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今天为大家带来的是入选集团《年现场技术交流会论文集》现代综合交通篇栏目中由检测室江涛负责编写的

《路面检测中高频雷达的应用探析》

江涛，陈崇行

中交三公局（北京）工程试验检测有限公司北京

摘要：路面检测在公路试验检测工作中尤为重要。路面厚度指标不仅是公路工程质量的控制性指标也是公路使用年限的必要保证，路面厚度工作能够高效、准确进行对确保公路工程的可靠性具有重要意义。本文通过实例比对高频雷达法与钻芯法检测的优劣性，对高频雷达在路面厚度检测中的合理应用做出可行性分析。

关键词：高频雷达；路面检测；路面钻芯；应用

随着我国公路水运设施建设的蓬勃发展，在公路水运试验检测领域传统检测技术手段的片面性、效率低等缺点暴露的越来越明显，试验检测工作中对新技术手段的渴求越来越激烈。公路路面检测的传统方法为钻芯法，其特点为结果比较直观但效率低，不具有代表性且需要破损路面降低其使用寿命，与之相比高频雷达检测具有检测效率高，对路面无破损，检测结果随着采样点数增加而代表性随之增高的特点。

高频雷达由一体化主机、天线及相关配件组成。雷达工作时，向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲（几十兆赫兹至上千兆赫兹），电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射，探地雷达接收并记录这些信号，再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况[1~3]。

探地雷达方法基于电磁波在不同介质中的传播特性。电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波[4~6]。基本目标体探测原理见图1。

图1电磁波在地下的传播路径(左)及记录波形(右)

高频雷达进行路面检测就是将路面分成很多薄层，将介电常数相近的薄层合并，从而计算出路面层的厚度[7]。

（1）式中：H—面层厚度（mm）

Δt—雷达波双程走时（ns）

εr—现场标定的介电常数

c—电磁波在空气中传播速度（一般取mm/ns）

高频雷达检测路面厚度的实质就是通过软件分析电磁波在具有不同电性参数（主要为介电常数）的结构层面间传播和反射特征，从而划分结构层位。因此采集系统对环境电磁波及周围铁磁性物质抗干扰性，分析软件对有效信号的增益放大性能，结构中含水率等都将对检测结果产生直接影响。

高频雷达是根据具有不同介电常数的结构体对电磁波传播特性不同来区分不同结构体的，采用不同配合比，不同的原材料，不同的结构含水率铺设的沥青混凝土路面介电常数都有很大的差异，所以介电常数标定是在开始新路段路面测试必须进行的步骤，从而来确定该路段的检测参数。

现场标定时应注意，因目前普遍采用的雷达天线具有一定的发射面积，所以在选取标定点时应选取结构层平整或区域厚度变化不大等具有代表性位置进行标定。

当检测路段附近有电信设施或路面材料内含有较多铁磁性物质时将会对雷达波造成一定程度影响从而影响检测结果。对于点状影响体的处理方法是在检测过程中做好区分标记，在分析处理数据时根据经验判断是否为结构体边界线；对于材料体内铁磁性物质影响，处理方法有直接在分析过程中调节背景波去除参数消除或采集一段环境波在文件处理过程中将此环境波过滤掉。

由于介电常数远远大于路面材料，电磁波在水中传播时能量衰减很大，所以结构体中空隙率较大含水较多将对检测结果造成较大影响，所以监测工作前应确认路面干燥情况，尽量避免在潮湿状态下进行路面检测。

本次检测采用中国电波传播研究所生产的LTD-型探地雷达，天线选择为ALMHz空气耦合型天线中心频率2GHz/MHz。装配于型路面检测车上，采样间距为3.5cm，车速限定为30Km/h。检测路面为京郊某大坝乡道改建工程，路面双车道采用沥青混凝土分两层铺装，设计总厚度为80mm，总长度为6Km。

开始检测前，首先在3个有代表性的区域定点后，通过连续扫描模式采集双程走时并标记后钻芯，对该路段沥青混凝土进行波速（介电常数）标定，数据见表1。

表1标定数据表

标定点

双程旅行时间t（ns）

芯样厚度H（mm）

波速V（m/ns）

平均波速(m/ns)

1

1.

80.2

0.

0.

2

1.

81.2

0.

3

1.

79.6

0.

由公式

（2）式中：表示结构体介电常数

C表示电磁波在空气中传播速度

V表示电磁波在结构体中传播速度

求得介电常数为7.6，通过求得的介电常数修正雷达测试所得数据，以每m为单元进行评价（评定规范要求频率为m），同时每m取一个芯样数据对比如表2所示。

表2检测数据表

里程桩号

设计值（mm）

代表值（mm）

芯样厚度（mm）

偏差率（%）

K0+~K0+

80

83.2

80.2

3.74

K0+~K0+

80

85.4

6.48

K0+~K0+

80

83.5

82.9

0.72

K0+~K0+

80

83.3

0.48

K0+~K0+

80

79.3

81.5

2.70

K0+~K0+

80

86.4

6.01

K0+~K0+

80

92.5

90.0

2.78

K0+~K0+

80

82.0

8.89

K0+~K0+

80

78.9

77.4

1.94

K0+~K1+

80

85.3

10.21

K1+~K1+

80

73.3

81.2

9.73

K1+~K1+

80

80.7

0.62

K1+~K1+

80

84.7

87.7

3.42

K1+~K1+

80

88.9

1.37

K1+~K1+

80

84.4

92.7

8.95

K1+~K1+

80

93.1

0.43

K1+~K1+

80

.2

.0

0.19

K1+~K1+

80

95.0

10.38

K1+~K1+

80

92.9

95.1

2.31

K1+~K2+

80

98.7

3.79

K2+~K2+

80

93.8

91.0

3.08

K2+~K2+

80

98.8

8.57

K2+~K2+

80

85.9

88.3

2.72

K2+~K2+

80

89.9

1.81

K2+~K2+

80

81.2

79.6

2.01

K2+~K2+

80

79.2

0.50

K2+~K2+

80

93.3

79.8

16.92

K2+~K2+

80

77.2

3.26

K2+~K2+

80

76.5

84.3

9.25

K2+~K3+

80

90.8

7.71

图2雷达检测与钻芯厚度对比图

由表2数据得到的雷达检测与钻芯厚度对比图（见图2）分析可以得出雷达分析得出各段桩号内的代表值与芯样厚度偏差绝对值与芯样厚度的百分比离散性很大，最小值为0.19%，最大值为16.92%，当以雷达采集数据为基础进行路面厚度指标评定时，可根据意愿在规范要求基础上加密评定频率以增强评定结果的代表性，从而因取芯数量不足，取芯位置偶然性大所造成的结果偏颇，虽然通过加密取芯数量也可达到类似效果，但此种方法所产生的破坏效应将会得不偿失。

现在检测用的探地雷达配备的天线分为空气耦合和地面耦合两种类型，对两种类型的天线在同一段沥青混凝土路面进行了路面厚度的对比检测（见图3和图4）。对地面耦合天线雷达又进行了天线贴地和悬空两种对比（见图5和图6），对空气耦合天线雷达进行了快速和慢速两种对比（见图7和图8）。

图3地面耦合雷达现场检测图

图4空气耦合雷达现场检测图

图5地面耦合天线雷达贴地检测成果图

图6地面耦合天线雷达悬空检测成果图

从图5和图6的对比可以看出，雷达天线贴地和悬空均能识别出面层的分界线（图中红色椭圆处），贴地时对更深处的分界面的识别比悬空时好。但是由于雷达天线是装于牵引车后面的小车上，路面的不平整或存在小石等障碍物时会导致小车颠簸，从而导致雷达天线的颠簸，因而地面耦合天线检测成果图中就在同向轴上出现了锯齿状。

图7空气耦合天线雷达检测（车速50km/h）成果图

图8空气耦合天线雷达检测（车速10km/h）成果图

从图7和图8可知空气耦合天线雷达不仅均能很好的识别出第一层的分界面（图中红色椭圆处），而且能够清晰的识别出下面一层的分界面（图中绿色椭圆处）。并且雷达成果图像中也没有出现地面耦合天线雷达检测成果图像中的锯齿状，说明空气耦合天线雷达受地面的影响较小。当检测车时速为50km/h（见图7）和时速为10km/h（见图8）时，探测深度和精度都没有受到影响，说明空气耦合天线雷达可以以汽车正常行驶速度进行检测，这样检测时就不影响道路的正常使用，且检测效率和准确度均较高。

采用空气耦合高频雷达进行路面厚度检测技术具有高效率、代表性强、无损等优点，已经作为一种标准规范允许的新技术手段纳入到公路路面质量检测等领域中开始应用。但是和其他无损检测技术一样，高频雷达检测结果均是根据分析软件对采集到的数据波形进行计算处理后评定，均要依据一定的技术经验进行，不如钻芯法直观，结构体内部及周围环境复杂时，其准确性难以控制；而钻芯法虽直观性强，但代表性差、效率低、路面损伤严重；所以我们在应用时应依据情况采用无损检测和有损检测多种手段相结合才能获得更为严谨的检测结果。

[1]黄伟群,周欣建.探地雷达在旧路改造设计中的应用[J].城市建设理论研究：电子版,(16).

[2]周洪庆,阿发友,杜定全.探地雷达在岩溶地区桥基勘察中的应用[J].贵州工业大学学报:自然科学版,7,36(2):10-14.

[3]黄成,王正,俞先江.路用探地雷达在公路病害探测中的应用[J].工程技术研究,(2):26-27.

[4]石利锋.地质雷达技术在某铁路隧道质量检测中的应用[J].福建地质,,29(3):-.

[5]吴刚.探地雷达在汕昆公路隧道掘进中的应用[J].贵州大学学报(自然科学版),,29(3):-.

[6]荆代芝.地质雷达在公路面层检测的运用[J].城市建设理论研究:电子版,(25).

[7]张立敏,刁传苏,徐明波.高精度雷达在路面厚度检测中的应用[J].中外公路,4,24(6):25-28.

校审丨魏群（党群监审部）

编辑丨王龙

中交三公局试验检测公司

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