道路质量的红外热成像检测现状

红外热成像技术能够直观并快速地检测物体内部的缺陷，利用整体温度差异来反映局部缺陷。使用红外热成像仪可以直观快速地检测出道路存在部分隐性病害的问题，帮助人们及早做出预防性养护。目前，红外热成像技术在其他领域的无损检测中，应用已经比较成熟，但在道路工程中的应用并不完善。相较于以往在道路工程中的其他检测方法，红外热成像技术有着直观、非接触、轻便、快捷等优势，目前在道路工程中主要应用于温度离析检测、路面脱空检测、透水率检测以及公路监控等方面。红外热成像技术的基本原理图1红外热像仪检测原理示意检测时，红外热像仪的物镜收集被测物体向外辐射的红外线能量，扫描器将能量汇集至红外探测器上，将其转化为电信号，再经过放大器和信号处理器输出反应物体表面温度场分布热像图的电子信号，最后在终端显示器上显示红外热像图。为了便于计算机的运算及存储，首先需要将图像数字化，其基本单位为像素，像素亮度以灰度表示，分为256阶。图像处理就是将图像的灰度分布视为一连串整数的集合，经过一系列运算之后进行特定的分析加工处理，与此相关的研究内容甚多，包括图像的模数转化、图像的表示与描述、图像特征比对等。图像特征比对的目的是使具有相同或相似特征的物体产生关联，以便于图像的辨认和分类，比对时，将物体的特征与计算机中预存的原型对比，若相似度或者非相似度小于或大于预设阈值，则二者比对成功。黄新等通过试验研究发现，物体正面辐射的能量最大，但随着观测角度从0°～90°的变化，红外热像仪与建筑的距离逐渐增大，大气透过率随之减小，红外热像仪接收到的能量也逐渐减少，这样便会导致测温结果产生误差，从而降低图像的利用价值。经过研究发现，当仰角在45°之内，且水平倾角在30°内时，拍摄观测到的图像最清晰，利用价值最高。虽然现在已知的红外热成像仪的检测方法已经有了很大的进步，但就目前技术手段来说，数据处理仍然不是很精确，MASER等通过建立简单的物理模型，以及对这些模型进行参数化研究来校验红外热像仪的数据，并将其作为解释各种条件下的信号响应的有效手段。红外热成像仪在道路工程中的研究目前，我国针对各类路面病害的检测方法有很多种，且各有优劣。红外热像仪以其便捷、较快速、无损的检测特性，能够高效准确地检测、监测路面病害情况，提高道路工程的施工质量。检测温度离析温度离析是指由于沥青混合料摊铺温度不均引起的路面质量差异，严重离析的路面寿命甚至能减少50%。一些常见的路面早期病害，如局部严重辙槽、裂缝、局部泛油、坑槽、唧浆、表面破损、松散、新铺沥青混凝土路面的构造深度不均等，这些病害均与温度离析有关。沥青混凝土在摊铺过程中有一定的温度限制，温度偏低，会导致沥青不易压实；温度过高，则沥青容易老化。为了改善路面施工质量，减少早期病害的出现，必须减少温度离析的发生。因此，在施工过程中对混合料的温度进行实时检测是很有必要的。用红外热成像仪检测温度离析具有天然的优势，红外热像仪通过确定最佳拍摄距离，对沥青混合料施工出站和进场、摊铺作业等各个环节进行温度检测，判断沥青混合料在施工作业过程中的温度离析情况。在研究中提出了温度离析度的概念，温度离析度是评价沥青混合料温度离析的重要指标，涵盖了温差和低温区域的面积，并考虑了沥青混合料的最低碾压温度。通过研究得出:沥青混合料碾压温度越高，密度越大，空隙率越小;沥青混合料温度变化越大，温度离析越严重，其密度、空隙率指标就越低。另外值得一提的是，红外热成像仪只局限于检测路面表面温度，路面内部温度需要现场实测。通过运料、摊铺、碾压3个过程中沥青混合料温度红外检测的试验研究，得出温度离析在不同过程中经常出现的位置，并针对不同类型的温度离析提出改善温度离析的方案。研究表明，用红外热像仪可以准确测量出发生在卸料车上、摊铺机进料口处、摊铺机螺旋布料器大轴后的温度离析，并且准确找出路面温度离析的区域，从而采取相应的措施加以改善。利用有限元研究方法对路表温度场进行数值模拟，确定了路表温度场的变化规律，以及缺陷形状与表面温度场分布的初步定性关系，并用红外热像仪探测路表温度场，证明了红外检测的可行性。采用红外热成像技术和方差分析统计方法研究了沥青路面检修孔处温度变化的差异，结果显示，在检修孔和非检修孔处的沥青混凝土温差为24～58℃，表明红外热成像技术可以根据沥青混凝土的温度均匀性来衡量路面施工质量，为路面施工与检测、监测提供了一种快速、经济的解决方案。研究发现，在潮湿、下雪或结冰的路面条件下，红外热像仪的地表温度读数比传统的地面传感器获取的数据更可靠，并通过检查车轮轨道间的温度如何不同于参考的干燥路面条件来检测道路状况的变化。目前，沥青混合料温度离析的检测方案仍有很多种，但采用红外热成像仪对沥青混合料生产及沥青路面施工过程中的温度进行追踪检测，可以直观反映出沥青混合料在生产、施工过程中的温度变化以及温度离析情况，并能快速、无损地检测出温度离析发生的位置，对路面质量的控制有较大的研究意义。检测脱空病害沥青混凝土路面的脱空现象是常见危害，其指的是路面结构层的不连续接触现象，通常表现为因混凝土面层与路基或沥青层之间的分离而产生的空隙。同时，脱空的存在也是沥青混凝土路面产生其他病害的诱因之一。大量的理论和试验证明，运营中的沥青混凝土路面，其基础的局部脱空现象是客观存在的，特别是沥青混合料修筑的水泥混凝土路面。且根据道路试验观测结果证明：在水泥混凝土路面缝边、板脚处，由于唧泥所引起的水泥混凝土板下脱空现象大量存在。由此可以推断在沥青混凝土路面同样会出现类似情况。沥青混凝土路面板底脱空带来的影响十分严重，沥青混凝土路面板脱空时的受力状态与悬臂板结构类似，在运动荷载作用下会产生过量的挠曲变形和拉应力，而降低路面的疲劳寿命，使路面被迫过早地进行维修或重建；其次，沥青混凝土路面板底脱空后，路面板错台和断裂等病害会相继出现，从而造成病害路面车辆行驶质量不佳，严重损耗车辆，并使运输成本增加，有时甚至会诱发严重的交通事故。目前，使用红外热成像技术在沥青混凝土路面检测的实例并不多见，但红外热成像技术在检测其他方面的脱空病害时已经进行了许多试验，图2为红外热成像脱空检测的结果，说明其可以应用在沥青路面的检测中。图2红外热成像脱空检测结果用红外热成像法检测脱空，检测时，钢筋混凝土面板和垫料层的热导率远比空气介质的高，根据热传导性能的差异，可以根据升温、降温的快慢来判断是否脱空，所以用红外热成像技术检测脱空病害存在着良好的物理条件；并且还提到该方法同样可以应用于公路、铁路、水电等混凝土施工项目的质量检查中,推广应用前景广阔。采用红外热成像检测法检测路面脱空，并通过钻孔校验试验证实了红外热像与混凝土路面结构底部结构状况之间具有一定的相关性，体现了红外热成像仪检测脱空病害的可行性。当该技术成功应用于高速公路旧路面改造工程中时，可准确地对混凝土路面脱空进行探测，提高工作效率。在最佳试验条件和环境条件下，使用被动热激励的红外热成像仪能够有效地检测出所有浅层脱层缺陷，并可以确定浅分层缺陷的区域范围，KEE等研究发现，夜间冷却效应可用于检测浅层和深层分层，比白天加热效应的图像更为清晰，并且红外数据没有具体的标准限制，因为数据在一定温度范围内是可变的。通过研究得出：与以视觉直观检查(VI)为主的传统无损检测方法相比，红外热像仪利用遥感和数据处理技术，以混凝土表面温度对比的形式得到桥面分层图；探地雷达以短暂脉冲电磁能量为媒介探测混凝土桥面腐蚀位置和程度，得出状态图。两者结果具有较好的一致性，从而证明了红外热像仪的有效性及良好的发展前景。通过对数据进行数学处理和迭代试验，并结合有限元模型模拟计算，得出一种较为符合当前红外热成像测量数据阈值分析处理的方法。这种方法可以较为直观地检测出1.27～2.54cm深度的混凝土板的分层区域。值得一提的是，分层区域的边界条件会影响分析数据的准确性，但在真实环境中可以忽略，尽管该方法具有一定的局限性，但是对于实现红外热成像数据的自动分析以及监测检测分层区域的效率提升上有很大帮助。利用红外热像仪对深埋隧道的低鼓缺陷展开分析，并通过对隧道断面变形的监测提出微斜巷道低鼓的破坏机理。用红外热成像法检测路面脱空病害的基本原理为：在阳光照射下，面板吸收来自阳光的辐射热量，存在脱空的面板区域的空气热传导性能差，温度升高较快，非脱空区的面板的热量易向坝体深部传导，温度升高较慢；在夜间，不论是脱空区还是非脱空区，其白天吸收的热量通过面板向空气辐射，面板温度下降；脱空区面板下层空气热传导率低，不易得到坝体热量补充而使该部位温度相对较低；非脱空区的面板由于其下的垫层料热传导率比空气的高，更易得到坝体热量补充而使该部位温度相对较高。红外热成像技术在检测路面脱空上，有着热导介质等天然的物理条件，目前有研究者正在利用一些有损检测方法来验证无损检测方法的准确性，种种现象证明红外热成像技术在道路工程上有着广阔的应用前景。检测沥青透水性沥青路面在使用过程中，地表水由裂缝或空隙自然渗入，又或是因某些其他因素被动进入路面结构。由于这些渗入水的存在，集料表面沥青会发生乳化或剥离现象，会使沥青混合料结构松散，甚至形成更为严重的唧浆和坑槽病害。路面渗水若不被及时发现，则会加快功能性病害向结构性病害的发展，因此，在早期快速准确地检测和评价沥青路面的透水性也就至关重要。目前，一些学者通过研究空隙率、渗水系数与表面温度差的关系，得出沥青路面的透水性与表面温差具有较好的相关性，这为用红外测温技术评价路面的透水性提供了理论依据。通过分析路表温度场与透水性的相关性，开发了一种沥青路面透水性红外差热检测仪，得出通过用红外测温技术检测路面温度差异，进而评价沥青路面透水性是可行的。用红外热成像技术进行检测，可以对路面的透水性进行识别和评价，对阻止路面的进一步恶化具有重要意义。高速公路监控中的应用红外热成像技术在道路工程中应用广泛，除对道路的施工、养护等有检测作用外，在道路日常监控中也有巨大的用处。在晴朗的白天，普通监控系统足以应对道路中的监控，但在有雨、雪、霾等天气及光线较弱的夜间就无能为力。红外热成像技术可排除外界自然环境的影响，其利用红外探测器，将道路上行驶的目标与背景转化成灰度图像坐标系，通过灰度值的大小反应视觉场中的信息。场景中行人、动物等生物的辐射温度要比物体的辐射温度高，成像的灰度也相对较高，图像中呈现的背景较亮；辐射的温度越低，成像的灰度越小，图像中呈现的背景越暗。根据此原理设计了基于车载红外夜视仪的道路行人检测与识别方法，能得到同一时空的目标与背景在灰度图像坐标系的相对位置，再利用灰度差异进行一些前期处理，就可对目标进行识别，并可在危险距离内对司机发出警报。该研究扩大了司机的行驶视野、能对潜在危险进行预警，在提高汽车辅助安全驾驶性能方面有着一定的实用价值和重要理论意义。在车辆辅助驾驶中提到，将红外热成像技术和微光技术相结合，利用机械设计和光学设计，将红外热成像仪固定在车辆表面，经过电路处理将视频输出到液晶显示屏上，司机可通过液晶显示屏的道路图像辅助驾驶，并且使用时避免了头盔式微光夜视仪需戴在头上的缺点，克服了长期使用产生疲劳的问题。红外热成像技术应用于高速公路的监控，具有监控质量不受自然环境影响的优势，能更好地对高速公路进行实时监控，提高驾驶安全系数，对保障驾驶员、乘客以及行人的生命财产安全具有非常重要的意义。结语与展望1红外热成像仪可以精确直观地检测出沥青路面施工摊铺过程或者转运混合料过程中发生温度离析的地方，从而帮助人们采取措施预防早期危害的发生。2红外热成像同样能直观地检测出路面发生脱空危害的部位，能很好地遏制因脱