探地雷達在機場道面混凝土質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

 探地雷達在機場道面混凝土質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

　　[摘要]本文主要從探地雷達在機場場道工程領(lǐng)域的應(yīng)用的角度出發(fā)，對探地雷達應(yīng)用前景和探地雷達數(shù)據(jù)處理的方法和步驟進行了探討。并結(jié)合實例對探地雷達在機場道面混凝土質(zhì)量檢測應(yīng)用進行了分析和研究。

　　[關(guān)鍵詞]探地雷達，機場道面，混凝土，質(zhì)量檢測，數(shù)據(jù)處理　

　　1前言

　　隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國的機場工程建設(shè)更是蓬勃發(fā)展。機場場道質(zhì)量控制和評價將面臨日益繁重的任務(wù)，原有的鉆芯取樣或開挖抽樣的厚度及質(zhì)量檢查方法不僅效率低，代表性差，精度不高，而且對已建成的場道有損壞，已經(jīng)滿足不了發(fā)展的需要，為此極需發(fā)展快速、簡便、高精度、高效率的公路無損檢測技術(shù)。近二十年來發(fā)展起來的探地雷達就是這樣一種無損檢測設(shè)備。

　　探地雷達（Groundpeteringradar，簡稱GPR）在機場場道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用主要包括路面測厚、路面與路基缺陷檢測、路面與路基裂縫調(diào)查等方面。因探地雷達具有無損、快速、連續(xù)、高精度、高分辨、實時成像探測等特點，可以成功地探測道路結(jié)構(gòu)層病害，有利于機場場道的維護與保養(yǎng)，為機場施工單位和機場維護部門提供了一種高效先進的無損檢測手段。路用探地雷達由于其獨特的優(yōu)越性，其應(yīng)用可以貫穿于機場場道施工和后期檢測維修的全過程。

　　國外，探地雷達技術(shù)在公路勘測和檢測上應(yīng)用始于20世紀80年代后期，已有近20年的歷史了，歐、美最早應(yīng)用。芬蘭和美國的得克薩斯州曾做了大量的研究工作。在芬蘭，GPR主要用于探測道面結(jié)構(gòu)層的厚度；在北美，探地雷達主要與FWD結(jié)合進行路面結(jié)構(gòu)層材料特性的反演。近幾年，人們開始致力于研究用探地雷達探測路表下的病害和缺陷，諸如面層中瀝青的剝落、硅板下的脫空和機場場道路面結(jié)構(gòu)中的排水溝的定位等。目前，探地雷達在場道質(zhì)量檢測中應(yīng)用最為成功的還是厚度檢測。雷達技術(shù)在道路厚度探測中的試驗研究開始于90年代。1992年～1994年美國聯(lián)邦公路局(FHWA)組織實施了一項攻關(guān)課題研究,名為“戰(zhàn)略公路研究計劃—SHRP”，他們對探地雷達在道路工程中的應(yīng)用進行了深入的研究,在分層探測、路下空洞、道路厚度、覆蓋層脫粘、橋面風化等方面獲得了成功,由此誕生了高速公路探地雷達，并委托GSSI公司開發(fā)生產(chǎn)SIR-10H型高速公路地下界面探測雷達。1994年W•M•KimRoddis等人對美國Kansas州的11種不同種類的道路用探地雷達進行了分層探測工作,為道路質(zhì)量評價和道路維護提供了建議，所測結(jié)果與Kansas交通局對73個點鉆孔取樣的結(jié)果相比，偏差僅為±(5%-10%)。1996年，J.Hugenschmidt用GSSISIRSYSTEM-10A型探地雷達儀及2.5GHz、900MHz天線在瑞士的Gotthard高速公路上進行了探測工作,為道路的維護提供了比較有價值的資料信息。

　　探地雷達在我國開始應(yīng)用于道路質(zhì)量檢測的時間大約在90年代。地震局、鐵道設(shè)計部門、黃河水利委員會以及中國地質(zhì)大學(武漢)等單位相繼引進日本、美國和加拿大等國的設(shè)備，并相繼開展了一些研究。北京愛迪爾國際探測技術(shù)有限公司成功地研制出了CBS-9000道路專用探地雷達。1996年，中國地質(zhì)勘察技術(shù)院的牛一雄等人用探地雷達對西安—寶雞高速公路進行過質(zhì)量檢測。但由于國內(nèi)整體起步較晚，研究工作多還處于初步階段，技術(shù)還不成熟和完善，許多應(yīng)用問題尚需要進行系統(tǒng)地研究。

　　2雷達法探測原理

　　工程中應(yīng)用的雷達通常稱作探地雷達，其早期主要用于地質(zhì)勘察中。其主要原理是用天線發(fā)射高頻電磁波，傳感器接受目標介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中的傳播時，其路徑、電磁場分布與波形隨所穿透介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形狀而改變。因此根據(jù)接收到波的雙程走時、波幅與波形資料的分析，可以推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)投入土木工程領(lǐng)域的雷達主要為時域脈沖探地雷達，如加拿大探頭與軟件公司(SSI)的PulseEKKO系列、美國地球物理公司(GSSI)的SIR系列、瑞典地質(zhì)公司(SGAB)的RAMAC系列、意大利博泰克公司(IDS)的意銳RIS系列�！�

　　圖1意銳RIS-2K雷達系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　以意銳2K系列為例來說明探地雷達的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要部分，其主要包括雷達采集單元和雷達傳感器(天線)，采集單元主要包括天線控制單元和數(shù)據(jù)記錄儀單元，如圖1。

　　其工作原理見圖2�！　�

　　圖2探地雷達工作原理圖

　　3探地雷達信號數(shù)字處理技術(shù)

　　由于所探測介質(zhì)相當于一個復(fù)雜的濾波器，它對電磁波不同程度地吸收和反射，以及其本身的不均勻性等，使得雷達脈沖回到接收天線時，波幅減小，波形也變得與原始發(fā)射波形有較大的變化。另外，不同程度的各種干擾和隨機噪聲，也歪曲了實測數(shù)據(jù)。因此，必須對原始數(shù)據(jù)實施適當?shù)奶幚�，以改善�?shù)據(jù)資料，為最終的地質(zhì)解釋提供清晰可辨的雷達探測圖像。其數(shù)據(jù)處理過程主要見圖3�！　�

　　圖3常規(guī)數(shù)據(jù)處理過程

　　(1)數(shù)據(jù)編輯

　　鑒于原始數(shù)據(jù)中難免會有誤操作、遺漏或多余數(shù)據(jù)等情況，編輯處理就是針對這些問題，對數(shù)據(jù)進行重新組織和修改(合并文件，數(shù)據(jù)文件或背景資料的更改，數(shù)據(jù)道的極性轉(zhuǎn)換，改變道的位置參數(shù)，刪除數(shù)據(jù)中某些壞道或插入一些空道等等。如果測線剖面上信號幅度值變化較大，還應(yīng)進行信號幅值的歸一處理。

　　(2)常規(guī)濾波

　　常規(guī)濾波是指GPR數(shù)據(jù)的去甚低頻失真濾波和時、空間域的中值濾波處理等。在探地雷達測量中，為了保持更多的反射波特征，通常利用寬頻帶進行記錄，于是在記錄各種有效波的同時，也記錄了各種干擾波。數(shù)字濾波技術(shù)就是利用頻譜特征的不同來壓制干擾波，以突出有效波。濾波主要有頻率域濾波和時間域濾波二種方式。常用的時間域濾波其具體計算步驟為①對雷達記錄進行頻譜分析，確定通頻帶中心頻率與帶寬。②確定濾波因子長度，一般其值由實驗工作來確定。③由濾波器的頻率響應(yīng)寫出的離散形式。對低通濾波器，則有離散形式，取。則褶積的離散計算公式為用此對雷達記錄進行計算，可得濾波后的輸出。其中；為濾波后的雷達信號；為采樣時間間隔；為輸入雷達信號的樣點序號；為濾波因子的采樣間隔；為樣點序號；為濾波因子的的采樣總點數(shù)。

　　(3)時間增益

　　時間增益選擇是數(shù)據(jù)處理的重要內(nèi)容之一。時間增益的選擇主要是根據(jù)經(jīng)驗和主觀要求，并與顯示方式有很大的關(guān)系。時間增益的適當與否，直接影響到GPR剖面圖像的質(zhì)量和數(shù)字處理結(jié)果。一般的選擇方法是先檢查數(shù)據(jù)的幅值與時間衰減曲線，檢查時可以逐道進行，也可以根據(jù)整條剖面的平均幅值曲線來確定適當?shù)臅r間增益。GPR數(shù)據(jù)時間增益方式有AGC、SEC、常數(shù)、用戶定義等幾種，可根據(jù)需要選擇當你想了解地下的水平連續(xù)性，而不考慮信號幅值的保真度時，可采用AGC這樣一種自動補償?shù)脑鲆娣绞健Ｔ诖朔绞较�，將對一個時窗內(nèi)的信號幅值求平均值，然后根據(jù)擬輸出值相對平均值的比率對窗內(nèi)各點的數(shù)據(jù)進行放大(或衰減)。另一種常用的時間增益方式為SEC(球面波指數(shù)補償)。它是根據(jù)電磁波在地下傳播的衰減特性來進行信號幅值補償，在使用時，用戶需根據(jù)地下介質(zhì)情況，選擇適當?shù)乃�減系數(shù)和增益最大值。

　　(4)圖形處理

　　圖形處理是為了向用戶提供一個比較直觀和簡明的處理結(jié)果。在完成上述處理后，結(jié)合所探測目標的情況進行圖形處理工作。這個階段的處理通常是依照操作者的意愿進行，主觀性很強。圖形處理的方法視具體情況而定，通常有手控增益放大、幅值分析和同相軸拾取等。拾取同相軸與同步衰減顯示相配合，能簡化數(shù)據(jù)剖面，突出某些重要特征。當然，這里所說的重要特征依賴于數(shù)據(jù)的處理過程和對地質(zhì)情況的了解，以及處理目標體的物性差異。

　　(5)顯示和解釋

　　GPR數(shù)據(jù)圖像的解釋是一個“系統(tǒng)工程”。它包括高頻技術(shù)、工程及人文等多方面的知識和經(jīng)驗。目前，應(yīng)用最廣的人工判讀解釋只是對異常的識別作些對照已知條件的注釋，但即便是這項工作，仍有不少問題有待深入研究。因此，在對GPR圖像解釋評價時，除應(yīng)掌握各種模型的正反演特征外，還應(yīng)結(jié)合具體的地質(zhì)、環(huán)境情況進行異常解釋�？梢钥隙ǎ�與其他領(lǐng)域的專家系統(tǒng)、人工智能的研究一樣；GPR圖像異常的解釋成功率，將隨著“系統(tǒng)工程”的研究深入和完善而大有提高。

　　4雷達探測技術(shù)在機場混凝土道面質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

　　4.1雷達探測技術(shù)在厚度檢測中的應(yīng)用

　　結(jié)構(gòu)層厚度對于控制場道混凝土質(zhì)量起著重要的作用。場道面層厚度檢測是場道無損檢測的主要內(nèi)容之一，一般機場場道面層厚度在40cm左右，這就要求探地雷達有較高的垂直分辨率，一般雷達的分辨率是子波波長的1/4，要求天線有較高的反射頻率,一般機場場道混凝土質(zhì)量檢測中探地雷達頻率為500MHZ-1GHZ。場道基層厚度探測原理同面層檢測是相同的，但由于基層與底基層的深度較面層大，一般通過降低天線頻率來提高探測深度。

　　簡單而言，場道面層測厚基本原理是根據(jù)電磁脈沖在路面與路基接口的反射時間和傳播速度求得面層厚度，因此厚度的檢測的關(guān)鍵是回波時間的取定和電磁波的傳播速度。傳播時間t和電磁波傳播速度v確定后，厚度值h就可得到：　

　　其中電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，為介質(zhì)的介電常數(shù)，其中c為光速。圖4為典型的正演模擬得到的雷達回波剖面。　　

　　圖4雷達回波模擬剖面圖

　　4.2缺陷探測

　　機場場道混凝土質(zhì)量缺陷主要包括脫空、及內(nèi)部異物等缺陷，AASHO試驗路觀測結(jié)果證明：在水泥混凝土路面縫邊、板角處，由于唧泥所引起的水泥混凝土板下脫空情況大量存在。混凝土路面的縫邊板角處，由于基礎(chǔ)的脫空，荷載作用下的混凝土板近似于懸臂梁工作，將產(chǎn)生過量的彎沉和拉應(yīng)力，在重復(fù)荷載作用下，最終導(dǎo)致混凝土板的斷裂、破碎[5]。

　　GPR對脫空的識別主要利用空洞對反射信號的影響，只要確定空洞上下表面反射波相差時間就可以確定空洞深度和范圍。

　　4.3實例分析

　　圖5為用意銳RIS-2K對機場場道進行厚度檢測的一典型剖面圖，天線頻率為600MHZ，通過對檢測剖面的分析做出了場道道面結(jié)構(gòu)厚度和混凝土澆筑質(zhì)量的認定，并在現(xiàn)場與鉆芯取樣結(jié)果進行對比，證明了雷達探測法的準確性。圖6為有孔洞的回波信號剖面圖�！　�

　　圖5道面回波                                                                 圖6孔洞反射波

　　4結(jié)論和建議

　�。�1）數(shù)據(jù)處理要根據(jù)所探測目標的實際情況選擇合適的步驟和方法。在進行探測前要先對所要探測目標的工程情況做到一定的了解。

　�。�2）雷達波檢測具有直觀、快速、高效、經(jīng)濟、簡便的優(yōu)點。

　�。�3）探地雷達裝備輕、使用方便，對周圍環(huán)境影響小，可及時地對施工質(zhì)量進行監(jiān)控，為工程隱患的排除提供準確信息。

　　（4）探地雷達方法作為混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測手段，能對機場場道混凝土的缺陷情況作出可靠、準確的評價。

　�。�5）雷達檢測法連續(xù)檢測性強，檢測速度快，對大面積和隱蔽工程檢測更能顯示出其優(yōu)勢。探測結(jié)果具有直觀、說服力強的特點。

　　參考文獻

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　　[2] 吳新璇.混凝土無損檢測技術(shù)手冊.北京:人民交通出版社,2003,1.

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