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第二章公路工程中的雷达检测技术
第一节雷达检测概述
雷达无损检测是一种高新技术。雷达技术用于路基路面物理力学指标的无损检测开始于
20 世纪 80 年代后期,欧、美最早应用,到我国应用的时间大约在 90 年代初。目前,这种
技术用于路基路面检测也只是刚刚开始。雷达检测技术实质上是一种特高频电磁波发射与接
收技术。它与地震波不同,地震波是在锤击或小量炸药引爆情况下所产生的一种振动辐射波,
一般具有低频性质(频率大致在数百赫的声频范围),而雷达波由自身激振产生,直接向路
基路面中发射射频电磁波,通过波的反射与接收获得路基路面的采样信号,再经过硬件与软
件及图文显示系统,得到检测结果。雷达所用的采样频率一般为数 MHz 左右,而发射与接
收的射频频率有的要达到 GHz 以上。射频电磁波的产生是依靠一种特制的固体共振腔获得,
正好像微波的获得依赖于晶体同轴共振腔一样。雷达波虽然频率很高,波长很短,但毕竟也
是一种波,因此,该种电磁波也遵守波的传播规律,即也有入射、反射、折射与衰变等传播
特点,人们正是利用这些特点,为工程质量监控服务,达到无损、快速、高精度的检测要求。
美国是雷达检测技术的发源地,世界上第一个公路型探地雷达(SIR—10H 地质雷达)
于 1994 年由美国发明。美国劳雷工业公司所推出的一批雷达检测设备的检测精度很高,当
无取芯标定时,沥青面层检测误差为±5%~±8%,非粘结层路面为±5%~±10%。雷达检
测设备有两种,一种是便携式,宜于野外与局部检测,另一种是车载式,适合于高速、大面
积检测。雷达应用于公路质量监控的时间不长,目前只局限于高等级公路路面厚度、路基空
洞、缺损与路面含水量等的监测。根据我国《公路工程质量检验评定标准(JTJ 071—94)》
规定,高等级公路路面面层厚度被列入质量监控项目之一。沥青面层总厚度检测绝对偏差小
于-8mm,极值-15mm,上面层为小于-4mm,极值为-8mm;水泥面层为不大于-5mm,极值
为-10mm。这样高的精度要求,目前,除了钻芯取样检查能达到以外,还没有其它无损检测
仪器能满足。国内在 20 世纪 80 年代兴起的锤击波测厚方法,由于精度稍欠,检测工作并没
有发展。而雷达技术由于精度高的独特长处,能满足测量误差要求,更能适应公路无损测厚
技术的要求。雷达检测技术由于具有无损、快速、简易、精度高的突出优点,因此,作为公
路工程施工质量监控,特别是高等级公路施工的质量监控以及养护具有宽广的应用前景。
第二节公路工程雷达检测基本原理
雷达是一种宽带、高频电磁波,一般频幅为 100~1000MHz,频率自激产生,穿透能力很
强。当由振源产生脉冲电磁波,并由天线定向成一定角度向路基路面发射时,波的一部分在
第一界面(路面与空气界面)反射,另一部分向下穿透。由于空气的介电常数为 1,而路基路
现代道路交通测试技术面的材料介质介电常数均大于 1,有的大得较多,因而,穿透波的大部分能量被该种材料吸收,
同时,波在其中产生折射,折射角小于波的入射角。当折射波碰到第二界面(面层与基层界
层)时,波的一部分在界面反射,穿过面层到空气,成为波的一次小循环。另一部分继续向
下,穿透界面到基层,一部分能量损耗于该层,同时,产生折射,折射角大小与否,主要决
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定基层的介电常数,当基层的介电常数大于面层的介电常数时,折射角小于面层至基层的入
射角,但当介电常数小于面层的介电常数时,则折射角大于面层的入射角。电磁波折射后,
又碰到第三界面(基层与路基界面),同样,波一部分向上反射,并穿透面层到空气,成为波
的一次中循环。同理,波的另一部分继续向下,穿透界面到达底基层,折射角的大小,理论
上与上述相同。当路基均质无限,无异常物时,从理论上说,穿透折射波的剩余能量完全损
耗于无限体内,没有向上反射。但情况并非如此,路基中由于种种原因,包括分层压实形成
的人为界面、路基中的软层甚至异常体等,形成的异常界面,使这些区域的介电常数发生变
异,因而,入射的电磁波就在这些区域的界面处向上反射,穿透路面面层到达空气,形成入
射波的第一次大循环。
由上面的分析可以知道,雷达波与其它波一样,具有相同的传播特点与规律。其中一个
最突出的特点,就是雷达波碰到界面就要反射,上面所叙述的波的一次循环,大、中、小三
种循环状态,就体现了波的这种性质。也正是由于波的这三种状态的循环,给路基路面的物
理力学指标的检测提供了条件,雷达检测技术正是利用了电磁波在传播中的这一特性。
雷达波(脉冲电磁波)从入射到第一次小循环的旅行时间 t1 完全由仪器