基于激光雷達(dá)的市政道路結(jié)構(gòu)層缺陷無損檢測(cè)技術(shù)

周曉雯 王善美

昆山求正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 江蘇 昆山 215300

迄今為止，道路結(jié)構(gòu)層缺陷的檢測(cè)均較為復(fù)雜、繁瑣，在實(shí)際測(cè)定的過程中常常受到外部環(huán)境及特定因素的影響，導(dǎo)致最終難以獲取預(yù)期的檢測(cè)結(jié)果[1]。不僅如此，常規(guī)的檢測(cè)手段多為有損形式，舉例來說：鉆芯方法、三維鉆探方法等，這一類方法對(duì)于道路結(jié)構(gòu)層平整度和強(qiáng)度之間的關(guān)系定位的并不準(zhǔn)確，且多數(shù)的市政道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較大，混凝土板底脫空、下沉就斷裂等問題嚴(yán)重，一定程度上也是增加了道路結(jié)構(gòu)層的壓力[2]。為此提出對(duì)基于激光雷達(dá)的市政道路結(jié)構(gòu)層缺陷無損檢測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析。所謂激光雷達(dá)技術(shù)，主要指的是以發(fā)射激光束的形式進(jìn)行探測(cè)目標(biāo)位置、方向以及速度等特征數(shù)量的采集，形成完整的雷達(dá)驗(yàn)測(cè)結(jié)構(gòu)。將該項(xiàng)技術(shù)與市政道路結(jié)構(gòu)層缺陷無損檢測(cè)工作進(jìn)行融合，可以進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)際的檢測(cè)范圍，逐步形成更為靈活、多變的檢測(cè)結(jié)構(gòu)，最大程度降低檢測(cè)過程中存在的誤差，以雷達(dá)處理結(jié)構(gòu)為以引導(dǎo)，進(jìn)行路面異常標(biāo)定、超前預(yù)報(bào)等，強(qiáng)化無損檢測(cè)效果，采用連續(xù)、快速檢測(cè)的方式，獲取最終的檢測(cè)結(jié)果，確保市政道路結(jié)構(gòu)層施工的穩(wěn)定性和安全性[3]。

1 設(shè)計(jì)市政道路結(jié)構(gòu)層缺陷激光雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)層基礎(chǔ)缺陷識(shí)別及檢測(cè)數(shù)據(jù)采集

為確保道路的穩(wěn)定性與安全性，保證其可以達(dá)到預(yù)期的使用年限，一般會(huì)在增加內(nèi)置的結(jié)構(gòu)層，提高承壓的范圍，促使路面壓力均勻分布[4]。因此，在對(duì)市政道路進(jìn)行無損檢測(cè)之前，需要先利用激光雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)層基礎(chǔ)缺陷識(shí)別及檢測(cè)數(shù)據(jù)采集。首先，明確市政道路結(jié)構(gòu)層的覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域，并在邊緣位置設(shè)置初始的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，便于數(shù)據(jù)以及信息采集，避免對(duì)路面形成破壞性的損傷[5]。

利用雷達(dá)裝置先對(duì)道路的結(jié)構(gòu)層發(fā)射穿透性的高頻電磁波，波段觸碰到路段之后，會(huì)進(jìn)行反射，形成對(duì)應(yīng)的反射信號(hào)，雷達(dá)通過主機(jī)接收信號(hào)，存儲(chǔ)在特定的程序中，進(jìn)行信號(hào)解析，形成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和信息，匯總處理。同時(shí)，利用雷達(dá)信號(hào)還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)層缺陷的定向識(shí)別。

通常情況下，道路結(jié)構(gòu)層缺陷可以劃定為脫空、短板、不規(guī)則開裂以及搓板等。采用定向掃描技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)層進(jìn)行反射點(diǎn)位的設(shè)定，結(jié)合三維虛擬處理技術(shù)，促使電磁波在地下穿越介質(zhì)層，再次形成對(duì)等的波形，完成基礎(chǔ)缺陷的定向識(shí)別及數(shù)據(jù)信息的采集。

1.2 定位多階無損檢測(cè)與雷達(dá)反射節(jié)點(diǎn)

傳統(tǒng)的雷達(dá)定位一般為單層級(jí)處理，這樣的形式雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的無損檢測(cè)任務(wù)，但是缺乏針對(duì)性，檢測(cè)的結(jié)果并不精準(zhǔn)，為此，此次需要對(duì)多階無損檢測(cè)與雷達(dá)反射節(jié)點(diǎn)定位關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)循環(huán)性的檢測(cè)區(qū)域，擴(kuò)大檢測(cè)范圍的同時(shí)，調(diào)高檢測(cè)精度。首先，構(gòu)建基礎(chǔ)的點(diǎn)位設(shè)置結(jié)構(gòu)，如下圖1所示。

圖1 多階無損檢測(cè)與雷達(dá)反射節(jié)點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖1，完成對(duì)多階無損檢測(cè)與雷達(dá)反射節(jié)點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究，接下來，依據(jù)設(shè)定的節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍，調(diào)整節(jié)點(diǎn)在路段上的具體位置，節(jié)點(diǎn)支架需要互相關(guān)聯(lián)搭接，便于數(shù)據(jù)及信息的采集共享。但是這部分需要注意的是，激光雷達(dá)設(shè)備及裝置的應(yīng)用必須預(yù)先設(shè)定對(duì)應(yīng)的執(zhí)行探測(cè)目標(biāo)，且將目標(biāo)與節(jié)點(diǎn)之間建立正向的對(duì)等處理關(guān)系，這樣在實(shí)際執(zhí)行的過程中，能夠最大程度降低存在的檢測(cè)誤差，提高無損檢測(cè)的精度，為后續(xù)工作的處理提供參考。

1.3 構(gòu)建激光雷達(dá)映像無損檢測(cè)模型

完成對(duì)多階無損檢測(cè)與雷達(dá)反射節(jié)點(diǎn)的定位之后，接下來，結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)，構(gòu)建映像無損檢測(cè)模型。首先，需要采用電磁波在市政道路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)層之間進(jìn)傳播處理，穿越層介層，形成反射效應(yīng)。獲取電磁波的反射波段，通過雷達(dá)的定位裝置對(duì)異常的位置作出標(biāo)定，形成連續(xù)性的無損檢測(cè)結(jié)構(gòu)，具體如下圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)映像無損檢測(cè)模型結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖2，完成對(duì)激光雷達(dá)映像無損檢測(cè)模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)整。綜合激光雷達(dá)技術(shù)，所構(gòu)建的無損檢測(cè)結(jié)構(gòu)的覆蓋范圍也需要標(biāo)定，轉(zhuǎn)換為邊緣檢測(cè)范圍之內(nèi)，導(dǎo)入雷達(dá)內(nèi)部的控制程序之中。雷達(dá)在檢測(cè)的過程中需要將實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)、圖像和視頻等傳輸?shù)嚼走_(dá)存儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)。針對(duì)市政道路結(jié)構(gòu)層不同的厚度，通過模型一一探測(cè)，完成缺陷識(shí)別之后，對(duì)具體的位置進(jìn)行二次標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)處理，進(jìn)一步強(qiáng)化模型的檢測(cè)能力。

1.4 射線探傷處理實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)

所謂射線探傷，主要指的是一種定向的無損探測(cè)處理結(jié)構(gòu)，一般是針對(duì)市政道路結(jié)構(gòu)層較深的工程設(shè)定的，針對(duì)性和探測(cè)的穩(wěn)定性較高，結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)，可以獲取更好地檢測(cè)結(jié)果?？梢韵韧ㄟ^設(shè)定的節(jié)點(diǎn)劃定具體的檢測(cè)局域，形成多層級(jí)的檢測(cè)結(jié)構(gòu)之后，進(jìn)行射線覆蓋探傷范圍的設(shè)置，同時(shí)調(diào)整射線各個(gè)點(diǎn)位的反射指標(biāo)參數(shù)，如下表1所示。

表1 射線探傷處理點(diǎn)位數(shù)值設(shè)定表

根據(jù)表1，完成對(duì)射線探傷處理點(diǎn)位數(shù)值的設(shè)定。接下來，結(jié)合實(shí)際的探測(cè)需求及標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行無損檢測(cè)范圍的調(diào)整，同時(shí)采用射線探傷技術(shù)對(duì)市政道路的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行二次檢測(cè)，建立正向的無損檢測(cè)結(jié)構(gòu)，針對(duì)設(shè)定的不同點(diǎn)位測(cè)定研究，形成更加完整、具體的檢測(cè)體系，獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)以及信息之后，進(jìn)行無損探索分析，獲取最終的檢測(cè)結(jié)果。

2 實(shí)例分析

此次主要是對(duì)基于激光雷達(dá)的市政道路結(jié)構(gòu)層缺陷無損檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與驗(yàn)證研究，考慮到最終測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，選定昆山求正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司下設(shè)的G市政道路建設(shè)工程作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象，采用對(duì)比的方式展開分析。利用專業(yè)的設(shè)備及裝置進(jìn)行基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)以及信息的采集，匯總整合之后，以待后續(xù)使用。根據(jù)實(shí)際的無損檢測(cè)需求及標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)最終獲取的測(cè)試結(jié)果比照研究，接下來，融合激光雷達(dá)技術(shù)，進(jìn)行初始測(cè)試環(huán)境的搭建。

2.1 G市政道路工程概況簡(jiǎn)述及實(shí)例準(zhǔn)備

結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)，對(duì)G市政道路工程的結(jié)構(gòu)層無損檢測(cè)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置搭建。首先，該道路為復(fù)合型的混凝土定位道路，為滿足建設(shè)需求，道路下部埋設(shè)較多的應(yīng)用管道，且由于時(shí)間較長(zhǎng)，再加上需求的層級(jí)，管道經(jīng)歷了多次的處理和改造，當(dāng)前較難確定道路下具體的位置?，F(xiàn)已無法準(zhǔn)確定位管道，選定4個(gè)路段作為此次測(cè)定的主要目標(biāo)對(duì)象，標(biāo)定為A1、A2、A3、A4，路段長(zhǎng)度一共1030m，每一個(gè)測(cè)定的路段均需要設(shè)定對(duì)應(yīng)的定向檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，并調(diào)整對(duì)應(yīng)的檢測(cè)范圍，節(jié)點(diǎn)之間互相關(guān)聯(lián)，建立數(shù)據(jù)信息的共享程序，且與初始的信道進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸與采集。隨即，以此為基礎(chǔ)，綜合激光雷達(dá)技術(shù)，先對(duì)市政道路下管道進(jìn)行定位，形成對(duì)等的標(biāo)記之后，通過道路周圍設(shè)定的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，確保在無損檢測(cè)過程中不會(huì)對(duì)最終的結(jié)果造成影響。結(jié)合實(shí)際的無損檢測(cè)需求及標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行基礎(chǔ)檢測(cè)指標(biāo)及參數(shù)的設(shè)置，如下表2所示。

表2 無損檢測(cè)基礎(chǔ)指標(biāo)及參數(shù)設(shè)置表

根據(jù)表2，完成對(duì)無損檢測(cè)基礎(chǔ)指標(biāo)及參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整。接下來，綜合實(shí)際的檢測(cè)要求，利用激光雷達(dá)對(duì)市政道路進(jìn)行覆蓋式的定位，將反射點(diǎn)和設(shè)定的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搭接，形成一一對(duì)應(yīng)的正態(tài)檢測(cè)感應(yīng)關(guān)系。對(duì)各個(gè)路段道路結(jié)構(gòu)層的具體特征進(jìn)行采集與分析，多方向做出判讀，獲取基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)集信息之后，結(jié)合反射節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，進(jìn)行反射單元檢測(cè)距離的計(jì)算，如下公式1所示。

公式1中：F表示反射單元檢測(cè)距離，n表示重疊覆蓋范圍，a表示傳播距離，k表示檢測(cè)次數(shù)，表示介電常數(shù)。根據(jù)上述設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)反射單元檢測(cè)距離的計(jì)算。將其設(shè)定為激光雷達(dá)的無損單元檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，形成可控性較強(qiáng)的檢測(cè)區(qū)域，對(duì)路段進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，同時(shí)對(duì)異常位置作出標(biāo)定，完成初始測(cè)試環(huán)境的搭建，接下來，綜合激光雷達(dá)技術(shù)，進(jìn)行具體的測(cè)驗(yàn)分析。

2.2 G市政道路工程無損檢測(cè)實(shí)證分析

在上述搭建的測(cè)試環(huán)境之中，結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)，對(duì)G市政道路工程中的A1、A2、A3、A4四個(gè)路段結(jié)構(gòu)層缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)。通常情況下，市政道路結(jié)構(gòu)層的缺陷主要可以劃定為以下幾種，分別為脫空、短板、不規(guī)則開裂以及搓板等，這部分可以利用雷達(dá)對(duì)道路的內(nèi)置結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，獲取異常數(shù)據(jù)和信息之后，匯總整合轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包之后，傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的存儲(chǔ)位置之上，便于后期的分析。隨即，進(jìn)行測(cè)定項(xiàng)目及數(shù)值的設(shè)置，如下表2所示：

表2 測(cè)定項(xiàng)目及數(shù)值設(shè)定表

根據(jù)表2，完成對(duì)測(cè)定項(xiàng)目及數(shù)值的設(shè)定。接下來，設(shè)置初始的無損檢測(cè)雷達(dá)波形的檢測(cè)傳播時(shí)間，在市政道路的結(jié)構(gòu)層中設(shè)定基礎(chǔ)的雷達(dá)反射接收點(diǎn)位，雷達(dá)進(jìn)行反射信號(hào)的傳播，每一個(gè)路段需要設(shè)定4個(gè)雷達(dá)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，依據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況及需求的變動(dòng)，靈活調(diào)整反射單元檢測(cè)的對(duì)應(yīng)距離，結(jié)合實(shí)際獲取的數(shù)據(jù)和信息，需要先進(jìn)行雷達(dá)無損檢測(cè)反射系數(shù)的計(jì)算，如下公式2所示：

公式2中：k表示雷達(dá)無損檢測(cè)反射系數(shù)，θ表示結(jié)構(gòu)層定位覆蓋區(qū)域，j表示定位間距，? 表示可識(shí)別距離，y表示檢測(cè)次數(shù)。根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)雷達(dá)無損檢測(cè)反射系數(shù)的計(jì)算。將其設(shè)定為激光雷達(dá)的檢測(cè)反射標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際的設(shè)定和缺陷檢測(cè)情況，分別測(cè)算出5個(gè)路段結(jié)構(gòu)層缺陷的無損檢測(cè)耗時(shí)反射振幅偏差，如下公式3所示：

公式3中：D表示無損檢測(cè)耗時(shí)反射振幅偏差，V表示高頻反射帶狀區(qū)域，h表示檢測(cè)頻次，ι表示定向檢測(cè)常值，φ表示雷達(dá)初始振幅，f表示基層截面深度。根據(jù)上述設(shè)定，完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，在2.5m、4.5m以及6m的雷達(dá)探測(cè)高度背景下測(cè)定，最終整合分析，具體如下圖3所示：

圖3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析圖示

根據(jù)圖3，完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析：經(jīng)過5個(gè)市政路段的測(cè)定，雷達(dá)針對(duì)2.5m、4.5m以及6m三種高度，最終得出的無損檢測(cè)耗時(shí)反射振幅偏差均被較好的控制在0.4以下，說明該中無損檢測(cè)技術(shù)的針對(duì)性和穩(wěn)定性較高，檢測(cè)速度及效率更加，誤差可控，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上，便是對(duì)基于激光雷達(dá)的市政道路結(jié)構(gòu)層缺陷無損檢測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析。與初始的無損檢測(cè)形式相比對(duì)，此次結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)，所構(gòu)建的無損檢測(cè)結(jié)構(gòu)相對(duì)更加靈活、多變，具有較強(qiáng)的針對(duì)性與完整性，在面對(duì)復(fù)雜的施工環(huán)境及背景時(shí)，采用分布式探測(cè)的方法，加強(qiáng)對(duì)市政道路結(jié)構(gòu)層缺陷的定位精度，降低檢測(cè)誤差的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)近似定量的側(cè)向分析，為后續(xù)工作的執(zhí)行奠定夯實(shí)基礎(chǔ)。