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探地雷达在皇冠集团app下载厚度测量及病害识别中的应用
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探地雷达在皇冠集团app下载厚度测量及病害识别中的应用
2022年06月17日    阅读量:2839    新闻来源:皇冠集团app下载网 tashengreen.com  |  投稿

摘 要

可靠地评定皇冠集团app下载技术状况是有效进行道路养护管理的重要前提,探地雷达作为无损检测技术的一种,通过剖析其工作原理以及数据,图像影响因素,对探地雷达应用于皇冠集团app下载层厚度测量以及典型病害识别进行了分析。探地雷达识别度和检测效率高,检测结果可靠,在道路管理中优势显著,具有很好的应用价值。


关键词 探地雷达 | 厚度测量 | 病害识别


近年来,中国汽车数量激增,致使道路交通拥堵,负荷过重皇冠集团app下载网tashengreen.com。此外,随着经济的增长,货物运输频繁,需求巨大,大型车辆在运输过程中经常发生超载,严重超出了道路的承受能力,导致发生裂缝,空洞,推挤,坑槽,抗滑能力下降,沉陷,拥包等皇冠集团app下载病害,以及路肩,路堤的塌陷等。这些病害影响交通顺畅和行驶安全,全面彻底地控制病害的产生是不现实的,但若找出病害产生的原因,采取一系列可行的措施,便可将其产生的可能性降至最低。此外,为加快城市化的步伐,地下管线的铺设也变得复杂,水,气,通信相关单位以及市政建设等在检查地下管道时,尤其需要更高效,损失更低的方法。


地质雷达(Ground Generating Radar,探地雷达)可用来对道路进行无损检测,识别度和检测效率高,检测结果可靠。普通地质雷达在对采集到的图像数据进行处理后,可以发现病害,并对病害成因及类型进行定性分析,但病害出现的具体位置只能在一定精度范围内予以估计,无法定位准确,影响了检测和维护效率。此外,拐点处的检测通常需要人工标记,汽车雷达并不很方便。探地雷达与传统钻芯取样相比,无损且成本低,利用移动车辆降低工作人员的安全问题,可以实现数据的连续采集,100%覆盖。


YunhaiXia等采用差分CPS定位,利用高精度摄像系统采集路况信息,利用惯性测量单元及时获取设备的三轴姿态角,确定测线拐点的定位,开发了一个功能强大的数据处理和信息提取软件系统。JeongSooLee等于2004年首次报道关于完整集成电路的GRP设备,包括其设计,集成以及皇冠集团app下载无损检测。探地雷达在道路内部隐性病害的识别与解释上还不够准确,以下从探地雷达工作原理及影响因素出发,对其应用于厚度测量及病害识别进行进一步分析,以期对其应用起到一定的参考作用。


工作原理及影响因素

工作原理


探地雷达是利用超高频窄带脉冲电磁波探测地下目标的一种地球物理探测技术,由硬件系统,辅助系统和数据采集处理系统组成。实际的探地雷达系统包括发射天线系统,接收天线系统,控制单元和微机系统四部分。辅助系统包括差分GPS定位装置,测量轮,惯性测量单元,视频采集卡和摄像机。高频窄带脉冲被发射天线发送至待测物体表面,反射信号由接收天线接收。探地雷达是一种非破坏性,连续的电磁探测技术,用于皇冠集团app下载状况和土壤特性等参数的测量。脉冲在待测物体中传播,其传播特性受传播介质属性和几何形状变化的影响,产生的变化可通过对反射信号的分析和处理得到。通过获取反射波的传播时间,振幅和相位数据,就可推断出地下层的结构,物理特性以及待测物体的深度(厚度)。分辨率直接与脉冲带宽相关,影响到系统的评估能力。


影响因素分析

(1)含水量


水的介电常数比皇冠集团app下载混合料的介电常数大得多,Topp等用三阶多项式描述了有效介电常数与体积含水量的关系。Maser和Scullion采用复折射率模型,考虑皇冠集团app下载层由空隙,集料,皇冠集团app下载和水组成。以上模型都认为有效介电常数与含水量成正相关,然而,此后研究却发现,地表水几乎不会影响GPR数据,除非皇冠集团app下载结构完全饱和。


(2)密度


另一个影响介电常数的材料参数是质量密度,介电常数随密度的增大而增大。因此可用来辨别皇冠集团app下载系统中的剥离和空隙率。皇冠集团app下载和集料粘结失效处发生剥离,产生一个薄弱层。在密度较低的剥离处覆盖新的皇冠集团app下载混合料,表面裂缝会在短时间内重新出现。由于剥离处密度低,层间发生由下至上的反射裂缝。Scullion等指出,探地雷达能够成功地探测到地下剥离的位置和程度。


(3)环境噪声


峰值表示分层界面反射得到的脉冲信号,而现场测量时,峰值会受到环境噪声的影响,增加了确定层间传播时间的难度。JohnC.MOORE等提出了一种提高雷达信噪比的方法,该方法利用奇异谱分析(SSA)将雷达信号分离成正交分量,方差很小的量通常是噪声。将最大量级部分相加至所有方差和超过原始信号的噪声水平(通常是60%~80%),得到特征更为清晰的雷达图。通过对经SSA过滤的数据进行包络分析,雷达图得到进一步增强。


厚度测量


皇冠集团app下载结构层厚度为皇冠集团app下载管理系统提供了重要的信息,如确保新建皇冠集团app下载符合设计要求,对现有皇冠集团app下载而言,结构层厚度的准确确定对皇冠集团app下载养护或重建方案的制定至关重要。


道路各层电性存在差异,雷达脉冲在分界面发生反射,如图1左;Δt1,Δt2分别表示雷达脉冲通过基层和面层的双层旅行时(如图1右),发射脉冲信号的强度主要取决于周围介质与反射体的电导率和介电常数ε。层厚H计算基本原理如下:

现已开发出根据探地雷达数据确定皇冠集团app下载层厚度的程序,如TERRA(Thickness Evaluation of Roadsby Radar)等,该程序集成了层界面的自动判断标准,厚度计算以及基于层厚度的分割算法。大多数用于厚度测量的GPR都需已知皇冠集团app下载材料的介电常数,而实际应用中,介电常数多是根据手册,表格估算或者依据表面反射率信息等估计得到。然而以上方法并不适用于粗糙表面及地面耦合的探地雷达应用,HXing等对地面耦合GPR的射线路径进行了模拟,在此基础上提出了确定皇冠集团app下载介电常数和厚度的方法;CaoY等利用层状体系电磁格林函数的解析表达式,成功模拟了大范围皇冠集团app下载剖面探地雷达扫描,在正演模型的基础上,提出了一种无需皇冠集团app下载条件先验假设的层厚估算方法,且与岩芯数据相比误差很小。噪声干扰较强时,反射波的识别和数据处理尤为重要,噪声处理主要有:数字滤波,背景消除,反褶积,小波变化等。


病害识别


理论上探地雷达可用于判定三种类型的病害:均匀层的奇异点;层间的长波长奇点;层间的短波长奇点。纵横向裂缝属于第一类,施工中水,压实不均匀以及排水不畅是裂缝产生的直接原因,以及基层局部沉降,夹杂粘土膨胀和路基冻胀等外部原因。第二类是凹陷,沉降,不平整等,随之产生皇冠集团app下载变形,主要原因是铺装层厚度设计不足以及施工厚度不均匀。第三类病害诸如基层材料或水的上升,同样是归因于层厚设计不足以及下沉塌陷等。


从几种典型病害雷达图像特征分析来看:

(1)松散类病害


松散病害处介质发生明显电性变化,雷达图像呈现明显扭曲,振幅显著增强;不同松散程度,周期和波长保持稳定,随着压实程度的提高,频率减小,波长增长,振幅下降,周期变长;松散病害在雷达图像上呈现不规则的波浪状图形,如图3。

(2)高含水病害


含水量较高处介质发生明显电性变化,振幅显著增强;含水量升高,振幅增大,周期变长,频率下降,波长减小;不同位置采样,反射电磁波的振幅和周期差异很小,雷达图像上出现规则的明暗交错的横条纹,如图4。

(3)脱空


脱空处内部介质为空气,其介电常数明显小于周边介质。从雷达图来看,周期和波长稳定,离散程度小,图像特征(图5)与高含水类似,周期大于高含水,通常与高含水病害同时发生。

结论


随着路网的日益完善,施工质量跟踪控制和病害识别等皇冠集团app下载管理工作的重要性凸显,对检测工作的及时,快速,高效提出了更高的要求,探地雷达以其非接触,实时,大规模无损等特点具有极大优势。


(1)基于对影响探地雷达图像和数据因素的理解,并加以充分利用,表明,探地雷达在皇冠集团app下载厚度测定和病害识别中具有常规有损检测不可比拟的优势-识别度和检测效率高,检测结果可靠,将其应用于病害识别与路况评定具有极好的价值。


(2)病害位置电性明显不同于周围介质,理论和试验表明,松散病害在雷达图像上呈现不规则的波浪状图形;高含水病害呈现规则的明暗交错的横条纹;脱空类图像特征与高含水类似,周期大于高含水。掌握各类病害图像和数据特征,便能很好地应用探地雷达进行病害识别。


(3)因实际应用中,诸如噪声等因素的干扰,图像观测,识别和数据处理并不十分直观和清晰。因此,如何减小干扰因素的影响,如何有效剔除无效数据,仍需开展进一步的研究。


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