頻率的下限和最小垂直分辨率,按照優(yōu)化處理要求結(jié)合經(jīng)典理論規(guī)律提出了采樣率計算公式,并將研究內(nèi)容實踐于清連一級路,吉林外環(huán)路,煙威高速路三項依托工程中,取得了良好的使用效果。

關(guān)鍵詞:探地雷達;脫空檢測;中心頻率;分辨率;采樣率

中圖分類號:U141,TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-163-04

Parameter Research of Ground Penetrating Radar on Detecting Cavity

LIU Zhisheng1,WANG Qian2,WAN Jie2

(1.Xidian University,Xi′an,710071,China;2.Highway College,Chang′an University,Xi′an,710064,China)

Abstract:Both the central frequency of antenna and the resolution are chief factors influencing the accuracy of ground penetrating radar on detecting cavity.Considering it as the starting point,the methods of calculation and application for the parameters of central frequency of antenna,resolution and simpling frequency are analysed,and systematic research based on explaining the working principle of ground penetrating radar on detecting cavity.The upper limit of central frequency of antenna is recommended according to the dielectric property of road materials and the size of pavement structure.The low limit of central frequency of antenna and the minimal value of vertical resolution are determined by considering the data of cavity.The calculation formula of sampling frequency is presented according to the request of optimizing process with classical theory law.The contents are practised on attaching projects of Qingyuan-lianzhou highway,Jilin outer ring highway,Yantai-Weihai highway,achieving a good result.

Keywords:ground penetrating radar;detecting cavity;central frequency;resolution;sampling frequency

0 引 言

探地雷達是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。探地雷達脫空檢測是一種高新技術(shù)檢測,它實質(zhì)上是一種高頻電磁波發(fā)射與接收技術(shù)。在此通過直接向路基路面中發(fā)射射頻電磁波,接收反射波而獲得路基路面的采樣信號,再經(jīng)過硬件與軟件處理,最后分析研究數(shù)據(jù)圖像得到檢測結(jié)果。探地雷達脫空檢測具有探測效率高、無損性、高精度、抗干擾能力強、使用靈活方便等優(yōu)點[1],在舊水泥混凝土路板底脫空檢測中正得到越來越廣泛的應(yīng)用,發(fā)揮越來越重要的作用。

天線的中心頻率、分辨率、采樣率等因素是影響探地雷達脫空檢測精度和準確度的主要因素,在此通過對這些因素進行全面分析和系統(tǒng)研究,推薦了各參數(shù)的計算方法和適用范圍,并結(jié)合依托工程評價了使用效果,為今后探地雷達在道路工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工作原理

探地雷達脫空檢測是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式[2],其工作過程是由置于地面的發(fā)射天線向地下發(fā)送一高頻電磁脈沖波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫乃至千兆赫),地層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層可以根據(jù)其電磁特性如介電常數(shù)來區(qū)分,當(dāng)相鄰的結(jié)構(gòu)層材料的電磁特性不同時,就會在其界面間影響射頻信號的傳播,發(fā)生透射和反射。一部分電磁波能量被界面反射回來,另一部分能量會繼續(xù)穿透界面進入下一層介質(zhì),電磁波在地層系統(tǒng)內(nèi)傳播的過程中,每遇到不同的結(jié)構(gòu)層,就會在層間界面發(fā)生透射和反射,各界面反射的電磁波由天線接收器接收并由主機記錄,利用采樣技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行處理。從測試結(jié)果剖面圖得到從發(fā)射經(jīng)地下界面反射回到接收天線的雙程走時T。當(dāng)?shù)叵陆缳|(zhì)的波速已知時,可根據(jù)測得的精確T值求得目標體的位置和埋深。這樣,可對各測點進行快速連續(xù)地探測,并根據(jù)反射波組的波形與強度特征,通過數(shù)據(jù)處理得到地質(zhì)雷達剖面圖像。而通過多條測線的探測,則可了解場地目標體平面分布情況,如圖1所示[3]。通過對電磁波反射信號(即回波信號)的時頻特征、振幅特征、相位特征等進行分析,便能了解地層的特征信息(如層厚、缺陷、空洞等)。

圖1 探地雷達檢測原理圖

2 參數(shù)研究

2.1 天線的中心頻率的選擇

探地雷達能探測到最深的目標體深度稱為探地雷達的最大探測深度。其是關(guān)系到探地雷達技術(shù)能否運用的一個關(guān)鍵因素,當(dāng)目標體埋深超出系統(tǒng)探測深度的50%,探地雷達方法將失效。

探地雷達的最大探測深度主要與環(huán)境因素和目標特性有關(guān)。電磁波在道路介質(zhì)中傳播時的波長λm為:

λm=cfcεrμr(1)

式中:fc為脈沖信號的中心頻率;c為光速,εr為介電常數(shù);μr為磁導(dǎo)率。

雷達脫空探測中常用道路材料介電常數(shù)的如表1所示[4]。

表1 常用道路材料介電常數(shù)

介質(zhì)介電常數(shù)實部介電常數(shù)虛部介質(zhì)介電常數(shù)實部介電常數(shù)虛部

舊混凝土9-0.47飽和柔性基層>16-1.2

新混凝土10~20-2.2砂礫路基8~15-0.5

瀝青3.7~10-(0.05-0.50)濕砂20~30-(0.1-1)

剝落瀝青

混凝土小于4-0.035石灰?guī)r4~8-(0.5-2)

濕瀝青混凝土大于8-0.20粘土5~40-2

干柔性基層小于8-0.20花崗巖7-0.001

濕柔性基層大于12-0.80玄武巖8-0.01

從探地雷達系統(tǒng)本身來說,使用的天線頻率越高,探測深度越小;反之,天線頻率越低,探測深度越深。但對于同一天線頻率來說,最大探測深度將取決于地下介質(zhì)的電屬性,需探測目標體的尺寸大小以及目標體與周圍介質(zhì)的電性差異程度等因素。商用探地雷達一般允許介質(zhì)的吸收損耗達60 dB。通常的道路地質(zhì)環(huán)境中,則可用Annan給出的探測深度dmas簡易估算式進行估算[5]:

dmas<30/α或dmas<35/σ(2)

式中:α為衰減系數(shù)(dB/m);σ為電導(dǎo)率(ms?m-1)。

路用探地雷達的探測深度與中心頻率之間的關(guān)系見表2。

表2 不同天線頻率探測深度值

天線頻率

/GHz探測深度

/m天線頻率

/MHz探測深度

/m天線頻率

/MHz探測深度

/m

2.50.3~0.69000.75~1.53003~6

1.00.6~1.05001.5~3.010010~20

對于舊混凝土路面板脫空等厚度在0~0.5 m左右的檢測,根據(jù)道路材料介電特性和不同路面結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計分析,當(dāng)天線中心頻率大于2 GHz后,探地雷達基本不能穿透舊混凝土路面板,即無法探測板底脫空情況。因此,探地雷達脫空檢測天線中心頻率上限值為2 GHz。

2.2 分辨率的選擇

探地雷達分辨率是指雷達區(qū)分兩個在空間上相距很近的目標的能力(也可定義為雷達區(qū)分在時間上相距很近的脈沖信號的能力)。其決定了探地雷達分辨最小異常介質(zhì)的能力和應(yīng)用的范圍,分為垂直分辨率和水平分辨率,在路面脫空檢測中起主導(dǎo)作用的是垂直分辨率。

假定在同一垂直方向上有兩個目標存在,目標在深度上相距為Δd,探地雷達要在空間上能分辨出這兩個目標回波信號,必須滿足[6]:

Δd≥v/4fc=λm/4(3)

即Δd要大于介質(zhì)中脈沖信號中心頻率所對應(yīng)得電磁波波長的1/4。因此探地雷達的最小分辨率為:

(Δd)min=λm/4=c/4fcεrμr(4)

已有研究資料表明,舊混凝土路面板脫空量值基本在0.5～3 cm范圍內(nèi),故只有最小垂直分辨率(Δd)min≤3 cm探地雷達才能分辨脫空情況。而由式(4)可知,當(dāng)(Δd)min為3 cm時,探地雷達天線的中心頻率fc大約為900 MHz。因此,探地雷達脫空檢測天線中心頻率下限值為900 MHz。在實際檢測中,從分辨率角度考慮,所選雷達天線的頻率越高越好,但是中心頻率越高其探測深度越小,所以應(yīng)合理地選擇天線中心頻率,以兼顧探測深度和分辨率。

2.3 采樣率的選擇

采樣率是用記錄目標反射波時,探地雷達采樣頭采樣間隔的倒數(shù)來衡量的,采樣率越高,采樣間隔越短。而采樣率由奈奎斯特采樣定律控制,即采樣率至少應(yīng)達到記錄的反射波中最高頻率的2倍。對大多數(shù)探地雷達系統(tǒng),頻帶與中心頻率比大致為1,則發(fā)射脈沖能量覆蓋的頻率范圍為0.5~1.5倍中心頻率,即反射波的最高頻率大約為中心頻率的1.5倍,因此按奈奎斯特定律,采樣率至少要達到天線中心頻率的3倍。

采樣率還應(yīng)滿足檢測數(shù)據(jù)反濾波技術(shù)處理的要求[7]。理想地質(zhì)雷達發(fā)射脈沖應(yīng)該是一個尖脈沖,然而,由于天線頻譜響應(yīng)的限制,這種反射脈沖,實際是一個具有一定時間延續(xù)的波形b(t)。雷達記錄可看成是雷達子波與反射系數(shù)ξ(t)的卷積。

x(t)=b(t)*ξ(t)(5)

在雷達記錄中,相距在0.5 m以內(nèi)的兩個反射界面其到達時間差僅為幾ns,難以在雷達反射剖面圖像中區(qū)別開來。反濾波的目的是要把雷達記錄x(t)變成反射系數(shù)序列ξ(t),即令:

ξ(t)=a(t)*x(t)(6)

式(5)代入式(6)得:

ξ(t)=a(t)*b(t)*ξ(t)(7)

即:

a(t)*b(t)=1(8)

a(t)稱為反子波。由此可知,已知雷達子波b(t),求出反子波a(t),利用式(6),把反子波a(t)與雷達記錄x(t)卷積,即可求出反射序列ξ(t):

ξ(t)=a∑a(τ)x(t-τ)(9)

由以上反濾波卷積分析,再結(jié)合奈奎斯特定律[8],最終提出探地雷達脫空檢測采樣率計算公式為:

Δt=1 000/(6fc)(10)

3 依托工程中應(yīng)用

(1) 清遠-連州一級公路試驗段。雷達選用美國GSSI公司SIR-10H地質(zhì)雷達,采用空氣耦合型天線,天線中心頻率為1 GHz,對K2150+000～K2151+000段行車道進行脫空檢測,檢測參數(shù)見表3。為驗證雷達檢測準確度,同時采用落錘式彎沉儀(FWD)對比檢測,以便更好的判斷比較,檢測結(jié)果見表4。

表3 依托工程雷達檢測參數(shù)

工程天線中心頻率/MHz分辨率 /m采樣時窗 /ns采樣率 /ns相鄰掃描點間距 /m

清連一級路9000.03200.1850.2

吉林外環(huán)路1 0000.02200.1670.2

煙威高速路1 5000.01200.1110.2

表4 探地雷達和FWD脫空檢測結(jié)果

FWD檢測脫空雷達檢測脫空(起止里程)

K2150+075K2150+546K2150+152～K2150+178K2150+537～K2150+550K2150+762～K2150+797

K2150+226K2150+703K2150+217～K2150+229K2150+580～K2150+593K2150+800～K2150+810

K2150+350K2150+753K2150+345～K2150+370K2150+622～K2150+640K2150+835～K2150+880

K2150+450K2150+803K2150+410～K2150+475K2150+673～K2150+720K2150+888～K2150+913

對比分析兩種檢測結(jié)果后發(fā)現(xiàn),FWD共檢測出九處脫空,雷達檢測出其中八處,僅有一處未檢測出來。而雷達共檢測出13處脫空,有四處FWD未檢測出來。經(jīng)對這四處路面進行實際鉆芯核查,發(fā)現(xiàn)確實存在脫空現(xiàn)象,證明雷達檢測具有較高的可信度。

(2) 吉林外環(huán)高速公路試驗段。探地雷達檢測使用美國GSSI公司產(chǎn)SIR-10H型路用探地雷達系統(tǒng),選用空氣耦合型天線,天線中心頻率為900 MHz,對K103+000～K105+000試驗段路面逐板進行檢測。檢測路面沿行車道、超車道各布設(shè)一條檢測剖面,檢測路線見圖2。首先對雷達檢測原始數(shù)據(jù)進行濾波、增益和反卷積處理,然后確定有關(guān)參數(shù)(見表3)和計算方法,最后運用相應(yīng)RADAN軟件生成檢測結(jié)果。分析檢測結(jié)果圖像可知,脫空多發(fā)生在板邊和板角處,多數(shù)脫空為不明顯脫空,即板邊、板角小范圍輕微脫空,同時可發(fā)現(xiàn)多數(shù)板塊存在脫空連續(xù)現(xiàn)象。通過對雷達檢測出的脫空板進行壓漿和灌縫處治時材料使用量的統(tǒng)計,再結(jié)合路面板破損狀況調(diào)查和少量鉆芯取樣,綜合評定雷達檢測結(jié)果后發(fā)現(xiàn),雷達檢測確定脫空狀況基本與實際脫空情況相符合,整體檢測效果較好。

圖2 雷達檢測脫空測線布設(shè)示意圖

(3) 煙臺-威海高速公路試驗段。雷達采用美國GSSI公司產(chǎn)SIR-20型地質(zhì)雷達,天線中心頻率為900 MHz和1 500 MHz,對K176+650～K178+550試驗段路面逐板進行檢測,行車道、超車道板中位置各布置一條測線,兩車道板之間位置布置1條測線,共計3條,檢測參數(shù)見表3。通過對掃描圖和灰度圖(見圖3,圖4)兩種雷達圖像的判讀、識別與解釋,將檢測重點放在面板下疏松與脫空。為驗證雷達檢測脫空的可信度,隨機選取10處路面板進行鉆芯復(fù)核,調(diào)查脫空情況,調(diào)查結(jié)果如表5所示。

圖3 900 MHz雷達探測灰度圖

表5 雷達檢測和鉆芯復(fù)核脫空結(jié)果

鉆芯板號雷達檢測鉆芯復(fù)核鉆芯板號雷達檢測鉆芯復(fù)核

行車道板a無脫空無脫空超車道板a無脫空中度脫空

行車道板b輕度脫空輕度脫空超車道板b重度脫空重度脫空

行車道板c重度脫空重度脫空超車道板c輕度脫空輕度脫空

行車道板d無脫空無脫空超車道板d輕度脫空輕度脫空

行車道板e重度脫空重度脫空超車道板e中度脫空中度脫空

由表5可知,雷達檢測與鉆芯復(fù)核相符率達到90%,僅有一塊板判別情況稍有差異,充分說明雷達檢測具有較高的準確性。

4 結(jié) 語

以上依托工程實踐表明,探地雷達檢測參數(shù)選用的是否合理,關(guān)系到能否對舊水泥混凝土路板底脫空情況作出準確的判斷,因此參數(shù)的選擇至關(guān)重要,但參數(shù)的選擇仍是一個很復(fù)雜的問題,往往要根據(jù)各種具體情況進行反復(fù)調(diào)整才可達到最佳效果,這里各參數(shù)的計算方法和適用范圍還需要在工程實踐中進一步檢驗和修正。

圖4 1 500 MHz雷達探測掃描圖

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