三维步进频率探地雷达在沥青层厚度检测中的应用

doi:10.11720/wtyht.2019.0005

三维步进频率探地雷达在沥青层厚度检测中的应用

许泽善¹, 周江涛², 刘四新³, 曾贤德⁴

1. 四川省建业检验检测股份有限公司,四川成都 610213

2. 兰州市市政工程服务中心,甘肃兰州 730000

3. 吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春 130026

4. 中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司,新疆乌鲁木齐 830001

The realization of applying 3D frequency stepped ground penetrating to the detection of asphalt layer thickness

XU Ze-Shan¹, ZHOU Jiang-Tao², LIU Si-Xin³, ZENG Xian-De⁴

1. Sichuan Jianye Project Quality Survey Co., Ltd., Chengdu 610213, China

2. Lanzhou Municipal Engineering Service Center, Lanzhou 730000, China

3. College of Earth Exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China

4. Xinjiang Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Energy Engineering Group, Urumqi 830001, China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2019-01-3 修回日期: 2019-04-24 网络出版日期: 2019-10-20

Received: 2019-01-3 Revised: 2019-04-24 Online: 2019-10-20

作者简介 About authors

许泽善(1991-),男,现在四川省建业检验检测股份有限公司从事探地雷达在道路、隧道的检测工作。。

摘要

目前应用于道路沥青层厚度检测的探地雷达主要为1GHz以上的高频单通道天线,检测覆盖范围小,存在以线代面的问题。为了在兰州市市政道路工程竣工验收中实现沥青层厚度全覆盖无损检测,采用三维步进频率空耦探地雷达结合钻芯量厚验证其在沥青层厚度检测中的可靠性。文中通过分析步进频率探地雷达系统的工作原理和深度分辨率,并根据三维步进频率探地雷达的实验结果和验收实例,说明其适用于道路沥青层厚度检测,并具有直观、高效、分辨率高等特点。

关键词： 无损检测 ; 沥青层厚度 ; 钻芯取样 ; 三维步进频率空耦探地雷达

Abstract

Because of its non-destructive and high-resolution characteristics, ground penetrating radar technology has been widely used in road nondestructive testing in recent years. The ground penetrating radar currently used for road asphalt layer thickness detection is mainly a high frequency single channel antenna above 1 GHz; compared with the traditional core sampling, it has the advantages of non-destruction and high efficiency, but its detection coverage is small, and there is a problem of line generation. In order to realize the full coverage non-destructive testing of asphalt layer thickness in the completion acceptance of Lanzhou municipal road project, the authors used three-dimensional stepped frequency space-coupled ground penetrating radar combined with the core thickness to verify its reliability in asphalt layer thickness detection. The authors analyzed the working principle and depth resolution of the stepped-frequency ground penetrating radar system and, based on the experimental results and acceptance examples of the three-dimensional stepped-frequency ground penetrating radar, consider that it is suitable for road asphalt layer thickness detection, and has the characteristics of intuitiveness, high efficiency and high resolution.

Keywords： nondestructive testing ; asphalt layer thickness inspection ; core sampling ; three-dimensional frequency stepped air-coupled ground penetrating radar

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本文引用格式

许泽善, 周江涛, 刘四新, 曾贤德. 三维步进频率探地雷达在沥青层厚度检测中的应用. 物探与化探[J], 2019, 43(5): 1145-1150 doi:10.11720/wtyht.2019.0005

XU Ze-Shan, ZHOU Jiang-Tao, LIU Si-Xin, ZENG Xian-De. The realization of applying 3D frequency stepped ground penetrating to the detection of asphalt layer thickness. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(5): 1145-1150 doi:10.11720/wtyht.2019.0005

0 引言

多年来,路面结构层厚度检测一直采用钻孔取芯法,这种方法虽然直观可靠,但检测速度慢、成本高、破损路面、测点少、随机性高而且缺乏代表性^[1,2]。探地雷达(GPR)是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术^[3,4],具有快速、连续、高精度、高分辨率、无损检测的特点^[5,6]。目前应用于沥青层厚度检测的雷达主要是二维探地雷达,采用大于1 GHz的单通道超高频脉冲天线,虽然可以实现无损检测,且提高了检测效率,但仍然缺乏代表性,存在以线代面的缺点。而随着三维探地雷达的快速发展,目前正在逐步将其应用于面层检测中,可以做到检测路段全覆盖,提高探测效率和解释准确性^[7]。

1 基本原理

探地雷达是通过发射超高频脉冲电磁波,并根据接收到的反射电磁波的振幅、相位和频率等特征来分析和推断地下介质结构、地层岩性特征的浅层地球物理探测技术^[8],介电常数差异是探地雷达工作的先决条件^[9]。GPR系统按其工作形式分为冲激脉冲制和连续波(CW)体制,冲激脉冲体制雷达是时域系统,CW体制雷达是频域系统^[10,11],目前市场上大多数雷达都属于冲激脉冲体制,步进频率雷达则属于CW体制。

在物理机制上,频率域的步进频率雷达和时间域脉冲雷达是相同的,只是信号的表现形式不同。步进频率雷达是在一定时间内将所要求的频带分成若干窄频段,并以这些窄频段形式进行发射和接收^[12]。如图1所示,发射信号的频率“扫过”一段固定的频率区间,获取的反射波能量是频域率的函数,表示地下目标体散射能量随频率的变化情况,再对接收到的回波信号与发射信号进行混频或外差处理,并在扫频期间进行数字采样,最后将在整个扫频期间采集的数据转化到时域中,当N步步进完成后,采用傅里叶逆变换将频域数据转换为时域数据,形成合成脉冲^[13]。

图1

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图1 步进频率脉冲

Fig.1 Frequency step pulse

2 步进频率探地雷达的垂向分辨率

探地雷达的分辨率指将两个靠得很近的异常体分开的能力,通俗地讲,就是能在水平和垂直方向上清楚识别的最小目标^[14],它包括垂直分辨率和水平分辨率。由于在结构层厚度检测应用中只考虑垂直分辨率,所以文中只对垂直分辨率进行讨论。

垂直分辨率表征将两个垂直方向上的反射信号区分开的能力。在沥青层检测应用中,沥青层有上下两个面,上面层为与空气的分界面,下面层为与基层的分界面,且其与空气和基层都有明显的电性差异,则在顶、底都会形成反射脉冲波,当两个脉冲未重合或未完全重合时就能区分开,将这段能区分开的最小距离称为垂直分辨率^[15]。

步进频率波形可以被描述成N个频率递增的相参脉冲的叠加,在一个扫描周期内,雷达发射的信号频率从起始频率f_min以频率步长Δf逐步上升到f_max^[16],其工作带宽B和频率步长Δf定义为:

(1)

B = f_{\max} - f_{\min} = N \cdot Δ f 。

波形的瞬时带宽近似等于脉冲宽度的倒数,波形的有效带宽B取决于脉冲个数N和频率步长Δf。由探地雷达探测原理可知,步进频率信号的最大不模糊距离R=ν/2Δf ,距离分辨率ΔR=R/N,则可知:

(2)

Δ R = \frac{R}{N} = \frac{ν}{2 N \cdot Δ f} = \frac{ν}{2 B},

式中,ν是电磁波在介质中的传播速度。而脉冲雷达一般取1/4波长(λ)作为垂直分辨率(Δd)的极限值:

(3)

Δ d = \frac{λ}{4} = \frac{ν}{4 f} 。

从式(2)、式(3)可知,Δd与电磁波在介质中的波速成反比,还与天线的中心频率成正比,步进频率雷达可通过增加频率个数N或者增大频率步长Δf来获得更高的垂直分辨率^[17],而脉冲雷达只能通过提高中心频率来提高垂直分辨率;在相同浅层深度、获得相同分辨率的情况下,步进频率雷达有更大的探测深度。因此,和传统的脉冲雷达相比,步进频率雷达具有更高的分辨率和探测深度,尤其是具有超高的浅层分辨率,在实际探测中甚至可以分辨路面凸起的路标,如图2所示。

图2

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图2 路面凸起的路标(上图为垂直剖面图,下图为水平切片图)

Fig.2 Road sign with raised road surface(The figure above is a vertical section and the figure below is a horizontal section)

3 可靠性试验

道路是人工填筑的构筑物,具有明显的分层结构特性,道路结构从上到下依次为面层、基层、路基,各层介质的介电常数差异性很大,面层厚度一般为8~30 cm,基层厚度一般为20~40 cm,路基厚度变化范围较大^[18]。由于目前没有探地雷达在沥青层厚度检测方面的规范,所以暂时根据实验结果检验探地雷达在沥青层厚度检测的准确度,由实验结果看出,该步进频率雷达能够精确检测出沥青层厚度。

检测采用的探地雷达3D-radar为三维步进频率雷达,如图3所示,天线有效幅宽1.5 m,一幅数据共有21道数据,频率范围300~3 000 MHz,采用空气耦合采集模式,天线离地面约30 cm,车辆最高时速可达80 km/h,可以应付高速度、大规模的公路结构检测任务^[7]。

图3

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图3 3D-radar现场检测

Fig.1 3D-radar on-site inspection

3.1 实验方法

本次实验地为兰州市某些市政道路,实验主要步骤为数据采集、钻芯测量、数据处理、结果对比。在同一条路采集数据时随机选取两个不同位置的点作为钻芯点,根据其中一个芯样厚度标定该沥青层相对介电常数,另一个芯样厚度值与雷达检测厚度值做对比,两个芯样厚度值可互换角色,反复对比。

3.2 实验结果分析

此次试验采用空气耦合天线,天线离路面有30 cm,能够清晰测出路面反射波并可看出路面平整情况,而地面耦合天线是把直达波和地面反射波的复合波看做路面,导致测出的厚度存在较大偏差。当电磁波从空气进入沥青层,再从沥青层进入基层时,由于基层相对介电常数明显大于沥青层相对介电常数,沥青层的相对介电常数明显大于空气的相对介电常数,所以在沥青层顶面的反射波相位和沥青层底面的反射波相位相同^[19],在相位追踪时应该追踪相同的相位,如图4所示,检测结果见表1。

图4

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图4 沥青层上下界面反射

Fig.4 Asphalt layer upper and lower interface reflection

表1 雷达检测厚度值与芯样厚度值对比

Table 1 Radar detection thickness value and core sample thickness value comparison

道路名	芯样厚度 /mm	雷达检测厚度 /mm	绝对偏差 /mm	相对误差 /%
1#路	184	183	1	0.54
2#路	177	174	3	1.69
3#路	80	81	-1	1.25
4#巷	135	137	-2	1.48
5#路	96	95	1	1.04
6#路	55	57	-2	3.63
7#路	166	168	-2	1.20
8#路	90	91	-1	1.11

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4 实例分析

2018年4月,对兰州市某旧路路面翻新沥青层厚度进行检测验收。该路为城市主干道,全长900 m,双向六车道,2018年4月对路面沥青层进行拆除翻新,设计厚度12 cm。本次检测对该路进行全覆盖检测,每个车道采集一幅数据,每幅数据长900 m,共6幅数据。采样间隔15 cm,采样时窗25 ns,设计车速60 km/h,实际车速30 km/h,各幅数据均为连续采集,采用内置GPS系统定位,测距轮触发采集模式。

对采集数据进行处理之后,进行层位追踪,分别找出沥青层的上面层和下面层。如图5所示,红色线为地面,即沥青层顶面,蓝色线为沥青层底面。进行层位数据导出,因为一幅数据全长900 m,为保证层厚既具有代表性又使数据量尽可能小,每隔30 m导出一组(21道)数据,共30组厚度数据,即每一车道共导出630(21×30)个厚度值,再对每一组(21道)厚度求平均值,即只有 30个厚度值,再求平均值,即每一车道的厚度平均值,依次算出各车道的厚度平均值,最后算出总平均值,如表2所示。为了更为直观地描述每个车道的层厚度,将导出的层厚度值导入Excel进行三维成图,如图6所示,可以直观反映层厚度的均匀性和欠厚大概位置。

图5

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图5 某幅数据沥青层上下界面

Fig.5 A top and bottom interface of a data asphalt layer

表2 XX路沥青层厚度雷达检测结果

Table 2 XX road asphalt layer thickness radar test results

车道	平均厚度 /m	平均厚度 /m	总平均厚度/m
南向北1	0.119	0.124	0.123
南向北2	0.132
南向北3	0.121
北向南1	0.122	0.122
北向南2	0.119
北向南3	0.126

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图6

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图6 南向北1车道沥青层厚度

Fig.6 Thickness map of asphalt layer in the first lane from south to north

表2中南向北1和北向南2车道存在平均厚度不足的问题,经雷达图谱回放及现场勘查,由于这两个车道存在大量井盖导致雷达检测厚度偏小。根据检测结果及现场实况,该路沥青层厚度符合设计要求。

根据步进频率探地雷达3D-radar的可靠性实验和实例分析,证明三维步进频率探地雷达可以有效地实现对道路沥青层厚度的检测,且具有以下特点:①具有超高的浅层分辨率;②检测效率高、范围大,基本可以实现测区全覆盖;③厚度取值点随机,且取值范围大,具有代表性;④结果直观,对欠厚区可追踪位置查明原因。

5 结论

由于三维步进频率探地雷达技术复杂,成本高,目前在沥青层厚度检测方面的应用较少,但其相对二维高频固定中心频率探地雷达具有探测深度大、图像更直观、覆盖范围全、检测效率高的特点,更适用于道路无损检测。随着科技的发展,三维步进频率探地雷达在沥青层厚度、道路缺陷检测等方面的应用将会越来越广泛。

致谢:感谢北京市勘察设计研究院有限公司肖敏、深圳市水务规划设计院有限公司蔡俊雄对本文的指导;感谢欧美大地仪器设备中国有限公司总工程师张袁备的技术支持。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

邓春为, 徐宏武, 邵雁 .

探地雷达在公路路面厚度检测中的应用

[J]. 重庆交通学院学报, 2005,24(5):39-41.