路面內(nèi)部病害探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方法研究

張浩浩，陳 楊，孟樂樂

(江蘇現(xiàn)代工程檢測(cè)有限公司,江蘇 南京 210000)

近年來,隨著交通量的不斷增大,在交通荷載、環(huán)境等因素的反復(fù)作用下,高速公路路面裂縫病害逐漸增多,使用年限較長(zhǎng)的高速公路,其裂縫病害呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)。裂縫病害不僅會(huì)影響高速公路的路用性能和行車舒適度,而且隨著路表積水沿裂縫下浸,半剛性基層會(huì)被侵蝕,使基層喪失承載力與穩(wěn)定性,進(jìn)而引發(fā)唧漿、脫空等次生病害;同時(shí)在車輛荷載和溫度應(yīng)力影響下,會(huì)使裂縫向四周擴(kuò)散,縮短路面使用壽命。因此,高速公路路面裂縫病害的探測(cè)與防范治理工作已經(jīng)刻不容緩。探地雷達(dá)作為一種無損的探測(cè)技術(shù),具有較高的探測(cè)精度和分辨率,對(duì)道路裂縫的探測(cè)具有較好的效果,能夠?yàn)榱芽p處治方案提供必要的資料,防范裂縫引發(fā)更嚴(yán)重的次生病害,延長(zhǎng)路面使用壽命。三維探地雷達(dá)相比于二維探地雷達(dá),具有覆蓋面積廣,裂縫形態(tài)判斷準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),在道路裂縫精細(xì)化檢測(cè)中三維探地雷達(dá)能夠取得較好的效果。

1 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式,由地面通過發(fā)射天線T送入地下,經(jīng)地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面,為地面接收天線R所接收(見圖1),通過對(duì)接收波場(chǎng)的成像分析,獲取地下目標(biāo)的探測(cè)圖像[1-2]。探地雷達(dá)探測(cè)是一種有效的地球物理探測(cè)方法,在復(fù)雜地質(zhì)檢測(cè)、隧道襯砌檢測(cè)及道路檢測(cè)中均得到了廣泛運(yùn)用[3-6],然而探測(cè)過程中探測(cè)地質(zhì)的復(fù)雜性和探測(cè)環(huán)境的各種干擾導(dǎo)致探地雷達(dá)的回波信號(hào)將不能直觀地反映目標(biāo)體的信號(hào)特征,從而影響最終的判斷結(jié)果。

2 瀝青路面干擾信號(hào)分析

探地雷達(dá)探測(cè)過程中由于探測(cè)目標(biāo)、環(huán)境及深度的變化,信號(hào)組成差異也較明顯,而針對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的探測(cè),由于不存在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、路面結(jié)構(gòu)組成已知、探測(cè)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,因此在對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的回波信號(hào)進(jìn)行解析時(shí)可以重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面的因素。

1)波形混疊。平面電磁波到達(dá)兩種不同的均勻介質(zhì)的分界面,就會(huì)產(chǎn)生反射與折射,即產(chǎn)生入射波、反射波和折射波,而介質(zhì)分界面越多,電磁波分裂也就越多,波形疊加明顯后,容易覆蓋目標(biāo)體信號(hào),影響波形判斷[7]。

2)噪聲。噪聲屬于原發(fā)射信號(hào)中并不存在的無規(guī)則的干擾信號(hào),且普遍存在,噪聲的來源較為復(fù)雜,與周圍環(huán)境場(chǎng)關(guān)系較大,探測(cè)環(huán)境的周圍如果存在強(qiáng)電場(chǎng)時(shí),雷達(dá)的回波信號(hào)中會(huì)產(chǎn)生大量噪聲,將會(huì)大幅度降低反射波的信噪比[8]。

3)雜波。雜波屬于信號(hào)發(fā)射接收過程中非目標(biāo)體產(chǎn)生的干擾信號(hào),雜波信號(hào)與探測(cè)目標(biāo)體周邊的介質(zhì)有關(guān),介質(zhì)組成越復(fù)雜,雜波信號(hào)越容易覆蓋目標(biāo)體信號(hào),如檢測(cè)水泥板脫空時(shí)水泥混凝土中的鋼筋信號(hào)就屬于雜波、瀝青混凝土中不同粒徑石料產(chǎn)生的反射波也屬于雜波。

瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱性病害具有體積小、與周圍介電常數(shù)差異小、埋深淺、金屬成分少等特點(diǎn),使得目標(biāo)體回波較弱,并且由于瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱性病害通常埋深較淺,因此目標(biāo)回波與地表回波的雙程走時(shí)差異較小,使得瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱性病害信號(hào)回波易被地表反射的強(qiáng)回波信號(hào)所淹沒,從而很難辨識(shí)目標(biāo)體[9]。因此抑制探地雷達(dá)雜波是探地雷達(dá)信號(hào)處理的首要任務(wù)。

探地雷達(dá)的干擾信號(hào)會(huì)影響探地雷達(dá)的探測(cè)性能,降低了雷達(dá)圖像信號(hào)的信噪比,影響檢測(cè)人員對(duì)地下目標(biāo)體的辨識(shí)。通過上述的信號(hào)解析可以了解到,為了提高瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部回波信號(hào)的精度,應(yīng)當(dāng)最大程度地去除噪聲、雜波、混疊波,保留目標(biāo)體信號(hào)。

3 基于背景去除的混疊波處理

目前,我國(guó)瀝青路面通常采用改性瀝青,基層和路面通常使用無機(jī)結(jié)合料,各層材料的介電常數(shù)存在差異。混疊波主要是由于各層路面結(jié)構(gòu)的分界面產(chǎn)生了多次反射、折射,直到電磁波能量完全損耗,從而引起反射波與折射波不斷疊加造成的(見圖2)?；殳B波屬于一種在整個(gè)回波信號(hào)中的背景信號(hào),是一種常見的雷達(dá)回波信號(hào),一般具有信號(hào)平穩(wěn)、反射規(guī)律、層位固定的特點(diǎn)。

基于混疊波的形成原理可知,瀝青路面各層界面的電磁波在不受到外界干擾的情況下均是按照固定的反射能量及衰減規(guī)律產(chǎn)生的,因此各界面多次反射波的疊加能量應(yīng)當(dāng)是一個(gè)固定值,通過抽取多道波形圖計(jì)算其算術(shù)平均值,形成一個(gè)平均道,進(jìn)行電磁波解析處理時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)消除其他波形圖水平干擾信號(hào),從而可以將大部分混疊波去除,即“背景去除”。從圖3,圖4背景去除前后對(duì)比可知,A-scan(單道掃描波形圖)混疊波去除后,各層界面多次反射波被完全去除,凸顯了雷達(dá)圖像中的有用信號(hào),波形處理效果良好,有效保留了真實(shí)信號(hào)。

4 基于帶通濾波的噪聲處理

噪聲屬于原發(fā)射信號(hào)中并不存在的無規(guī)則的干擾信號(hào),在檢測(cè)過程中,環(huán)境中的干擾源(手機(jī)信號(hào)、衛(wèi)星塔臺(tái)、電臺(tái)天線等)的電磁波信號(hào)也會(huì)同時(shí)被采集,該信號(hào)具有隨機(jī)性。通常情況下在使用固定頻率天線時(shí),隨著電磁波傳播深度的加深,電磁波能量逐漸衰減,所接收到的噪聲也逐漸增多,回波信號(hào)的信噪比會(huì)隨著深度的增加而明顯降低。

在瀝青路面檢測(cè)范圍內(nèi),從頻譜上看噪聲在遠(yuǎn)離中心頻率的位置更加突出,且振幅較小,因此可以通過帶通濾波處理方法人為設(shè)定有效回波信號(hào)的頻率范圍,可以大幅度減小回波信號(hào)的噪聲,提高信號(hào)精度,頻率范圍的選取通常做法是天線頻率的2/3～3/2,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào),得到最佳頻率范圍。

基于帶通濾波的雷達(dá)圖像及頻譜噪聲前后對(duì)比如圖5所示?；趲V波的噪聲處理后,能夠把無用信號(hào)去除,高頻及低頻信號(hào)的毛刺明顯減小,顯著提高雷達(dá)信號(hào)的信噪比,使得雷達(dá)圖像的信號(hào)更加貼近符合情況。

1)圖5在進(jìn)行帶通濾波前,回波信號(hào)的頻率從0 MHz～5 000 MHz均有分布,且在高頻段位置存在較大振幅的回波信號(hào),從而降低了灰度圖的分辨率,影響瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的病害判斷。2)圖5數(shù)據(jù)采集采用了1 000 MHz頻率天線,進(jìn)行帶通濾波時(shí),參考頻率范圍為667 MHz～1 500 MHz,在此范圍上適當(dāng)擴(kuò)大,確保保留更多的目標(biāo)體信號(hào),最終帶通濾波下限頻率為430 MHz、上限為1 840 MHz。3)通過帶通濾波后,低頻及高頻噪聲被完全去除,頻率譜中心頻率振幅也得到改善,灰度圖的圖像分辨率明顯提高,且較好地保留了目標(biāo)體回波信號(hào)。

5 基于譜分析的雜波處理

雷達(dá)信號(hào)處理過程中,雜波信號(hào)是幾種無用信號(hào)中最難過濾的信號(hào),這主要是由于雜波信號(hào)也是由于界面變化形成的反射波,在道路檢測(cè)中雜波信號(hào)的主要來源是混合料中集料與瀝青界面、瀝青與空隙界面、雜質(zhì)與路面材料界面等,界面的范圍越大、介電常數(shù)差異越大雜波的影響也越明顯,圖像分析時(shí)越容易出現(xiàn)誤差。

不同材料由于介電常數(shù)的差異,電磁波信號(hào)的振幅、頻率均具有自身的獨(dú)有特點(diǎn),因此在進(jìn)行電磁波濾波處理時(shí),采用傅里葉變換對(duì)不同介質(zhì)的頻率譜進(jìn)行解析(如圖6所示),然后針對(duì)雜波的特有頻率譜進(jìn)行濾波[10]。

通過頻率譜分析后,其頻率譜曲線更加平滑,降低了噪聲的方差,突出了該信號(hào)的主頻參數(shù),提高了雷達(dá)波圖像信息的信噪比。信號(hào)的頻率譜譜值更能夠反映路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況,將回波信號(hào)中的雜波頻率譜進(jìn)行了濾波,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部界面層有效信號(hào)頻率譜得到最大限度的表現(xiàn),可以更好地反映信號(hào)的細(xì)微變化,使得弱信號(hào)的譜值得到體現(xiàn)。因此圖7中灰度圖的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部層間缺陷十分清晰,能夠顯著提高隱性病害判斷的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

本文分析了瀝青路面在進(jìn)行探地雷達(dá)檢測(cè)時(shí)常見的幾種干擾信號(hào),主要包括混疊波、噪聲及雜波,并對(duì)比數(shù)據(jù)處理前后的A-scan、頻率譜及灰度圖,驗(yàn)證了背景去除、帶通濾波及譜分析方法能夠有效提高信號(hào)的信噪比,增強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱性病害的識(shí)別度,為推動(dòng)探地雷達(dá)在瀝青路面隱性病害檢測(cè)方面廣泛應(yīng)用提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。