路面内部病害探地雷达检测数据处理方法研究

张浩浩，陈 杨，孟乐乐

(江苏现代工程检测有限公司,江苏 南京 210000)

近年来,随着交通量的不断增大,在交通荷载、环境等因素的反复作用下,高速公路路面裂缝病害逐渐增多,使用年限较长的高速公路,其裂缝病害呈现加速发展的趋势。裂缝病害不仅会影响高速公路的路用性能和行车舒适度,而且随着路表积水沿裂缝下浸,半刚性基层会被侵蚀,使基层丧失承载力与稳定性,进而引发唧浆、脱空等次生病害;同时在车辆荷载和温度应力影响下,会使裂缝向四周扩散,缩短路面使用寿命。因此,高速公路路面裂缝病害的探测与防范治理工作已经刻不容缓。探地雷达作为一种无损的探测技术,具有较高的探测精度和分辨率,对道路裂缝的探测具有较好的效果,能够为裂缝处治方案提供必要的资料,防范裂缝引发更严重的次生病害,延长路面使用寿命。三维探地雷达相比于二维探地雷达,具有覆盖面积广,裂缝形态判断准确等优点,在道路裂缝精细化检测中三维探地雷达能够取得较好的效果。

1 探地雷达工作原理

探地雷达利用高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫)以宽频带短脉冲形式,由地面通过发射天线T送入地下,经地下地层或目标体反射后返回地面,为地面接收天线R所接收(见图1),通过对接收波场的成像分析,获取地下目标的探测图像[1-2]。探地雷达探测是一种有效的地球物理探测方法,在复杂地质检测、隧道衬砌检测及道路检测中均得到了广泛运用[3-6],然而探测过程中探测地质的复杂性和探测环境的各种干扰导致探地雷达的回波信号将不能直观地反映目标体的信号特征,从而影响最终的判断结果。

2 沥青路面干扰信号分析

探地雷达探测过程中由于探测目标、环境及深度的变化,信号组成差异也较明显,而针对沥青路面结构的探测,由于不存在复杂的地质构造、路面结构组成已知、探测环境相对稳定,因此在对沥青路面结构的回波信号进行解析时可以重点考虑以下几个方面的因素。

1)波形混叠。平面电磁波到达两种不同的均匀介质的分界面,就会产生反射与折射,即产生入射波、反射波和折射波,而介质分界面越多,电磁波分裂也就越多,波形叠加明显后,容易覆盖目标体信号,影响波形判断[7]。

2)噪声。噪声属于原发射信号中并不存在的无规则的干扰信号,且普遍存在,噪声的来源较为复杂,与周围环境场关系较大,探测环境的周围如果存在强电场时,雷达的回波信号中会产生大量噪声,将会大幅度降低反射波的信噪比[8]。

3)杂波。杂波属于信号发射接收过程中非目标体产生的干扰信号,杂波信号与探测目标体周边的介质有关,介质组成越复杂,杂波信号越容易覆盖目标体信号,如检测水泥板脱空时水泥混凝土中的钢筋信号就属于杂波、沥青混凝土中不同粒径石料产生的反射波也属于杂波。

沥青路面结构内部隐性病害具有体积小、与周围介电常数差异小、埋深浅、金属成分少等特点,使得目标体回波较弱,并且由于沥青路面结构内部隐性病害通常埋深较浅,因此目标回波与地表回波的双程走时差异较小,使得沥青路面结构内部隐性病害信号回波易被地表反射的强回波信号所淹没,从而很难辨识目标体[9]。因此抑制探地雷达杂波是探地雷达信号处理的首要任务。

探地雷达的干扰信号会影响探地雷达的探测性能,降低了雷达图像信号的信噪比,影响检测人员对地下目标体的辨识。通过上述的信号解析可以了解到,为了提高沥青路面结构内部回波信号的精度,应当最大程度地去除噪声、杂波、混叠波,保留目标体信号。

3 基于背景去除的混叠波处理

目前,我国沥青路面通常采用改性沥青,基层和路面通常使用无机结合料,各层材料的介电常数存在差异。混叠波主要是由于各层路面结构的分界面产生了多次反射、折射,直到电磁波能量完全损耗,从而引起反射波与折射波不断叠加造成的(见图2)。混叠波属于一种在整个回波信号中的背景信号,是一种常见的雷达回波信号,一般具有信号平稳、反射规律、层位固定的特点。

基于混叠波的形成原理可知,沥青路面各层界面的电磁波在不受到外界干扰的情况下均是按照固定的反射能量及衰减规律产生的,因此各界面多次反射波的叠加能量应当是一个固定值,通过抽取多道波形图计算其算术平均值,形成一个平均道,进行电磁波解析处理时作为标准消除其他波形图水平干扰信号,从而可以将大部分混叠波去除,即“背景去除”。从图3,图4背景去除前后对比可知,A-scan(单道扫描波形图)混叠波去除后,各层界面多次反射波被完全去除,凸显了雷达图像中的有用信号,波形处理效果良好,有效保留了真实信号。

4 基于带通滤波的噪声处理

噪声属于原发射信号中并不存在的无规则的干扰信号,在检测过程中,环境中的干扰源(手机信号、卫星塔台、电台天线等)的电磁波信号也会同时被采集,该信号具有随机性。通常情况下在使用固定频率天线时,随着电磁波传播深度的加深,电磁波能量逐渐衰减,所接收到的噪声也逐渐增多,回波信号的信噪比会随着深度的增加而明显降低。

在沥青路面检测范围内,从频谱上看噪声在远离中心频率的位置更加突出,且振幅较小,因此可以通过带通滤波处理方法人为设定有效回波信号的频率范围,可以大幅度减小回波信号的噪声,提高信号精度,频率范围的选取通常做法是天线频率的2/3～3/2,并在此基础上进行微调,得到最佳频率范围。

基于带通滤波的雷达图像及频谱噪声前后对比如图5所示。基于带通滤波的噪声处理后,能够把无用信号去除,高频及低频信号的毛刺明显减小,显著提高雷达信号的信噪比,使得雷达图像的信号更加贴近符合情况。

1)图5在进行带通滤波前,回波信号的频率从0 MHz～5 000 MHz均有分布,且在高频段位置存在较大振幅的回波信号,从而降低了灰度图的分辨率,影响沥青路面结构内部的病害判断。2)图5数据采集采用了1 000 MHz频率天线,进行带通滤波时,参考频率范围为667 MHz～1 500 MHz,在此范围上适当扩大,确保保留更多的目标体信号,最终带通滤波下限频率为430 MHz、上限为1 840 MHz。3)通过带通滤波后,低频及高频噪声被完全去除,频率谱中心频率振幅也得到改善,灰度图的图像分辨率明显提高,且较好地保留了目标体回波信号。

5 基于谱分析的杂波处理

雷达信号处理过程中,杂波信号是几种无用信号中最难过滤的信号,这主要是由于杂波信号也是由于界面变化形成的反射波,在道路检测中杂波信号的主要来源是混合料中集料与沥青界面、沥青与空隙界面、杂质与路面材料界面等,界面的范围越大、介电常数差异越大杂波的影响也越明显,图像分析时越容易出现误差。

不同材料由于介电常数的差异,电磁波信号的振幅、频率均具有自身的独有特点,因此在进行电磁波滤波处理时,采用傅里叶变换对不同介质的频率谱进行解析(如图6所示),然后针对杂波的特有频率谱进行滤波[10]。

通过频率谱分析后,其频率谱曲线更加平滑,降低了噪声的方差,突出了该信号的主频参数,提高了雷达波图像信息的信噪比。信号的频率谱谱值更能够反映路面结构内部状况,将回波信号中的杂波频率谱进行了滤波,路面结构内部界面层有效信号频率谱得到最大限度的表现,可以更好地反映信号的细微变化,使得弱信号的谱值得到体现。因此图7中灰度图的路面结构内部层间缺陷十分清晰,能够显著提高隐性病害判断的准确性。

6 结论

本文分析了沥青路面在进行探地雷达检测时常见的几种干扰信号,主要包括混叠波、噪声及杂波,并对比数据处理前后的A-scan、频率谱及灰度图,验证了背景去除、带通滤波及谱分析方法能够有效提高信号的信噪比,增强沥青路面结构内部隐性病害的识别度,为推动探地雷达在沥青路面隐性病害检测方面广泛应用提供宝贵经验。