Применение аппаратуры многоракурсного георадиолокационного зондирования для определения толщины асфальтобетона

В конце июля 2019 года на опытно-экспериментальном полигоне ГК «Автодор», сотрудниками ФАУ «РосдорНИИ» были организованы сравнительные испытания георадиолокационного оборудования различных производителей. Объектами исследований были структурные слои и неоднородности дорожной одежды. Задачей всех участников было определение толщин слоев дорожной конструкции и локализация участков с признаками ее ослабления.

В эксперименте принимали участие:

• георадары серии ОКО от компании «ЛогиС» (РФ, г. Раменское),
• мультичастотный георадар от компании «Геоэксперт» (РФ, г. Белгород),
• георадар ZOND от компании «Радарные и Сейсмические системы» (Латвия),
• георадар AKULA-9000 от компании «Geoscanners AB Russia» (Швеция),
• георадар GSSI от компании «Экоинструмент» (США),
• георадиотомограф от НПО «Терразонд» (РФ, г. Москва),
• георадар ГРОТ от ООО «ТАЙМЕР» (РФ, г. Москва).

Представители НПО «Терразонд» провели геофизические исследования дорожного полотна методом многоракурсного георадиолокационного зондирования аппаратурой георадиотомографии ГРТ-22.

Подробнее о методе

Сканирование сплошных сред осуществляется с использованием антенных решеток с распределенными приемными и передающими высокочастотными (ВЧ) антеннами широкого диапазона частот для зондирования среды с разных ракурсов. Для обнаружения и локализации неоднородностей используется метод математической фокусировки и технология радара с синтезированием апертуры, при котором все зарегистрированные решеткой ВЧ сигналы суммируются в фазе для каждой задаваемой точки фокусировки с коррекцией существующего запаздывания. Таким образом фокусировка осуществляется путем последовательного суммирования принятых сигналов с выравниванием временных задержек импульсов, рассеянных точкой с заданными координатами. В принятый сигнал вносятся задержки, соответствующие суммарному времени прохождения сигнала от передатчика до объекта и обратно от объекта до приемника. После этого амплитуды сигналов, соответствующие рассчитанным задержкам, складываются. Полученный результат является точкой радиоизображения с соответствующими координатами. После проведения для каждой точки выбранного объема пространства операции фокусировки строится трехмерное радиоизображение. Операция фокусировки проводится в частотной области с применением быстрых алгоритмов обработки, что позволяет реализовывать трехмерные томограммы исследуемого пространства в режиме реального времени.

Характеристика объекта

Участок обследования протяженностью 720 м (ПК 0+00 – ПК 7+20) имеет 2 полосы движения в прямом и обратном направлении. Дорожная конструкция экспериментальных секций представлена следующими материалами:

1. Грунт земляного полотна – песчаный грунт (песок) по ГОСТ 25100-2011 с Кф ≥ 0,5 м/сут;

2. Песок Кф ≥ 2 м/сут по ГОСТ 8736-20104 (30 см);

3. Армирующая прослойка из геосинтетического материала;

4. Щебеночно-песчаная смесь непрерывной гранулометрии при максимальном размере зерен 120 мм (С-4) по ГОСТ25607-2009 (30 см);

5. Горячий крупнозернистый асфальтобетон тип Б марки II по ГОСТ 9128-2013 на битуме БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90 (6 см);

6. Горячий мелкозернистый асфальтобетон тип А марки I по ГОСТ 9128 2013 на битуме БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90 (4 см).

Конструкция дорожной одежды на участках ПК 0+40 – 1+40 (100 м), а также ПК 3+80 – 7+20 содержит геосинтетический армирующий материал между слоем основания из щебеночно-песчаной смеси и дополнительным слоем основания из песка.

Аппаратура

Георадиотомограф ГРТ-22 (рис. 1) применяется для обнаружения и пространственной локализации объектов и неоднородностей, скрытых в различных средах (грунт, дорожные покрытия, строительные конструкции и др).

Рис. 1. Аппаратура ГРТ-22

Устройство представляет собой модульный комплекс, состоящий из блока формирования и приема ВЧ импульсов на основе ЛЧМ генератора и модуля антенной решетки. Каждый антенный модуль имеет по четыре антенных элемента для приемного и излучающего тракта, обеспечивающие 7 каналов измерения в тактированном режиме для каждого модуля. Всего можно подключить до 4-х антенных модулей, обеспечивая до 31 канала измерения в стандартном режиме. Максимальная скорость перемещения аппаратуры в процессе сканирования – до 100+ км/ч.

Программируемая коммутация позволяет проводить измерения в режиме общей средней точки (ОСТ) для последующего расчета скорости прохождения сигнала в слое. При этом используются два варианта коммутации, осуществляющих зондирование общей точки разными по удаленности парами приемной и передающих антенных элементов. При активации режима ОСТ включаются три дополнительных канала измерения для одного антенного модуля.

Полевые работы и результаты

Исследование дорожного полотна проводились по двум профилям, в прямом и обратном направлении сканирования. Шаг опроса решетки был выбран равным 28 мм. Процесс измерений фиксировался на видеокамеру. Позиционирование аппаратуры производилось с помощью встроенного GPS приемника, а также развернутой системой RTK GNSS в кинематическом режиме.

Перемещение аппаратуры в процессе сканирование осуществлялось на скорости до 15 км/ч с использованием гироскутера. Время сканирования профиля в одну сторону заняло около 5 минут, при этом в процессе измерения одного профиля было собрано 15 радарограмм с ~25400 трасс в каждой.

Рис. 2. ГРТ-22 в процессе сканирования на полигоне

Результаты исследований многоракурсной георадиолокации представлены в итоговом отчете в виде дорожных карт, распределений интенсивности изменения верхних и нижних слоев, а также обработанных и необработанных радарограмм. Дорожные карты и зоны распределения интенсивности разбиты на отрезки по 15 м.

Рис. 3. Вариант первичной визуализации результата, как смещение во времени окна выборки с данными дорожной карты, изменения интенсивности слоев, GPS позиции, синхронизированное с видеозаписью окружающего пространства

По распределению интенсивности нижних и верхних слоев можно судить о локализации зон неоднородностей.

Дорожная карта представлена как результат вычитания среднего в выбранном окне выборки после операции суммирования трасс каждого канала по глубине и интерполяции между каналами. Для удобства анализа данных создан видеофайл с наложенным видеоизображением участка сканирования, окно выборки выбрано равным 15 м, что в представленном масштабе позволяет невооруженным глазом наблюдать форму и расположение локальных аномалий в плане.

Рис. 4. Вариант представления результата, как наложение дорожной карты на спутниковый снимок с геопространственной привязкой по RTK GNSS

Обработка радарограмм производилась в программном обеспечении GeoReader (ООО «ТИМ») с ассоциацией контрольных выработок для дальнейшего уточнения количественной информации по конструктивному слою (скорости, диэлектрической проницаемости и толщины).

Ниже приведены примеры представления данных для анализа. Полный набор данных по каждому профилю собран в приложении к отчету, который можно получить по запросу у автора статьи.

Для удобства последующего детального анализа полученные данные были наложены на спутниковые снимки открытой геоинформационной системы. Результаты с наложенными данными и координатами приемника RTK GNSS дополнительно представлены в формате .kmz (разметка на основе XML для представления трёхмерных геопространственных данных в ГИС).

Результаты работы алгоритма радиоволнового томосинтеза представлены в приложении к отчету отдельными файлами ~15-ти метровых отрезков в формате NiFti *.nii.

На рисунках 5 и 6 представлена визуализация облака точек в open-source инструментарии ParaView.

Рис. 5. Результат обработки ~15-ти метрового отрезка с применением алгоритма радиоволнового томосинтеза

Рис. 6. Представление набора из 15ти радарограмм в виде облака точек с выделением интересующих уровней интенсивности изменения сигнала для ~15-ти метрового отрезка (радарограммы после вычитания среднего)

Определение толщин слоев производилось в ПО «GeoReader» посредством специального инструментария трансформации временного разреза в глубинный.

Для анализа влияния угла размещения антенной линейки к плоскости поверхности дороги на результат обработки радарограмм были проведены дополнительные опыты. На рисунке 8 представлены результаты обработки для двух случаев.

Рис. 7. Результат интерпретации радарограммы левого профиля с применением автоматизированного алгоритма поиска границы, прямое направление (слева), обратное направление (справа)

Рис. 8. Результат интерпретации радарограммы правого профиля с применением автоматизированного алгоритма поиска границы – (слева) угол размещения плоскости антенной решетки к поверхности 15 градусов, прямое направление движения; (справа) антенная решетка размещена параллельно поверхности дороги, обратное направление

После процедуры пикетирования и построения глубинных разрезов были получены толщины слоя для всей протяженности профилей, а также в контрольных точках бурения:

ПК 1+28.6 (правая полоса) – толщина асфальтобетона равна 11,8 см.

ПК 6+54.6 (левая полоса) – толщина асфальтобетона равна 11,5 см.

Изменения толщины слоя асфальтобетонного покрытия вдоль профилей представлены в табличном файле формата .xlsx дополнительно к отчету.

Для выявления ослаблений в процессе анализа данных использовались результаты расчета по толщинам асфальтобетонного покрытия с шагом 0,5 м. Для полученных значений толщин рассчитывалось среднее, а также определились максимальные и минимальные значения. Среднее значение толщины асфальтобетона – 12 см, минимальная толщина – 9 см, максимальная – 16 см. В качестве основного критерия определения участков ослабления дорожной конструкции рассматривалось наличие резких утолщений (просадок) верхнего слоя. Таким образом были выделены участки со значением толщины выше 2 см. Далее были построены планы и трехмерные модели (.dxf) с выделением потенциально ослабленных участков различными цветами – желтый цвет соответствует толщине 13 см, оранжевый – 14 см, красный – выше 15 см).

Дополнительно анализировались изменения интенсивности в верхнем и нижним слоях, временные интервалы для которых, выбирались относительно среднего уровня нижней границы в окне выборки. На рисунке 9 показан пример результата сканирования в месте с вероятным переувлажнением (возможно изменение внутренней структуры) в области отбора керна.

Рис. 9. Визуализация результата сканирования в области вероятного переувлажнения

Примеры, приведенные на рисунках 10 и 11, демонстрируют наличие линейных неоднородностей, расположенных под разным углом при отсутствии внешних признаков изменений на поверхности асфальтобетона.

Рис. 10. Визуализация результата сканирования в месте расположения линейных неоднородностей

Рис. 11. Визуализация результата сканирования участка с изменением тренда наклона и частоты следования линейных неоднородностей

На рисунке 12 представлен результат расчета модели слоев в GeoReader (Менеджер проекта) на плане с представлением распределения диапазонов толщин слоя асфальтобетона соответственно цветовой гамме: желтый – 13 см, оранжевый

– 14 см, красный выше – 15 см.

Предполагаемые зоны ослаблений дорожной конструкции вдоль профилей представлены в табличном файле формата .xlsx дополнительно к отчету.

Рис. 12. Вариация толщин слоя асфальтобетона на плане для профилей: а) правый, направление движение вдоль профиля – обратное; б) правый, направление – прямое; в) левый, направление – обратное; г) левый, направление – прямое

На рисунках 13 и 14 представлены изменения толщины верхнего слоя по правому и левому профилям.

Рис. 13. Диаграмма изменения толщины асфальтобетона вдоль правого профиля с точками мест отбора керна

Рис. 14. Диаграмма изменения толщины асфальтобетона вдоль левого профиля с точками мест отбора керна

Для контроля тряски антенн в процессе сканирования проводилась запись параметров инерционной системы для обоих направлений движения. Средние значения мгновенных угловых ускорений относительно оси «вверх/вниз» (рис. 15) не превышают 0,2 м/c², в единичных случаях ускорения достигают 0,5 м/c² и выше.

Рис. 15. Распределение по времени значений мгновенных угловых ускорений аппаратуры в момент сканирования

На рисунках 16 и 17 представлены диаграммы распределения интенсивности сигнала верхних и нижних слоев в логарифмической шкале.

Линейное распределение суммированной интенсивности верхних и нижних слоев вдоль левого профиля представлено на рисунке 18.

Рис. 16. Распределение интенсивности сигнала верхних слоев вдоль левого профиля

Рис. 17. Распределение интенсивности сигнала нижних слоев вдоль левого профиля

Рис. 18. Распределение суммированной интенсивности вдоль левого профиля

Выводы

1. Анализ полученных данных подтвердил высокую корреляцию результатов, как при различном направлении движения сканирования вдоль профиля, так и при изменении угла размещения антенной решетки относительно исследуемой поверхности.

2. Качество радарограмм позволяет эффективно использовать средства автоматизированной обработки ПО GeoReader для выделения слоя асфальтобетона и расчета его толщины.

3. Наложение контрольных точек выемки кернов с рассчитанными глубинными разрезами показывает количественную сходимость результата измерения с априорной информацией.

5. Сопоставление видеозаписи окружающего пространства с процессом сканирования методом многоракурсной георадиолокации существенно упрощает анализ представления данных в виде «дорожной карты».

6. Анализ данных вдоль ширины антенной решетки позволяет судить о форме и размерах неоднородностей в поперечном направлении.

7. Представление результата в виде 3D томограммы позволяет существенно облегчить интерпретацию обнаруженных неоднородностей.

8. Благодаря высокоскоростной работе аппаратуры качество данных остается неизменным на скоростях до 90 км/ч.

9. Анализ результата сканирования при размещении антенной линейки под углом показывает необходимость проведения калибровки над металлическим листом для более корректного расчета АФ при первичной фильтрации данных.

10. При размещении антенной линейки под углом к сканирующей поверхности необходимо учитывать некоторое смещение результата по профилю в сравнении с результатом при положении антенн параллельно поверхности.

Заключение

В результате проведенной работы были проанализированы карты распределения уровня сигналов по ширине антенной линейки, изменения интенсивности слоев и временных разрезов. Выявлены аномалии, вызванные наличием изменений в структуре среды. Исходя из условий и возможности проведения исследований были определены границы слоев дорожной конструкции, измерены их толщины.

Характер сигнала в нижней части временного разреза свидетельствует о возможном переувлажнении нижних слоев дорожной конструкции, либо о наличии эффектов переотражения от геосинтетического материала, что также явилось фактором ограничения максимальной глубины зондирования. Расчет глубинного разреза делался с допущением об однородности верхнего сканируемого слоя, для более точного анализа необходимо также учитывать различие подстилающих оснований, оказывающих некоторое влияние на электрофизические свойства верхнего слоя.

Качество радарограмм является приемлемым для расчета толщины верхнего слоя дорожной конструкции. Для оценки эффективности метода полученные толщины слоя асфальтобетона с применением расчета глубинного разреза сопоставлены с результатами расчета по алгоритму ОСТ. Для каждой известной скважины оценены средние значения диэлектрической проницаемости и толщины, а также относительной погрешности определения толщины ∆h с учетом априорной информации, результаты расчета толщин методом ОСТ не превышают 5,5%.

Список литературы

1. Александров П.Н. / Теоретические основы георадарного метода / П.Н. Александров М.: ФИЗАТЛИТ, 2017 – 110 с.

2. Якубов В.П., Шипилов С.Э / Радиоволновая томография. Достижения и перспективы / В.П. Якубов, С.Э. Шипилов, Д.Я. Суханов, А.В. Клоков. – М.: «Издательство НТЛ», 2014 – 264 с.

3. Старовойтов А.В. / Интерпретация георадиолокационных данных / А.В. Старовойтов Учебное пособие - М.: Издательство МГУ, 2008 - 192с.

4.Кулижников А.М., Еремин Р.А / Георадиолокационный метод измерения толщин слоев дорожной одежды / А.М. Кулижников, Р.А. Еремин - М.: конф. Георадар-2019, 2019 - 40-44с.

4. Evaluation of Heavy Haulage Impact on Road Structures Barents Finland Case Study / Timo Saarenketo, Tomi Herronen, Annele Matintupa, Petri Varin, Anne PeltoniemiTaivalkoski, 2011.

5. Pavement overlay thickness evaluation using ground penetrating radar (GPR) / Dwayne Harris, A. Sammy Noureldin, Jie Shan / ASPRS Annual Conference, Denver, CO, May 23-28, 2004.

Скачать отчет НПО «Терразонд»