易立，雷運(yùn)波，冉強(qiáng)，雍林林

（健研檢測(cè)集團(tuán)重慶有限公司，重慶 400000）

0 引言

近幾年，我國公路網(wǎng)絡(luò)因公路建設(shè)的高速發(fā)展而具有了一定的規(guī)模。然而，公路使用的壽命受到了公路路面的維護(hù)質(zhì)量影響，路面的維護(hù)起支撐就是路面系統(tǒng)情況的數(shù)據(jù)，所以，對(duì)公路狀況加以合理科學(xué)的檢測(cè)極為關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的檢測(cè)方面，不但會(huì)在不同的程度上對(duì)路面造成損傷，且不具有代表性和效率低等缺點(diǎn)。探地雷達(dá)其發(fā)射的電磁波使用的是無載波的毫微秒脈沖，瞬時(shí)掃頻是其最大特點(diǎn)，在不同的土壤頻率區(qū)域里，其頻譜性能包括了全覆蓋與穿透性，能夠?qū)Φ叵履繕?biāo)進(jìn)一步加以探測(cè)[1]。探測(cè)回波在寬頻譜的作用下，不僅會(huì)使目標(biāo)電測(cè)有較為整完的特性，而且還不會(huì)出現(xiàn)丟失，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)的識(shí)別更為有效。

1 探地雷達(dá)的系統(tǒng)組成及其工作的原理

1.1 探地雷達(dá)的系統(tǒng)組成

探地雷達(dá)系統(tǒng)主要包括供電的電源、雷達(dá)主機(jī)、發(fā)射機(jī)、結(jié)果顯示、接收機(jī)以及信號(hào)處理、儲(chǔ)存與收發(fā)天線等。

1.1.1 發(fā)射機(jī)

發(fā)射機(jī)主要憑借著電路來對(duì)能量加以有效的存儲(chǔ)，且還可以在短時(shí)間得以釋放，從而形成的脈沖較為強(qiáng)烈，再就是形成單周期的雷達(dá)信號(hào)，在經(jīng)分離器作用而傳輸?shù)教炀€，最后憑借著天線將此電磁波傳輸至路面系統(tǒng)[2]。

1.1.2 接收機(jī)

高速的采樣電路是探地雷達(dá)接收機(jī)核心，其關(guān)鍵是對(duì)反射的信號(hào)加以獲取，并對(duì)此信號(hào)加以放大，然后再將信號(hào)輸送給信號(hào)處理機(jī)，對(duì)所獲取的信號(hào)高效加以處理。

1.1.3 天線

天線可以發(fā)射電磁波的信號(hào)和接收反射的信號(hào)，公路用的探地雷達(dá)其對(duì)應(yīng)天線包括地面耦合型和空氣耦合型這兩種天線。

1.1.4 分離機(jī)

天線與發(fā)射機(jī)兩者之間是憑借著分離機(jī)來實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)的，且于短期的發(fā)射完成以后，分離器會(huì)將兩者之間的聯(lián)結(jié)斷開，并且會(huì)重新對(duì)接收機(jī)與天線加以聯(lián)結(jié)[3]。分離器會(huì)對(duì)接收機(jī)的輸入單元加以保護(hù)，并可使輸入單元于發(fā)射機(jī)高能輸出的情況下得以保護(hù)。

1.1.5 信號(hào)的處理機(jī)與計(jì)算機(jī)

信號(hào)處理機(jī)其關(guān)鍵作用便是有效處理反射的信號(hào)，計(jì)算機(jī)其作用就是對(duì)數(shù)據(jù)和信息加以收集、儲(chǔ)存與處理以及展示與研究。

1.2 探地雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理

探地雷達(dá)其方法就是有效運(yùn)用高頻電磁脈沖在界面上加以反射來對(duì)公路結(jié)構(gòu)的相關(guān)病害加以檢測(cè)。在此流程當(dāng)中，經(jīng)下達(dá)給發(fā)射機(jī)與接收機(jī)一系列管控的指令，發(fā)射機(jī)按照指令來完成電磁波往地下發(fā)射的情況，接收機(jī)按照指令來對(duì)地下介質(zhì)界面的反射波相關(guān)的數(shù)據(jù)加以采集[4]。在通過采取樣本與A/D 的變換以后，其顯示與保存就是接收到的反射信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。因?yàn)榘l(fā)射與接收的天線是緊靠著地面，發(fā)射機(jī)所發(fā)射出的短脈沖電磁波是通過發(fā)射的天線產(chǎn)生輻射而傳送至大地，地下傳輸當(dāng)中，若遭遇了介質(zhì)分界面之后，那么就會(huì)被折射或者是反射回來，回波即被反射至地面且被接收到的電磁波。雷達(dá)的圖形通常是因脈沖反射波的波形而記錄下來的。在波形當(dāng)中，白色與黑色則表示了正負(fù)峰，而有的時(shí)候其表示也會(huì)用到灰階與彩色。那么同相軸亦或是等色線及等灰度，可以直觀的將地下反射界面形象直觀的表現(xiàn)出來。通常反射的脈沖其波形是較為明顯的，在圖像實(shí)施地質(zhì)解釋當(dāng)中屬于關(guān)鍵依據(jù)。相關(guān)的工作者能按照回波的訊號(hào)與傳播的時(shí)間及實(shí)時(shí)的圖像來對(duì)地下介質(zhì)的分布與病害狀況加以推斷，進(jìn)而推斷公路的內(nèi)部有哪些問題。

2 探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理及其運(yùn)用關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 探地雷達(dá)對(duì)數(shù)據(jù)的處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理應(yīng)使用專業(yè)化分析軟件，按照公路檢測(cè)雷達(dá)波相關(guān)特征，數(shù)據(jù)的處理流程具體如下。

2.1.1 偏移的處理

在現(xiàn)場(chǎng)所獲得的原始數(shù)據(jù)，通常是存在振幅正負(fù)的半周并不對(duì)稱等相關(guān)的問題，其之所以出現(xiàn)此情況正是因?yàn)閿?shù)據(jù)存在直流的漂移量，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)加以偏移處理。

2.1.2 靜校正

在對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)加以處理的時(shí)候，往往是校正雷達(dá)的數(shù)據(jù)至統(tǒng)一的基準(zhǔn)面之上，這一基準(zhǔn)面大多都是道路的表面。

2.1.3 滑動(dòng)平均

按照小波去噪原理，把信號(hào)里面毛刺及噪聲有效的加以去除，使得有信息成分的信號(hào)得以保存，促使圖像更為干凈及平滑。

2.1.4 數(shù)字濾波

在探地雷達(dá)的檢測(cè)過程當(dāng)中，因現(xiàn)場(chǎng)的多元環(huán)境會(huì)直接對(duì)其造成一定的影響，這便導(dǎo)致了在環(huán)境當(dāng)中的噪聲頻譜不但會(huì)出現(xiàn)低頻，而且還會(huì)出現(xiàn)高頻，那么這便需帶通濾波這一方式來對(duì)雷達(dá)的信號(hào)加以合理處理。

2.1.5 能量增益

能量增益即對(duì)雷達(dá)的圖像加以增強(qiáng)方面的處理，因?yàn)榈叵路瓷涮幉糠址瓷涞男盘?hào)是較強(qiáng)的，也有部分區(qū)域所反射的信號(hào)是較弱的，較強(qiáng)的信號(hào)會(huì)壓制到較弱的信號(hào)，這便需要對(duì)雷達(dá)的信號(hào)在增益方面進(jìn)行相關(guān)的處理。

2.2 探地雷達(dá)運(yùn)用的關(guān)鍵點(diǎn)

探地雷達(dá)于公路檢測(cè)當(dāng)中的應(yīng)用關(guān)鍵是分為下面

3 個(gè)步驟。

（1）勘查現(xiàn)場(chǎng)與搜集資料，其目的就是了解周圍的環(huán)境與地下的地形和介質(zhì)，此外，也可以對(duì)周邊工作的環(huán)境與交通和干擾等有所了解。

（2）在對(duì)公路加以探地雷達(dá)檢測(cè)時(shí)，要先對(duì)天線加以選擇并把測(cè)線布置好，這是為了對(duì)探測(cè)品質(zhì)加以有效確保，然后對(duì)數(shù)據(jù)加以采集，并有效的對(duì)多條波形記錄所形成的圖像加以收集。探地雷達(dá)其數(shù)據(jù)的收集主要包括了普查與詳查這兩類，對(duì)于不同的區(qū)域是使用的差異化檢測(cè)，并且對(duì)異常部位加以標(biāo)記與坐標(biāo)加以定位，其目的就是對(duì)病害的位置加以明確。

（3）對(duì)病害加以分類，并將病害等級(jí)明確出來，從而再針對(duì)相關(guān)病害實(shí)施有效的措施。

3 實(shí)例分析探地雷達(dá)于公路檢測(cè)當(dāng)中的運(yùn)用

3.1 工程概況

以某道路的路面為例分析，此道路是高速公路并且是瀝青的路面，其路面的結(jié)構(gòu)是4cm AC 到13C，混合料的上部層加6cm AC 到20C 混合料的中部層是加8cm AC 到25C，混合料的下部層是加36cm，水泥穩(wěn)定的碎石基層加18cm 石灰粉煤灰土底基層。

3.2 瀝青路面的破損情況

為了對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)在瀝青路面裂縫檢測(cè)的結(jié)果其精準(zhǔn)程度有進(jìn)一步的驗(yàn)證，先使用傳統(tǒng)的人工作業(yè)來對(duì)裂縫的路段路面加以鉆芯取樣，并對(duì)其破損加以分析。本次的取芯作業(yè)是隨機(jī)的選擇46 條裂縫完成，一共選取取61 個(gè)芯樣，因?yàn)槿⌒竟ぞ咂溆行⌒镜耐查L(zhǎng)是300mm，其面層加基層厚度的設(shè)計(jì)為355mm，這就使得取出芯樣以后，面層和基層兩者間是分離的，但實(shí)際上面層和基層是完整的。

對(duì)全部的芯樣加以統(tǒng)計(jì)，其具體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。因?yàn)槎彝粱鶎佑兄容^嚴(yán)重的松散情況，使得在取芯當(dāng)中，碎石與松散灰土把取芯筒卡住了，在鉆孔的四周泥漿也是比較多的，所獲取到的基層芯樣是比較松散的。裂縫的部位其病害主要表現(xiàn)為面層裂縫，基層貫穿的裂縫，面層松散以及面層層間不良等。

表1 芯樣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3 探地雷達(dá)對(duì)路面深層次裂縫識(shí)別運(yùn)用

3.3.1 選取設(shè)備

經(jīng)對(duì)現(xiàn)階段三維探地雷達(dá)加以調(diào)研與分析以后得知，其主要包括了時(shí)域雷達(dá)（同頻率天線）與頻域雷達(dá)（步進(jìn)頻率天線）這兩類。步進(jìn)頻率天線其帶寬范圍是于100MHz～3000MHz，其能夠有效的探測(cè)深度是0.2～10m，這對(duì)探測(cè)未知的深度缺陷方面更為適合。同頻率天線其是由同一頻率的天線交錯(cuò)等距排列構(gòu)成，能夠?qū)潭ǖ纳疃冗M(jìn)行有效精準(zhǔn)的探測(cè)，這對(duì)檢測(cè)已知深度缺陷方面更加適合?，F(xiàn)場(chǎng)分別用這兩種方式來對(duì)裂縫加以測(cè)試，并對(duì)比相應(yīng)數(shù)據(jù)得知，步進(jìn)頻率天線對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的病害識(shí)別率低于同頻率天線，其平面圖像的成像所表現(xiàn)出的效果也較為普通，這就表明步進(jìn)頻率天線不適合于路面的缺陷探測(cè)[5]。同頻率天線在路面病害中的識(shí)別度較高，如果使用1300MHz 高頻天線陣，能夠進(jìn)一步提升路面內(nèi)部病害的識(shí)別精確程度。

3.3.2 路面裂縫的識(shí)別

在鉆芯取樣及人工步檢的路段之上，使用探地雷達(dá)技術(shù)來對(duì)裂縫進(jìn)一步的加以檢測(cè)及分析，從而得知瀝青路面的基層有無開裂問題以及其他的破損問題。雷達(dá)的檢測(cè)方式是：沿著輪跡帶不斷連續(xù)加以檢測(cè)，并且還要于裂縫部位將相關(guān)的標(biāo)記做好，檢測(cè)到的路面內(nèi)部裂縫不同情況對(duì)比雷達(dá)圖像如圖1 所示。

圖1 路面內(nèi)部裂縫不同情況對(duì)比

3.3.3 路面裂縫的檢測(cè)結(jié)果剖析

使用探地雷達(dá)來對(duì)出現(xiàn)裂縫瀝青路面的面層部位加以檢測(cè)，一般是確保雷達(dá)的參數(shù)不變，并且再次對(duì)裂縫狀況沿著原測(cè)線加以檢測(cè)。整體上完善的路面結(jié)構(gòu)與出現(xiàn)了病害的路面結(jié)構(gòu)相對(duì)比，其在電介質(zhì)的常數(shù)方面的偏差還是比較大的，這就使得在雷達(dá)圖像當(dāng)中，能夠看到路面結(jié)構(gòu)病害部位雷達(dá)圖像的振幅變化比內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整路面的振幅變化會(huì)更加的明顯。其檢測(cè)到的路面裂縫結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況雷達(dá)圖像如圖2 所示。在圖2當(dāng)中的箭頭即裂縫位置，用方框把路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的變化情況圈了出來。然后再經(jīng)雷達(dá)圖像來加以對(duì)比并分析后能夠知道，在圖2a 處的病害呈現(xiàn)特征屬于單一型的裂縫，圖2b 處的病害呈現(xiàn)特征是面積型的裂縫，并且層間不好，圖2c 處的病害呈現(xiàn)特征是面積型的裂縫，并且結(jié)構(gòu)也較為松散，雷達(dá)的圖像信號(hào)于裂縫部位出現(xiàn)了明顯的改變。

圖2 路面裂縫處檢測(cè)的雷達(dá)圖像

4 探地雷達(dá)于公路檢測(cè)當(dāng)中適用性及有關(guān)注意事項(xiàng)

（1）因探地雷達(dá)屬于超寬帶的雷達(dá)，在公路檢測(cè)的使用當(dāng)中，若天線工作的頻率有差異，那么對(duì)其探測(cè)的深度和探測(cè)分析分辨率造成的影響也會(huì)有差異，通常，工作的頻率若是越高，則天線加以高頻電磁波的輻射檢測(cè)其分辨率也會(huì)比較高，其探測(cè)的深度就會(huì)比較小。按照此情況，在探地雷達(dá)實(shí)施公路檢測(cè)當(dāng)中，工作頻率天線的組合與設(shè)置應(yīng)選擇不相同的，從而保證檢測(cè)全面性。例如，公路工程驗(yàn)收的階段，其關(guān)鍵的檢測(cè)和分析內(nèi)容是公路結(jié)構(gòu)層的厚度，需要檢測(cè)的速度比較快，需注意防止檢測(cè)的操作損傷到公路的結(jié)構(gòu)，而對(duì)公路整體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量造成影響。于此情況時(shí)，在對(duì)公路結(jié)構(gòu)層的厚度進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，應(yīng)使用空氣耦合天線，其在公路的檢測(cè)當(dāng)中可經(jīng)天線直達(dá)波和地面波相分離，來對(duì)公路面層的厚度加以精準(zhǔn)的檢測(cè)與分析。

（2）在使用探地雷達(dá)對(duì)公路加以檢測(cè)時(shí)，需對(duì)分辨率加以管控，按照在探地雷達(dá)的檢測(cè)當(dāng)中，垂向的分辨率對(duì)公路結(jié)構(gòu)層的厚度探測(cè)精準(zhǔn)度存在直接的影響，那么在公路結(jié)構(gòu)層的厚度檢測(cè)當(dāng)中，需使用高頻天線來加以檢測(cè)，從而保證檢測(cè)效果與品質(zhì)。探地雷達(dá)于公路的檢測(cè)當(dāng)中是存在著天線輻射這一特性的，于近地的模式來檢測(cè)及分析公路工程的時(shí)候，能量傳遞是呈現(xiàn)出感應(yīng)場(chǎng)和似穩(wěn)場(chǎng)的形式，于非地面的模式時(shí)，所呈現(xiàn)出的是遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)內(nèi)的輻射傳播。

5 結(jié)語

探地雷達(dá)屬于現(xiàn)代化的檢測(cè)技術(shù)，在技術(shù)方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)與特征，于公路檢測(cè)當(dāng)中得以廣泛應(yīng)用，這給公路的質(zhì)量保障與缺陷維護(hù)等方面提供了良好支持，需持續(xù)對(duì)其加以研究，將此技術(shù)的效果充分發(fā)揮出來，不斷提高公路建設(shè)的效果。