现代公路路面检测中短脉冲雷达检测技术应用研究

王贤巍

（浙江交工交通科技发展有限公司，浙江杭州 311112）

0 引言

在科技飞速发展的背景下，国内公路检测技术更新换代的速度也较以往有所提升，用无损技术取代传统有损技术成为发展趋势。对公路检测工作而言，使用无损技术的优点是，在不改变或影响检测对象当前状态的基础上，对检测对象相关参数进行全面且准确的获取。其中，最具代表性的无损技术即为短脉冲雷达，现阶段，多数施工单位引入该技术对路面进行检测，所取得的效果有目共睹。

1 短脉冲雷达检测概述

1.1 脉冲雷达

脉冲雷达的本质为传感系统，强调以物体反射脉冲信号为依据，对雷达天线、被测物体间的实际距离加以确定，工作原理概括如下：由脉冲调制器负责形成并放大短脉冲，随后通过开关电路、双工器等设备，将经过放大处理的脉冲运往雷达天线，脉冲与可反射其射频能量的实体充分接触后，通常会产生相应的电信号，由开关、双工器负责将信号运送到接收器内部，与此同时，对脉冲发射方向进行切换。若接收信号强度相对较弱，可使用放大器对信号强度进行放大，运送至对应检测器。由检测器对发出脉冲、接收信号间所花费的时间进行测量，根据时间差对脉冲实际飞行时长、检测对象和雷达的距离加以确定。

1.2 短脉冲雷达

对路面进行施工期间，路面各层厚度往往直接影响公路整体强度及质量。无论路面性质是柔性路面或是刚性路面，其强度均由各层厚度决定，由此可见，要想保证路面强度理想、使用寿命可达到预期值，关键是要对每层路面的厚度进行严格控制。以往检测路面厚度所使用的技术多为钻孔取芯，该技术需要相关人员以公路检测规程为依据，在随机选点的基础上钻孔、取样，随后通过检测样品的方式，对路面厚度加以确定，分别从不同角度对所得数据加以分析，进而得出最终的结论。虽然该技术具有检测速度快、结果直观等优点，但该方法会破坏路面结构，如果钻孔位置或是深度不合理，还会给局部路面的强度、防水性等造成影响[1]。在实际工作中，为避免钻孔给道路性能带来影响，少数检测人员会选择减少钻孔数量或是增加相邻钻孔的距离，但该种做法无法保证检测结果完全符合实际情况，换句话说，检测结果并不具备应有的代表性。

为解决以上问题，有关人员指出引入短脉冲雷达，即：以路面雷达系统为依托，对路面厚度进行快速检测。该项技术具有非破损和非接触式的特点，既能够被用来对沥青路面、水泥路面的各层厚度及整体厚度进行检测，又可以被用来对路面下方高湿区域、空洞和破损程度进行检测。目前，多数施工单位所使用的雷达系统的型均为SIR-20，该设备的检测流程如下：

第一步，装载雷达的车辆沿固定方向在待测道路上匀速行驶，在行驶过程中由雷达按照预设参数向下方路面发出相应的电磁脉冲，确保电磁脉冲能够由道路表面顺利到达底层。

第二步，由接收机负责对电磁脉冲所形成反射波进行接收，与此同时，雷达所安装采集系统负责对不连续电介质具体数值、脉冲从发出到返回所花费的时间及其他相关数据进行准确记录。考虑到道路各层所用材料往往存在一定差别，受材料成分构成影响，不同材料对应电介质数值自然有所不同，一般情况下，电介质数值发生突变的区域，便是结构层边缘，也可以被认为是各结构层的交界处。

第三步，相关人员以测试获取的波速、电介质数值为依据，结合其他相关参数，对路面各层实际厚度进行计算，与此同时，对各层实际含水量以及存在损坏或质量问题的区域加以确定。

短脉冲雷达强调的重点为“短脉冲”，简单来说，就是持续时间未达到毫秒级的脉冲波。在开展检测或相关工作的过程中，短脉冲往往能够表现出以下优点：首先是对外界因素干扰具有极强的抵抗能力；其次是具有良好的距离分辨力；再次是即使处于强杂波环境中，仍然能够快速且高效地完成目标检测工作；最后是对信号进行处理的步骤较少，可在保证处理结果准确的前提下，对处理速度进行一定程度的提升。

2 短脉冲雷达用于路面检测的探究

2.1 项目介绍

检测对象为某地改建后的省道，公路的路面材料是沥青混凝土，遵循BZZ-100kN 标准。沥青混凝土路面可分成沥青面层、水稳层；其中，水稳层的主要材料是水稳级配碎石，路面厚度在70cm 左右，沥青面层的厚度是15cm，水稳层的厚度是55cm。沥青面层共用到两种不同规格的改性材料，上层是AC-13，厚度是4cm，中层是AC-20，厚度是5cm，下层材料与中层相同，厚度则被增加到了6cm 左右。

2.2 确定参数

由于项目方对检测结果的准确性、精确性提出了极为严格的要求，鉴于此，相关人员决定使用GSSI 设计并生产的4105NR 天线。根据以往所积累的实践经验表明，该天线的测量速度、分辨率效果均十分理想，在分析桥梁板、测量路面具体厚度等方面有着极为突出的表现。此外，该天线还有以下优势：一是可达到车载式测量对分辨率的要求，二是既能够保证测量速度，又不会使天线受到严重磨损、损坏。在该项目中，相关人员还引入了GSSI 所开发的处理软件，通过处理软件对地面直达波、反射波进行快速分离，保证测量所得数据更加准确且具有使用价值[2]。

国内沥青混凝土路面厚度多在40mm 以上，相关人员将可分辨层最小厚度设为40mm，避免测量期间出现问题。从理论上来说，雷达波长与其垂直分辨率的比值为2∶1，即垂直分辨率为A/2，要想缩小实际数值和理论值的差距，关键是要对天线主频进行合理设置。在该项目中，雷达波穿过道路面层时，实时传播速率在9cm/ns 左右，要想将层厚分清，则需要保证天线主频在1.2GHz 以上[3]。这里要注意一点，在不考虑其他因素的情况下，一味地增大天线主频，极易出现适得其反的情况，这是因为可探测深度、天线主频的关系为负相关，要想使探测面层厚度最大程度接近预期，关键是要先确定误差范围，再在允许范围内酌情对天线主频进行降低。

作为电子产品，雷达在使用前应先通电，具体操作步骤如下：在检测工作开始前，充分预热雷达系统，按照规定设置增益、时间窗和采样间隔时长等参数，以免预热效果不理想导致雷达出现零漂移或是类似问题，给后续检测工作造成不利影响。

2.3 检测过程与结果

2.3.1 前期准备工作

该项目使用的雷达系统可被拆分成四部分，分别是承载车、控制单元、发射及接收天线。相关人员对测试设备提出了以下要求：一是测量结果和标定的误差在0.1%以内，二是测量天线采取空气耦合法，对应带宽与脉冲发射频率相符。

正式开始检测前，先要完成以下五项工作：其一，对项目施工配合比、图纸及其他相关资料进行收集，根据所掌握资料对标定路段进行确定。其二，根据要求完成标定距离的工作。其三，将天线安装在指定位置并对其加固，通过连接线对天线、主机进行连接，开启主机完成预热。其四，在天线的下方安装金属板，由测试人员开启相关控制软件，确保标定测试系统等工作能够按照预期计划推进。其五，以测试目的为依据，对控制软件各项参数进行设置，主要包括增益、时间窗还有采样间隔。

2.3.2 脉冲检测过程

在检测路面厚度时，由地质探测雷达发出电磁波，一般情况下，雷达发出电磁波均为高频电磁波，旨在保证电磁波能够顺利穿透路面，到达沥青层边缘、水稳层边缘时，电磁波将出现明显的反射。由天线负责接收反射波，分别将反射波传送到接收器和主机内，主机通常需要按照放大—滤波—叠加数字的顺序，对反射波进行处理；随后，通过显示器对处理所得数字进行显示，与此同时，根据处理后的数字，对彩色剖面图进行绘制、展示，确保工作人员能够及时且准确地了解雷达检测路面厚度值（该剖面图与地震反射时间图，形式基本相同）。

该次检测路段面层下方铺设了多种材料介质，不同材料对应介电常数值均有所不同，材料电导性也存在一定的差别[4]。只有准确把握电导性对电磁波传播速度产生的影响，才能保证检测结论具有实际意义。鉴于此，在开展检测工作时，相关人员选择利用以下公式，对电磁波实际传播速度进行计算：

式（1）中：v所描述的内容是穿过材料介质时，电磁波的实际传播速度，单位是mm/ns。C所描述的内容是空气中电磁波的实际传播速度，其取值与光速基本相同。εr所描述的内容是介电常数，需要根据材料介质类型，对其具体数值加以确定。相关人员以不同材料中电磁波实际双程走时长、材料介电常数为依据，推理出了对面层厚度进行计算的公式：

式（2）中：该公式新增了两个参数，分别是T和△t。其中，T指的是材料介质具体厚度，单位是mm。△t指的是由雷达发出电磁波到达材料介质后，在其内部的双程走时具体时长，单位是ns。

在确定路面铺设材料的介电常数时，相关人员可选择路面芯样，作为出发点。对路面厚度进行计算的步骤如下：首先，通过识别软件，对各层之间的分界线进行准确识别；其次，以分界线为依据，对各层内雷达波实际双层走时加以确定；最后，使用以上公式进行计算，得出具体的结果。检测工作形成报告应包括三方面内容：其一，检测对象各项信息，例如，路面所使用材料的种类和性质，再例如，起止桩号；其二，测试期间电磁波的实时传播速度，该路段面层的实际厚度；其三，测试对象的平均厚度，代表值。

2.4 注意事项

现阶段，短脉冲雷达检测技术主要被用来对改建公路、新建公路质量进行验收，与此同时，还可被用来对加铺路面厚度进行检测。在使用该技术对公路进行检测期间，有以下几点内容需要相关人员引起注意。

其一，测试工作往往需要分几个步骤展开：第一步，打开警示灯，对齐天线与起点，开启测试软件，确保承载车行驶速度能够匀速增加，直至其速度达到测试规定速度。第二步，由现场人员对路段内既有隧道、桥梁还有其他物体的位置、起终点进行标记。第三步，根据现场情况确定承载车行驶长度，待承载车完全停止后，通过采集软件对相关参数进行标记，保证测试雷达图像满足辨识难度小、界面清楚和不存在突变的要求，与此同时，对天线中心对应路面位置进行确定并标记。第四步，承载车顺利到达终点后，工作人员可终止正在运行的采集程序，对测试数据信息进行整理，形成相应的文件，并保证文件内容完整且真实，若发现文件内容存在遗漏，则需要再次展开测试工作。测试结束后将雷达系统总电源关闭。

其二，若施工方在原有路面上方铺筑了沥青，考虑到公路基层材料、新建面层材料的性质存在较大差异，各层分界线往往十分清晰，用雷达对路面厚度进行检测，既能够保证检测结果的准确性，又可使检测环节花费的时间得到压缩。

其三，若施工方以公路原有路面沥青料为参照物，采购或制作了性质相近、相同的材料，并用该材料对路面进行改建或升级，则需要施工方委派专业人员前往现场，对施工路段进行检测的基础上，确定原有面层、新建面层材料的实际介电常数，如果二者介电常数并不存在显著差异，则难以通过肉眼或借助简单工具对新旧面层边界加以确定；此时，仅凭借短脉冲雷达对路面厚度进行检测，其所取得结果的有效性、准确性将难以得到保证。

其四，由雷达发出电磁波的强度与所到达深度的关系为负相关，换句话说，电磁波强度会随着传播距离、深度的增加而衰减，电磁波所能探测到的最大深度，通常取决于路面材料的电磁性能、雷达系统相关参数。如果路面材料为含有大量铁元素的矿渣或存在饱水、过度潮湿等情况，则不应使用该技术进行测试。

其五，研究证实，雷达波极易被外界环境条件所影响。实践积累经验表明，即使对相同路段进行检测，阴雨天和晴天测得数据也存在明显的差异，二者的误差率甚至达到约20%。由此可见，若检测现场刚经历强降雨等天气，相关人员可先等待24h 左右的时间，确保路面各层和整体含水率趋于稳定后，再着手开展后续的检测工作。如果路面基层材料为含铁量偏高的矿渣，则不应使用该技术，因为矿渣会在一定程度上干扰雷达信号，导致检测结果不准确。

3 结语

综上，作为在国内公路施工领域得到广泛运用的检测方法之一，短脉冲雷达检测技术主要具有检测结果准确、精度理想和长期稳定运行等优点。若施工方决定对路面厚度使用该技术进行检测，则要保证雷达天线频率不低于1GHz，只有这样才能使测试的准确性达到行业要求，同时其垂直分辨率也能够得到保证。