邵華

（山東省交通科學(xué)研究院，濟南 250100）

1 三維探地雷達(dá)概述

1.1 工作原理

三維探地雷達(dá)作為一種新型無損檢測設(shè)備，基本工作原理是通過發(fā)射和接受高頻電磁波來獲取信息，因此，不會對路面結(jié)構(gòu)造成破壞，近年來在道路檢測方面應(yīng)用較為廣泛。在探測時，由定距發(fā)射天線負(fù)責(zé)向被探測路面發(fā)射高頻電磁波，高頻電磁波具有穿透性，可以穿透路面結(jié)構(gòu)，電磁波反射后由對應(yīng)的接收天線負(fù)責(zé)接收反射信號，最后，由雷達(dá)主機負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析，并在計算機中構(gòu)建三維路面結(jié)構(gòu)信息。

由于高頻電磁波在穿透路面結(jié)構(gòu)后需要穿越多種不同介質(zhì)層，會產(chǎn)生折射與反射，這會影響高頻電磁波的振幅、波形，據(jù)此可以準(zhǔn)確判斷路面結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。影響高頻電磁波波形、振幅的主要因素是不同介質(zhì)層的介電常數(shù)，高頻電磁波波形、振幅變化規(guī)律可以根據(jù)反射系數(shù)公式進(jìn)行計算：

式中，Ri為電磁波的反射系數(shù)；ε1和ε2分別為路面不同結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)。

若ε2大于ε1，則發(fā)射系數(shù)Ri為負(fù)，這意味著入射波與反射波的極性相反，即電磁波振幅變小，波形變長，反之則發(fā)射系數(shù)Ri為正。這意味著入射波與反射波的極性相同，即電磁波振幅變大，波形變短。

1.2 三維探地雷達(dá)基本構(gòu)成

三維探地雷達(dá)主要由3 部分構(gòu)成，包括雷達(dá)主機、地面耦合天線、數(shù)據(jù)分析軟件，本文以21 通道地面耦合式三維探地雷達(dá)系統(tǒng)為例，介紹三維探地雷達(dá)的基本構(gòu)成。雷達(dá)主機的核心是頻率步進(jìn)技術(shù)，可以完成高密度的數(shù)據(jù)采集，也具備深度探測能力和高分辨率，可以支持不同深度的探測作業(yè)，通過對分辨率及信號帶寬進(jìn)行優(yōu)化處理，可以確保在高速探測的情況下保留圖像細(xì)節(jié)。地面耦合天線的核心是天線陣列技術(shù)，該系統(tǒng)共有21 個雷達(dá)電子掃描天線振子，可以提供范圍在200～3 000 MHz 的高頻電磁波，適用性較強，并且其單次檢測可以支持同時對20 條測線進(jìn)行掃描，覆蓋范圍較廣，最終可以形成網(wǎng)格化數(shù)據(jù)與三維圖像信息。數(shù)據(jù)分析軟件主要是負(fù)責(zé)對接收的反射波信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，最終呈現(xiàn)出檢測信息。三維探地雷達(dá)單次掃描可以同時獲取行進(jìn)方向水平與垂直斷面信息和橫斷方向垂直斷面信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理，可以轉(zhuǎn)化為高精度的三維圖像信息[1]。

2 三維探地雷達(dá)在道路裂縫檢測中的應(yīng)用

某道路路面結(jié)構(gòu)為13 cm 水泥砂礫調(diào)平層+15 cm 水泥砂礫底基層+16 cm 水泥碎石基層+7.5 cm 瀝青混凝土，道路于2010 年建成投入使用，由于該道路所經(jīng)區(qū)域的礦產(chǎn)資源和石料較為豐富，周邊有多處煤礦和1 座水泥廠，因此，道路重載、超載的情況較為嚴(yán)重。目前，該道路因長期超負(fù)荷運營，已經(jīng)有多處路段出現(xiàn)路面病害，包括大面積的塊狀裂縫、縱橫方向裂縫、龜裂等。2020 年，對該道路全線進(jìn)行了修復(fù)，增加了1 層厚度為2.5 cm 的瀝青混凝土薄層罩面，但是這種修復(fù)措施只能改善道路表面功能，對于道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的補強效果極為有限，無法完全組織路面結(jié)構(gòu)開裂及裂縫的發(fā)展，因此，仍需采取進(jìn)一步的修復(fù)措施。擬對該條道路存在病害的路段采用三維探地雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行檢測，以便為制訂病害處理方案及后續(xù)養(yǎng)護(hù)計劃提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.1 檢測要點

2.1.1 天線中心頻率

采用三維探地雷達(dá)對道路進(jìn)行檢測時，需要對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，其中，天線中心頻率是最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，關(guān)系到系統(tǒng)檢測深度與分辨率。為確保道路檢測精度，需要使用不同天線中心頻率對路面進(jìn)行檢測，然后分析比對檢測結(jié)果，以確定最為理想的天線中心頻率。具體而言需要注意的是，應(yīng)優(yōu)先選擇中心頻率最高的天線，同時，結(jié)合道路實際情況確定天線尺寸。一般來說中線天線頻率越高，則檢測深度越大，分辨率越高，比如，檢測深度約為5 m 時，中線天線頻率應(yīng)控制在約100 MHz。這不僅可以精準(zhǔn)識別面層裂縫，同時，也能精準(zhǔn)識別基層結(jié)構(gòu)，從而準(zhǔn)確判斷道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在裂縫或含水量過高的情況。

2.1.2 布設(shè)測線

道路檢測作業(yè)人員在開始檢測前，需要布設(shè)測線，以確定測線方位，進(jìn)而確保檢測結(jié)果的精度。在本項目中，現(xiàn)場作業(yè)人員結(jié)合道路實際情況及試驗測試數(shù)據(jù)，選擇剖面法進(jìn)行檢測，首先，選取多個不同頻率的天線構(gòu)成屏蔽天線組合；然后，根據(jù)天線頻率確定其他參數(shù)。本項目中選擇了中心頻率為400 MHz、300 MHz、200 MHz、100 MHz 4 種天線構(gòu)成屏蔽天線組合，輻射時間寬度分別為2.5 ns、5.0 ns、7.5 ns、10.0 ns，以此遞增，向下輻射距離分別為0.25 m、0.50 m、0.75 m、1.0 m。若待檢測道路裂縫病害較為嚴(yán)重，情況比較復(fù)雜，則可以視實際情況增加測線密度，以確保檢測結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性[2]。

2.1.3 檢測速率

采用三維探地雷達(dá)對道路進(jìn)行檢測時，檢測速率即天線移動速度是影響探地雷達(dá)掃描精度的關(guān)鍵性因素，若天線移動速度過快，則三維探地雷達(dá)可能會出現(xiàn)信號丟失的問題，進(jìn)而導(dǎo)致部分裂縫無法被精準(zhǔn)識別。若天線移動速度過慢，則檢測質(zhì)量可以得到有效保障，但檢測作業(yè)效率必然受到影響。因此，在正式檢測前需要進(jìn)行試驗性檢測，確定最佳檢測速率，避免因檢測速率的問題導(dǎo)致三維探地雷達(dá)的掃描精度、作業(yè)效率受到影響。

2.2 裂縫寬度識別模型

不同形態(tài)的裂縫其反射電磁波在三維探地雷達(dá)掃描圖像中會表現(xiàn)出不同的特征，比如，垂直裂縫在掃描圖像同相軸上表現(xiàn)為拋物線的形式，根據(jù)這一特征即可判斷裂縫所處區(qū)域及空間位置，但無法據(jù)此判斷出裂縫的寬度。由于高頻電磁波在穿越不同介質(zhì)時，介電常數(shù)不同會導(dǎo)致電磁波振幅產(chǎn)生不同變化，因此，可以根據(jù)這一特征來判斷裂縫的寬度。

2.2.1 數(shù)值模擬

由于該道路結(jié)構(gòu)采用的是半剛性基層與面層的組合結(jié)構(gòu)，水泥砂礫底基層與水泥碎石基層在材料方面較接近，單層最大厚度為16 cm，因此，在參數(shù)設(shè)置上，天線頻率控制在1 000 MHz，單層厚度設(shè)置為16 cm。表1 為各結(jié)構(gòu)層材料的參數(shù)，其中，基層和面層的介電常數(shù)是通過現(xiàn)場測算得出，裂縫區(qū)域的介電常數(shù)為空氣介電常數(shù)。計算公式為：

表1 各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)表

式中，c 為光速，為3×108m/s；v 為波速，m/s；h 為芯樣厚度；t 為測試時間。芯樣厚度為16 cm；基層測試時間4.5 ns，面層測試時間2.5 ns。空氣本身不具備導(dǎo)電特性，因此，電導(dǎo)率為0，面層與基層的導(dǎo)電性極差，取電導(dǎo)率為0.001 s/m。

為明確寬度不同的路面裂縫的反射電磁波信號特征，分別模擬寬度為0.2 cm、0.5 cm、1.0cm、2.0 cm、4.0 cm、5.0 cm、8.0 cm、15.0 cm 的貫穿基層與面層的裂縫，裂縫內(nèi)部介質(zhì)為空氣，裂縫沿垂直方向一直延伸至基層，模擬演示結(jié)果如圖1所示。

圖1 模擬演示結(jié)果

由圖1 可知：（1）從模擬演示結(jié)果來看，道路基層和面層界面探測時間為3 ns；（2）寬度為0.2 cm、0.5 cm、1.0 cm、2.0 cm、4.0 cm、5.0 cm、8.0 cm、15.0 cm 的裂縫中，三維探地雷達(dá)無法準(zhǔn)確識別寬度為5.0 cm 以下的裂縫，僅當(dāng)裂縫寬度超過8.0 cm 層面以上時才能精準(zhǔn)識別。

2.2.2 模型分析

通過上述對寬度不同的裂縫進(jìn)行模擬識別演示，理論上而言，三維探地雷達(dá)系統(tǒng)無法精準(zhǔn)識別目標(biāo)寬度在8.0 cm 以下的裂縫；從掃描圖像來看，也無法準(zhǔn)確判斷寬度在8.0 cm 以下的裂縫哪個更為嚴(yán)重。因此，要對路面裂縫進(jìn)行精準(zhǔn)識別，必須解決細(xì)小裂縫的識別問題。而根據(jù)三維探地雷達(dá)系統(tǒng)在裂縫區(qū)域發(fā)出的高頻電磁波的反射波振幅與無裂縫路面反射波振幅的差異可以實現(xiàn)對裂縫的精準(zhǔn)識別[3]。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，反射波振幅與路面裂縫寬度顯著相關(guān)，二者相關(guān)性可以達(dá)到98.0%以上；隨著路面裂縫寬度不斷增加，反射波振幅變化幅度會逐漸下降，這意味著路面裂縫寬度的增加對反射波振幅變化的影響會逐步衰弱；通過對反射波振幅變化和路面裂縫寬度間的關(guān)系進(jìn)行分析，可以確定基于反射波振幅變化的量化指標(biāo)。

2.2.3 實測研究

根據(jù)模擬結(jié)果顯示，反射波振幅與路面裂縫寬度顯著相關(guān)，且二者的相關(guān)性較高?；诖?，在該道路中選取了16 處裂縫斷面的38 個芯樣開展現(xiàn)場實測研究，結(jié)果顯示，三維探地雷達(dá)檢測的裂縫寬度與現(xiàn)場芯樣統(tǒng)計結(jié)果一致，實現(xiàn)了對不同寬度路面裂縫的精準(zhǔn)識別。同時，在實測研究過程中，路面裂縫寬度與反射波振幅變化的相關(guān)性與模擬演示得出的結(jié)論一致。結(jié)果顯示，路面裂縫寬度和反射波振幅變化顯著相關(guān)，根據(jù)計算二者的相關(guān)性高達(dá)84.91%；同時，隨著路面裂縫寬度不斷增加，其對于路面裂縫區(qū)域反射波振幅變化的影響逐步衰弱，這與模擬演示的結(jié)果基本契合。

3 結(jié)語

本文通過三維探地雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理和基本構(gòu)成進(jìn)行分析，明確了三維探地雷達(dá)覆蓋范圍廣、檢測精度高等優(yōu)勢，應(yīng)用于道路裂縫檢測方面可以取得良好的成效；闡述了三維探地雷達(dá)檢測的要點，并構(gòu)建了精準(zhǔn)識別裂縫寬度的模型。通過構(gòu)建寬度不同的裂縫模型進(jìn)行模擬演示，得出了路面裂縫寬度和反射波振幅變化顯著相關(guān)，以及隨著路面裂縫寬度不斷增加，其對于反射波振幅變化的影響逐步衰弱的結(jié)論，并經(jīng)過實測研究進(jìn)行驗證了上述結(jié)論。因此，本文列出的裂縫寬度識別方法的可行性較高，但在后期路面病害實踐檢測過程中仍需收集更多的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)一步完善模型，從而提高裂縫識別的準(zhǔn)確性與可靠性。