基于探地雷达的路面隐性病害检测与识别研究 

基于探地雷达的路面隐性病害检测与识别研究  孙书航

广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广东省广州市 510000

摘要：伴随着交通业的发展，道路施工项目越来越多，既有道路隐性病害发生率逐年递增，探地雷达在路面隐性病害检测中的重要性日益凸显。本文概述了探地雷达现场检测布置方式和关键参数的设置，并基于专业Reflexw数据处理软件，对原始数据滤波处理方法进行了详细探究，着重对沥青路面典型隐性病害特征进行分析，并通过现场取芯，验证了探地雷达识别的准确性。研究结果表明，使用探地雷达可有效实现对路面结构内部隐性病害的无损探测。

关键词：探地雷达；路面；隐性病害；检测；识别 

引言

随着我国公路的快速发展，常规检测手段已无法满足道路养护的需要，以电磁波技术、计算机技术等高端技术为代表的新型检测技术应运而生。其特点是不必通过检测开挖就能得到道路内部结构的病害信息，针对其病害类型制定完善的养护措施。此外，雷达检测技术能够准确测定路面结构层的厚度，以此判定公路修筑厚度是否满足设计施工要求。随着技术的发展，探地雷达已经可实现三维探测，准确定位道路平面、横断面、纵断面的信息，充分提高了道路检测的准确性。

1探地雷达原理

探地雷达法(GroundPenetratingRadarMethod)是将高频脉冲电磁波通过探地雷达的发射天线发射至目标体，再将目标体所反射的电磁波利用接收天线进行接收，来对目标体在地下空间中所处位置进行判别，以及对其空间展布特征进行有描述的一种地球物理探测方法。电磁波被目标体及其相邻介质所反射，其特性是存在差异的，根据这种特性差异，可以对目标体内部结构特征或结构不完整性以及其它非均质体进行探测。详细的运行过程是：宽频带高频电磁波被雷达系统通过天线发射至地下，当地下存在介电差异较大的介质界面时，电磁波信号在介质内部传播就会发生反射、透射以及折射现象。反射的电磁波能量差异主要体现在介电常数的差异，反射的电磁波能量会随着不同介质的介电常数差异变化而呈正相关变化，这种差异化的电磁波通过地下不同介质形成反射，不同的电磁波可以被与发射天线一并移动的接收天线所接收到，反射回的电磁波的运动特征便能够被雷达主机准确地记录下来，再利用信号分析手段将所记录下来的数据进行信号处理，得到地下介质体完整形态的图形显示，这便是探地雷达图像。所处理出的探地雷达图像可由相关技术人员进行人机交互式的地质解释，对地下目标体的形态进行有效判别，并对其特征进行详细地刻画。

2探地雷达数据处理

在实际工程检测中，探地雷达受地下其它影响会产生杂波和噪声干扰，致使雷达波传播频谱复杂，相应地探地雷达数据处理过程也变得杂乱，为了得到真实有效的信息，如何将信息与干扰波区分开成为数据处理的关键。因此，需要对探地雷达数据进行深度解析，通过预处理、加检监测数据处理、瞬时振幅滤波的方式使其抑制噪声，提高信噪比，从而有效地提高雷达图像的分辨率，以获取探测目标的相关信息。

2.1数据输入时预处理

探底雷达检测数据输入时，应确保所有数据定位结合点和地面表征物在同一文件中，而后对雷达数据进行去直流漂移、时间零点校正滤波、切除滤波、带通滤波和水平滤波处理。

2.2加密检测数据处理

由于探测目标的真实位置和形态无法获取，可以对异常体目标采用加密检测，依据不同检测位置电磁波的反射时程来确定不良地质体的形状。

2.3瞬时振幅滤波

瞬时振幅滤波用于突显反射物边界整个反射体的振幅变化，能够看到探测目标的边界和整个断面变化，比较适合探测区域与邻近区域振幅较大。

3路面检测中雷达记录分析

一般来说，雷达记录的分析与判读是基于以下几个方面：振幅变化程度、波形特征和同相性、时差变化规律性。反射波的振幅与方向跟界面两侧的电磁学性质差异和反射系数的正负密切相关。也就是界面两侧介质的电磁差异越大，反射波振幅就越强；当波由介电系数小的介质入射介电系数大的介质，反射系数为负，即反射波振幅反向，反之亦然。从这些界面反射特征上就可以分析界面两侧介质性质和属性；不同介质内部的结构特征各有不同，内部反射波的高低频率特征明显不同。例如相比围岩，混凝土内部介质比较均匀，其内部反射波较少，且只有在内部有缺陷的位置才会有明显反射。而围岩内部结构复杂，高频反射波明显。这就可以区分一些地质体，不同界面等等；雷达记录剖面中所记录到的不同的反射波，主要反应的是地下介质的电性差异。地下介质层是否具有统一均匀性，往往是通过波形相似性来进行判别的。通过对比分析相邻道上反射波特征，将不同道上同一相位的各个相似的反射波进行连接，形成多条同相轴。在地下介质连续且各向同性时，同一条同相轴各道波组具有相似性，即波长和振幅特征近似的波，其位置在时间轴上基本不产生变化，或者存在连续渐变特征。

4路面病害特征及探地雷达图像响应

利用探地雷达对各种路面病害进行检测，最为重要的工作是认识不同路面病害在探地雷达图像上的响应。因路面病害介质的介电性不同，电磁波的传播规律也就不一样。各自有相互区别的独特特征，综合这些电磁波信号响应，进而可以判定病害类型以及病害产生的位置和范围。

对于完整和连续的无病害路面而言，各层地基土之间压实度好，土质均匀，物理力学性质过渡连续，土层内的介电常数无明显差异，因此表现在探地雷达图像上为电磁波在土层内传播速度均衡、振幅大小一致且衰减缓慢、相位连续且明显、电磁波速度读取容易。

对于存在空洞的路面土而言，当空洞内无充填水时，由于空气的介电常数小于周围土体介质的介电常数，因此，电磁波遇到空洞内空气与土体的界面时，呈现强烈的电磁波反射，波形和相位与入射波一致，但反射波后存在较弱的多次反射。路面土存在空洞时，其探地雷达的响应特征为开口朝下的双曲线，电磁波场强在空洞顶部最强，随着与空洞距离的增加，电磁波场强振幅逐渐变弱。

对于由于压实度不足导致路面松软的病害而言，在施工阶段和运营初期，路面尚有一定的工作性能，而随着运营时间的增长，路面在荷载作用下土体颗粒逐渐被压密，容易产生路面变形、沉降和塌陷等病害，由于压实度不足区域的含水率较高且存在孔隙率较大现象，因此其介电常数与压实度正常的路面土存在明显差异。电磁波在遇到压实度不足区域的路面土时，在空隙内发生反复折射和反射，并发生一定程度的衍射，导致电磁波在介电常数相差较大的空隙和土体中反复传播，使得电磁波图像波形混乱、同相轴错动，底部出现二次反射现象。

路面土的含水率大使得地基土在运营荷载作用下出现变形，强度降低，路面土的承载力减小，导致路面变形量增大。由于水体的介电常数为81，电磁波速度v=0.03m/ns，相对周围路面土介质而言，其介电常数最大，电磁波速度最低，因此，电磁波在遇到含水丰富的分布带时，会出现明显的强反射，电磁波受到水体的滤波作用，高频信息被削减，保留的低频信息能量也衰减迅速，并出现明显的多次反射，且多次反射的相位相反。

结语

探地雷达对沥青路面进行检测时，依据其图谱表现出的异常波形特征，对沥青路面隐性病害进行了判定，包括路面层间结构病害（如层间黏结不良、脱空、基层松散、碎裂、积水等）和裂缝类病害（如反射裂缝等），并通过取芯验证了路面隐性病害识别的准确性。从而表明，探地雷达可以有效地实现对路面结构内部隐性病害的无损探测。

参考文献

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