CN102012221B - 基于探地雷达的路面裂缝深度无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于探地雷达的路面裂缝深度无损检测方法，包括：按照采样间隔S和发射频率向路面的裂缝发射电磁波；按照所述路面裂缝中各层材料反射的电磁波振幅，从接收的反射电磁波中，选择出裂缝最底部的材料所对应的电磁波振幅；按照所述选择出的电磁波振幅，从所述接收的各个反射电磁波中，过滤出相应的电磁波；使用所述过滤出的电磁波的旅行时间、路面各层材料的介电常数，运算出所述路面裂缝深度。通过裂缝的不同深度处的反射波，提取出最深处反射回的电磁波，从而有效的测量出路面开裂深度。

Description

基于探地雷达的路面裂缝深度无损检测方法

技术领域

本发明涉及道路工程检测技术领域，特别是指一种基于探地雷达的路面裂缝深度无损检测方法。

背景技术

目前，我国在进行公路路面裂缝深度检测和病害原因诊断时主要是采用人工调查结合钻孔取芯的方法。这种方法需要对路面实施一定程度的破坏，工作效率低下，而且属于小样本检测，代表性差。

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)测试技术是利用高频电磁脉冲波在不同电磁性介质中的传播规律，达到探测地下目标体分布形态及特征的一种方法，具有连续高效、准确无损、信息丰富等优点。

近年来，GPR技术在公路无损检测领域的应用日益广泛，主要用于检测路面结构层厚度、压实度、含水量和路基路面内部缺损等内容。在测量路面裂缝深度方面，由于路面具有多层结构，路面开裂后，各个不同裂缝深度的路层均会在测量过程中反射回电磁波，采用GPR技术的设备会接收到多个电磁波，而GPR设备无法选择出最深层反射回的电磁波，存在无法测量出有效的路面开裂深度的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明在于提供基于探地雷达的路面裂缝深度无损检测方法，以解决上述各个不同裂缝深度的路层均会在测量过程中反射回电磁波，GPR设备无法选择出最深层反射回的电磁波，存在无法测量出有效的路面开裂深度的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种基于探地雷达的路面裂缝深度无损检测方法，包括：

按照采样间隔S和发射频率向路面的裂缝发射电磁波；

其中，所述采样间隔S通过以下公式运算得出：

$\mathrm{\ξ}=\frac{S}{2\sin \left(\arctan \frac{S}{2H}\right)}-H+\mathrm{\δ}$

ξ为裂缝开裂深度识别分辨率；H为待测路面裂缝深度的最大值；δ为探地雷达GPR的误差值；

按照所述路面裂缝中各层材料反射的电磁波振幅，从接收的反射电磁波中，过滤出裂缝处各层材料所对应的电磁波振幅；

通过过滤出的电磁波的旅行时间、各层材料的介电常数，运算出所述路面裂缝的深度。

进一步地，所述路面裂缝中各层材料包括：面层、基层和土基层；

每层材料所反射的电磁波振幅B为：

B＝τfA

其中，f为路表面和空气介电常数和界面反射系数，0.6＜f＜0.7；A为所述发射频率对应的振幅；τ为不同材料的反射系数：所述材料为沥青面层，0.25＜τ＜0.35；所述材料为基层，0.1＜τ＜0.2；所述材料为土基层，0.04＜τ＜0.05。

进一步地，所述f为0.65；所述材料为沥青面层，所述τ为0.3，所述材料为基层，所述τ为0.15，所述材料为土基层，所述τ为0.045。

进一步地，运算所述路面裂缝深度的过程包括：

通过公式

运算出裂缝的深度；其中，Z是裂缝的深度；t_i为电磁波在路面第i层的传播时间；V₀为光在空气中速度3×10⁸m/s；ε_i为第i层材料的介电常数，n为电磁波传播过程中所经历的路面结构层数。

进一步地，还包括：在同一裂缝中的多次测量，获得相应的多个所述路面裂缝深度，选择出最小值作为所述路面裂缝深度。

进一步地，所述发射频率介于1.0GHZ至1.5GHZ之间。

进一步地，所述发射频率为1.2GHZ。

进一步地，所述探地雷达采用数量在两根以上的天线。

进一步地，运算出所述路面裂缝的深度后，记录该深度对应的桩号。

本发明的方法，通过裂缝中不同深度的各层材料反射波的振幅，选择出最深层反射回的电磁波，从而有效的测量出路面开裂深度。避免了GPR设备无法选择出最深层反射回的电磁波，测量出的路面开裂深度不准确的问题。

附图说明

图1是实施例的方法流程图；

图2是实施例中各个电磁波至裂缝处的路径示意图；

图3是实施例中GPR设备在行进检测过程中，不同位置处对同一裂缝开裂深度的探测示意图；

图4是实施例中裂缝开裂深度检测过程中电磁波的路径示意图；

图5是实施例中裂缝开裂深度提取示意图。

具体实施方式

为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。

本发明的方法可应用在GPR设备中，并在车辆行驶过程中，向地面不断的发射电磁波，并接收电磁波，进行分析，从而运算出路面开裂的深度。

参见图1，图1是实施例的方法流程图，包括以下步骤：

S11：按照预定的采样间隔S和发射频率向路面发射电磁波。

采样间隔S可通过以下公式运算：

$\mathrm{\ξ}=\frac{S}{2\sin \left(\arctan \frac{S}{2H}\right)}-H+\mathrm{\δ}$

其中，ξ为用户设定的裂缝开裂深度识别分辨率；H为用户设定的裂缝开裂深度最大值，可预先设定待测路面上，裂缝开裂的最大深度为50mm；对于开裂较小的路段，如只开裂在基层和面层，也可以选择为基层和面层的厚度之和，作为裂缝开裂深度最大值H；δ为GPR设备的系统误差；通过这些已知的参数，即可运算出采样间隔S。

采样的间隔S的确定过程可参见图2，图2中H₁、H₂分别为GPR设备在行进过程中检测到的裂缝开裂深度，H为裂缝开裂深度，S为采样间隔。其中，

由图2示出，当在距裂缝最深处的正上方0.5S的位置采样检测时，检测到的裂缝开裂深度误差最大，即H₂_H。则H与H₂的差值与GPR的系统误差之和，即为采样间隔为S时对应的裂缝开裂深度识别分辨率ξ。

用户根据不同用途设定需要达到的识别分辨率ξ，针对检测路段的结构特征，即可计算所需要的纵向采样间隔S。利用该公式计算得到的纵向采样间隔随着识别分辨率的减小而增大。因此，对于对识别分辨率要求不高的用户，可根据公式选择较大的采样间隔，以提高检测效率，降低检测成本。

通过GPR设备测量地面开裂深度时，可选择多种频率的电磁波，如1.0G至1.5G频段，特别是在1.2G，可实现测量路面开裂的深度与测量的清晰度之间达到很好的效果。

安装在测量车上的GPR设备，在行驶过程中，不断的向路面收发电磁波，参见图3，位置1处，电磁波刚刚进入裂缝处；表示电磁波恰好可以探测到裂缝的最底部，由于裂缝间隙内与路面材料的介电常数差别较大，因此，在该位置处会形成反射波，并返回至路表面由GPR接收天线接收。GPR继续向前移动检测，并不断接收到裂缝处返回的反射波，当恰好到达裂缝最深处的正上方时，如位置2所示，该位置对应的反射波的旅行时间最短。位置3表示GPR在行进过程中，其发射波最后能探测到裂缝最深处的位置，而此时裂缝最深处位置的反射波已不能被GPR接收装置接收。

S12：接收反射回来的电磁波，提取表征裂缝最深处反射波的参数。

在路面的裂缝处，路面的每层材料不同，例如：如图4所示，路面层结构包括面层、基层和土层。当电磁波传播至路面内部存在的具有异常电磁性区域表面时，由于该区域的电特性与临界区域存在差异，会将可以表征自身特征的电磁波反射回GPR设备，GPR设备接收到反射电磁波后，其波谱中存在该区域反射回来的能量波，在波谱中具体表现为振幅相对较小的波段，该波的振幅和周期数取决于异常区域自身(即裂缝处)的特征。因此，可按照反射波的振幅将从裂缝处反射的波段提取出来。

在裂缝处的反射波，其振幅一般为空气与路表面之间的界面处的反射波振幅的0.3～0.5倍，远高于基层和面层间的反射波的振幅。另外，在裂缝处的断面，由于每层的介电常数不同，从每层反射回来的反射波的振幅是不同的。按照代表裂缝最深处的振幅，提取相应的反射波。

每层的反射回的电磁波的振幅可参见以下公式：

B＝τfA

其中，B为反射回的电磁波的振幅，A为在步骤S10中设置的电磁波的振幅；τ为裂缝处不同材料的反射系数；f为路表面和空气介电常数和界面反射系数，取值范围在0.6～0.7之间，优选0.65。

对于不同的各层裂缝，τ取值不同；对于沥青组成的面层，τ的值范围在0.25～0.35之间，优选0.3；对于基层内部的裂缝，取值在0.1～0.2之间，优选0.15；土基内部的裂缝，取值为0.04-0.05之间，优选0.045。

由于不同的各层裂缝，τ取值不同，从而反射回来的电磁波的振幅B也会相应的变化。由于电磁波发出后，会反射回多个电磁波，可按照裂缝各层的深度顺序所对应的电磁波的波形，在反射回的各个电磁波的振幅中，选择出裂缝中各层材料、以及最深处反射回的电磁波的振幅。

S13：按照提取的振幅，对选择出的电磁波滤波去噪。

在执行滤波、去噪处理的过程中，去除“噪音”干扰外，还利用裂缝处反射波的振幅分布范围，筛除提取的振幅范围外的反射波。

去除“噪音”干扰外，还利用裂缝处反射波的振幅分布范围，将振幅在该范围外的反射波筛除，去除了外界环境的“噪音”，从而使得自动识别的精度和效率得到了较大的改善。

需要强调的是，裂缝开裂深度识别结果的精度受层间的脱空、松散等病害影响特别大，在进行滤波去噪处理时，有效剔除以上病害的干扰。

S14：提取裂缝的开裂深度。

在滤波处理后，对提取出的波段，按照振幅可判断出裂缝处底部路面的材料，如是从土基层反射的电磁波，还是从基层发射的电磁波，根据提取出的波段的电磁波旅行时间t_i和路面材料的介电常数ε，采用如下公式即可运算出裂缝的深度：

$Z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_0{t}_i}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i}}$

式中：Z是裂缝的深度；

t_i是电磁波在路面第i层的传播时间；

V₀为光在空气中速度(3×10⁸m/s)；

ε_i为路面第i层材料的介电常数；

n为电磁波传播过程中所经历的路面结构层数。

当开裂深度仅仅在面层时，i＝1，可直接计算出开裂的深度；当开裂的层数i＞1时，需要运算出电磁波在各层中每层的传播时间，以及各层的传播距离，例如：当前的最深层为土基层，i＝3，电磁波的传播时间为1s，可通过过滤出的电磁波中，面层和基层的的振幅，获得在面层、基层的传播时间，如在面层传播时间为0.25ms，在基层的传播时间为0.5ms，则在土基层的传播时间为1-0.25-0.5＝0.25ms。通过各层的传播时间t_i及介电常数ε_i，运算各层的距离并求和，得出裂缝的深度值。

对于探地雷达，如果是与路面相接触的，则测量出数值Z为裂缝深度；如果与路面存在间隔距离的探地雷达，在运算裂缝深度Z时，还需要去除路面至测量设备底部之间的垂直距离，从而获得裂缝的真正深度。

如图3所示，电磁波在进入裂缝之前、离开裂缝之后，GPR设备测量的深度值均恒定。在GPR设备检测到路面具有裂缝时，会测量到多个裂缝深度，相对于路面，有些电磁波是倾斜一定角度发射到裂缝处，有的电磁波是垂直路面进入到裂缝中。如图5所示，只有垂直于路面的电磁波所测量出的距离h才是裂缝的准确深度。因此在所测量的各个深度值中，只有距离最小的深度为裂缝的准确深度。

通过上述的过程，可最终测量到路面的所有裂缝，通过裂缝中各个不同深度层的材料反射波的振幅，选择出最深层反射回的电磁波，从而有效的测量出路面开裂深度。

本发明还可增加GPR设备的天线数量，如采用双天线或多根天线。从而满足扩大电磁波的接收范围和信号强度。

在测量过程中，提取各裂缝的开裂深度，并记录各裂缝对应的桩号位置，便于后续的养护处理。

对于本发明各个实施例中所阐述的方法，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于探地雷达的路面裂缝深度无损检测方法，其特征在于，包括：

按照采样间隔S和发射频率向路面的裂缝发射电磁波；

其中，所述采样间隔S通过以下公式运算得出：

$\mathrm{\ξ}=\frac{S}{2\sin \left(\arctan \frac{S}{2H}\right)}-H+\mathrm{\δ}$

ξ为裂缝开裂深度识别分辨率；H为待测路面裂缝深度的最大值；δ为探地雷达GPR的误差值；

按照所述路面裂缝中各层材料反射的电磁波振幅，从接收的反射电磁波中，过滤出裂缝处各层材料所对应的电磁波振幅；

通过过滤出的电磁波的旅行时间、各层材料的介电常数，运算出所述路面裂缝的深度；

所述路面裂缝中各层材料包括：面层、基层和土基层；

每层材料所反射的电磁波振幅B为：

B＝τfA

其中，f为路表面和空气介电常数和界面反射系数，0.6＜f＜0.7；A为所述发射频率对应的振幅；τ为不同材料的反射系数：所述材料为沥青面层，0.25＜τ＜0.35；所述材料为基层，0.1＜τ＜0.2；所述材料为土基层，0.04＜τ＜0.05。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述f为0.65；所述材料为沥青面层，所述τ为0.3，所述材料为基层，所述τ为0.15，所述材料为土基层，所述τ为0.045。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运算所述路面裂缝深度的过程包括：

通过公式

运算出裂缝的深度；

其中，Z是裂缝的深度；t_i为过滤出的电磁波在路面结构第i层的传播时间；V₀为光在空气中速度3×10⁸m/s；ε_i为第i层材料的介电常数，n为电磁波传播过程中所经历的路面结构层数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：在同一裂缝中的多次测量，获得相应的多个所述路面裂缝深度，选择出最小值作为所述路面裂缝深度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射频率介于1.0GHZ至1.5GHZ之间。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发射频率为1.2GHZ。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探地雷达采用数量在两根以上的天线。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运算出所述路面裂缝的深度的同时，记录该深度对应的桩号。

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