許木照

（廣東省交通運(yùn)輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，廣州 510420）

根據(jù)JTG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊(cè) 土建工程》規(guī)定，厚度是瀝青路面工程檢驗(yàn)的關(guān)鍵項(xiàng)目，厚度檢驗(yàn)方法規(guī)定為鉆取芯樣法[1]。傳統(tǒng)的鉆芯法檢測(cè)瀝青路面厚度存在效率低、對(duì)路面造成損害等缺陷，而且不能全面反映路面的厚度狀況?；谶@種情況，雷達(dá)檢測(cè)路面厚度作為一種無(wú)損、高效，并且可以全面連續(xù)檢測(cè)路面的厚度狀況的檢測(cè)方法，在公路路面厚度檢測(cè)上具有廣闊的發(fā)展前景。

路面雷達(dá)是一種利用天線發(fā)射電磁波穿透一定厚度的路面，電磁波在穿透過(guò)程中遇到不同的介質(zhì)發(fā)生反射，發(fā)射信號(hào)重新由天線接收，根據(jù)電磁波的路面介質(zhì)當(dāng)中的走時(shí)及電磁波在路面介質(zhì)中的傳播速度計(jì)算得出路面的厚度技術(shù)的。目前，在公路瀝青路面厚度的檢測(cè)中一直以鉆芯法檢測(cè)結(jié)果為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，主要是因?yàn)槁访胬走_(dá)法檢測(cè)路面厚度的過(guò)程中存在著各種因素影響檢測(cè)結(jié)果的精確性。本文通過(guò)結(jié)合路面雷達(dá)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，深入分析雷達(dá)檢測(cè)路面厚度的影響因素，為路面雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 路面雷達(dá)工作原理

路面雷達(dá)主要由承載車、發(fā)射天線、接收天線、測(cè)距輪、雷達(dá)信號(hào)分析軟件和控制單元組成。其工作原理為雷達(dá)檢測(cè)車以一定的速度在路面上行駛，控制單元輸出觸發(fā)信號(hào)，由發(fā)射天線發(fā)出電磁波，電磁波在經(jīng)過(guò)不同介電常數(shù)的各層路面材料時(shí)，形成透射和反射，透射進(jìn)入下層材料，而反射回來(lái)的脈沖信號(hào)由接收天線接收并記錄形成信號(hào)圖像，如圖1所示。

圖1 路面雷達(dá)工作原理示意圖

短脈沖雷達(dá)是一種電磁波技術(shù)，電磁波及其傳播理論是雷達(dá)技術(shù)的理論基礎(chǔ)。電磁波在空間的傳播滿足麥克斯韋方程，在工程介質(zhì)（巖土、混凝土、鋼筋、瀝青、水和空氣等）中傳播時(shí)，當(dāng)作無(wú)源場(chǎng)考慮，滿足下列方程組

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；D為電通量密度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；B為磁通密度；l為長(zhǎng)度；S為面積；t為時(shí)間；I0為常數(shù)。

由于短脈沖雷達(dá)的工作頻率高，在介質(zhì)中以位移電流為主。因此，實(shí)際傳播過(guò)程中很少發(fā)生頻散，速度基本上由介質(zhì)的介電性質(zhì)決定，可簡(jiǎn)單地表示為

式中：C為光在真空中的速度，取300 mm/ns；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

對(duì)于非磁性介質(zhì)，當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，其反射特性也主要取決于介質(zhì)的介電常數(shù)，其反射系數(shù)R為

可見(jiàn)，電磁波由介電常數(shù)小進(jìn)入介電常數(shù)大的介質(zhì)時(shí)，即由高速介質(zhì)進(jìn)入低速介質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)為負(fù)，也就是說(shuō)，反射波振幅反向。反之，電磁波從低速介質(zhì)進(jìn)入高速介質(zhì)時(shí)，反射波振幅與入射波同向[2]。

路面雷達(dá)發(fā)射的電磁波進(jìn)入路面面層后，部分信號(hào)形成反射，部分信號(hào)透射進(jìn)入基層，由于面層與基層的材料不同，雷達(dá)信號(hào)分析軟件可以自動(dòng)識(shí)別并在信號(hào)圖像中形成明顯分界線，通過(guò)得到電磁波在路面面層中入射與反射所用的時(shí)間，再根據(jù)電磁波在該路面面層中的傳播速度，即可按照下式計(jì)算路面面層厚度[3]。

式中：T為路面面層厚度；ν為電磁波在面層中的傳播速度；Δt為電磁波在路面面層入射與反射所用的時(shí)間。

2 雷達(dá)檢測(cè)路面厚度的精度分析

2.1 雷達(dá)參數(shù)設(shè)置的影響

2.1.1 采樣時(shí)窗

采樣時(shí)窗是指雷達(dá)掃描檢測(cè)開(kāi)始和截止的時(shí)間范圍。開(kāi)始時(shí)間一般選為略早于直達(dá)波到達(dá)時(shí)間。截止時(shí)間的選擇主要取決于需要檢測(cè)的路面厚度，截止時(shí)間的最小值必須大于所需檢測(cè)深度的反射信號(hào)到達(dá)的時(shí)間。要達(dá)到一定的檢測(cè)深度，必須保證能較完整地記錄這一深度的反射信號(hào)。一般最小時(shí)窗w可由公式w=1.3×（2 h/v）估計(jì)，式中：h為最大檢測(cè)深度；v為電磁波速。在很多實(shí)際測(cè)量中，一般都是力求將所有高于噪聲水平的反射波信號(hào)全部記錄下來(lái)，因此截止時(shí)間設(shè)置為不再存在有效信號(hào)的時(shí)間。

2.1.2 測(cè)點(diǎn)距

測(cè)點(diǎn)距的選取原則是要使檢測(cè)目標(biāo)的反射信號(hào)在足夠多的測(cè)點(diǎn)上記錄下來(lái)，以便使其可以辨認(rèn)。一般要使一個(gè)目標(biāo)的反射信號(hào)可以辨認(rèn)，至少應(yīng)有5～10條反射記錄。因?yàn)槔走_(dá)天線的張角約為60°，所以如果要檢測(cè)路面厚度為h的點(diǎn)狀目標(biāo)，點(diǎn)距應(yīng)不大于h/5。例如，要探測(cè)埋深1 m的地下管線，點(diǎn)距應(yīng)選為0.2 m。而如果要探測(cè)地下界面起伏，且界面起伏較平緩時(shí)，則點(diǎn)距可適當(dāng)放寬，以提高工作效率。

2.1.3 疊加次數(shù)

為了提高信噪比，現(xiàn)在的地質(zhì)雷達(dá)儀器均設(shè)置了信號(hào)疊加功能。疊加次數(shù)的增加使信噪比增強(qiáng)，但卻使工作效率降低。在實(shí)際測(cè)量中，應(yīng)視噪聲水平確定疊加次數(shù)。當(dāng)環(huán)境噪聲水平較高時(shí)，疊加次數(shù)多一些；環(huán)境噪聲水平較低時(shí)，疊加次數(shù)少一些，在保證使勘探深度內(nèi)的反射信號(hào)都能被辯認(rèn)出來(lái)的前提下，應(yīng)選取盡可能少的疊加次數(shù)。具體選擇多少疊加次數(shù)，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

2.1.4 采樣速率

采樣速率是指相鄰2次采樣的時(shí)間間隔，也有用一條記錄中的采樣個(gè)數(shù)來(lái)定義采樣速率的。采樣速率高，記錄的波形細(xì)致，但數(shù)據(jù)量大；采樣速率低，記錄的波形就粗略，但數(shù)據(jù)量小。當(dāng)反射波難以識(shí)別或需要對(duì)波形進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)取較高的采樣速率；否則，采樣速率可取得小一些。

2.2 天線頻率的影響

頻率是指雷達(dá)在檢測(cè)過(guò)程中電磁脈沖的中心頻率。頻率主要通過(guò)目標(biāo)分辨率和路面厚度來(lái)選擇，需要較高的分辨率則應(yīng)選擇較高的頻率，需要檢測(cè)較大的路面厚度時(shí)則應(yīng)選擇較低的頻率。路面雷達(dá)天線頻率是影響路面厚度檢測(cè)精度的重要影響因素，在設(shè)備和路面介質(zhì)不變的條件下，雷達(dá)探測(cè)的深度取決于天線頻率的大小。一般來(lái)說(shuō)天線頻率越高，探測(cè)深度越小，天線頻率越低，探測(cè)深度越大。天線頻率的選擇應(yīng)根據(jù)被測(cè)路面厚度的大小來(lái)決定。因此頻率的選擇要兼顧分辨率和路面厚度，而在實(shí)際工作中，一般都是在保證所需的路面厚度的前提下選擇盡可能高的頻率，以取得盡可能高的分辨率。有時(shí)候不論采用什么頻率都不能得到同時(shí)滿足分辨率和路面厚度2方面的要求，那么就需要采用2種不同的頻率對(duì)同一道路相同的縱向剖面進(jìn)行2次測(cè)量，以高頻獲得對(duì)淺部的高分辨率；以低頻獲得對(duì)深部的勘探能力。頻率的選取一般可預(yù)先進(jìn)行估算，必要時(shí)通過(guò)試驗(yàn)確定。通常情況下，當(dāng)被測(cè)路面標(biāo)稱厚度小于10 cm時(shí)，通?？蛇x擇不小于2 GHz的雷達(dá)天線；當(dāng)被測(cè)路面標(biāo)稱厚度介于10～25 cm時(shí)，可選擇不小于1.5 GHz的雷達(dá)天線；當(dāng)被測(cè)路面標(biāo)稱厚度大于25 cm時(shí)，可選擇不小于1 GHz的雷達(dá)天線。如果選擇的天線頻率與被測(cè)路面厚度不相對(duì)應(yīng)，雷達(dá)掃描所得到的圖像分辨率低，會(huì)導(dǎo)致圖像處理得到的數(shù)據(jù)誤差較大。

2.3 介電常數(shù)標(biāo)定的影響

介電常數(shù)是物體本身的一種特性，不同的材料具有不一樣的介電常數(shù)。理論上，材料不變其介電常數(shù)是固定的，但是由于瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度、混合料類型、施工水平及壓實(shí)度、濕度等的變化會(huì)使得介電常數(shù)產(chǎn)生不同[4-5]。由上文的計(jì)算公式可看出介電常數(shù)對(duì)路面厚度的計(jì)算結(jié)果影響重大，因此確保介電常數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性是準(zhǔn)確計(jì)算路面厚度的前提。部分常見(jiàn)材料的介電常數(shù)參考范圍可見(jiàn)表1。

（1）對(duì)于瀝青路面而言，原材料與配合比的不同是影響其介電常數(shù)的主要因素。由表1可以看出不同的材料的介電常數(shù)不一樣，瀝青相對(duì)介電常數(shù)為3～5，集料（石灰?guī)r、花崗巖和玄武巖）的相對(duì)介電常數(shù)為4～9，所以對(duì)于不用種類或者不同配合比的瀝青混合料，其介電常數(shù)也存在一定的差異。

表1 部分常見(jiàn)材料的介電常數(shù)范圍

（2）瀝青路面空隙率與含水率不一致對(duì)介電常數(shù)也有影響?？諝獾慕殡姵?shù)為1，水的介電常數(shù)為81，相差甚大，導(dǎo)致對(duì)路面的介電常數(shù)影響也較大。采用相同的瀝青混合料通過(guò)成型車轍板試件，測(cè)試不同空隙率的車轍板的介電常數(shù)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2；將車轍板用浸水和晾干的方式形成不同含水率再測(cè)試其介電常數(shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 不同空隙率的車轍板試件（干燥狀態(tài)）介電常數(shù)測(cè)試結(jié)果

表3 不同含水率的車轍板試件介電常數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表2、表3可知，相同的瀝青混合料，其空隙率越大，介電常數(shù)越??；含水率越大，介電常數(shù)越大。所以進(jìn)行瀝青路面介電常數(shù)標(biāo)定時(shí)，要確保路面類型相同，并且路面干燥，這樣標(biāo)定結(jié)果才能更精確。

（3）鉆芯厚度標(biāo)定對(duì)介電常數(shù)的影響。鉆芯厚度標(biāo)定時(shí)建議采用時(shí)間模式（靜態(tài)）而非距離模式（動(dòng)態(tài)）進(jìn)行，因?yàn)椴捎镁嚯x模式標(biāo)定難以確保鉆芯位置與標(biāo)定位置相一致，由此可能會(huì)因?yàn)樾緲訉?shí)際厚度與標(biāo)定厚度的差異導(dǎo)致介電常數(shù)的計(jì)算不準(zhǔn)確。采用時(shí)間模式可以確保鉆芯位置與標(biāo)定位置相一致，同時(shí)在對(duì)芯樣厚度的測(cè)量上也必須準(zhǔn)確，才能準(zhǔn)確計(jì)算出路面的介電常數(shù)。

2.4 距離標(biāo)定及行駛路線、測(cè)試距離的影響

雷達(dá)檢測(cè)路面厚度需要測(cè)距輪對(duì)路面距離進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)距輪對(duì)路面位置標(biāo)記的準(zhǔn)確性就關(guān)系到厚度結(jié)果對(duì)應(yīng)路面位置的準(zhǔn)確性。雷達(dá)檢測(cè)路面厚度除可以得出路面整體厚度的合格率外，還可以針對(duì)局部路段，甚至特定位置的厚度情況作出評(píng)價(jià)。另外，雷達(dá)承載車的行駛路線及連續(xù)行駛路線的長(zhǎng)短也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。測(cè)距輪對(duì)行駛距離的標(biāo)定是建立在直線段的基礎(chǔ)上的，而在實(shí)際的工程項(xiàng)目上，道路卻是存在一定的彎道的，彎道越多、連續(xù)行駛距離越大，對(duì)路面厚度結(jié)果對(duì)應(yīng)的位置產(chǎn)生的誤差就越大。

2.5 施工水平的影響

目前利用雷達(dá)檢測(cè)路面厚度的方法是建立在所檢測(cè)路面單元?jiǎng)蛸|(zhì)性相當(dāng)好的前提下，因?yàn)槁访娴膭蛸|(zhì)性關(guān)系到介電常數(shù)是否相同。因此施工水平和施工條件一致性越高，路面的厚度、空隙率和壓實(shí)度等越均勻，介電常數(shù)就越統(tǒng)一，介電常數(shù)的標(biāo)定也越準(zhǔn)確。

3 建議與結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)際需求選用合適頻率的天線，設(shè)置參數(shù)合理，提高采樣的準(zhǔn)確性，對(duì)于同一評(píng)定段落應(yīng)采用相同頻率的天線進(jìn)行檢測(cè)。

（2）介電常數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性直接影響路面厚度檢測(cè)結(jié)果的精確性，同時(shí)影響介電常數(shù)標(biāo)定結(jié)果的因素也較多，因此在實(shí)際的檢測(cè)工作中，建議通過(guò)以下措施對(duì)介電常數(shù)標(biāo)定的影響進(jìn)行規(guī)避：①對(duì)于不同材料或者不同配合比的瀝青路面，應(yīng)分別進(jìn)行介電常數(shù)標(biāo)定；②不同厚度的路面應(yīng)分別進(jìn)行介電常數(shù)標(biāo)定，以減小電磁波走時(shí)誤差的影響；③被檢測(cè)的路面應(yīng)保持干燥狀態(tài)，以消除不同含水率對(duì)介電常數(shù)標(biāo)定的影響；④采用時(shí)間模式（靜態(tài)）進(jìn)行介電常數(shù)標(biāo)定；⑤提高鉆芯厚度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（3）檢測(cè)前應(yīng)對(duì)測(cè)距輪進(jìn)行標(biāo)定，確保檢測(cè)路面距離的標(biāo)記與路面實(shí)際位置相一致；檢測(cè)的行駛路線應(yīng)沿車道中線勻速行駛，避免頻繁變化車道行駛導(dǎo)致距離標(biāo)記位置誤差增大；連續(xù)檢測(cè)距離不宜過(guò)大，要根據(jù)路面實(shí)際情況而定，路面彎道較多宜適當(dāng)減小連續(xù)檢測(cè)距離。

（4）提高路面施工水平的一致性可減小各種因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

（5）文中通過(guò)實(shí)際的檢測(cè)，分析了路面雷達(dá)檢測(cè)厚度的精度影響因素，通過(guò)各種措施盡量減小測(cè)量的誤差。目前，由于路面雷達(dá)設(shè)備的不同、路面實(shí)際情況的差異，采用路面雷達(dá)進(jìn)行厚度檢測(cè)還存在一定的誤差，對(duì)于雷達(dá)檢測(cè)的結(jié)果存在異議時(shí)應(yīng)用鉆芯測(cè)量加以驗(yàn)證。因此，希望廣大的學(xué)者在以后的研究中繼續(xù)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入探討，為路面雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供參考依據(jù)。