机场刚性道面脱空雷达探测模型研究

祝宣艺、孙子月、李洋、郭臣、刘知昊、邢柏熙

摘要 ：目前机场道面的脱空测试主要采用重锤式弯程仪进行测试评估，但该仪器只能实现点测，对场道的整体脱空检测代表性不高。探地雷达可以实现对道面的连续检测，目前在道面检测中使用的频率较高，主要用来探测道面板底脱空及下部地基变形空洞等病害，但雷达图谱识别分析方面存在较大问题，未有成熟的可对比性雷达探测判别模型，从而使雷达探测结果的可靠性存疑。

本项目立项目标在于针对混凝土道面板下部的不同脱空程度及病害情况，进行雷达电磁波探测仿真建模试验，通过比对不同的雷达探测图谱，建立刚性道面雷达探测的有效比对模型及量化分析模型。为机场道面板的病害脱空雷达检测提供参考依据。

关键词：道面脱空，仿真模拟，图谱，病害

正文

1、项目目标：

针对混凝土道面板下部的不同脱空程度及病害情况，进行雷达电磁波探测仿真建模试验，通过比对不同的雷达探测图谱，建立刚性道面雷达探测的有效比对模型及量化分析模型。为机场道面板的病害脱空雷达检测提供参考依据。

由于现在人们出行需求的日益加大，机场的规模数量也在不断加大，机场跑道作为机场的一个重要组成部分，在使用时期将会经历许多的磨损，以及很多的道面病害情况。基于这个大情况，项目主要研究道面的脱空情况，并在此基础上做一些延伸研究道面其他病害情况，使得机场方面针对道面问题能够做出更快更准确地认识，从而加快道面维修进度。

2、项目主要研究内容：

目前机场道面脱空测试主要采用重锤式弯程仪进行测试评估，但该仪器只能实现点测。探地雷达可以实现对道面的连续检测，用来探测道面板底脱空等病害，但雷达图谱识别分析方面未有成熟的可对比性雷达探测判别模型。项目针对混凝土道面板下部的不同脱空程度及病害情况，进行雷达电磁波探测仿真建模试验，通过比对不同的雷达探测图谱，建立刚性道面雷达探测的有效比对模型及量化分析模型。为机场道面板的病害脱空雷达检测提供参考依据。机场刚性道面由于重复载荷等原因会出现会出现板底脱空，需进行脱空测试。目前测试主要采用重锤式弯程仪，但该仪器只能实现点测，对其整体脱空检测代表性低。探地雷达能实现对道面的连续检测，多用来探测道面板底脱空及下部地基变形空洞等病害，但目前未有成熟的可对比性雷达探测判别模型。

3. 项目过程：

使用不同水胶比制作成物理性质不完全相同的混凝土道面板，将其进行养护后，使用砂土，气球，海绵等模拟道面病害情况，同时插入应变片，以便更加细致的研究并使用探地雷达进行探测，得到其相关波谱图。

图1 道面病害模拟 图2脱空病害的雷达图谱及波形图

探地雷达发射天线向地下发射高频脉冲电磁波，经过地层或目标体反射后被接收天线接收从而可根据各项参数即介电常数、电导率、电磁波速度来求得反射深度，即病害位于地下的深度。在本模型的搭建中空气的电导率取0s/m,相对介电常数取如下表

介质名称	电导率（s/m）	相对介电常数ε	电磁波速度（m/ns）
空气	0	1	0.3
纯净水	0.01	81	0.033
土壤（干）	0.001-0.01	3-5	0.13-0.18
土壤（含水率20%）	0.01	10	0.095
混凝土	0.1-1	4-10	0.095-0.15

图9为道面板剖面模型，上层为道面板模型，下层为土基模型。并将脱空处填充介质参数调整为与空气层相同的参数（后续还可以将其改为水、砂土等其他介质参数实现更多元化的情况）。参数变化会导致介电常数发生变化从而改变实验数值。脱空样式设计为半圆形，均在道面板底部处，将其位置、大小进行更改。

图3 模拟实验模型图 图4 模型对应波形图

在基于仿真模拟实验基础上我们结合实际探地雷达图像特征而得到相关结论，实际探地雷达图像特征数据，将这些数据图片资料导入软件。数据处理时我们使用计算电磁波衰减率来判断脱空的程度以及估算其脱空体积。衰减率＜30%视为轻度，30%—45%视为中度，＞45%视为重度。且尺寸的变化会导致电磁波谱图峰值的变化，将绿线和蓝线的差值视为衰减值，衰减值与峰值的比值则为衰减率，故可以通过衰减率来估算脱空体积的大小。

3. 软件制作：

利用COMSOL Multiphysics仿真软件，选择射频模块下的“电磁波瞬态”研究来进行仿真模拟。将仿真得到的数据整合后输入进软件数据库中，使用者通过输入雷达探测波谱图中的峰值，软件自动判断该处脱空的程度为何种，轻度则会显示绿色，中度则会显示橙色，重度则会显示红色。再根据数据库中脱空体积数据估算探测道面的脱空体积。从而使使用者较为准确地对道面进行修补和后期维护工作。

使用者将雷达扫描道面后所得到的波谱图进行一定的图像分析后可以将图像中的峰值点输入（即电磁波初始值），再将其波峰之间的差值输入（即电磁波剩余值），软件会自动对应出脱空的程度，且将脱空的体积显示。

3. 创新特点：

探地雷达可以实现连续状态测试，测试范围覆盖率为100%，但未有成熟的可对比行雷达探测辨别模型，本次项目针对混凝土道面板下部的不同脱空程度及病害情况，进行雷达电磁波探测仿真建模试验，通过比对不同的雷达探测图谱，建立刚性道面雷达探测的有效比对模型及量化分析模型，从而增加雷达探测结果的可靠性。

目前雷达测试结果对脱空的量化分析不足,需依托面波测试与映像测试结果对脱空测试结果进行有效验证，本项目舍弃传统重锤式弯沉仪，以探地雷达做测试，分析不同病害状态和同种病害不同程度状态的雷达测试数据，建立有效对比模型及量化分析模型，减少对面波测试与映像测试的依赖。

3. 应用前景：

本产品具有全新的创意、较强的实用性和简便的操作界面，测试效果以及软件维护等方面成本较低，具有较好的发展前景。

在实验的支撑下我们可以获取大量的数据，通过对数据进行公式化分析我们可以得到道面其他病害的情况，如坑洞、裂缝、脱空等。（这还需要后续更多仿真实验基础）且通过我们的分析可以将病害数据化可知坑洞的大小、裂缝的深宽、脱空的体积。为道面的修复提供了有力的帮助，并且在病害数据化的情况下我们在进行维护的时候可以更加的快速，可以选择更恰当的材料以及材料的用量。在后续更加深入的开发下该软件可以适用的范围将更加广泛精确。