（交通运输工程专业论文）路用雷达检测系统在内蒙地区公路检测中的应用研究.pdf

s t u d y o fg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r a p p l i c a t i o n h i g h w a 3c o n s t r u c t i o na n dd etectioinh 1 2 h w a yc 0 n s t r u c t i o na ne t e c t i o n ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h o ug u i s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gx u a n c a n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：百事、趁 习年2 月尹日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：1 耄、乏 导师签名：嫩 叫年溯尹日 删罗年z 月哆e l 摘要 随着我国公路建设的迅速发展，公路检测手段需要不断更新。然而，内蒙古地区现 行的公路检测手段却相对落后，比如路面厚度检测仍然采用钻芯取样、手工测量的方法， 各结构层压实度、含水量等指针的检测仍依赖人工手段，如环刀法、灌砂法等，不仅效 率低、代表性差，而且路面具有破坏性。因此加快开发快速、高效的公路检测技术已成 为目前亟待解决的关键问题之一。 路用探地雷达( 简称g p r ) 是一种新型的公路无损检测设备，它具有连续作业，采 样密度高，且测量快( 行车速度可达8 0 公里d , 时) 、无破损、检测内容丰富等优点，可 进行资料的实时成像处理，而且对路面无破损，己经在我国其他省区得到了广泛的应用。 本文针对g p r 作了较全面的分析，介绍了探地雷达的发展过程、设备组成与探测 原理，并依据大量的工程实践，探讨了探地雷达在公路建设中的各种应用。重点就g p r 在内蒙古地区路面结构层厚度检测方面的理论和应用进行了研究，并给出了相应的工程 实例。 关键词：路用雷达，内蒙地区公路建设，道路检测评价 a b s t r a c t w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nt h ec h i n a , h i g h w a yt e s t i n g m e t h o d sn e e dc o n s t a n t l yi m p r o v i n g h o w e v e r , t h et e s t i n gm e t h o d sa p p l i e di no u rc o u n t r y a l er e l a t i v e l yb a c k w a r d f o re x a m p l e ，t h et e s t i n go fs u r f a c et h i c k n e s ss t i l ld e p e n d so nt h e m e t h o d so ft u b es a m p l eb o r i n g ，a n dh a n dm e a s u r i n g ；t h et e s t i n go ft h e d e s i g n a t i o n so f s t r u c t u r el a y e rc o m p a c t e dt h i c k n e s s ，a n dw a t e rc o n t e n tr e l i e so na r t i f i c i a lm e t h o d s ，s u c ha s , c i r c u l a rs o i lc u r e r ，s a n d i n j e c t i o nm e t h o d , t h e s em e t h o d sa r en o to n l yi n e f f i c i e n ta n dp o o r l y r e p r e s e n t a t i v e ，b u ta l s od e s t r u c t i v et or o a d s a l t h o u g hm a n yu n i t sh a v ei n t r o d u c e ds o m e a d v a n c e dt e s t i n ge q u i p m e n t s ，d u et ot h el a c ko fc o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g y , s t a n d a r d s ，a n d s p e c i f i c a t i o n s ，t h e s ee q u i p m e n t sc a n n o tf u l l yp l a yt h e i rr o l e s w h i c hi sg r e a t l yi n c o m p a t i b l e 谢t 1 1t h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y t h e r e f o r e ，t oa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to f m g h s p e e da n dh i g h - e f f i c i e n c yt e s t i n gt e c h n o l o g yi so n eo f t h ei m m i n e n ti s s u e st ob es o l v e d g p ri san e wt y p eo fh i g h w a yn o n d e s t r u c t i v et e s t i n ge q u i p m e n t , o fq u i c k n e s s ( 8 0 k m h ) a n dp r e c i s i o n i tc a nb eo p e r a t e dc o n t i n u o u s l ya n dt e s tm a n ya s p e c t so fah i g h w a y i td i r e c t l y g a i n ss u b s u r f a c es e c t i o ni m a g e so nr e a lt i m ei m a g i n gd i s p o s a lo ft e s t i n gd a t aa n dh a saw i d e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d g p rh a sa t t r a c t e dw o r l d w i d ea t t e n t i o ns i n c ei t si n v e n t i o n t h i sp a p e rm a k e sa na l l - g r o u n da n a l y s i so fg p r , m a k e si n t r o d u c t i o n st ot h ep r o g r e s so f r a d a rd e v e l o p m e n t , c o m p o s i t i o no fe q u i p m e n t sa n dt e s t i n g t h e o r y , a n ds t u d i e sv a r i o u s a p p l i c a t i o n so fg p r , b a s e do np l e n t yo fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ee m p h a s i si so nt h et e s t i n g o fp a v e m e n ts t r u c t u r et h i c k n e s sa n dt h es t u d yo fo t h e rt h e o r i e sa n da p p l i c a t i o n so fh i g h w a y , c o m b i n e d 、析t l lr e l a t i v ee n g i n e e r i n gc a s e s g p r , a saq u i c k , h i g h - p r e c i s i o n , n o n - t o u c h i n ga n dn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt o o l ，c a l lb e e x t e n s i v e l yi n t r o d u c e dt ot h eq u a l i t yc o n t r o lo fh i g h w a ye n g i n e e r i n ga n dt h ea s s e s s m e n to f c o m p l e t i o na c c e p t a n c e a sg p r h a sr i c hr e f l e c t e ds i g n a l s ，f u r t h e rr e s e a r c ha n da n a l y s i so fi t i sn e c e s s a r y , w i t he x p e c t a t i o no fi t sm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：g r o u n dr a d a r ，h i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，d e t e c t i o na n de v a l u a t i o no fh i g h w a y 目录 第一章绪论1 1 1 本课题的研究背景。l 1 2 探地雷达技术的发展1 1 3 路用探地雷达的应用现状。3 1 4 本文的研究内容6 第二章路用探地雷达的探测原理7 2 1 路面雷达的基本原理7 2 2g p r 探测性能和测量参数的分析【1 】【8 1 1 2 0 1 8 2 2 1 探测深度8 2 2 2 分辨率9 2 2 - 3 探地雷达中心频率的选择1 0 2 2 4 采样时窗的选择1 lt 2 2 5 采样间隔的选择1 1 2 3 路用雷达设备主要性能指标1 9 j 1 2 2 3 1 噪音与信号之比( n s r ) 1 2 2 3 2 短期信号稳定性( s t s ) 1 2 2 3 3 长期信号稳定性( l t s ) 1 2 2 3 4 末端反射( e n r ) 1 3 2 3 5 硅探测实验( c p t ) 1 3 2 3 6 时间标定偏差( t c d ) 1 3 2 4 路面材料的介电特性分析1 1 6 1 1 3 2 4 1 介电常数的定义1 4 2 4 2 路面介质的介电特性1 4 2 4 3 介电常数的测量方法1 8 2 5 本章小结18 第三章路用探地雷达在道路评价中的应用。2 0 3 1 地基勘探及现场调查【2 2 1 2 0 3 1 1 基层土壤2 0 3 1 2 岩床深度和岩床质量2 1 3 1 3 土壤含水量和地下水位2 1 3 1 4 霜冻的敏感性和压缩性2 2 3 2 路面损坏状况调型2 2 j 2 3 3 2 1 裂缝和裂缝的扩展2 3 3 2 2 沥青层的剥落识别2 3 i i i 3 2 3 霜冻的识别2 4 3 2 4 沉降及崩塌识别2 4 3 3 新铺沥青路面的质量控制2 4 3 4 含水量和压实度的评价2 6 3 5 其他应用j 2 8 3 5 1 高速公路病害的检测和调查，2 8 3 5 2 公路质量的维修检测3 0 3 5 3 水泥砼构件构造检测3 2 3 5 4 公路隧道构造检测3 3 3 6 本章小结：。3 5 第四章路用雷达检测技术在内蒙地区的应用研究。3 6 4 1 路用雷达类型分析研究3 6 4 1 1 各种路用雷达介绍3 6 4 1 2 各种雷达比较3 7 4 2 在内蒙地区公路评价中引入路用雷达检测技术的必要性3 7 4 3 自治区使用雷达检测仪器介绍3 8 4 4 探地雷达在内蒙古地区路基检测中的应用研究3 9 4 4 1 技术原理3 9 4 4 2 现场检测数据采用4 0 4 4 3 数据处理4 0 4 4 4 结果分析4 1 4 5 小结4 3 4 6 探地雷达在内蒙古地区路面检测中的应用研究4 3 4 6 1 概况4 4 4 6 2 检测原理4 4 4 6 3 技术参数4 5 4 6 4 路面结构层各层的介电常数计算4 6 4 6 5 路面厚度计算4 7 4 6 6 检测数据对比分析试验4 7 4 6 7 检测实例。5 3 4 7 本章小结5 6 第五章结论与展望5 7 参考文献_ 6 0 攻读学位期间取得的研究成果6 3 至殳谢一6 4 i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 近年来，内蒙古自治区紧抓西部大开发战略机遇，以“三横九纵十二出口 公路主 骨架为重点，进行多元化投资、多方式建设，极大的提高了公路建设的规模和速度。到 2 0 0 7 年底，自治区公路总里程达到1 3 8 万公里，其中高速公路1 7 6 8 公里，一级公路2 8 3 6 公里，二级公路1 0 7 7 8 公里。 内蒙古自治区地域辽阔，呈东西向狭长形分布，东西长达2 4 0 0k m ，区内地形复杂， 大兴安岭、阴山山脉将全区分成三大片，即丘陵平原、山地及高原，区内地理、地质、 水文等情况也复杂多样，自然灾害频繁，春天的道路翻浆、沙阻，夏天水毁，冬天雪阻、 冰雹等容易出现，公路沿线常遇到沙漠、多年冻土、盐渍土等特殊性土。公路的抗灾能 力极低。一旦路面潜伏病害显现化以后，其维修的有效性、经济性均会受到限制，所以 及时发现路面潜在问题，尽早维护，做到防危杜渐、防患于未然，对提高路面使用寿命， 改善行车质量，节省维护费用具有重要意义。 目前在内蒙古自治区的公路施工及养护维修中，仍然使用传统的检测方法，即根据 规范随机选点，钻孔取样，进行室内分析处理，从中获取厚度、深度、压实度和强度等 工程参数，这种常规方法存在一定的局限性。首先，被测点是随机选择的，因而检测结 果往往缺乏代表性；其次，由于检测点的密度稀，有些局部压实度达不到标准、厚度偏 小、水泥混凝土或沥青混凝土内部存在缺陷等不良区段极易漏检，给后续工作留下隐患； 再次，在道路投入使用后的日常运行管理中，常规检测对公路表面出现的破损、凹陷、 裂缝、不平整等问题不能及时发现，而且对道路内部存在的隐性病害，如路面下的空洞、 积水、脱空、基础疏松等却没有有效的检测手段，随着冬冰春融，热胀冷缩以及日积月 累的冲压，往往容易导致重大交通事故的发生，给人民生命财产造成巨大的损失；另外， 这种方法耗费人力物力大而效率低。因此在内蒙古自治区的公路施工及养护维修中迫切 需要一种快速、简便、有效的公路检测技术。将路面雷达技术正确地用于区内路况评价 是内蒙古自治区公路建设发展的必然需要。 1 2 探地雷达技术的发展 使用雷达探测地下目标物的历史可追溯到2 0 世纪初期。1 9 0 4 年，德国人h u t s e m e y e r 首次尝试用电磁波信号来探测远距离地面金属体，这是探地雷达的雏形。探地雷达概念 的提出是在1 9 1 0 年，当时，l e t m b a c h 和l a w y 在一项德国专利中提出了探测埋藏物体 第一章绪论 的方法，他们将偶极天线埋设在两孔洞中进行发射和接收，由于高电导率的媒质对电磁 波的衰减作用，通过比较不同孔洞之间接收信号的幅度差别，可以对媒质中电导率高的 部分进行定位，这时才正式提出了探地雷达的概念。其后，l e t m b a c h 等人又用两分离天 线在地表进行发射与接收来探测地下水和矿层，并通过地下发射波与地表泄漏的直接波 之间的干涉进行地下目标的深度判别，他们探测地下目标采用连续的电磁波，利用了导 电媒质对电磁波的衰减与反射特性。 一般认为，第一个提出应用脉冲技术确定地下结构思路的人是德国的h u l s e n b e c h , 他于1 9 2 6 年指出，电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生反射，这个结论也成 为了探地雷达研究领域的一条基本理论根据。其后5 0 年用脉冲技术探测地下目标得到 了广泛的发展，但由于地下介质比空气具有较强的电磁衰减特性，加之地质情况的多样 性，电磁波在地下传播要比在空气中复杂得多。因此，探地雷达的初期应用仅限于对电 磁波吸收很弱的冰层、岩盐等介质中。如1 9 5 1 年，b o s t e e n s o n 用雷达探测冰川的厚度； 1 9 7 0 年h a t i s o n 在南极冰层上，取得了8 0 0 - - - 1 2 0 0 m 穿透深度的资料；1 9 7 4 年，u n t e r b e r g e r r r 探测盐矿夹层等【1 1 1 1 2 1 1 3 1 。 7 0 年代以来，随着电子技术的发展以及现代数据处理技术的广泛应用，特别是在 第二次世界大战期间，因政治军事的原因，探地雷达技术得到了前所未有的发展，地下 浅层目标探测得以实现。探地雷达的应用范围也迅速扩大，从冰层、岩矿等弱耗介质扩 展到土层、煤层、岩层等有耗介质，现已覆盖考古、矿产资源勘探、岩石勘查、无损检 测及工程建筑物结构调查等众多领域，并开发了用于地面、钻孔与航空卫星上的探地雷 达技术。此时，国外开始出现各种形式的试验性探地雷达，美、日、加拿大等国有几家 公司还相继推出了自己的产品，比如美国g s s i 公司的s i r 系列和日本o y o 公司的 y l r z 系列等，出于科学研究和工程实践的需要，国内对以上产品相继引进，目前在国 内应用广泛的进口探地雷达主要有以下几种：( 1 ) 美国地球物理探测设备公司( g s s i ) 的 s i r 系列；( 2 ) 加拿大探头及软件公司( ( s s i ) 的p u l s ee k k o 系列；( 3 ) 日本应用地质株式会 社( o y o ) 的g e o r a d a r 系列：( 4 ) 瑞典地质公司( s g a b ) 的r a m a c g p r 钻孔雷达系统 等。这些雷达所使用的中心工作频率在1 0 - 1 0 0 0 m h z 范围，时窗在0 - - - 2 0 0 0 0 n s ，探测 深度可达4 0 一- 8 0 多米，分辨率达厘米级，深度符合率小于5 厘米。就应用范围而言， 这些探地雷达系统包括地面用，钻孔用和航空用；就雷达系统天线利用方式而言，有单 基、双基和多基系统，三维g p r 系统仍处于研制阶段。 作为实用的探测工具，探地雷达能够在以下几方面发挥有效的作用： 2 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 探测海冰、湖冰厚度、湖底深度和结构厚度，探测永久性冻土冰块； ( 2 ) 探测煤层厚度，块状石灰岩深度； ( 3 ) 断层、湿地破碎带、溶洞、金属矿体以及报废井孔等的探测； ( 4 ) 测量土壤近似湿度及分布； ( 5 ) 探测地下埋设的各种金属和非金属管道、电缆及光缆的科学资料； ( 6 ) 寻找地下古迹； ( 7 ) 探测公路结构层厚度及识别脱空，进行压实度及含水量的评价。 通过大量的实地探测和应用，人们对各种形式探地雷达的特点有了比较清晰的认 识。探地雷达具有探测速度快、非接触、非破坏性探测、分辨率高、可直接获得地下剖 面图、可进行资料的实时成像处理、经济方便等优点，有着广泛的应用前景，得到了较 广泛的关注。许多国家都投入了大量的人力、物力进行探地雷达的研制和实验工作。 路面雷达检测技术是根据探地雷达技术开发改进的一项新技术。我国自2 0 世纪9 0 年代引进该技术以来，将其进一步普及与推广，应用范围也日益广泛，如岩土工程、环 境与水资源调查、考古、工程检测等方面。路面雷达检测方法与其它地球物理勘察方法 相比具有独特的优势，就是超浅层探测，它甚至可以划分出几厘米厚的地层，这是当前 其它无损检测方法难以实现的，因此近年来，路面雷达在全球公路领域也得到了广泛的 应用。 1 3 路用探地雷达的应用现状 路用探地雷达技术在国外公路勘测和检测上应用始于2 0 世纪8 0 年代后期，已有近 2 0 年的历史了，欧、美最早应用。世界上第一个公路型探地雷达( s i r - 1 0 h 地质雷达) 于1 9 9 4 年由美国发明。目前，这种技术用于路基路面的质量检测也仅是刚刚开始，大 部分仍是局限于高等级公路路面厚度、路基空洞与缺损等的检测与评价。芬兰和美国的 得克萨斯州曾做了大量的研究工作。在芬兰，g p r 主要用于探测路面结构层的厚度；在 北美，g p r 主要与f w d 结合进行路面结构层材料特性的反演。近几年，人们开始致力 于研究用g p r 探测路表下的病害和缺陷，诸如面层中沥青的剥落、硅板下的脱空和高 速公路路面结构中的排水沟的定位等。 路用探地雷达在我国开始应用的时间大约在9 0 年代，后来地震局、铁道设计部门、 黄河水利委员会以及中国地质大学等单位相继引进日本、美国和加拿大等国的设备，并 相继开展了一些研究1 4 1 1 6 1 。近年来，北京爱迪尔国际探测技术有限公司忉一直在从事探 地雷达的研制与开发，并成功地研制出了c b s 9 0 0 0 道路专用探地雷达。河南省道路检 3 第一章绪论 理论和应用研究方面做了大量工作。但由于国内整 阶段，很多技术还很不成熟和完善，亟待系统地研 连续、高精度、高分辨、实时成像探测等特点，它 成功地探测道路结构层病害，有利于道路的维护与 效先进的无损检测手段，路用探地雷达由于其独特 工和后期检测维修的全过程【1 6 1 。 雷达对地质基础进行勘察探测，确定地质结构，划 出不良地质体，如流沙、暗河、软弱地基。 ( 二) 公路施工期间，探地雷达对强化施工管理具有重要作用。这种作用主要体现 在以下几个方面： l 、适时调整设计 众所周知，高等级沥青路面一般分二到三层铺设，由于底基层和基层允许误差较大， 中、下面层特别是下面层出现偏差的机会较大。若在施工期间能及时、准确地测出中、 下面层尤其是下面层的厚度，则可适时调整中、上面层尤其是中面层的设计厚度，以确 保面层厚度达到设计要求。 2 、准确计算面层用料 钻心取样法探测路面厚度存在很大的随机性，用其探测的路面厚度估算材料成本也 会产生很大的偏差。因此，为了防止个别施工单位偷工减料和准确估算材料成本，就应 采用探地雷达检测技术提供准确的厚度资料。 3 、提高施工单位严把质量关的自觉性 在随机钻孔取芯检测的情况下，个别施工单位存在侥幸心理，对面层厚度把关不严， 其总体厚度常常偏低。采用探地雷达检测后，因其连续高密度的采样而使施工单位彻底 打消了侥幸心理，确保路面铺筑质量和厚度。 ( 三) 在道路投入使用后，应用路用探地雷达可进行道路的日常探测监察，及时发 现路面结构层中存在的隐患，这对道路管理部门掌握道路的内在质量和使用寿命、研究 路面结构层受损程度及影响因素、分析质量变化的趋势和规律、指导道路的养护和修补 等都具有十分现实的意义。目前，路用探地雷达主要应用在道路的后期检测维修上，主 要进行下几方面的检测： l 、路面结构层厚度检测。用于路面管理系统( ( p m s ) ，联合f w d 对路面进行综合评 4 长安大学硕士学位论文 价与分析 2 、厚度检验。避免钻芯取样，且采集量大大提高。 3 、缺陷识别。一方面探测沥青层内部由于摊铺时温度失控造成的缺陷，以及碾压 “接头 留下的影响；另一方面探测基层和土基局部含水量过高和压实度不够。 4 、基层材料评价。结合室内试验研究基层含水量、骨料级配、化学稳定剂。 5 、裂缝与裂缝开展。探测和跟踪裂缝，研究裂缝成因，制定合理的维护方案。 6 、沥青层的剥落。探测沥青与骨料之间的脱落以及沥青面层与基层之间的剥落。 7 、混凝土板下的脱空识别。及时掌握路况条件，做到预防性维护。 8 、桥面评价。识别桥面内部缺陷。 近几年来，路用探地雷达技术虽然得到很大发展，但是在应用过程中还有很多方面 需进一步研究。 路用探地雷达在探测过程中，会有干扰波的出现，这些波与要检测的目标信息无关 通常称为杂波。在实际应用中，杂波主要从以下几个方面产生： ，鏊 l 、由于地下介质不均匀和地表不平整使天线高低晃动而产生的无规律的杂波； 2 、由于取样接收系统的时基不稳定而产生的时基抖动；。， 3 、地层间或目标间的多次反射。 这些杂波中有的是固定的，可以采用相减技术消除，在资料采样的过程中，也可以 利用采样实时平均抑制干扰。另外，利用数字信号处理方法也可以消除一定的杂波。对专 于探地雷达的回波信号应用还需要开展进一步研究，剔除杂波，以便使呈现的信息更好 的反映探测情况，在检测过程及实验研究中，应注意以下情况： l 、去噪及滤波 路用探地雷达资料具有高噪、短时的特点，而且随着探测深度的增加，有用信号越 来越弱，而干扰成份相对越来越突出。另外由于深度的增加，探地雷达的分辨率越来越 低。因而如何进行具有“调焦 性的局部分析，对资料进行滤波及分解，提取有用信息， 提高分辨率，为雷达信号分析提供准确的基础资料是探地雷达工作者迫切需要解决的问 题。 2 、天线的选取 发射天线与接收天线是冲激脉冲探地雷达系统的关键部分，发射与接收天线的基本 要求是能保真地辐射与接收纳秒高速脉冲，有较高的效率和方向性，并满足一定的尺寸 要求。探地雷达要求发射天线的行波性能必须特别好，在天线末端尽可能不向馈电端反 第一章绪论 波，保持良好的与地耦合性能，向后辐射要小，以提高探地雷达的探测深度。能保 接收和辐射高速窄脉冲的行波天线理论上应是无限长的，这只有通过加载技术来实 在检测过程中，需要根据不同的需要来选择天线，频率高的天线探测范围广，但精 度不高；反之，频率低的天线探测的精度提高了，识别的深度却很浅。因此根据检测的 任务，选取合适的天线是非常必要的。 3 、路面结构模型构建 有过解释路用探地雷达剖面资料经历的人员都会发现一个问题。若没有己知资料， 既使是对简单水平媒质的探测，也很难从探地雷达资料中确定出准确的路面结构层接 口。产生这种情况的主要原因是路面结构层接口产生的多次反射波的干扰，使接口所形 成的一次反射与接口间的多次反射波相互混迭，很难进行区分。由于反射系数大，穿透 能力差，而且媒质对信号具有损耗作用，因而道路深部层面的一次反射衰减非常严重， 其能量甚至低于浅部层面的多次反射波。通过对路面结构的正演模拟，可以对多次波的 干扰进行研究，对路用雷达资料的解释与处理分析非常有益。 1 4 本文的研究内容 针对内蒙古自治区的公路发展现状以及特殊的气候和地质条件，路面雷达检测数据 是否可以作为公路施工、维修养护以及路况评价的依据是一个亟待解决的问题，本文的 主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 介绍探地雷达的组成与探测原理，对影响探地雷达反射回波信号的各种因素 进行分析研究。 ( 2 ) 分析总结了路用探地雷达在道路评价中的应用现状。 ( 3 ) 通过路用雷达在内蒙古公路检测中的实际测试及检测数据的对比研究，分析 在内蒙地区公路检测中推广应用路用雷达检测技术的可行性。 6 长安大学硕士学位论文 第二章路用探地雷达的探测原理 2 1 路面雷达的基本原理 路面雷达利用高频电磁波以宽频带短脉冲电磁波束的形式，由地表通过发射天线向 地层发射电磁波，当电磁波在地层中传播时，遇到具有电性、物性差异的介质( 如空洞、 分界面等) 时便会形成反射界面而发生反射，电磁波反射回介质表面由接收天线接收， 再通过显示等装置在时间域中识别并确定出回波及其相位、振幅、波长等特征，确定旅 行时间( 亦称双程走时) 。因为地层中介质的电磁波衰减特性较空气为强，非金属物体 与周围介质差异小，故目标反射波能量较金属为小，加之地质情况的多解性，因而电磁 波在地层中的传播要比空气中复杂得多。电磁波传播理论与弹性波传播理论有许多类似 之处，两者遵循同一形式的波动方程，此两种波在运动学上的相似性可以在资料处理和 分析中加以利用。通用的路面雷达测量方法为剖面法，即发射天线和接收天线以固定间 距沿测线同步移动，得到该测线的路面雷达时间平距剖面图像，通过进一步数据处理， 可得到深度平距正演图像，进而利用地质、钻探资料或其它方法所获成果并结合对图 像的频率、振幅、同相轴形状之分析来对图像进行解释，因此根据接收到的电磁波的旅 行时间、幅度与波形资料，通过雷达瀑布、彩色剖面、三维立体等图像处理和分析，最 终达到以下目的：确定路面各结构层厚度及总厚度；路面下空洞探测，估算空洞尺 寸及体积；检测路面下相对高湿度区域；路面结构层内缺陷发育及破埙情况；检 测桥面混凝土剥落状况；检测桥内混凝土与钢筋脱离状况；测试桥面沥青履盖层的 厚度；进而全面了解路基、路面、桥梁工程质量状况( 如下图) 。 图2 1 路面雷达检测公路面层厚度、空洞的基本过程 7 第二章路用探地雷达( g p r ) 原理 理论研究与模拟试验表明，雷达电磁波在介质中的传播速度1 ，与介质的介电常 数，有如下关系： 1 ，：竺( 2 1 ) 1 ，2f l 厶i ， 、，s r 式中：c 电磁波在真空中的传播速度( c = 3 0 c m n s ) ； g ，材料的介电常数。 介电常数s ，为电磁波在介质中传播的一个最主要的物理量之一，两种介质在其 边界上产生雷达波的反射，其反射系数用下列公式计算： r ：章肇 ( 2 2 ) 、，s r 2 + 、，s r l 若已知上层材料的介电常数，则可应用上述公式计算出下层材料的介电常数。 在已知介电常数后，用速度乘以电磁波于结构层的往返时间的一半，则很容易 求出各结构层厚度： h ：2 尘( 2 3 ) 2 水r 2 2g p r 探测性能和测量参数的分析【1 1 【8 1 1 2 0 1 探地雷达的探测性能一般包括探测最大深度和最小分辨率。测量参数是指实地测试 时，根据具体的目标性质和所处环境需要选择的参数，包括信号源脉冲宽度、雷达天线 的中心频率、采样频率、时窗长度等。 2 2 1 探测深度 任何一种探地雷达都必须根据地下媒质的特性确定所设计的探测深度以及选择它 的工作频率。实验研究表明：电磁波在地下介质中的传播，频率越高，衰减越大；在频 率一定的情况下，湿度越大的介质损耗也越大。 为了研究路用探地雷达的探测深度，我们采用通过修正后的传统频域雷达方程来衡 量探地雷达的探测深度性能，修正后的频域雷达方程为： 丽p r m i n= 等若 眩4 ， 一1 3 h g 0 叩a ，7 m 6 4 巧3 d ：“ 式中：e 曲为雷达的最小可检测信号功率；一为雷达的最大发射功率；嚷、吒 分别为雷达发射和接收的增益；、叼臌分别为发射天线和接收天线的效益；丸、a 分 8 长安大学硕士学位论文 别为媒质中脉冲电磁波频率的波长( 单位为m ) 和衰减系数( 单位为d b m ) ；o b 为目标 的散射截面积；为探地雷达所能探测的最大深度( 单位为m ) 。 同时，由电磁理论可知，电磁波在地下介质中传播时的波长丸为： 小石寿 q 5 其中c 为电磁波在空气中传播时的速度；z 为脉冲信号的中心频率；s ，、以为地 下介质的相对介电常数和磁导率。由式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可知：探地雷达天线的中心频率 越高，地下介质的相对介电常数和磁导率越大，探地雷达所能探测的最大深度越浅。 2 2 2 分辨率 探地雷达分辨率是指雷达区分两个在空间上相距很近的目标的能力( 也可定义为雷 达区分在时间上相距很近的脉冲信号的能力) 。分辨率可分为垂直分辨率和水平分辨率。 根据雷达系统理论，雷达的距离分辨率为： 欲：上，_ ( 2 6 ) j 2 尚 其中欲= 瓦为雷达发射信号的频带宽度，v 为电磁波的传播速度。 l 、垂直分辨率 我们把探地雷达在垂直方向上能够区分一个以上反射接口的能力称为垂直分辨率。 潞， 垂直分辨率取决于三个因素：( 1 ) 信噪比；( 2 ) 信号形式；( 3 ) 信号处理方法。为了分 析垂直分辨率的影响因素，假定雷达天线发射出的脉冲宽度为0 ，单位为1 1 8 ，一般可以 认为天线的中心频率z = 1 1 ，单位为m h z ，通常在设计无载波脉冲探地雷达天线时， 我们选取天线频带宽度玩= 正。另外我们还假定在同一垂直方向上有两个目标存在，目 标的深度相距为d ，由式( 2 5 ) 可得，探地雷达要在空间上能分辨出两个目标的回波 信号，必须满足： 鲋兰 2 z 耐丸2 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中丸为脉冲信号中心频率所对应的电磁波的介质波长，为电磁波的介质波速。 则探地雷达的垂直分辨率为： 9 第二章路用探地雷达( g p r ) 原理 ( 耐) 曲2 九2 2 赤2 而1 5 0 ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可知，探地雷达的最小垂直分辨率与雷达天线的中心频率成反比，中心 频率越低，其分辨率越高。 2 、水平分辨率 探地雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸称水平分辨率。 图2 2 为水平分辨率的几何原理示意图，图中地下两个平行目标的深度为d ，相距 为h ，要使无载波探地雷达在空间上能区分两个目标的回波信号，则： 、 地面 目标1 目标2 j ， ， h 孑 图2 2 水平分辨几何原理示意 瓜鬲z d2 v 2 f o 而 吖z = 丸 通常 丸4 d 1 由式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 得： = 厮= ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 其中日二为探地雷达的最高水平分辨率。公式( 2 1 3 ) 中中心频率z 采用的单位为 m h z ，叱、d 的单位为m 。由公式( 2 1 3 ) 可知，探地雷达的水平分辨率除了与雷达 本身性能( 中心频率，：) 和目标深度d 有关外，还和最高垂直分辨率一样，跟目标周围 介质的特性有关。 2 2 3 探地雷达中心频率的选择 由上可知，探地雷达的中心频率z 跟所要达到的最大探测深度、最小分辨率有着直 接的关系。所以在选择无载波探地雷达天线的中心频率时，要兼顾其最大探测深度和最 小分辨率，同时还要考虑天线的尺寸是否符合测试地点的需要。一般来说，在满足分辨 l o 长安大学硕士学位论文 率和测试地点的需要后，应尽量降低雷达的中心频率。 由式( 2 9 ) 可初步确定探地雷达的中心频率为： z 司1 5 霜0 ( 2 1 4 ) 根据初选频率，利用公式可计算探地雷达的最大探测深度，如果探测最大深度小于 实际目标深度，需降低探地雷达的中心频率以获得适宜的探测深度。 对于呈水平分布的目标来说，需根据所要求的水平分辨率来确定探地雷达的中心频 率。在求中心频率前，应先估测所要探测的目标深度，再根据水平分辨率的需要由公式 ( 2 1 3 ) 可得： 疋：辈 ( 2 1 5 ) 以2 丽 他 中心频率z 的单位为m h z 。 假定空间分辨率大约为目标深度的2 5 情况下，a n n a n 等给出了天线中心频率与雷 达探测深度的经验资料【1 1 ，如表2 1 所示 表2 1 分辨率为目标深度的2 5 时天线中心频率与探测深度的 中心频率删z 1 0 0 05 0 02 0 01 0 05 02 51 0 深度m 0 51 o2 o5 o1 03 05 0 2 2 4 采样时窗的选择 脉冲探地雷达采样时窗是指从第一个资料开始到采集最后一个资料期间的时间长 度。时窗长度的选择主要取决于所要求探地雷达的最大探测深度d ( 单位m ) 和探地雷 达天线发射的电磁场在地下媒质中的传播速度，( 单位m n s ) 。已知所要求的探测深度 和电磁场在媒质中的波速，则探地雷达的采样时窗长度w ( 单位n s e e ) 可由下式估算： 形：1 3 型：1 3 三垡兰：竺：( 2 1 6 ) ， c 上式中时窗的选用值增加3 0 ，是为地层速度与目标深度的变化所留出的余量，其 中c 表示光速。 2 2 5 采样间隔的选择 采样间隔是用记录目标反射波时探地雷达采样率的倒数来衡量的，采样率越高，采 样间隔越短。而采样率受奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样定律的制约，即采样率至少应达到记录 的反射波信号中最高频率的2 倍。 第二章路用探地雷达( g p r ) 原理 对于大多数探地雷达系统来说，频带和中心频率的比值大致为1 ，即发射脉冲的能 量覆盖范围为o 5 - 1 5 倍的中心频率。这就是说反射波的最高频率大约为中心频率的1 5 倍，按n y q u i s t 采样定律，采样率至少要达到探地雷达中心频率的3 倍。 2 3 路用雷达设备主要性能指标1 9 1 2 3 1 噪音与信号之比( n s r ) 将雷达天线置于一金属板( 4 f i 4 f t ) 之上( 1 5 i n 左右) 。等预热之后，以最快的采 样速度记录2 0 0 个波形，则 n s r ：鱼 ( 2 1 7 ) 其中：4 l 全反射之后2 - - - l o n s 之内最大波幅； 如全反射幅值( 波峰到波谷) 。 信噪比直接影响信号质量和资料准确性，严重时会引起信号失真。 2 3 2 短期信号稳定性( s t s ) 将雷达天线置于一金属板( 4 f t x 4 f t ) 之上( 1 5 i n 左右) 。等预热之后， 样速度记录2 0 0 个波形，则 s t s ：= 4 一- 4 m 以最快的采 ( 2 1 8 ) 其中：缸_ 2 0 0 个波中的