CN103941295A - 路面承载能力探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面承载能力实时探测系统，主要包括探地雷达、发射天线、接收天线、显示模块等。本发明在现有探地雷达技术基础上对道路结构数据进行二次分析、利用与深入挖掘，将公路结构各层物质属性（主要影响因素为介电常数）作为路面承载能力判别的判据，并对道路承载能力做出实时判别，提高了道路行驶安全性。

Description

路面承载能力探测装置

技术领域

本发明涉及一种探测装置，尤其涉及一种路面承载能力探测装置。

背景技术

随着国民经济和现代化道路交通运输需求的进一步增长，对公路承担车辆运行载荷的能力和要求也愈加严格，需要长期保证车辆（尤其是重型车辆）快速、安全、平稳地通行公路段。

在公路路基路面的设计、使用和维护过程中，主要的评价指标体系以承担车辆行驶载荷为中心。在公路使用过程中，由于自然环境影响（如不同地区的温湿度影响、水文地质条件影响等）和长年负荷（包括超重载），其结构承载能力会逐渐降低，甚至造成道路结构层破坏；另一方面，公路的整体承载标准也因自然区划和地方行政法规不同而有所差别。因此，无法使用同一标准进行公路承载能力判定，也就是需要因地制宜，对不同地理环境下的公路承载能力实施具体测定，以确保车辆尤其是重型车辆通过时的安全性，避免人员伤亡和财产损失。

目前，市场上已有较为成熟的探地雷达产品，主要用于市政道路检测、地质勘查、建筑工程质量检测、房屋改造等。国内探地雷达产品如中电22所研发的LTD系列探地雷达、中科院电子所研发的CAS系列探地雷达等，但是上述现有产品只有数据采集软件和数据处理软件，仅能形成道路结构剖面图，例如探测城市道路是否有空洞，以便于施工人员进行道路修复等。

由于道路各层介质的介电常数并不相同，差异性很大，因此，雷达波在不同层面介质中的传播规律也有显著差异，雷达波在不同介质分层处会发生强烈的反射。

例如：空洞是地层中本身存在或路基开挖过程中产生的强扰动而形成的。根据空洞形成的机理和空洞的物理性质，即电阻率高、介电常数低，电磁波传播速度快，在探地雷达探测的剖面图上，异常通常表现为双曲线形态。。

再如：由于地层本身疏松或路基开挖过程中产生的扰动导致范围较大的底层疏松或塌陷，从而形成不密实带。不密实带在雷达剖面图上的特征主要表现为反射波同相轴扭曲错动、不连续，零乱的团块状或条带状的强反射或多次反射异常。

利用探地雷达探测到路面、水稳及垫层结构（道路组成结构）后，根据介电常数与强度的关系，可确定各层结构的承力强度。

根据已有的研究成果（根据我国现有公路标准，各等级公路的结构组成可以确定），介电常数与各类材料之间的强度关系如下：

水泥混凝土介电常数与强度的关系为：

${\mathrm{\ϵ}}_R=\frac{0.1898{\mathrm{\α}}^2}{{(66f_c+2.951\mathrm{\α})}^2}+3.069$

${\mathrm{\ϵ}}_R=\frac{0.1898{\mathrm{\α}}^2}{{(660f_t+2.951\mathrm{\α})}^2}+3.069$

沥青混凝土介电常数与强度的关系为：

${\mathrm{\ϵ}}_R=\frac{68.96{\mathrm{\α}}^2}{{(f_c+76.7\mathrm{\α})}^2}-1.608$

${\mathrm{\ϵ}}_R=\frac{0.6896{\mathrm{\α}}^2}{{(f_t+7.67\mathrm{\α})}^2}-1.608$

${\mathrm{\ϵ}}_R=\frac{51.829{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ω}}}^2{{\mathrm{\α}}_e}^2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ρ}}^2}{{(f_c-37.2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\α}}_e{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ρ}})}^2}$

${\mathrm{\ϵ}}_R=\frac{0.5183{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ω}}}^2{\mathrm{\α}}_e^2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ρ}}^2}{{(f_t-3.72{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\α}}_e{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ρ}})}^2}$

式中—ε_R为介电常数测量值

α为温度影响系数

f_c为抗压强度

f_t为抗拉强度

α_ω为含水率影响系数，取值范围为：1.15～1.3。

α_e为孔隙比影响系数，取值范围为：1.0～1.15。

α_ρ为密度影响系数，取值范围为：1.25～1.35。

因此，如何在于在现有探地雷达技术基础上对道路结构数据进行二次分析、利用与深入挖掘，将公路结构各层物质属性（主要影响因素为介电常数）作为路面承载能力判别的另一判据，并对道路承载能力做出实时判别是当下需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种路面承载能力实时探测装置，能够满足结合公路结构各层物质属性进行路面承载能力的实时判别的目的。

为达到上述目的，本发明提供了一种路面承载能力实时探测装置，主要包括探地雷达、发射天线、接收天线、显示模块等。

所述发射天线和接收天线用于发射电磁波信号和接收反射信号。

所述探地雷达包括主机控制器、发射机、接收机、数据采集模块、数据处理模块。

所述主控制用于发出控制指令；所述发射机内设置有控制电路，用于发射信号；所述接收机内设置有高速采样电路，用于接收信号。

所述发射天线、发射机、主机控制器、数据采集模块、接收机、接收天线依次相连；所述数据采集模块还与数据处理模块、显示模块依次相连。

所述数据采集模块采集所述接收天线和接收机输出的回波脉冲信号；所述数据采集模块包括数模转换模块和数据存储模块。

所述数模转换模块将信号从频率信号转化为图像模拟信号，所述数据存储模块将数模转换模块处理后的信号进行存储；

所述数据处理模块接收数据存储模块的数据，对数模转换后的图像信息数据进行图像处理，分析得出所需的道路结构特征；数据处理模块包括道路结构数据处理模块和路面承载能力分析模块。

所述道路结构处理模块用于对采集到的数据进行分析处理；所述数据处理模块包括道路结构数据处理模块和路面承载能力分析模块。

所述道路结构数据处理模块用于对数据采集模块传来的数据进行处理，形成道路面层结构及厚度、表面裂缝、砼层脱空、地基沉陷、平整度、构造深度等道路结构信息。

所述路面承载能力分析模块对所述道路结构数据处理模块输出的信息进行分析、判断，并综合得出路面承载能力分析结果。

本发明还包括车辆报警装置，与所述显示模块相连；当所述数据处理模块得出前方路面的实时承载能力低于安全阀值时，所述车辆报警装置声光报警。

所述发射天线与接收天线在和发射机或接收机通信时，通过有线电缆或无线方式进行数据通信。

所述探底雷达安装在车辆内部，采用LTD系列产品。

所述发射天线和接收天线分别安装在车辆外部车头左右两侧，采用空气耦合天线AL1000MHz。检测范围：天线左右各1m（即覆盖每个轮胎左右各1m的范围），前向探测范围为1-5m，可通过调整天线安装角度增大前向距离。

本发明还提供了一种路面承载能力探测方法，其步骤包括：

根据车辆结构初步确定雷达天线的安装位置；

在探地雷达中的主机控制器内安装用于采集、处理雷达信号的软件并建模；

设计与构建道路基础数据库；

形成道路承载能力动态实时识别系统；

主机控制器向发射机发出控制信号，发射机向发射天线发出指令，发射天线发射雷达电磁信号；

接收天线接收经地面多层介质反射后的电磁信号，并传送给接收机；

接收机将电磁信号传送给数据采集模块；

数据采集模块中的数模转换模块和数据存储模块对数据进行预处理；

数据采集模块将预处理后的数据传送给数据处理模块；

数据处理模块通过分析来自地下介质的反射电磁波的动力学与运动学表征参数（如相位、振幅、频谱等），推测出地下介质的结构与物性特点，并在此基础上进行二次运算形成道路承载能力分析评价结果。

其中，所述数据处理模块中的所述道路结构数据处理模块的工作流程为：

判断是否传送来回波信号，当有回波信号传送，进行信号滤波；

确定滤波后信号的振幅，检测界面异常情况以及层界面情况；

得出各层介质传播时间及介电常数；

计算分析各层结构；

同时，对滤波后的信号进行速度测量计算，并作为计算分析各层结构的另一判据。

所述数据处理模块中的所述路面承载能力分析模块的工作流程为：

判断是否有道路结构数据处理模块传来的各层结构数据，当有结构数据传送，计算道路各层介质强度；

根据计算结果形成路面承载能力分析结果；

判断路面承载能力分析结果是否在安全范围内，并依此分别在显示模块显示或进行报警。

本发明利用道路各层介质的介电常数并不相同，差异性很大，雷达电磁波在不同层面介质中的传播规律有显著差异的特性，雷达波在各介质分界面会发生较强的反射，可根据探地雷达接收到的数据进行数据处理，根据处理后得到的图像波形的特点提取出各介质分界面的信息，另外，根据反射波的时间，可计算出距离或深度，并将上述信息实时显示在显示模块上，保证车辆的安全行驶。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的道路结构数据处理模块工作流程图；

图3为本发明的路面承载能力综合评价模块工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述：

参考图1所示，本实施例包括主要包括探地雷达1、发射天线2、接收天线3和显示模块4。探地雷达1设置在车辆驾驶室内部，包括主机控制器11、发射机12、接收机15、数据采集模块13、数据处理模块14。

发射天线2和接收天线3用于发射电磁波信号和接收反射信号。

主机控制器11用于发出控制指令；发射机12内设置有控制电路，用于向发射天线发射信号；接收机15内设置有高速采样电路，通过采样电路接收由发射天线发射并由路面反射回的信号。

发射天线2与发射机12通过通信线路相连，发射机12连接至主机控制器11的相应管脚，数据采集模块13、接收机15、接收天线3依次通过通信线路相连；数据采集模块13还与数据处理模块14、显示模块4通过总线依次相连。

数据采集模块13采集从接收天线和接收机输出的回波脉冲信号，并对该信息进行预处理；数据采集模块13包括数模转换模块16和数据存储模块17，数模转换模块16将信号从频率信号转化为图像模拟信号，数据存储模块17将数模转换模块16处理后的信号进行存储。

数据处理模块14接收数据存储模块17的数据，对数模转换后的图像信息数据进行图像处理，分析得出所需的道路结构特征；数据处理模块14包括道路结构数据处理模块18和路面承载能力分析模块19。

道路结构数据处理模块18用于对数据采集模块13传来的数据进行处理，形成道路面层结构及厚度、表面裂缝、砼层脱空、地基沉陷、平整度、构造深度等道路结构信息。

路面承载能力分析模块19对道路结构数据处理模块输出的信息进行分析、判断，并综合得出路面承载能力分析结果。

本实施例还包括车辆报警装置20，与显示模块4相连；当数据处理模块14得出前方路面的实时承载能力低于安全阀值时，车辆报警装置20声光报警。

发射天线2与接收天线3在和发射机12或接收机15通信时，通过有线电缆或无线方式进行数据通信。

探地雷达1安装在车辆内部，采用LTD系列产品。

发射天线2和接收天线3分别安装在车辆外部车头左右两侧，采用空气耦合天线AL1000MHz。检测范围：天线左右各1m（即覆盖每个轮胎左右各1m的范围），前向探测范围为1-5m，可通过调整天线安装角度增大前向距离。

本发明的路面承载能力探测方法，其步骤包括：

根据车辆结构初步确定雷达天线的安装位置；

在计算机中安装用于采集、处理雷达信号的软件并建模；

设计与构建道路基础数据库；

形成道路承载能力动态实时识别系统。

参考图2和图3，所述数据处理模块中的所述道路结构数据处理模块的工作流程为：

判断是否传送来回波信号，当有回波信号传送，进行信号滤波；

确定滤波后信号的振幅，检测界面异常情况以及层界面情况；

得出各层介质传播时间及介电常数；

计算分析各层结构；

同时，对滤波后的信号进行速度测量计算，并作为计算分析各层结构的另一判据。

所述数据处理模块中的所述路面承载能力分析模块的工作流程为：

判断是否有道路结构数据处理模块传来的各层结构数据，当有结构数据传送，计算道路各层介质强度；

根据计算结果形成路面承载能力分析结果；

判断路面承载能力分析结果是否在安全范围内，并依此在显示模块显示并进行报警。

本发明的工作原理为：发射天线向地下发送的电磁波中，直接到达接收天线的耦合波与在空气与路面分界面直接反射回来的直达波可用来判断时间零点，作为地下目标体深度的判断参考依据。另一部分电磁波进入地下，在地下介质中传播，当遇到存在电性差异的地下目标体（如空洞、水囊及疏松等）或不同媒质界面时，电磁波将被反射或透射，反射地面的电磁波被接收天线所接收。沿测线方向每一点取样，连续接收反射电磁波信号，按几何关系排列并将信号放大、数位化后传送并存储于主机中，经数据处理软件处理后可得到路面承载能力判定结果在显示屏上加以显示。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种路面承载能力实时探测系统，主要包括探地雷达（1）、发射天线（2）、接收天线（3）、显示模块（4）等，其特征在于，

所述发射天线（2）和接收天线（3）用于发射电磁波信号和接收反射信号；

所述探地雷达（1）包括主机控制器（11）、发射机（12）、接收机（15）、数据采集模块（13）、数据处理模块（14）；

所述主机控制器（11）用于发出控制指令；所述发射机（12）内设置有控制电路，用于向所述发射天线发出控制指令；所述接收机（15）内设置有高速采样电路，用于采集接收天线接收到的路面发射频率信号；

所述发射天线（2）和发射机（12）通过通信线路相连，所述主机控制器（11）、数据采集模块（13）通过相应管脚相连，所述接收机（15）、接收天线（3）通过通信线路相连；所述数据采集模块（13）还与数据处理模块（14）、显示模块（4）通过总线相连；

所述数据采集模块（13）用于采集所述接收天线（3）和接收机（15）输出的回波脉冲信号；所述数据采集模块（13）包括数模转换模块（16）和数据存储模块（17）；

所述数模转换模块（16）将信号从频率信号转化为图像模拟信号，所述数据存储模块（17）将数模转换模块（16）处理后的信号进行存储；

所述数据处理模块（14）接收数据存储模块（17）的数据，对数模转换后的图像信息数据进行图像处理，分析得出所需的道路结构特征；数据处理模块（14）包括道路结构数据处理模块（18）和路面承载能力分析模块（19）；

所述道路结构数据处理模块（18）用于对数据采集模块（13）传来的数据进行处理，形成道路面层结构及厚度、表面裂缝、砼层脱空、地基沉陷、平整度、构造深度等道路结构信息；

所述路面承载能力分析模块（19）用于对所述道路结构数据处理模块（18）输出的信息进行分析、判断，并综合得出路面承载能力分析结果。

2.根据权利要求1所述的路面承载能力实时探测系统，其特征在于，

还包括与所述显示模块（4）相连的车辆报警装置（20），；当所述数据处理模块得出前方路面的实时承载能力低于安全阀值时，所述车辆报警装置声光报警。

3.根据权利要求2所述的路面承载能力实时探测系统，其特征在于，

所述发射天线（2）与接收天线（3）在与所述发射机（12）或接收机（15）通信时，通过有线电缆或无线方式进行数据通信；

所述探地雷达（1）安装在车辆内部，采用LTD系列产品；

所述发射天线（2）和所述接收天线（3）分别安装在车辆外部车头左右两侧，采用空气耦合天线AL1000MHz。

4.一种路面承载能力实时探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据车辆结构初步确定所述雷达天线（1）的安装位置；

建立权利要求1-3所述的路面承载能力实时探测系统；

在所述探地雷达（1）中的主机控制器（11）内安装用于采集、处理雷达信号的软件并建模；

设计与构建道路基础数据库；

通过所述主机控制器（11）向发射机（12）发出控制信号，发射机（12）向发射天线（2）发出指令，发射天线（2）发射雷达电磁信号；

所述接收天线（3）接收经地面多层介质反射后的电磁信号，并传送给接收机（15）；

所述接收机（15）将电磁信号传送给数据采集模块（13）；

所述数据采集模块（13）中的数模转换模块（16）和数据存储模块（17）对数据进行预处理和储存；

所述数据采集模块（13）将预处理后的数据传送给所述数据处理模块（14）；

所述数据处理模块（14）通过分析来自地下介质的反射电磁波的动力学与运动学表征参数（如相位、振幅、频谱等），推测出地下介质的结构与物性特点，并在此基础上进行二次运算形成道路承载能力分析评价结果；

所述所述数据处理模块（14）将分析评价结果传送至所述显示模块（4）进行显示；

所述显示模块（4）在分析评价结果不满足车辆安全行驶条件时触发报警，使所述车辆报警装置（20）报警。

5.根据权利要求4所述的一种路面承载能力探测方法，其特征还在于，

所述数据处理模块（14）中的所述道路结构数据处理模块（18）的工作流程为：

判断是否传送来回波信号，当有回波信号传送，进行信号滤波；

确定滤波后信号的振幅，检测界面异常情况以及层界面情况；

得出各层介质传播时间及介电常数；

计算分析各层结构；

同时，对滤波后的信号进行速度测量计算，并作为计算分析各层结构的另一判据；

所述数据处理模块（14）中的所述路面承载能力分析模块（19）的工作流程为：

判断是否有道路结构数据处理模块传来的各层结构数据，当有结构数据传送，计算道路各层介质强度；

根据计算结果形成路面承载能力分析结果；

判断路面承载能力分析结果是否在安全范围内，并在显示模块（4）中显示。