三維探地雷達(dá)在道路裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用

邵華

（山東省交通科學(xué)研究院，濟(jì)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(wú)損檢測(cè)設(shè)備，基本工作原理是通過(guò)發(fā)射和接受高頻電磁波來(lái)獲取信息，因此，不會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成破壞，近年來(lái)在道路檢測(cè)方面應(yīng)用較為廣泛。在探測(cè)時(shí)，由定距發(fā)射天線(xiàn)負(fù)責(zé)向被探測(cè)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(duì)應(yīng)的接收天線(xiàn)負(fù)責(zé)接收反射信號(hào)，最后，由雷達(dá)主機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析，并在計(jì)算機(jī)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(huì)產(chǎn)生折射與反射，這會(huì)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(jì)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(zhǎng)，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(jī)、地面耦合天線(xiàn)、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(jī)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(cè)能力和高分辨率，可以支持不同深度的探測(cè)作業(yè)，通過(guò)對(duì)分辨率及信號(hào)帶寬進(jìn)行優(yōu)化處理，可以確保在高速探測(cè)的情況下保留圖像細(xì)節(jié)。地面耦合天線(xiàn)的核心是天線(xiàn)陣列技術(shù)，該系統(tǒng)共有21 個(gè)雷達(dá)電子掃描天線(xiàn)振子，可以提供范圍在200～3 000 MHz 的高頻電磁波，適用性較強(qiáng)，并且其單次檢測(cè)可以支持同時(shí)對(duì)20 條測(cè)線(xiàn)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(duì)接收的反射波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，最終呈現(xiàn)出檢測(cè)信息。三維探地雷達(dá)單次掃描可以同時(shí)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(guò)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(cè)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(chǎng)，因此，道路重載、超載的情況較為嚴(yán)重。目前，該道路因長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，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(duì)該道路全線(xiàn)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(duì)于道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的補(bǔ)強(qiáng)效果極為有限，無(wú)法完全組織路面結(jié)構(gòu)開(kāi)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(duì)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(cè)，以便為制訂病害處理方案及后續(xù)養(yǎng)護(hù)計(jì)劃提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.1 檢測(cè)要點(diǎn)

2.1.1 天線(xiàn)中心頻率

采用三維探地雷達(dá)對(duì)道路進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，其中，天線(xiàn)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(cè)深度與分辨率。為確保道路檢測(cè)精度，需要使用不同天線(xiàn)中心頻率對(duì)路面進(jìn)行檢測(cè)，然后分析比對(duì)檢測(cè)結(jié)果，以確定最為理想的天線(xiàn)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(xiàn)，同時(shí)，結(jié)合道路實(shí)際情況確定天線(xiàn)尺寸。一般來(lái)說(shuō)中線(xiàn)天線(xiàn)頻率越高，則檢測(cè)深度越大，分辨率越高，比如，檢測(cè)深度約為5 m 時(shí)，中線(xiàn)天線(xiàn)頻率應(yīng)控制在約100 MHz。這不僅可以精準(zhǔn)識(shí)別面層裂縫，同時(shí)，也能精準(zhǔn)識(shí)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(guò)高的情況。

2.1.2 布設(shè)測(cè)線(xiàn)

道路檢測(cè)作業(yè)人員在開(kāi)始檢測(cè)前，需要布設(shè)測(cè)線(xiàn)，以確定測(cè)線(xiàn)方位，進(jìn)而確保檢測(cè)結(jié)果的精度。在本項(xiàng)目中，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員結(jié)合道路實(shí)際情況及試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，選擇剖面法進(jìn)行檢測(cè)，首先，選取多個(gè)不同頻率的天線(xiàn)構(gòu)成屏蔽天線(xiàn)組合；然后，根據(jù)天線(xiàn)頻率確定其他參數(shù)。本項(xiàng)目中選擇了中心頻率為400 MHz、300 MHz、200 MHz、100 MHz 4 種天線(xiàn)構(gòu)成屏蔽天線(xiàn)組合，輻射時(shí)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(cè)道路裂縫病害較為嚴(yán)重，情況比較復(fù)雜，則可以視實(shí)際情況增加測(cè)線(xiàn)密度，以確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性[2]。

2.1.3 檢測(cè)速率

采用三維探地雷達(dá)對(duì)道路進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)速率即天線(xiàn)移動(dòng)速度是影響探地雷達(dá)掃描精度的關(guān)鍵性因素，若天線(xiàn)移動(dòng)速度過(guò)快，則三維探地雷達(dá)可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致部分裂縫無(wú)法被精準(zhǔn)識(shí)別。若天線(xiàn)移動(dòng)速度過(guò)慢，則檢測(cè)質(zhì)量可以得到有效保障，但檢測(cè)作業(yè)效率必然受到影響。因此，在正式檢測(cè)前需要進(jìn)行試驗(yàn)性檢測(cè)，確定最佳檢測(cè)速率，避免因檢測(cè)速率的問(wèn)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(shí)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(huì)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(xiàn)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(wú)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(shí)，介電常數(shù)不同會(huì)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(lái)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(xiàn)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算得出，裂縫區(qū)域的介電常數(shù)為空氣介電常數(shù)。計(jì)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(cè)試時(shí)間。芯樣厚度為16 cm；基層測(cè)試時(shí)間4.5 ns，面層測(cè)試時(shí)間2.5 ns?？諝獗旧聿痪邆鋵?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(hào)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(lái)看，道路基層和面層界面探測(cè)時(shí)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(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別寬度為5.0 cm 以下的裂縫，僅當(dāng)裂縫寬度超過(guò)8.0 cm 層面以上時(shí)才能精準(zhǔn)識(shí)別。

2.2.2 模型分析

通過(guò)上述對(duì)寬度不同的裂縫進(jìn)行模擬識(shí)別演示，理論上而言，三維探地雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)法精準(zhǔn)識(shí)別目標(biāo)寬度在8.0 cm 以下的裂縫；從掃描圖像來(lái)看，也無(wú)法準(zhǔn)確判斷寬度在8.0 cm 以下的裂縫哪個(gè)更為嚴(yán)重。因此，要對(duì)路面裂縫進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，必須解決細(xì)小裂縫的識(shí)別問(wèn)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(wú)裂縫路面反射波振幅的差異可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的精準(zhǔn)識(shí)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(huì)逐漸下降，這意味著路面裂縫寬度的增加對(duì)反射波振幅變化的影響會(huì)逐步衰弱；通過(guò)對(duì)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(shí)測(cè)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?；诖耍谠摰缆分羞x取了16 處裂縫斷面的38 個(gè)芯樣開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，結(jié)果顯示，三維探地雷達(dá)檢測(cè)的裂縫寬度與現(xiàn)場(chǎng)芯樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同寬度路面裂縫的精準(zhǔn)識(shí)別。同時(shí)，在實(shí)測(cè)研究過(guò)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(jì)算二者的相關(guān)性高達(dá)84.91%；同時(shí)，隨著路面裂縫寬度不斷增加，其對(duì)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(yǔ)

本文通過(guò)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(cè)精度高等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于道路裂縫檢測(cè)方面可以取得良好的成效；闡述了三維探地雷達(dá)檢測(cè)的要點(diǎn)，并構(gòu)建了精準(zhǔn)識(shí)別裂縫寬度的模型。通過(guò)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(duì)于反射波振幅變化的影響逐步衰弱的結(jié)論，并經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)研究進(jìn)行驗(yàn)證了上述結(jié)論。因此，本文列出的裂縫寬度識(shí)別方法的可行性較高，但在后期路面病害實(shí)踐檢測(cè)過(guò)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(shí)別的準(zhǔn)確性與可靠性。