冻土道路沉陷变形区域含水量检测方法与装置

本发明属于冻土检测，尤其涉及一种基于机载激光测距仪和合成孔径雷达的冻土道路沉陷变形区域含水量检测方法与装置。

背景技术：

1、多年冻土退化引起的道路工程质量问题在青藏高原频发且危害较大，特别是反复冻融作用下路基土与结构强度显著降低，承受行车动荷载道路开始出现连续沉陷、滑移和不均匀变形，严重影响公路通行能力和行车舒适性。在气温不断上升和人类活动增加的影响下，这一病害现象的严重程度还在不断加深。

2、然而，冻土地区道路工程病害发生具有明显的渐进性和隐蔽性，这给工程病害的准确检测带来了技术挑战。冻融沉陷病害的主要成因是路基结构内水汽迁移和相变过程，包括孔隙水流动、冻结成冰与融化，造成局部路基土含水量增大，在行车动荷载下快速软化并造成路面路基沉陷。因此，检测冻融引起的道路沉陷变形核心是需弄清路基内部含水量、含冰量的动态分布与演变规律，才能进一步提出并制定科学的处治措施。现阶段，路基内部检测主要依赖挖样取芯、静力触探、电阻率探测等有损或无损方法，但上述方法普遍存在检测速度慢，成本高，精度低，操作复杂，功能单一，无法高效获取土中含水量或含冰量分布情况。

3、随着计算机与互联网技术快速发展，雷达设备因检测无损和易于建立波形参数与土层信息关联性等优点，开始应用于冻土地区道路性能检测。可以预见，开发一套更高效、更精确、更经济且适用于数百公里长度路段病害检测技术与检测设备，获得冻融沉陷变形量与路基含水量或含冰量分布之间的内在关系，对准确揭示沉陷变形成因、发现沉陷变形规律，并为制定冻土地区道路养护与病害处治方案具有重要的指导价值。

4、基于此，公开号为cn209372622u的专利文献公布了一种公路路基含水量检测装置，其主要是通过电加热技术处理路基土并计算含水率指标，但使用该装置不仅需现场采样，破坏路基结构，而且经过扰动的试验土与原状土性质之间存在显著区别，加热处理无法获得土中孔隙冰的分布特征，导致检测准确性不高。公开号为cn217210842u的专利文献提供了一种利用道路扫描拍摄方法实现路基沉降变形检测技术，根据扫描拍摄的里程、速度和时间等运动参数，可获得道路沉陷位置和变形量；虽然采用了无损检测方式，不会对原道路造成损坏，但检测探头只能扫描沉陷病害表面，无法得知沉陷路段的内部情况；另外，该装置在检测过程中需关闭交通、机动性较差，很难满足远距离的道路检测作业。公开号为cn218037338u的专利文献公布了一种基于探地雷达技术的道路病害检测装置，相比传统的探地雷达仪器，该装置加强了抗震性能，不仅有效避免检测设备受损，而且降低振动产生的测量误差；但是其检测核心器件仍是常规的探地雷达，通过图像处理虽然能分析道路变形特征，但无法明晰路基土体内部含水量或含冰量的分布情况，检测准确性不高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种冻土道路沉陷变形区域含水量检测方法与装置，以解决传统检测技术无法明晰路基土体内部含水量或含冰量，导致检测准确性不高的问题。

2、本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种冻土道路沉陷变形区域含水量检测方法，包括以下步骤：

3、构建电磁波后向散射系数与土体体积含水率之间的关系模型；

4、确定待检测路面的沉陷变形区域；

5、向所述沉陷变形区域发射电磁波，接收到反射的回波信号，对所述回波信号进行处理，得到后向散射系数；

6、根据所述后向散射系数与所述关系模型计算出沉陷变形区域的土体体积含水率。

7、进一步地，构建电磁波后向散射系数与土体体积含水率之间的关系模型，具体包括：

8、构建电磁波后向散射系数与不同路基深度处的路基土介电常数之间的第一关系式，具体为：

9、

10、其中，σpq(z)为路基深度z处的电磁波后向散射系数，λ为入射波长，n为高程采样点数量，hi为第i个高程采样点的表面高度，为n个表面高度hi的平均值，θ为电磁波的入射角，ε(z)为路基深度z处路基填料的介电常数，为表面自相关函数的一阶粗糙度谱；

11、构建不同路基深度处的土体体积含水率与路基土介电常数之间的第二关系式，具体为：

12、ε(z)＝mβ(z)+n

13、m＝εω-εα

14、

15、其中，m、n均为中间变量，β(z)为路基深度z处的土体体积含水率，εω为水介电常数，εα为空气介电常数，εs为土颗粒介电常数，为土的孔隙度；

16、根据所述第一关系式与第二关系式，构建电磁波后向散射系数与土体体积含水率之间的关系模型，具体为：

17、

18、

19、其中，k为波数。

20、进一步地，所述确定待检测路面的沉陷变形区域，具体包括：

21、获取待检测路面的高程数据；

22、根据所述高程数据生成待检测路面的高程曲线；

23、将所述高程曲线与待检测路面的原始高程数据进行比较，确定沉陷变形区域；或者，将所述高程曲线与设定的高程阈值进行比较，确定沉陷变形区域。

24、进一步地，所述检测方法还包括根据计算出的土体体积含水率判断沉陷变形成因，具体为：

25、当计算出的土体体积含水率高于冻土道路正常服役期间的土体体积含水率时，判定沉陷变形由冻融循环造成。

26、基于同一构思，本发明还提供一种冻土道路沉陷变形区域含水量检测装置，包括地面数据接收与计算模块、无人机以及设于所述无人机上的激光测距模块、数据传输模块、射频模块和sar信号处理模块；

27、所述激光测距模块，用于无人机沿待检测路面飞行时采集待检测路面的高程数据，并将所述高程数据通过数据传输模块发送给地面数据接收与计算模块；

28、所述射频模块，用于无人机在沉陷变形区域飞行时向沉陷变形区域发射电磁波，并接收反射的回波信号；

29、所述sar信号处理模块，用于对所述回波信号进行处理与转化，得到数字量信号，并将所述数字量信号通过数据传输模块发送给地面数据接收与计算模块；

30、所述地面数据接收与计算模块，用于根据接收到的高程数据确定待检测路面的沉陷变形区域；以及用于对接收到的数字量信号进行解析，得到sar图像数据；根据所述sar图像数据得到后向散射系数；根据所述后向散射系数与预存的电磁波后向散射系数与土体体积含水率之间的关系模型计算出沉陷变形区域的土体体积含水率。

31、进一步地，所述射频模块包括fmcw雷达，所述fmcw雷达内部集成有2个发射通道、4个接收通道、1个高级risc处理器、1个dsp处理器以及低分电压差分信号接口。

32、进一步地，所述射频模块与所述sar信号处理模块通过能支持超高速度差分传输的sem-tec总线进行连接。

33、进一步地，在所述无人机上设有支撑立架，所述激光测距模块、数据传输模块、射频模块和sar信号处理模块设于所述支撑立架上。

34、进一步地，所述无人机的控制模块对卫星地图进行分析，拾取待检测路面的沿线坐标信息，根据所述沿线坐标信息生成第一飞行路线及其飞行模式，所述无人机基于第一飞行路线及其飞行模式沿待检测路面飞行；

35、所述无人机的控制模块根据沉陷变形区域的坐标信息生成第二飞行路线及其飞行模式，所述无人机基于第二飞行路线及其飞行模式在沉陷变形区域飞行。

36、有益效果

37、与现有技术相比，本发明的优点在于：

38、本发明利用中间变量土体混合介电常数建立了构建电磁波后向散射系数与土体体积含水率之间的关系模型，在向沉陷变形区域发射电磁波后通过对反射的回波信号进行处理，得到后向散射系数，进而基于关系模型计算出土体体积含水率，能够深入挖掘路基内部含水量信息，提高了沉陷变形区域的检测准确性，同时能够判断沉陷变形的成因或类型。