第二章公路工程中的雷达检测技术

现代道路交通测试技术第二章公路工程中的雷达检测技术第一节雷达检测概述雷达无损检测是一种高新技术。雷达技术用于路基路面物理力学指标的无损检测开始于20世纪80年代后期，欧、美昀早应用，到我国应用的时间大约在90年代初。目前，这种技术用于路基路面检测也只是刚刚开始。雷达检测技术实质上是一种特高频电磁波发射与接收技术。它与地震波不同，地震波是在锤击或小量炸药引爆情况下所产生的一种振动辐射波，一般具有低频性质（频率大致在数百赫的声频范围），而雷达波由自身激振产生，直接向路基路面中发射射频电磁波，通过波的反射与接收获得路基路面的采样信号，再经过硬件与软件及图文显示系统，得到检测结果。雷达所用的采样频率一般为数MHz左右，而发射与接收的射频频率有的要达到GHz以上。射频电磁波的产生是依靠一种特制的固体共振腔获得，正好像微波的获得依赖于晶体同轴共振腔一样。雷达波虽然频率很高，波长很短，但毕竟也是一种波，因此，该种电磁波也遵守波的传播规律，即也有入射、反射、折射与衰变等传播特点，人们正是利用这些特点，为工程质量监控服务，达到无损、快速、高精度的检测要求。美国是雷达检测技术的发源地，世界上第一个公路型探地雷达（SIR—10H地质雷达）于1994年由美国发明。美国劳雷工业公司所推出的一批雷达检测设备的检测精度很高，当无取芯标定时，沥青面层检测误差为±5%～±8%，非粘结层路面为±5%～±10%。雷达检测设备有两种，一种是便携式，宜于野外与局部检测，另一种是车载式，适合于高速、大面积检测。雷达应用于公路质量监控的时间不长，目前只局限于高等级公路路面厚度、路基空洞、缺损与路面含水量等的监测。根据我国《公路工程质量检验评定标准（JTJ071—94）》规定，高等级公路路面面层厚度被列入质量监控项目之一。沥青面层总厚度检测绝对偏差小于-8mm，极值-15mm，上面层为小于-4mm，极值为-8mm；水泥面层为不大于-5mm，极值为-10mm。这样高的精度要求，目前，除了钻芯取样检查能达到以外，还没有其它无损检测仪器能满足。国内在20世纪80年代兴起的锤击波测厚方法，由于精度稍欠，检测工作并没有发展。而雷达技术由于精度高的独特长处，能满足测量误差要求，更能适应公路无损测厚技术的要求。雷达检测技术由于具有无损、快速、简易、精度高的突出优点，因此，作为公路工程施工质量监控，特别是高等级公路施工的质量监控以及养护具有宽广的应用前景。第二节公路工程雷达检测基本原理雷达是一种宽带、高频电磁波，一般频幅为100～1000MHz，频率自激产生，穿透能力很强。当由振源产生脉冲电磁波，并由天线定向成一定角度向路基路面发射时，波的一部分在第一界面（路面与空气界面）反射，另一部分向下穿透。由于空气的介电常数为1，而路基路面的材料介质介电常数均大于1，有的大得较多，因而，穿透波的大部分能量被该种材料吸收，同时，波在其中产生折射，折射角小于波的入射角。当折射波碰到第二界面（面层与基层界层）时，波的一部分在界面反射，穿过面层到空气，成为波的一次小循环。另一部分继续向下，穿透界面到基层，一部分能量损耗于该层，同时，产生折射，折射角大小与否，主要决51现代道路交通测试技术定基层的介电常数，当基层的介电常数大于面层的介电常数时，折射角小于面层至基层的入射角，但当介电常数小于面层的介电常数时，则折射角大于面层的入射角。电磁波折射后，又碰到第三界面（基层与路基界面），同样，波一部分向上反射，并穿透面层到空气，成为波的一次中循环。同理，波的另一部分继续向下，穿透界面到达底基层，折射角的大小，理论上与上述相同。当路基均质无限，无异常物时，从理论上说，穿透折射波的剩余能量完全损耗于无限体内，没有向上反射。但情况并非如此，路基中由于种种原因，包括分层压实形成的人为界面、路基中的软层甚至异常体等，形成的异常界面，使这些区域的介电常数发生变异，因而，入射的电磁波就在这些区域的界面处向上反射，穿透路面面层到达空气，形成入射波的第一次大循环。由上面的分析可以知道，雷达波与其它波一样，具有相同的传播特点与规律。其中一个昀突出的特点，就是雷达波碰到界面就要反射，上面所叙述的波的一次循环，大、中、小三种循环状态，就体现了波的这种性质。也正是由于波的这三种状态的循环，给路基路面的物理力学指标的检测提供了条件，雷达检测技术正是利用了电磁波在传播中的这一特性。雷达波（脉冲电磁波）从入射到第一次小循环的旅行时间完全由仪器的时窗信号记录到，第一次中循环的旅行时间，大循环的旅行时间也可同样得到。对于波所行走的距离完全与波的旅行时间对应，可以根据射入与射出的间距S1t2t3t1、S2、S3与折射角β、γ、θ以及材料的介电常数ε等重要特征参数确定。时间与距离确定后，电磁波所行进的速度也随之可以得出。如当仪器天线探测器进行扫描时，还可得到第二、第三次等多次循环记录。由于路基路面的物理力学指标以及它们的几何尺寸都与电磁波旅行时间、行程以及行速有密切关系，因而，测知了电磁波的旅行时间、行程与行速后就能很快地算得路基路面各项指标的具体参数，以及各种异常体的位置，例如，材料的厚度、弹性模量、含水量以及密实松软状况和异常物（土洞等）实际位置等。因此，在习惯上把雷达技术的检测称为“时距法”检测。用雷达进行公路路基路面的检测包括多个技术领域。下面主要叙述雷达测厚、测湿、测异常物、测密实度与弹性模量等。由于这些物理量与几何量的测量都依赖于同一雷达检测仪，也就是说，一机多能。因此，雷达的主要结构只在测厚技术中叙述，其它节中不再赘述。第三节雷达路面快速测厚技术一、仪器主要结构与功能雷达路面快速测厚技术基本结构如图2-1所示。其测厚技术结构主要由固体腔、天线（发射与接收）、时窗、波形显示与打印等四部分组成。第一部分固体腔。这是雷达仪的核心，脉冲高频电磁波就由此产生，它是一种特制的固体共振腔，产生的频率可达到2GHz以上。共振腔要求振源稳定，选频准确。第二部分天线，它分发射天线与接收天线两部分。发射天线是将波源的高频电磁波定向向路基路面发送的主要器件，要求定向性好，发射稳定，功损小，这是一般材料天线所达不到的。为了使天线不贴地发射，以便车载悬空快速扫描测定，天线特制成空气耦合聚焦型，并做成横向电磁波喇叭型。天线发射器脉冲宽度为1ns（纳秒），具有很高的测量分辨率。天线昀高输出电压为5V。根据检测用途，天线分成50MHz、100MHz、300MHz、500MHz、1GHz等多种。对于接收天线，可组成发、收两用型。天线接收器触发52现代道路交通测试技术图2-1雷达路面测厚技术结构框图脉冲宽度为10ns，扫描频率50Hz，输出带宽3kHz左右，输出电压3V。一般无线接收器的非线性昀大不超过6%。第三部分是时窗记录器，是发射标准记时脉冲的主要器件，由于是时间的集中器，故称时间窗。采样收发时间为雷达测时的主要工作，因此，时间窗对雷达检测来说甚显重要。一般时间窗为10ns～300ns。第四部分是波形显示器，它能真实、直观地将测量结果显示在波形图上。第五部分是打印输出部分，主要将被测波形与时间记录打印在纸上，以便使用。除此外，便携式电源为12V、36W（市电时为220V、500W），仪器质量为6kg左右，车载式检测速度可达80km/h。雷达测量时覆盖面积为30cm×40cm。二、仪器工作基本原理雷达测厚技术的发射波是由雷达晶体共振腔产生的，它通过一种特制的非接触天线（发射天线）向路基路面发射尖峰脉冲电磁波0λ（如图2-2所示）。图2-2雷达测厚原理图该脉冲电磁波0λ到达路面以后，由于10εε，首先，一部分能量发生界面反射，0R0a应等于1a，反射量为1I。同时，另一部分能量继续往路面以下各层传播。由于各结构层的材料在电性能方面主要是介电常数iε等具有明显不同，脉冲电磁波0λ在其中行进的速度也随之不同，如下式所示：iicευ/=（2-1）式中：——脉冲电磁波在真空中的速度，一般等于光速（0.29979/ns）（m/s或m/ns）；ciε——介电常数（空气10=ε），无量纲；iυ——电磁波在同一材料介质中传播的速度（m/s或m/ns）。由式（2-1）看出，当介电常数iε增加时，脉冲电磁波0λ传播速度减小。iε减少时，0λ固体腔发射天线时窗信号处理磁盘数字处理接收天线波形显示数字打印0λiλ53现代道路交通测试技术的传播速度iυ增加。由于速度iυ是个矢量，路面各材料层的介电常数均比空气大，因而，脉冲电磁波0λ在材料层中发生折射，改变了原来入射方向，偏向0R第一界面法线，此时，沿0β方向传播。当到达界面1R处时，折射波的一部分能量通过1R界面法线反射，0β应与1β相等，同时，又向界面穿透反射，与界面第二法线成反射角0R0R2α，反射量为。同理，得反射量，甚至是与等。2I3I4I5I脉冲电磁波0λ从界面射入，并到界面反射，在空气中，得到反射能，该反射波由特别的雷达接收天线接收，所历经的时间可通过时间脉冲记录器测知，0R1R2Iit0λ在1ε介质中所经过的距离为：00cos2cos2ββiiihhS=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=（2-2）式中：——折射波在iS1ε介质中所行经的距离（m）；ih——与两界面之间的垂直距离（m）；0R1R0β——脉冲电磁波0λ在介质1ε中与主法线的折射角，当雷达发射频率一定、材料介质一定时，则折射角0β也一定。该角通过下式（2-3）折射定律确定：1000sinsinυυβα=（2-3）式中：0sinα——入射角的正弦值，0α为入射角（波与面法线的交角）；0R0sinβ——折射角正弦值，0β为折射角（与法线的交角）1R0υ——波在0ε中的速度；1υ——波在1ε中的速度。由式（2-2）与（2-3）得下式：1000//sinsinεεβαcc=0100sinsinεεβα=（2-4）⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⋅=−10010sinsinεαεβ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=−101sinsinεα（10=ε时）（2-5）在（2-5）中，1ε由试验测得，0α为脉冲电磁波0λ的入射角，是设定的，因而，0β就能由该式解得。于是，路面结构材料层厚度可由下列公式计算：iiiiithtS0cos/2βυ==（2-6）iiicthεβ/cos/20=54现代道路交通测试技术iiitch⋅=0cos2βε（2-7）式中符号意义同前。式（2-4）是理论计算式，在实际检测中可能产生误差，使测量的材料层厚度不能满足精度要求。例如，介电常数iε一般在室内取得，而与现场所测实际介电常数发生差异时，0β也发生变化，就会使所测厚度产生较大偏差，为此，须对介电常数这一关键参数进行挖测校正，使室内与现场两者对介电常数的测试差距近于零，以确保路面材料层厚度测量结果的准确性。三、仪器设计与使用技术要点1．雷达源与天线设计要点雷达源与天线是雷达检测技术的核心部位。雷达源产生的微波，因此也称微波源。它主要由体效应管、谐振空腔、散热器以及短路活塞等组成晶体体效应振荡器，也叫固体振荡电路。根据微波振荡原理，只要在空腔内的体效应管两端加上适当直流电压（一般为12V），即可产生微波振荡。当调节短路活塞与空腔长度，即能得到所需的微波（雷达波）频率，一般可达到GHz以上。在共振腔设计时，其要点是选择优质的晶体体效应管以及合适的共振腔。如果我国生产的体效应管目前还不能满足性能要求时，以引进为宜，以达到振源稳定、寿命长、激发的频率满足精度要求的设计或研制目标。雷达天线过去用于军事为多，天线体积大，质量重，显然不能满足工程检测应用，特别是不能满足路基路面的检测需要，因而，对于公路型天线需要专门设计。在这一方面，美国已经研制成功，并进入了应用阶段，但由于天线价格昂贵，全套仪器目前价格大致在80～100万元左右，因此，我国自行研制开发是一个方向。公路型天线一般为小型，功率不能做得很高，大致为30W～50W。另外，损耗小，发射稳定，接收也不失真。目前，一般天线做成不贴地发射与检出，而公路型天线做成空气耦合型，即空气与金属天线匹配型，既不损耗发射功率，又能确保脉冲电磁波发射，对于天线接收器来说，原理与天线发射器一样。这种设计主要考虑到天线工