雷達法檢測路面厚度的精度分析與建議

許木照

（廣東省交通運輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，廣州 510420）

根據(jù)JTG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準 第一冊 土建工程》規(guī)定，厚度是瀝青路面工程檢驗的關(guān)鍵項目，厚度檢驗方法規(guī)定為鉆取芯樣法[1]。傳統(tǒng)的鉆芯法檢測瀝青路面厚度存在效率低、對路面造成損害等缺陷，而且不能全面反映路面的厚度狀況。基于這種情況，雷達檢測路面厚度作為一種無損、高效，并且可以全面連續(xù)檢測路面的厚度狀況的檢測方法，在公路路面厚度檢測上具有廣闊的發(fā)展前景。

路面雷達是一種利用天線發(fā)射電磁波穿透一定厚度的路面，電磁波在穿透過程中遇到不同的介質(zhì)發(fā)生反射，發(fā)射信號重新由天線接收，根據(jù)電磁波的路面介質(zhì)當中的走時及電磁波在路面介質(zhì)中的傳播速度計算得出路面的厚度技術(shù)的。目前，在公路瀝青路面厚度的檢測中一直以鉆芯法檢測結(jié)果為評定標準，主要是因為路面雷達法檢測路面厚度的過程中存在著各種因素影響檢測結(jié)果的精確性。本文通過結(jié)合路面雷達在實際工程中的應(yīng)用，深入分析雷達檢測路面厚度的影響因素，為路面雷達檢測技術(shù)的發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 路面雷達工作原理

路面雷達主要由承載車、發(fā)射天線、接收天線、測距輪、雷達信號分析軟件和控制單元組成。其工作原理為雷達檢測車以一定的速度在路面上行駛，控制單元輸出觸發(fā)信號，由發(fā)射天線發(fā)出電磁波，電磁波在經(jīng)過不同介電常數(shù)的各層路面材料時，形成透射和反射，透射進入下層材料，而反射回來的脈沖信號由接收天線接收并記錄形成信號圖像，如圖1所示。

圖1 路面雷達工作原理示意圖

短脈沖雷達是一種電磁波技術(shù)，電磁波及其傳播理論是雷達技術(shù)的理論基礎(chǔ)。電磁波在空間的傳播滿足麥克斯韋方程，在工程介質(zhì)（巖土、混凝土、鋼筋、瀝青、水和空氣等）中傳播時，當作無源場考慮，滿足下列方程組

式中：H為磁場強度；D為電通量密度；E為電場強度；B為磁通密度；l為長度；S為面積；t為時間；I0為常數(shù)。

由于短脈沖雷達的工作頻率高，在介質(zhì)中以位移電流為主。因此，實際傳播過程中很少發(fā)生頻散，速度基本上由介質(zhì)的介電性質(zhì)決定，可簡單地表示為

式中：C為光在真空中的速度，取300 mm/ns；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

對于非磁性介質(zhì)，當電磁波垂直入射時，其反射特性也主要取決于介質(zhì)的介電常數(shù)，其反射系數(shù)R為

可見，電磁波由介電常數(shù)小進入介電常數(shù)大的介質(zhì)時，即由高速介質(zhì)進入低速介質(zhì)時，反射系數(shù)為負，也就是說，反射波振幅反向。反之，電磁波從低速介質(zhì)進入高速介質(zhì)時，反射波振幅與入射波同向[2]。

路面雷達發(fā)射的電磁波進入路面面層后，部分信號形成反射，部分信號透射進入基層，由于面層與基層的材料不同，雷達信號分析軟件可以自動識別并在信號圖像中形成明顯分界線，通過得到電磁波在路面面層中入射與反射所用的時間，再根據(jù)電磁波在該路面面層中的傳播速度，即可按照下式計算路面面層厚度[3]。

式中：T為路面面層厚度；ν為電磁波在面層中的傳播速度；Δt為電磁波在路面面層入射與反射所用的時間。

2 雷達檢測路面厚度的精度分析

2.1 雷達參數(shù)設(shè)置的影響

2.1.1 采樣時窗

采樣時窗是指雷達掃描檢測開始和截止的時間范圍。開始時間一般選為略早于直達波到達時間。截止時間的選擇主要取決于需要檢測的路面厚度，截止時間的最小值必須大于所需檢測深度的反射信號到達的時間。要達到一定的檢測深度，必須保證能較完整地記錄這一深度的反射信號。一般最小時窗w可由公式w=1.3×（2 h/v）估計，式中：h為最大檢測深度；v為電磁波速。在很多實際測量中，一般都是力求將所有高于噪聲水平的反射波信號全部記錄下來，因此截止時間設(shè)置為不再存在有效信號的時間。

2.1.2 測點距

測點距的選取原則是要使檢測目標的反射信號在足夠多的測點上記錄下來，以便使其可以辨認。一般要使一個目標的反射信號可以辨認，至少應(yīng)有5～10條反射記錄。因為雷達天線的張角約為60°，所以如果要檢測路面厚度為h的點狀目標，點距應(yīng)不大于h/5。例如，要探測埋深1 m的地下管線，點距應(yīng)選為0.2 m。而如果要探測地下界面起伏，且界面起伏較平緩時，則點距可適當放寬，以提高工作效率。

2.1.3 疊加次數(shù)

為了提高信噪比，現(xiàn)在的地質(zhì)雷達儀器均設(shè)置了信號疊加功能。疊加次數(shù)的增加使信噪比增強，但卻使工作效率降低。在實際測量中，應(yīng)視噪聲水平確定疊加次數(shù)。當環(huán)境噪聲水平較高時，疊加次數(shù)多一些；環(huán)境噪聲水平較低時，疊加次數(shù)少一些，在保證使勘探深度內(nèi)的反射信號都能被辯認出來的前提下，應(yīng)選取盡可能少的疊加次數(shù)。具體選擇多少疊加次數(shù)，應(yīng)在現(xiàn)場試驗確定。

2.1.4 采樣速率

采樣速率是指相鄰2次采樣的時間間隔，也有用一條記錄中的采樣個數(shù)來定義采樣速率的。采樣速率高，記錄的波形細致，但數(shù)據(jù)量大；采樣速率低，記錄的波形就粗略，但數(shù)據(jù)量小。當反射波難以識別或需要對波形進行分析時，應(yīng)取較高的采樣速率；否則，采樣速率可取得小一些。

2.2 天線頻率的影響

頻率是指雷達在檢測過程中電磁脈沖的中心頻率。頻率主要通過目標分辨率和路面厚度來選擇，需要較高的分辨率則應(yīng)選擇較高的頻率，需要檢測較大的路面厚度時則應(yīng)選擇較低的頻率。路面雷達天線頻率是影響路面厚度檢測精度的重要影響因素，在設(shè)備和路面介質(zhì)不變的條件下，雷達探測的深度取決于天線頻率的大小。一般來說天線頻率越高，探測深度越小，天線頻率越低，探測深度越大。天線頻率的選擇應(yīng)根據(jù)被測路面厚度的大小來決定。因此頻率的選擇要兼顧分辨率和路面厚度，而在實際工作中，一般都是在保證所需的路面厚度的前提下選擇盡可能高的頻率，以取得盡可能高的分辨率。有時候不論采用什么頻率都不能得到同時滿足分辨率和路面厚度2方面的要求，那么就需要采用2種不同的頻率對同一道路相同的縱向剖面進行2次測量，以高頻獲得對淺部的高分辨率；以低頻獲得對深部的勘探能力。頻率的選取一般可預(yù)先進行估算，必要時通過試驗確定。通常情況下，當被測路面標稱厚度小于10 cm時，通?？蛇x擇不小于2 GHz的雷達天線；當被測路面標稱厚度介于10～25 cm時，可選擇不小于1.5 GHz的雷達天線；當被測路面標稱厚度大于25 cm時，可選擇不小于1 GHz的雷達天線。如果選擇的天線頻率與被測路面厚度不相對應(yīng)，雷達掃描所得到的圖像分辨率低，會導(dǎo)致圖像處理得到的數(shù)據(jù)誤差較大。

2.3 介電常數(shù)標定的影響

介電常數(shù)是物體本身的一種特性，不同的材料具有不一樣的介電常數(shù)。理論上，材料不變其介電常數(shù)是固定的，但是由于瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計厚度、混合料類型、施工水平及壓實度、濕度等的變化會使得介電常數(shù)產(chǎn)生不同[4-5]。由上文的計算公式可看出介電常數(shù)對路面厚度的計算結(jié)果影響重大，因此確保介電常數(shù)標定的準確性是準確計算路面厚度的前提。部分常見材料的介電常數(shù)參考范圍可見表1。

（1）對于瀝青路面而言，原材料與配合比的不同是影響其介電常數(shù)的主要因素。由表1可以看出不同的材料的介電常數(shù)不一樣，瀝青相對介電常數(shù)為3～5，集料（石灰?guī)r、花崗巖和玄武巖）的相對介電常數(shù)為4～9，所以對于不用種類或者不同配合比的瀝青混合料，其介電常數(shù)也存在一定的差異。

表1 部分常見材料的介電常數(shù)范圍

（2）瀝青路面空隙率與含水率不一致對介電常數(shù)也有影響?？諝獾慕殡姵?shù)為1，水的介電常數(shù)為81，相差甚大，導(dǎo)致對路面的介電常數(shù)影響也較大。采用相同的瀝青混合料通過成型車轍板試件，測試不同空隙率的車轍板的介電常數(shù)，對比結(jié)果見表2；將車轍板用浸水和晾干的方式形成不同含水率再測試其介電常數(shù)，測試結(jié)果見表3。

表2 不同空隙率的車轍板試件（干燥狀態(tài)）介電常數(shù)測試結(jié)果

表3 不同含水率的車轍板試件介電常數(shù)測試結(jié)果

由表2、表3可知，相同的瀝青混合料，其空隙率越大，介電常數(shù)越?。缓试酱?，介電常數(shù)越大。所以進行瀝青路面介電常數(shù)標定時，要確保路面類型相同，并且路面干燥，這樣標定結(jié)果才能更精確。

（3）鉆芯厚度標定對介電常數(shù)的影響。鉆芯厚度標定時建議采用時間模式（靜態(tài)）而非距離模式（動態(tài)）進行，因為采用距離模式標定難以確保鉆芯位置與標定位置相一致，由此可能會因為芯樣實際厚度與標定厚度的差異導(dǎo)致介電常數(shù)的計算不準確。采用時間模式可以確保鉆芯位置與標定位置相一致，同時在對芯樣厚度的測量上也必須準確，才能準確計算出路面的介電常數(shù)。

2.4 距離標定及行駛路線、測試距離的影響

雷達檢測路面厚度需要測距輪對路面距離進行標定，測距輪對路面位置標記的準確性就關(guān)系到厚度結(jié)果對應(yīng)路面位置的準確性。雷達檢測路面厚度除可以得出路面整體厚度的合格率外，還可以針對局部路段，甚至特定位置的厚度情況作出評價。另外，雷達承載車的行駛路線及連續(xù)行駛路線的長短也會產(chǎn)生一定的影響。測距輪對行駛距離的標定是建立在直線段的基礎(chǔ)上的，而在實際的工程項目上，道路卻是存在一定的彎道的，彎道越多、連續(xù)行駛距離越大，對路面厚度結(jié)果對應(yīng)的位置產(chǎn)生的誤差就越大。

2.5 施工水平的影響

目前利用雷達檢測路面厚度的方法是建立在所檢測路面單元勻質(zhì)性相當好的前提下，因為路面的勻質(zhì)性關(guān)系到介電常數(shù)是否相同。因此施工水平和施工條件一致性越高，路面的厚度、空隙率和壓實度等越均勻，介電常數(shù)就越統(tǒng)一，介電常數(shù)的標定也越準確。

3 建議與結(jié)論

（1）根據(jù)實際需求選用合適頻率的天線，設(shè)置參數(shù)合理，提高采樣的準確性，對于同一評定段落應(yīng)采用相同頻率的天線進行檢測。

（2）介電常數(shù)標定的準確性直接影響路面厚度檢測結(jié)果的精確性，同時影響介電常數(shù)標定結(jié)果的因素也較多，因此在實際的檢測工作中，建議通過以下措施對介電常數(shù)標定的影響進行規(guī)避：①對于不同材料或者不同配合比的瀝青路面，應(yīng)分別進行介電常數(shù)標定；②不同厚度的路面應(yīng)分別進行介電常數(shù)標定，以減小電磁波走時誤差的影響；③被檢測的路面應(yīng)保持干燥狀態(tài)，以消除不同含水率對介電常數(shù)標定的影響；④采用時間模式（靜態(tài)）進行介電常數(shù)標定；⑤提高鉆芯厚度測量的準確性。

（3）檢測前應(yīng)對測距輪進行標定，確保檢測路面距離的標記與路面實際位置相一致；檢測的行駛路線應(yīng)沿車道中線勻速行駛，避免頻繁變化車道行駛導(dǎo)致距離標記位置誤差增大；連續(xù)檢測距離不宜過大，要根據(jù)路面實際情況而定，路面彎道較多宜適當減小連續(xù)檢測距離。

（4）提高路面施工水平的一致性可減小各種因素對檢測結(jié)果的影響。

（5）文中通過實際的檢測，分析了路面雷達檢測厚度的精度影響因素，通過各種措施盡量減小測量的誤差。目前，由于路面雷達設(shè)備的不同、路面實際情況的差異，采用路面雷達進行厚度檢測還存在一定的誤差，對于雷達檢測的結(jié)果存在異議時應(yīng)用鉆芯測量加以驗證。因此，希望廣大的學(xué)者在以后的研究中繼續(xù)對此問題進行深入探討，為路面雷達檢測技術(shù)的發(fā)展提供參考依據(jù)。