LTD探地雷达在高等级公路建设中的应用分析
| 摘 要： 随国内经济的飞速发展，国家基础建设投资规模不断增大，公路工程质量控制得到空前重视。基于探地雷达高精度、连续的无损检测方式，其在公路面基层厚度和路面下存在缺陷检测中的应用日益得到重视。本文首先对国产LTD探地雷达的基本原理给予简单介绍，接着重点对其在公路建设前期的地质勘察、施工质量检测和后期维护中的应用实例加以分析，最后就探地雷达技术在公路建设中的应用前景作一展望。 关键词： 探地雷达 无损检测 地质勘察 面基层厚度计算 缺陷探测 前景展望 引言 随着经济的飞速发展，各项基础设施建设也呈现出良好的发展势头。交通作为国民经济的命脉，其发展状况直接影响国民经济发展的速度，在整个交通运输体系中，公路又是基础中的基础。近几年来，国家每年投资成百上千亿资金来修建公路，全国的高速公路迅猛发展，形势十分喜人。但同时也产生了一些新的问题，如现有落后的公路检测手段和高速发展的公路建设之间的矛盾，怎样保证又快又好地检测施工质量，如何提高公路养护管理的水平等，都是一些亟待解决和探讨的问题。 1 常规检测和维护方法的局限性 我们知道，在公路施工中，为确保工程质量，从夯实地基、碾压每层路基，到灌注水泥砼层路面或沥青路面，每道工序都需要严格检测。传统的方法是根据规程随机选点，钻孔取样、进行室内分析处理，从中获取厚度、深度、压实度和强度等工程参数。然而，这种常规方法存在一定的局限性：首先被测点是随机选择的，因而检测结果往往缺乏代表性。同时，由于检测点的密度稀，有些局部压实度达不到标准、厚度偏小、水泥混凝土或沥青内部存在的缺陷等不良区段极易漏检，给后续工程工作留下隐患。另外，在道路投入使用后的日常维护管理中，通常对路表面出现的破损、凹陷、裂缝、平整等问题可以及时发现，但对道路内部存在的隐性灾害，如路面下的空洞、积水、脱空、基础疏松等却无有效的检测手段，难以做到防患于未然，随着冬冰夏融，热胀冷缩以及日积月累的冲压，往往容易导致重大交通事故的发生，使人民生命财产造成巨大的损失。因此，如果能够研究开发出一种无损、快速、直观、能显示道路内部状态的检测设备和技术手段，必将使道路建设质量和养护管理提高到前所未有的水平。 2 LTD-2000车载公路检测仪简介 LTD-2000车载公路检测仪是中国电波传播研究所针对当前国内道路建设中质量检测和养护管理的现状，应用先进的冲击雷达技术,历经十余年，先后投资上千万元研制生产出的一种道路专用探地雷达。利用这种探测设备可以象现代化医院中用的“B超”、“CT”一样，给公路做一次透视诊断，方便地检测公路的综合质量状况（包括施工质量、使用受损和自然变迁等情况），及时发现病灶，确保公路的建设质量，提高公路的建设和养护水平。 2.1 技术来源 众所周知，采用雷达对空间目标的探测已发展成为一项成熟的技术，并被广泛应用在各种军事及民用领域中。然而随着人类对自然界认识的逐步深化，人们对地下世界的探知要求变得越来越迫切与深入。早在1904年德国人就采用了电磁波探测地下的金属物体，到1956年，J.c.Cook 又提出了应用无载频脉冲雷达探测地下目标。随着科学技术理论与应用实践，瞬态无载频脉冲雷达技术得到了较快的发展，并在70年代中进入了实际应用阶段。 我国从80年代中期开始进行探地雷达技术的研究和试验，最初用于军事地雷的探测。中国电波传播研究所经过十几年的研制攻关，在雷达硬件设备、信号处理、目标成像等方面取得重大进展和突破，特别是成功地实现了对地下目标的三维层析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使探地雷达在信号处理和成像技术方面进入了世界领先行列。 多年来，我所拥有的探地雷达技术基本上与国际先进水平保持同步发展，先后取得了与国外同类技术基本相当的研究成果。分别获得电子部科技进步三等奖，省科技进步一等奖，省优秀新产品一等奖等奖励，并获国防专利一项。另外，我所在超宽带理论分析和建模方面也取得了丰富的研究成果，在国内外学术刊物上已发表研究论文四十余篇。目前已经研制成功LT-1、LT-2、LTD-3、LTD-3R 、LTD-10和LTD-2000等多种型号的探地雷达产品,新研制成功的全数字化产品LTD-2000小型化探地雷达既可以用于对公路等浅层道面厚度进行探测，又可以用于地下较深层目标的探测，已广泛应用于军事和民用领域。 2.2 基本原理 探地雷达工作时，在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，并直接馈给发射天线，经由发射天线耦合到地下的信号在传播路径上遇到介质的非均匀体（面）时，产生反射信号。位于地面上的接收天线在接收到地下回波后，直接传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到雷达主机，经处理后，传输到微机。在微机中对信号依照幅度大小进行编码，并以伪彩色电平图/灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来，经事后处理，可用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数。 2.3 系统组成 LTD-2000车载公路检测仪主要由LTD-2000雷达主机、900M屏蔽天线（用于面基层厚度检测）、500M屏蔽天线（用于基层下缺陷检测）、天线小车、测距器、锂电池及其它配件组成。 2.4 LTD探地雷达检测法的特点 2.4.1 可实现无损和连续检测，经济、高效。 2.4.2 操作简便，探测结果显示直观 使用者经过2～3天培训就能掌握，探测时，主机显示器实时成像，操作人员可直接从屏幕上判读探测结果，现场也可打印成图； 2.4.3测量精度高，测试速度快 无载波电磁脉冲技术与高频聚能天线的组合使检测工作完全避开了人为因素，它能有效地探测出道路的分层结构和内部变化，在车载工作方式下，测试速度大大提高； 2.4.4提供的天线小车上安装了测距装置，并可通过放置不同天线，完成不同的探测任务，如900M高频天线可用于公路面基层厚度检测，500M天线可用于基层下存在缺陷的探测检测，方便灵活。 2.4.5 测点密度不受限制，便于点测和普查 工作方式的灵活使得用户可以连续普查某一段路面的质量,也可随时对道路的异常区域进行重点探测和分析。 3 探地雷达在道路建设与管理中的应用 在公路质量检测与养护管理中，雷达探测技术对于公路施工质量检测的科学化，路况普查和公路养护的制度化都有重要作用。LTD型探地雷达以全中文菜单、便利的操作方式、清晰直观的图象显示和探测精度高等特点引起众多领域专家的浓厚兴趣，在军用和民用领域都显示出广阔的应用前景。车载式道路专用探地雷达，尤其适用于机场和公路这类浅层高分辨率探测领域。 3.1 公路建设前期的应用 公路兴建前，探地雷达可用于对预定建设路段的地质基础进行勘察，确定地质结构，划分不良地质体（流砂体、暗河、暗塘、墓穴等），路基下是否埋设了电缆和管线等，为道路设计提供地质基础的依据。 3.2 公路建设过程中和竣工验收时的应用 目前，探地雷达技术已经可以精确测量路面面层厚度，效果良好。多次工程探测结果表明，其平均误差可以达到≤±5mm；还可成像显示各层结构的均匀性，圈定质量不合格地段的范围，因此，使用道路探测雷达可以实时监控路面的施工质量，在施工各个阶段中，分阶段跟踪进行质量检测，从打地基到铺面层，铺一层快速检测一层，并将实时检测结果打印，现场分析，有问题及时发现和纠正；这样不但能保证施工质量，还大大节约了一旦返工所造成的费用损失。 利用LTD探地雷达可记录到如图6的雷达图像，计算公路面层厚度时，首先利用计算机自动追踪地面和沥青面层底界对应位置，确定电磁波在沥青层中的旅行时间，然后由经验或钻芯（施工工艺和材料相同的路段，取一个芯即可）获得电磁波传播速度，就可以利用公式 X = ½ VT 计算面层厚度（式中X 代表厚度，单位是cm；V代表电磁波传播速度，单位是cm/ns； 3.3 道路使用维护期的应用 道路投入使用后，应用道路探测雷达可进行道路状态的日常维护监察、阶段性路基质量普查、路基内隐性灾害或病害（如裂缝、下陷、脱空、变形）的探测，及时发现路面下的问题，防患于未然。 图7是对运行中的海口市内丘海大道检测得到的一幅雷达剖面。当时，丘海大道有一段约2.7公里的路面损坏比较严重，为查明路面下所有脱空或空洞的位置，与路面已经出现塌陷的路段一起整治，海口市公路局委托海口奎克应用地球物理有限公司利用LTD探地雷达对重点地段进行了无损检测，经分析处理，圈定地下浅层脱空和深层空洞近20处，为全面整治提供了第一手资料，避免了公路反复养护带来的人力物力的浪费和对正常交通带来的不利影响 4 结论及应用前景展望 传统的地下目标探测（包括工程质量检测、地下隐患探测、确定目标查找等）方法，比如钻芯法、锥探法等，不仅具有破坏性，而且效率低、准确性差，市场的要求和相关技术的不断发展，使得众多无损探测方法得到快速发展，并逐渐成为行业检测规范的主角。 探地雷达从20世纪初，随电子技术和数据处理技术的发展，其体积越来越小，从起初的肩扛手抬，到现在一个人就可以轻便的操作和检测（如LTD-2000和SIR2000一体化雷达等）；其功能从探测冰层厚度（当时的工作信号频率较低）到现在的“全面开花”，如在军事和众多民用部门都可见到它的影子；其技术指标也得到极大的提高，如利用高频天线进行公路面层厚度检测时，垂向分辨率可达到毫米级，利用低频天线探侧深层目标时，探测深度可达到几十米。 随着道路探测雷达在公路路面上的广泛使用，使得人们对雷达系统会提出更高的要求。应用无载波脉冲雷达原理发展起来的道路探测雷达，实质上是对瞬态电磁场技术的工程应用，它涉及到天线设计，数据信号处理等多项高新技术，特别是对于雷达在实际工程中的应用，我们还需要利用本技术的特点，结合各应用部门自身的实际应用经验，加速应用研究。为了促进和发展无损探测技术在公路中的应用，提高检测质量，加快公路建设步伐，必须与有关部门共同合作对公路路面的主要问题进行大量的反演研究，并建立标准公路模型试验场，通过雷达反复探测，积累数据，分析所得到的不同地质体的探测图像特征，汇集成探测成果数据库，作为实际工程探测的参考标准，从而进一步改进系统硬件,开发能解决更多实际探测问题的专有软件。 致力于高科技产品开发，并积极将成果转化为社会生产力，诚望以高质量的探测产品和高水平的探测服务为国民经济建设作出更大贡献。 |
