探地雷达在机场道面混凝土质量检测中的应用研究

　　[摘要]本文主要从探地雷达在机场场道工程领域的应用的角度出发，对探地雷达应用前景和探地雷达数据处理的方法和步骤进行了探讨。并结合实例对探地雷达在机场道面混凝土质量检测应用进行了分析和研究。
　　[关键词]探地雷达，机场道面，混凝土，质量检测，数据处理
　　
　　1前言
　　随着国民经济的发展，我国的机场工程建设更是蓬勃发展。机场场道质量控制和评价将面临日益繁重的任务，原有的钻芯取样或开挖抽样的厚度及质量检查方法不仅效率低，代表性差，精度不高，而且对已建成的场道有损坏，已经满足不了发展的需要，为此极需发展快速、简便、高精度、高效率的公路无损检测技术。近二十年来发展起来的探地雷达就是这样一种无损检测设备。
　　探地雷达（Groundpeteringradar，简称GPR）在机场场道质量检测中的应用主要包括路面测厚、路面与路基缺陷检测、路面与路基裂缝调查等方面。因探地雷达具有无损、快速、连续、高精度、高分辨、实时成像探测等特点，可以成功地探测道路结构层病害，有利于机场场道的维护与保养，为机场施工单位和机场维护部门提供了一种高效先进的无损检测手段。路用探地雷达由于其独特的优越性，其应用可以贯穿于机场场道施工和后期检测维修的全过程。
　　国外，探地雷达技术在公路勘测和检测上应用始于20世纪80年代后期，已有近20年的历史了，欧、美最早应用。芬兰和美国的得克萨斯州曾做了大量的研究工作。在芬兰，GPR主要用于探测道面结构层的厚度；在北美，探地雷达主要与FWD结合进行路面结构层材料特性的反演。近几年，人们开始致力于研究用探地雷达探测路表下的病害和缺陷，诸如面层中沥青的剥落、硅板下的脱空和机场场道路面结构中的排水沟的定位等。目前，探地雷达在场道质量检测中应用最为成功的还是厚度检测。雷达技术在道路厚度探测中的试验研究开始于90年代。1992年～1994年美国联邦公路局(FHWA)组织实施了一项攻关课题研究,名为“战略公路研究计划—SHRP”，他们对探地雷达在道路工程中的应用进行了深入的研究,在分层探测、路下空洞、道路厚度、覆盖层脱粘、桥面风化等方面获得了成功,由此诞生了高速公路探地雷达，并委托GSSI公司开发生产SIR-10H型高速公路地下界面探测雷达。1994年W•M•KimRoddis等人对美国Kansas州的11种不同种类的道路用探地雷达进行了分层探测工作,为道路质量评价和道路维护提供了建议，所测结果与Kansas交通局对73个点钻孔取样的结果相比，偏差仅为±(5%-10%)。1996年，J.Hugenschmidt用GSSISIRSYSTEM-10A型探地雷达仪及2.5GHz、900MHz天线在瑞士的Gotthard高速公路上进行了探测工作,为道路的维护提供了比较有价值的资料信息。
　　探地雷达在我国开始应用于道路质量检测的时间大约在90年代。地震局、铁道设计部门、黄河水利委员会以及中国地质大学(武汉)等单位相继引进日本、美国和加拿大等国的设备，并相继开展了一些研究。北京爱迪尔国际探测技术有限公司成功地研制出了CBS-9000道路专用探地雷达。1996年，中国地质勘察技术院的牛一雄等人用探地雷达对西安—宝鸡高速公路进行过质量检测。但由于国内整体起步较晚，研究工作多还处于初步阶段，技术还不成熟和完善，许多应用问题尚需要进行系统地研究。
　　2雷达法探测原理
　　工程中应用的雷达通常称作探地雷达，其早期主要用于地质勘察中。其主要原理是用天线发射高频电磁波，传感器接受目标介质界面的反射波。电磁波在介质中的传播时，其路径、电磁场分布与波形随所穿透介质的电性质及几何形状而改变。因此根据接收到波的双程走时、波幅与波形资料的分析，可以推断介质的结构。目前国内投入土木工程领域的雷达主要为时域脉冲探地雷达，如加拿大探头与软件公司(SSI)的PulseEKKO系列、美国地球物理公司(GSSI)的SIR系列、瑞典地质公司(SGAB)的RAMAC系列、意大利博泰克公司(IDS)的意锐RIS系列。
　　
　　图1意锐RIS-2K雷达系统体系结构
　　以意锐2K系列为例来说明探地雷达的系统体系结构主要部分，其主要包括雷达采集单元和雷达传感器(天线)，采集单元主要包括天线控制单元和数据记录仪单元，如图1。
　　其工作原理见图2。
　　
　　图2探地雷达工作原理图
　　3探地雷达信号数字处理技术
　　由于所探测介质相当于一个复杂的滤波器，它对电磁波不同程度地吸收和反射，以及其本身的不均匀性等，使得雷达脉冲回到接收天线时，波幅减小，波形也变得与原始发射波形有较大的变化。另外，不同程度的各种干扰和随机噪声，也歪曲了实测数据。因此，必须对原始数据实施适当的处理，以改善数据资料，为最终的地质解释提供清晰可辨的雷达探测图像。其数据处理过程主要见图3。
　　
　　图3常规数据处理过程
　　(1)数据编辑
　　鉴于原始数据中难免会有误操作、遗漏或多余数据等情况，编辑处理就是针对这些问题，对数据进行重新组织和修改(合并文件，数据文件或背景资料的更改，数据道的极性转换，改变道的位置参数，删除数据中某些坏道或插入一些空道等等。如果测线剖面上信号幅度值变化较大，还应进行信号幅值的归一处理。
　　(2)常规滤波
　　常规滤波是指GPR数据的去甚低频失真滤波和时、空间域的中值滤波处理等。在探地雷达测量中，为了保持更多的反射波特征，通常利用宽频带进行记录，于是在记录各种有效波的同时，也记录了各种干扰波。数字滤波技术就是利用频谱特征的不同来压制干扰波，以突出有效波。滤波主要有频率域滤波和时间域滤波二种方式。常用的时间域滤波其具体计算步骤为①对雷达记录进行频谱分析，确定通频带中心频率与带宽。②确定滤波因子长度，一般其值由实验工作来确定。③由滤波器的频率响应写出的离散形式。对低通滤波器，则有离散形式，取。则褶积的离散计算公式为用此对雷达记录进行计算，可得滤波后的输出。其中；为滤波后的雷达信号；为采样时间间隔；为输入雷达信号的样点序号；为滤波因子的采样间隔；为样点序号；为滤波因子的的采样总点数。
　　(3)时间增益
　　时间增益选择是数据处理的重要内容之一。时间增益的选择主要是根据经验和主观要求，并与显示方式有很大的关系。时间增益的适当与否，直接影响到GPR剖面图像的质量和数字处理结果。一般的选择方法是先检查数据的幅值与时间衰减曲线，检查时可以逐道进行，也可以根据整条剖面的平均幅值曲线来确定适当的时间增益。GPR数据时间增益方式有AGC、SEC、常数、用户定义等几种，可根据需要选择当你想了解地下的水平连续性，而不考虑信号幅值的保真度时，可采用AGC这样一种自动补偿的增益方式。在此方式下，将对一个时窗内的信号幅值求平均值，然后根据拟输出值相对平均值的比率对窗内各点的数据进行放大(或衰减)。另一种常用的时间增益方式为SEC(球面波指数补偿)。它是根据电磁波在地下传播的衰减特性来进行信号幅值补偿，在使用时，用户需根据地下介质情况，选择适当的衰减系数和增益最大值。
　　(4)图形处理
　　图形处理是为了向用户提供一个比较直观和简明的处理结果。在完成上述处理后，结合所探测目标的情况进行图形处理工作。这个阶段的处理通常是依照操作者的意愿进行，主观性很强。图形处理的方法视具体情况而定，通常有手控增益放大、幅值分析和同相轴拾取等。拾取同相轴与同步衰减显示相配合，能简化数据剖面，突出某些重要特征。当然，这里所说的重要特征依赖于数据的处理过程和对地质情况的了解，以及处理目标体的物性差异。
　　(5)显示和解释
　　GPR数据图像的解释是一个“系统工程”。它包括高频技术、工程及人文等多方面的知识和经验。目前，应用最广的人工判读解释只是对异常的识别作些对照已知条件的注释，但即便是这项工作，仍有不少问题有待深入研究。因此，在对GPR图像解释评价时，除应掌握各种模型的正反演特征外，还应结合具体的地质、环境情况进行异常解释。可以肯定，与其他领域的专家系统、人工智能的研究一样；GPR图像异常的解释成功率，将随着“系统工程”的研究深入和完善而大有提高。
　　4雷达探测技术在机场混凝土道面质量检测中的应用研究
　　4.1雷达探测技术在厚度检测中的应用
　　结构层厚度对于控制场道混凝土质量起着重要的作用。场道面层厚度检测是场道无损检测的主要内容之一，一般机场场道面层厚度在40cm左右，这就要求探地雷达有较高的垂直分辨率，一般雷达的分辨率是子波波长的1/4，要求天线有较高的反射频率,一般机场场道混凝土质量检测中探地雷达频率为500MHZ-1GHZ。场道基层厚度探测原理同面层检测是相同的，但由于基层与底基层的深度较面层大，一般通过降低天线频率来提高探测深度。
　　简单而言，场道面层测厚基本原理是根据电磁脉冲在路面与路基接口的反射时间和传播速度求得面层厚度，因此厚度的检测的关键是回波时间的取定和电磁波的传播速度。传播时间t和电磁波传播速度v确定后，厚度值h就可得到：
　　
　　其中电磁波在介质中的传播速度，为介质的介电常数，其中c为光速。图4为典型的正演模拟得到的雷达回波剖面。
　　
　　图4雷达回波模拟剖面图
　　4.2缺陷探测
　　机场场道混凝土质量缺陷主要包括脱空、及内部异物等缺陷，AASHO试验路观测结果证明：在水泥混凝土路面缝边、板角处，由于唧泥所引起的水泥混凝土板下脱空情况大量存在。混凝土路面的缝边板角处，由于基础的脱空，荷载作用下的混凝土板近似于悬臂梁工作，将产生过量的弯沉和拉应力，在重复荷载作用下，最终导致混凝土板的断裂、破碎[5]。
　　GPR对脱空的识别主要利用空洞对反射信号的影响，只要确定空洞上下表面反射波相差时间就可以确定空洞深度和范围。
　　4.3实例分析
　　图5为用意锐RIS-2K对机场场道进行厚度检测的一典型剖面图，天线频率为600MHZ，通过对检测剖面的分析做出了场道道面结构厚度和混凝土浇筑质量的认定，并在现场与钻芯取样结果进行对比，证明了雷达探测法的准确性。图6为有孔洞的回波信号剖面图。
　　
　　图5道面回波                                                                 图6孔洞反射波
　　4结论和建议
　　（1）数据处理要根据所探测目标的实际情况选择合适的步骤和方法。在进行探测前要先对所要探测目标的工程情况做到一定的了解。
　　（2）雷达波检测具有直观、快速、高效、经济、简便的优点。
　　（3）探地雷达装备轻、使用方便，对周围环境影响小，可及时地对施工质量进行监控，为工程隐患的排除提供准确信息。
　　（4）探地雷达方法作为混凝土结构的无损检测手段，能对机场场道混凝土的缺陷情况作出可靠、准确的评价。
　　（5）雷达检测法连续检测性强，检测速度快，对大面积和隐蔽工程检测更能显示出其优势。探测结果具有直观、说服力强的特点。
　　参考文献
　　[1] 李大心.探地雷达方法与应用.北京:地质出版社,1994.
　　[2] 吴新璇.混凝土无损检测技术手册.北京:人民交通出版社,2003,1.
　　[3] 王群,何云龙,王春和等.基于神经网络的探地雷达探雷研究.电波科学学报,2001，16(3):399—403.
　　[4] 曹振峰,杨世福,宋世荣,周剑.探地雷达数据处理方法及应用.地质与勘探,1996，32(1):34—42.
　　[5] 张亮,金宴等.水泥混凝土路面结构状况评价.城市道桥与防洪,1998,(1):10-13
　　[6] 曾昭发,刘四新,王者江,薛建.探地雷达方法原理及应用.北京:科学技术出版社,2006,1-97