影響高頻地質(zhì)雷達(dá)檢測精度的主要因素分析

王曦光

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

高頻地質(zhì)雷達(dá)是指天線中心頻率為1.5GHz以上的雷達(dá)，由于其分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)，在路面厚度檢測等方面應(yīng)用甚廣。但是在應(yīng)用高頻地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行檢測時，需要注意外界因素對檢測結(jié)果的影響，否則可能造成較大的誤差。

1 主要影響因素

1.1 行駛速度對檢測結(jié)果的影響

在一條新建的高速公路上選取長度為700m的直線路段，在起點(diǎn)處(0m)、200m處、終點(diǎn)處(700m)做好標(biāo)記，保證每次檢測時天線都沿同一條測線檢測。開始檢測時，將雷達(dá)天線對準(zhǔn)起點(diǎn)，啟動檢測車輛，在到達(dá)200m位置前達(dá)到要求的檢測車速并保持勻速，至雷達(dá)天線超過終點(diǎn)后再停車。將檢測數(shù)據(jù)分成兩部分進(jìn)行分析，一部分是0～200m加速路段的數(shù)據(jù)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)用于分析檢測車輛處于加速階段(分析結(jié)果同樣適用于減速階段)對檢測數(shù)據(jù)的影響；另一部分是200～700m勻速路段的檢測數(shù)據(jù)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)用于分析采用不同車速對檢測數(shù)據(jù)的影響。本次選取20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h的速度進(jìn)行測試。測試結(jié)果見表1。

通過對表1中勻速段檢測數(shù)據(jù)的分析，采用不同的檢測速度對檢測結(jié)果的影響較小，各路段檢測結(jié)果變異系數(shù)均未超過1%，在交通運(yùn)輸部部門計量檢定規(guī)程《公路斷面探傷及結(jié)構(gòu)層厚度探地雷達(dá)》JJG(交通)124-2015中，要求厚度測量重復(fù)性變異系數(shù)不大于5.0%，可見車速對檢測結(jié)果的影響遠(yuǎn)小于規(guī)范對重復(fù)性測量的要求，所以可以認(rèn)為不同的檢測車速對檢測結(jié)果基本無影響。

通過對表1中加速段檢測結(jié)果的分析，其變異系數(shù)為0.71%，同樣小于5%，但比勻速段變異系數(shù)大，那么可以認(rèn)為，檢測車輛是否處于加速或減速階段對檢測結(jié)果的影響較小，在誤差允許范圍內(nèi)。

通過以上的測試，證實了檢測車輛是否處于加減速階段，以及采用不同的速度進(jìn)行檢測，對高頻地質(zhì)雷達(dá)的檢測精度基本無影響，但是實際工作中，為了減少檢測車對雷達(dá)波的干擾，一般都用較長的支架將雷達(dá)天線遠(yuǎn)離車輛，如果在檢測時頻繁地加減速，會造成天線的劇烈擺動，為了保護(hù)天線，檢測車輛還應(yīng)盡量保持勻速行駛，建議檢測速度不要超過80km/h。

1.2 檢測介質(zhì)對檢測結(jié)果的影響

雷達(dá)波(電磁波)在不同的介質(zhì)中其傳播速度是不同的。瀝青混合料是由瀝青、石料等多種材料按不同比例混合成的混合材料，即使是完全相同的瀝青混合料，在不同的壓實度下，雷達(dá)波的傳播速度也會不同?？梢姂?yīng)用地質(zhì)雷達(dá)檢測瀝青混凝土路面厚度時，影響雷達(dá)波波速的因素還是比較復(fù)雜的。

某高速公路瀝青面層設(shè)計結(jié)構(gòu)為：3.5cmSMA-13L上面層+5cm中粒式改性瀝青混凝土LAC-20中面層+7cm粗粒式普通瀝青混凝土LAC-20下面層。在同一測試路段，每層施工完畢后，均使用探地雷達(dá)進(jìn)行路面厚度檢測，檢測時通過取芯標(biāo)定的雷達(dá)波波速見表2。

表2 不同層位下標(biāo)定的雷達(dá)波波速表

通過表2的雷達(dá)波波速標(biāo)定結(jié)果，可見隨著路面厚度的增加，雷達(dá)波波速逐漸降低，尤其是在SMA上面層中，雷達(dá)波波速降低明顯，說明在SMA結(jié)構(gòu)中，雷達(dá)波波速較AC結(jié)構(gòu)慢；同樣，在下面層和中下面層結(jié)構(gòu)中，雖然同為AC結(jié)構(gòu)，但是由于瀝青以及集料的不同，波速仍然有差異，由于瀝青在混合料中含量較少，可以認(rèn)為波速的差異主要是由于集料的不同而產(chǎn)生的。通過以上分析，說明應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行路面厚度檢測時，檢測每一層位的路面厚度都必須進(jìn)行雷達(dá)波速的標(biāo)定，不可使用不同層位的速度代替，更不可使用別的標(biāo)段、甚至是別的路線的標(biāo)定數(shù)據(jù)，更不能通過厚度換算等方式來計算其他層位的波速，否則測試結(jié)果就沒有意義，甚至可能使檢測結(jié)果嚴(yán)重偏離。

1.3 路面干濕狀態(tài)對檢測結(jié)果的影響

在某公路進(jìn)行路面厚度檢測時，在路面干燥狀態(tài)下，進(jìn)行了5個芯樣的波速標(biāo)定，后由于降雨，在路表面處于表干狀態(tài)下，又取了5個芯樣進(jìn)行波速標(biāo)定，各芯樣標(biāo)定結(jié)果見表3。

表3 不同路面狀態(tài)下標(biāo)定的雷達(dá)波波速表

通過對表3檢測數(shù)據(jù)的分析，可見路面在潮濕(表干)狀態(tài)下，雷達(dá)波波速稍有降低，但與干燥狀態(tài)下相比，雷達(dá)波波速變化不大，變異系數(shù)也基本相同，可以認(rèn)為路面的干濕狀態(tài)對檢測結(jié)果基本沒有影響。但為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和公正性以及雷達(dá)設(shè)備的安全，還是建議在路面充分干燥的情況下進(jìn)行檢測，且在檢測的同時進(jìn)行芯樣波速標(biāo)定，以使路面檢測時的狀態(tài)與波速標(biāo)定時的狀態(tài)一致。

1.4 測距輪對測量數(shù)據(jù)的重要性

測距輪在每次檢測前必須進(jìn)行標(biāo)定，且必須使精度控制在1%以內(nèi)。如果測距輪測量的距離不準(zhǔn)確，隨著測試路段的增長，測距輪導(dǎo)致的誤差會逐漸積累，導(dǎo)致測試輸出的樁號與實際不符，這就使測試數(shù)據(jù)失去了意義。如果測試路段較長，建議每5～10km設(shè)為一個測試文件。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，如果測試的路段長度與實際長度存在較小的偏差，經(jīng)確認(rèn)不是操作錯誤時，必須將偏差數(shù)值反算至每一個樁號處，將累計誤差消除，以保證檢測數(shù)據(jù)的樁號與實際樁號相符。在彎道較多或者車道變換較多時，應(yīng)根據(jù)情況適當(dāng)縮短檢測的距離。

2 應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)檢測路面厚度的精度分析

要驗證地質(zhì)雷達(dá)檢測路面厚度的精度，最直觀和有效的方法就是將檢測的結(jié)果和鉆芯取樣的結(jié)果進(jìn)行對比。

在某高速公路選取一段路線，該路段為同一批瀝青混合料的施工段，在經(jīng)過取芯標(biāo)定波速后，應(yīng)用高頻地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)測試500m，并計算出0m、100m、200m、300m、400m、500m處的路面厚度，然后進(jìn)行取芯驗證，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 路面厚度芯樣驗證數(shù)據(jù)表

通過對表4數(shù)據(jù)的分析可以說明：

(1)通過標(biāo)定的雷達(dá)波速，計算路面厚度與實際還是存在一定的偏差，最大值為0.26cm。依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG 3450-2019)T0913-2019的規(guī)定，路面厚度≥100mm時，測量誤差允許范圍為±3%H(H為路面厚度)，通過上表可以看出，高頻地質(zhì)雷達(dá)的精度滿足規(guī)范要求。

(2)因為是通過芯樣標(biāo)定的波速來計算其他路段的路面厚度，所以波速標(biāo)定在雷達(dá)厚度工作中非常重要，波速的準(zhǔn)確性將直接影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)取芯進(jìn)行標(biāo)定時，對于芯樣的厚度量取必須采用十字法進(jìn)行檢測。對于個別芯樣底面不平，造成芯樣厚度量取困難，則該芯樣厚度只能作為參考，必須再重新取樣，保證芯樣底面相對平整。在取芯進(jìn)行波速標(biāo)定時，應(yīng)盡量采用定點(diǎn)的方式，自由采集一段平穩(wěn)的圖像，這樣做的目的，一是有利于標(biāo)定點(diǎn)的確認(rèn)，二是有利于準(zhǔn)確拾取反射時間。

(4)進(jìn)行波速標(biāo)定時，芯樣應(yīng)不少于6個，且應(yīng)滿足變異系數(shù)不大于5%的基本要求，最好不大于2%，如果超過此范圍，建議通過增加標(biāo)定芯樣個數(shù)的方法來降低變異系數(shù)，不能隨意將離散的波速標(biāo)定值舍棄。用芯樣進(jìn)行波速標(biāo)定時，應(yīng)選擇雷達(dá)圖像界面清晰、容易辨識、沒有突變的路段進(jìn)行，避免因為雷達(dá)波的行程時間拾取不準(zhǔn)導(dǎo)致的波速標(biāo)定誤差。

3 結(jié)論

(1)地質(zhì)雷達(dá)作為一種無損檢測設(shè)備，可以大大降低取芯對路面的破壞，且有很高的檢測效率和檢測精度。

(2)在參數(shù)設(shè)置正確的情況下，檢測車速對地質(zhì)雷達(dá)的檢測結(jié)果影響很小。

(3)瀝青混合料類型、集料的類型等都會對雷達(dá)波的波速產(chǎn)生影響，開始檢測工作前，應(yīng)詳細(xì)了解相關(guān)情況并對不同段落進(jìn)行區(qū)分，分段標(biāo)定，以確保檢測數(shù)據(jù)與實際情況吻合。

(4)為了保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性以及保證設(shè)備的安全，不要在路面含水的狀態(tài)下進(jìn)行檢測。

(5)測距輪在每次檢測前必須進(jìn)行標(biāo)定。在測試距離較長時，必須將累計的樁號偏差數(shù)據(jù)反算至每個樁號中，以保證輸出數(shù)據(jù)樁號的準(zhǔn)確性。

(6)進(jìn)行波速標(biāo)定時，每一段落的標(biāo)定芯樣應(yīng)不少于6個，并且應(yīng)滿足波速的變異系數(shù)不大于5%的要求，最好不大于2%。