雷达科学与技术
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浅谈探地雷达检测技术

  【摘 要】在实际工作中,探地雷达作为新型的无损检测设备,具有携带方便、非破坏性、检测快速、精度高等特点,受到广大技术人员越来越多的关注,并且已经在路面厚度检测和隧道衬砌厚度检测中得到推广和应用。本文详细介绍了探地雷达检测路面结构层厚度和检测隧道二衬厚度的工作原理,并说明了在检测过程中应该注意的事项,最后进一步指出了使用探地雷达检测技术的优缺点。


  【关键词】探地雷达;检测技术;路面;隧道


  一、引言


  探地雷达方法是通过发射天线向地下发射高频电磁波,通过接收天线接收反射回地面的电磁波,电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射,根据接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。


  探地雷达是一种广谱电磁技术,用于确定地下介质的分布情况。近年来,由于探地雷达具有高采样率、无损检测等优点,它逐渐取代了原有的钻孔取芯法而在各种工程中得到了极为广泛的应用。在进行检测的过程中,这种方法只要配合少量的钻孔就能够了解公路的结构及地层的各种变化情况,非常有效地克服了现行钻孔法的不足。并且可以准确地提供关于基层和面层厚度变化的一些真实情况,为实际施工提供了极具参考价值的可靠参数。


  二、探地雷达检测厚度的工作原理


  1、探地雷达检测路面结构层厚度的工作原理


  在道路的质量控制工作中,最重要的一部分就是进行路面结构层厚度的检测。传统上所使用的钻心取样法已经远远不能满足精确检测的要求,因此通过对探地雷达测厚的工作原理进行理论分析,可以看出探地雷达技术在公路工程质量检测中所具有独特的优势。


  利用探地雷达检测公路面层厚度是一种反射波探测法。在特定的介质中,电磁波的传播速度v是保持不变的,因此根据探地雷达所记录的地面反射波与地下反射波的时间差△t,即可依据公式h=v△t/2,计算出界面的厚度值h的大小,对于路面结构层厚度的检测而言,h即为面层的厚度,v表示电磁波在地下介质(面层)中传播时的速度。雷达所使用的电磁波都是高频的,而公路面层所用的材料都属于低损耗介质,因此速度v的大小可由以下公式算出。v=c/该式中,c表示电磁波在大气中传播的速度,约为300 000km/s,的大小取决于构成面层的所有物质的介电常数,它表示的是面层的相对有效介电常数。反射信号的振幅与反射系统成正比,在以位移电流为主的低损耗介质中,反射系数的强度也可以由特定的公式计算出来。上、下介质的电性差决定了反射信号的强度,电性差越大,反射信号就会越强。对于沥青混凝土面层来说,基层与面层之间存在着非常明显的电性差,因此可以预期面层的底部会有强反射的出现。


  2、探地雷达检测隧道二衬厚度的工作原理


  用探地雷达来进行隧道二衬厚度的检测时,所采用的方式是反射测量,它的工作原理是天线发射器将高频电磁波以宽频带短脉冲的形式,发射到介质内部,然后经过存在电性差异的介质层,雷达天线接收器接收一部分被反射折向地面的电磁能量,而另一部分能量被折射进入到下一层介质后继续传播。通过测得的反射波旅行时间及电磁波在介质中的传播速度,就可以计算出反射面距离表面的距离。与此同时,根据接收到的反射波的波形、振幅和频谱的变化,就能够判定出介质的性质和属性。


  当发射天线和接收天线相距很近时,目标的深度h可近似为 h=vr/2


  因此探地雷达在对测试资料进行详细的分析和处理基础上,能够较好地对隧道衬砌厚度做出精确的检测。但是在检测过程中,由于探测精度与所取的波速有很大的关系,所以需要在检测现场测取足够量的点数的雷达波来测取波速。而通常情况下,雷达波在混凝土中具有一定的离散性,这种离散性有时可达5%一10%,因此在注意波速测取的情况下,可以将衬砌厚度的误差限制在2cm-4cm的范围内。由于方法本身还存在着一定的问题,需要进一步的进行完善。


  三、探地雷达检测厚度应该注意的事项


  探地雷达所面对的对象是十分复杂的,存在着很多未知而且难以确定的因素。因此,进行精确的操作,合理的使用以及系统而综合的分析,才能够有效减少误差,在检测过程中达到规定所要求的精确度。影响探测雷达测厚精确性的主要参量有回波、地面零点和路面的介电常数等。所以在进行探测雷达检测的过程中国,应该注意正确的确定这些参量,进而有效提高探测厚度的精确性。


  第一,确定底界面的回波。目前情况下,解决问题的核心是提取界面同波信号,这是因为在现在技术条件下还不能给从原始的波形中直接而且精确区分出路基界面与路面的反射回波。而由于大部分的波和干扰波相对来说都是固定不变的,因此我们可以相关分析的方法来抑制杂波或者干扰波。具体而言,要的到一个比较准确的底界面回波信号,可以利用—个不含界面反射信号的回波信号与含有界面反射信号的回波信号来进行相关分析。这就要求在实际的操作过程中,要以路面结构中的最厚点为参考点。进行参考点的选择时,可以从探测图像上寻找并进行对比分析,也可以通过分析探测的波形来确定,或者将已有钻探的最大厚度的探测点来作为参考点。


  第二,确定地面零点。要确定电磁波在面层中的实际传播的时间,除了知道回波时间外,还必须对地表面的位置进行正确的判定。地面零点的判断正确与否,对于厚度值的读数会产生直接的影响。


  第三,标定路面的介电常数。保证路面厚度值探测精度的关键参数是路面介电常数,一般情况下,介质的介电常数会受到很多因索的影响,例如路面材料、施工工艺、密实程度、冶冰量等,同时不同探测点的介电常数也会出现差别。所以必须进行标定,并采用钻孔取样,进而来保证检测结果的有效性和可信度。


  四,探地雷达检测技术的优缺点


  探地雷达检测具有如下技术特点:(1)对混凝土的穿透能力很强,可对较大深度进行测量;(2)能够实现非接触探测,并且探测速度快;(3)以增大频率宽度和减小波长,进而实现高分辨率的探测;(4)微波有极化特性,可确定缺陷的形状和取向。由此可以看出,雷达检测技术具有无损、快速、简易、精度高等优点,在今后的公路工程施工中,探地雷达检测技术会成为一项重要的地球物理探测技术,并能够为依法规范道路建筑行为提供了强有力的科学技术保障。但是,探地雷达检测技术在使用过程中,必须要与勘探工作合理地配合起来才能充分发挥作用。因为地下物理参数的差异以及周围环境都会影响探地雷达检测技术的效果,所以不能将探地雷达作为全方位的工程检测工具,而忽略了与勘探工作的配合。因此,推广探地雷达技术要针对具体问题,配合使用其它勘探方法,才能发挥出该技术的最大潜力。


  五、结语


  目前,探地雷达方法在检测路面结构层厚度和检测隧道二衬厚度方面已经取得了一定的进展,相信随着工作的逐步开展和研究的进一步深入,探地雷达方法必将在该领域内发挥越来越重要的作用。


  参考文献


  [1]徐升才,刘峰。探地雷达在城市道路厚度检测中的研究与应用[J].华东交通大学学报,2000(4)


  [2]关长禄。公路工程路面结构厚度评定标准及方法研讨[J].中外公路,2010(2)


  [3]周黎明,王法刚。地质雷达法检测隧道衬砌混凝土质量[J].岩土工程界,2003,6(3):76


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