道路質(zhì)量的紅外熱成像檢測現(xiàn)狀

紅外熱成像技術(shù)能夠直觀并快速地檢測物體內(nèi)部的缺陷，利用整體溫度差異來反映局部缺陷。使用紅外熱成像儀可以直觀快速地檢測出道路存在部分隱性病害的問題，幫助人們及早做出預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。目前，紅外熱成像技術(shù)在其他領(lǐng)域的無損檢測中，應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但在道路工程中的應(yīng)用并不完善。相較于以往在道路工程中的其他檢測方法，紅外熱成像技術(shù)有著直觀、非接觸、輕便、快捷等優(yōu)勢，目前在道路工程中主要應(yīng)用于溫度離析檢測、路面脫空檢測、透水率檢測以及公路監(jiān)控等方面。紅外熱成像技術(shù)的基本原理圖1紅外熱像儀檢測原理示意檢測時(shí)，紅外熱像儀的物鏡收集被測物體向外輻射的紅外線能量，掃描器將能量匯集至紅外探測器上，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過放大器和信號(hào)處理器輸出反應(yīng)物體表面溫度場分布熱像圖的電子信號(hào)，最后在終端顯示器上顯示紅外熱像圖。為了便于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算及存儲(chǔ)，首先需要將圖像數(shù)字化，其基本單位為像素，像素亮度以灰度表示，分為256階。圖像處理就是將圖像的灰度分布視為一連串整數(shù)的集合，經(jīng)過一系列運(yùn)算之后進(jìn)行特定的分析加工處理，與此相關(guān)的研究內(nèi)容甚多，包括圖像的模數(shù)轉(zhuǎn)化、圖像的表示與描述、圖像特征比對(duì)等。圖像特征比對(duì)的目的是使具有相同或相似特征的物體產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，以便于圖像的辨認(rèn)和分類，比對(duì)時(shí)，將物體的特征與計(jì)算機(jī)中預(yù)存的原型對(duì)比，若相似度或者非相似度小于或大于預(yù)設(shè)閾值，則二者比對(duì)成功。黃新等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，物體正面輻射的能量最大，但隨著觀測角度從0°～90°的變化，紅外熱像儀與建筑的距離逐漸增大，大氣透過率隨之減小，紅外熱像儀接收到的能量也逐漸減少，這樣便會(huì)導(dǎo)致測溫結(jié)果產(chǎn)生誤差，從而降低圖像的利用價(jià)值。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)仰角在45°之內(nèi)，且水平傾角在30°內(nèi)時(shí)，拍攝觀測到的圖像最清晰，利用價(jià)值最高。雖然現(xiàn)在已知的紅外熱成像儀的檢測方法已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但就目前技術(shù)手段來說，數(shù)據(jù)處理仍然不是很精確，MASER等通過建立簡單的物理模型，以及對(duì)這些模型進(jìn)行參數(shù)化研究來校驗(yàn)紅外熱像儀的數(shù)據(jù)，并將其作為解釋各種條件下的信號(hào)響應(yīng)的有效手段。紅外熱成像儀在道路工程中的研究目前，我國針對(duì)各類路面病害的檢測方法有很多種，且各有優(yōu)劣。紅外熱像儀以其便捷、較快速、無損的檢測特性，能夠高效準(zhǔn)確地檢測、監(jiān)測路面病害情況，提高道路工程的施工質(zhì)量。檢測溫度離析溫度離析是指由于瀝青混合料攤鋪溫度不均引起的路面質(zhì)量差異，嚴(yán)重離析的路面壽命甚至能減少50%。一些常見的路面早期病害，如局部嚴(yán)重轍槽、裂縫、局部泛油、坑槽、唧漿、表面破損、松散、新鋪瀝青混凝土路面的構(gòu)造深度不均等，這些病害均與溫度離析有關(guān)。瀝青混凝土在攤鋪過程中有一定的溫度限制，溫度偏低，會(huì)導(dǎo)致瀝青不易壓實(shí)；溫度過高，則瀝青容易老化。為了改善路面施工質(zhì)量，減少早期病害的出現(xiàn)，必須減少溫度離析的發(fā)生。因此，在施工過程中對(duì)混合料的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測是很有必要的。用紅外熱成像儀檢測溫度離析具有天然的優(yōu)勢，紅外熱像儀通過確定最佳拍攝距離，對(duì)瀝青混合料施工出站和進(jìn)場、攤鋪?zhàn)鳂I(yè)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行溫度檢測，判斷瀝青混合料在施工作業(yè)過程中的溫度離析情況。在研究中提出了溫度離析度的概念，溫度離析度是評(píng)價(jià)瀝青混合料溫度離析的重要指標(biāo)，涵蓋了溫差和低溫區(qū)域的面積，并考慮了瀝青混合料的最低碾壓溫度。通過研究得出:瀝青混合料碾壓溫度越高，密度越大，空隙率越小;瀝青混合料溫度變化越大，溫度離析越嚴(yán)重，其密度、空隙率指標(biāo)就越低。另外值得一提的是，紅外熱成像儀只局限于檢測路面表面溫度，路面內(nèi)部溫度需要現(xiàn)場實(shí)測。通過運(yùn)料、攤鋪、碾壓3個(gè)過程中瀝青混合料溫度紅外檢測的試驗(yàn)研究，得出溫度離析在不同過程中經(jīng)常出現(xiàn)的位置，并針對(duì)不同類型的溫度離析提出改善溫度離析的方案。研究表明，用紅外熱像儀可以準(zhǔn)確測量出發(fā)生在卸料車上、攤鋪機(jī)進(jìn)料口處、攤鋪機(jī)螺旋布料器大軸后的溫度離析，并且準(zhǔn)確找出路面溫度離析的區(qū)域，從而采取相應(yīng)的措施加以改善。利用有限元研究方法對(duì)路表溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了路表溫度場的變化規(guī)律，以及缺陷形狀與表面溫度場分布的初步定性關(guān)系，并用紅外熱像儀探測路表溫度場，證明了紅外檢測的可行性。采用紅外熱成像技術(shù)和方差分析統(tǒng)計(jì)方法研究了瀝青路面檢修孔處溫度變化的差異，結(jié)果顯示，在檢修孔和非檢修孔處的瀝青混凝土溫差為24～58℃，表明紅外熱成像技術(shù)可以根據(jù)瀝青混凝土的溫度均勻性來衡量路面施工質(zhì)量，為路面施工與檢測、監(jiān)測提供了一種快速、經(jīng)濟(jì)的解決方案。研究發(fā)現(xiàn)，在潮濕、下雪或結(jié)冰的路面條件下，紅外熱像儀的地表溫度讀數(shù)比傳統(tǒng)的地面?zhèn)鞲衅鳙@取的數(shù)據(jù)更可靠，并通過檢查車輪軌道間的溫度如何不同于參考的干燥路面條件來檢測道路狀況的變化。目前，瀝青混合料溫度離析的檢測方案仍有很多種，但采用紅外熱成像儀對(duì)瀝青混合料生產(chǎn)及瀝青路面施工過程中的溫度進(jìn)行追蹤檢測，可以直觀反映出瀝青混合料在生產(chǎn)、施工過程中的溫度變化以及溫度離析情況，并能快速、無損地檢測出溫度離析發(fā)生的位置，對(duì)路面質(zhì)量的控制有較大的研究意義。檢測脫空病害瀝青混凝土路面的脫空現(xiàn)象是常見危害，其指的是路面結(jié)構(gòu)層的不連續(xù)接觸現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為因混凝土面層與路基或?yàn)r青層之間的分離而產(chǎn)生的空隙。同時(shí)，脫空的存在也是瀝青混凝土路面產(chǎn)生其他病害的誘因之一。大量的理論和試驗(yàn)證明，運(yùn)營中的瀝青混凝土路面，其基礎(chǔ)的局部脫空現(xiàn)象是客觀存在的，特別是瀝青混合料修筑的水泥混凝土路面。且根據(jù)道路試驗(yàn)觀測結(jié)果證明：在水泥混凝土路面縫邊、板腳處，由于唧泥所引起的水泥混凝土板下脫空現(xiàn)象大量存在。由此可以推斷在瀝青混凝土路面同樣會(huì)出現(xiàn)類似情況。瀝青混凝土路面板底脫空帶來的影響十分嚴(yán)重，瀝青混凝土路面板脫空時(shí)的受力狀態(tài)與懸臂板結(jié)構(gòu)類似，在運(yùn)動(dòng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生過量的撓曲變形和拉應(yīng)力，而降低路面的疲勞壽命，使路面被迫過早地進(jìn)行維修或重建；其次，瀝青混凝土路面板底脫空后，路面板錯(cuò)臺(tái)和斷裂等病害會(huì)相繼出現(xiàn)，從而造成病害路面車輛行駛質(zhì)量不佳，嚴(yán)重?fù)p耗車輛，并使運(yùn)輸成本增加，有時(shí)甚至?xí)T發(fā)嚴(yán)重的交通事故。目前，使用紅外熱成像技術(shù)在瀝青混凝土路面檢測的實(shí)例并不多見，但紅外熱成像技術(shù)在檢測其他方面的脫空病害時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了許多試驗(yàn)，圖2為紅外熱成像脫空檢測的結(jié)果，說明其可以應(yīng)用在瀝青路面的檢測中。圖2紅外熱成像脫空檢測結(jié)果用紅外熱成像法檢測脫空，檢測時(shí)，鋼筋混凝土面板和墊料層的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)比空氣介質(zhì)的高，根據(jù)熱傳導(dǎo)性能的差異，可以根據(jù)升溫、降溫的快慢來判斷是否脫空，所以用紅外熱成像技術(shù)檢測脫空病害存在著良好的物理?xiàng)l件；并且還提到該方法同樣可以應(yīng)用于公路、鐵路、水電等混凝土施工項(xiàng)目的質(zhì)量檢查中,推廣應(yīng)用前景廣闊。采用紅外熱成像檢測法檢測路面脫空，并通過鉆孔校驗(yàn)試驗(yàn)證實(shí)了紅外熱像與混凝土路面結(jié)構(gòu)底部結(jié)構(gòu)狀況之間具有一定的相關(guān)性，體現(xiàn)了紅外熱成像儀檢測脫空病害的可行性。當(dāng)該技術(shù)成功應(yīng)用于高速公路舊路面改造工程中時(shí)，可準(zhǔn)確地對(duì)混凝土路面脫空進(jìn)行探測，提高工作效率。在最佳試驗(yàn)條件和環(huán)境條件下，使用被動(dòng)熱激勵(lì)的紅外熱成像儀能夠有效地檢測出所有淺層脫層缺陷，并可以確定淺分層缺陷的區(qū)域范圍，KEE等研究發(fā)現(xiàn)，夜間冷卻效應(yīng)可用于檢測淺層和深層分層，比白天加熱效應(yīng)的圖像更為清晰，并且紅外數(shù)據(jù)沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)限制，因?yàn)閿?shù)據(jù)在一定溫度范圍內(nèi)是可變的。通過研究得出：與以視覺直觀檢查(VI)為主的傳統(tǒng)無損檢測方法相比，紅外熱像儀利用遙感和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以混凝土表面溫度對(duì)比的形式得到橋面分層圖；探地雷達(dá)以短暫脈沖電磁能量為媒介探測混凝土橋面腐蝕位置和程度，得出狀態(tài)圖。兩者結(jié)果具有較好的一致性，從而證明了紅外熱像儀的有效性及良好的發(fā)展前景。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理和迭代試驗(yàn)，并結(jié)合有限元模型模擬計(jì)算，得出一種較為符合當(dāng)前紅外熱成像測量數(shù)據(jù)閾值分析處理的方法。這種方法可以較為直觀地檢測出1.27～2.54cm深度的混凝土板的分層區(qū)域。值得一提的是，分層區(qū)域的邊界條件會(huì)影響分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但在真實(shí)環(huán)境中可以忽略，盡管該方法具有一定的局限性，但是對(duì)于實(shí)現(xiàn)紅外熱成像數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析以及監(jiān)測檢測分層區(qū)域的效率提升上有很大幫助。利用紅外熱像儀對(duì)深埋隧道的低鼓缺陷展開分析，并通過對(duì)隧道斷面變形的監(jiān)測提出微斜巷道低鼓的破壞機(jī)理。用紅外熱成像法檢測路面脫空病害的基本原理為：在陽光照射下，面板吸收來自陽光的輻射熱量，存在脫空的面板區(qū)域的空氣熱傳導(dǎo)性能差，溫度升高較快，非脫空區(qū)的面板的熱量易向壩體深部傳導(dǎo)，溫度升高較慢；在夜間，不論是脫空區(qū)還是非脫空區(qū)，其白天吸收的熱量通過面板向空氣輻射，面板溫度下降；脫空區(qū)面板下層空氣熱傳導(dǎo)率低，不易得到壩體熱量補(bǔ)充而使該部位溫度相對(duì)較低；非脫空區(qū)的面板由于其下的墊層料熱傳導(dǎo)率比空氣的高，更易得到壩體熱量補(bǔ)充而使該部位溫度相對(duì)較高。紅外熱成像技術(shù)在檢測路面脫空上，有著熱導(dǎo)介質(zhì)等天然的物理?xiàng)l件，目前有研究者正在利用一些有損檢測方法來驗(yàn)證無損檢測方法的準(zhǔn)確性，種種現(xiàn)象證明紅外熱成像技術(shù)在道路工程上有著廣闊的應(yīng)用前景。檢測瀝青透水性瀝青路面在使用過程中，地表水由裂縫或空隙自然滲入，又或是因某些其他因素被動(dòng)進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)。由于這些滲入水的存在，集料表面瀝青會(huì)發(fā)生乳化或剝離現(xiàn)象，會(huì)使瀝青混合料結(jié)構(gòu)松散，甚至形成更為嚴(yán)重的唧漿和坑槽病害。路面滲水若不被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會(huì)加快功能性病害向結(jié)構(gòu)性病害的發(fā)展，因此，在早期快速準(zhǔn)確地檢測和評(píng)價(jià)瀝青路面的透水性也就至關(guān)重要。目前，一些學(xué)者通過研究空隙率、滲水系數(shù)與表面溫度差的關(guān)系，得出瀝青路面的透水性與表面溫差具有較好的相關(guān)性，這為用紅外測溫技術(shù)評(píng)價(jià)路面的透水性提供了理論依據(jù)。通過分析路表溫度場與透水性的相關(guān)性，開發(fā)了一種瀝青路面透水性紅外差熱檢測儀，得出通過用紅外測溫技術(shù)檢測路面溫度差異，進(jìn)而評(píng)價(jià)瀝青路面透水性是可行的。用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行檢測，可以對(duì)路面的透水性進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，對(duì)阻止路面的進(jìn)一步惡化具有重要意義。高速公路監(jiān)控中的應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)在道路工程中應(yīng)用廣泛，除對(duì)道路的施工、養(yǎng)護(hù)等有檢測作用外，在道路日常監(jiān)控中也有巨大的用處。在晴朗的白天，普通監(jiān)控系統(tǒng)足以應(yīng)對(duì)道路中的監(jiān)控，但在有雨、雪、霾等天氣及光線較弱的夜間就無能為力。紅外熱成像技術(shù)可排除外界自然環(huán)境的影響，其利用紅外探測器，將道路上行駛的目標(biāo)與背景轉(zhuǎn)化成灰度圖像坐標(biāo)系，通過灰度值的大小反應(yīng)視覺場中的信息。場景中行人、動(dòng)物等生物的輻射溫度要比物體的輻射溫度高，成像的灰度也相對(duì)較高，圖像中呈現(xiàn)的背景較亮；輻射的溫度越低，成像的灰度越小，圖像中呈現(xiàn)的背景越暗。根據(jù)此原理設(shè)計(jì)了基于車載紅外夜視儀的道路行人檢測與識(shí)別方法，能得到同一時(shí)空的目標(biāo)與背景在灰度圖像坐標(biāo)系的相對(duì)位置，再利用灰度差異進(jìn)行一些前期處理，就可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，并可在危險(xiǎn)距離內(nèi)對(duì)司機(jī)發(fā)出警報(bào)。該研究擴(kuò)大了司機(jī)的行駛視野、能對(duì)潛在危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，在提高汽車輔助安全駕駛性能方面有著一定的實(shí)用價(jià)值和重要理論意義。在車輛輔助駕駛中提到，將紅外熱成像技術(shù)和微光技術(shù)相結(jié)合，利用機(jī)械設(shè)計(jì)和光學(xué)設(shè)計(jì)，將紅外熱成像儀固定在車輛表面，經(jīng)過電路處理將視頻輸出到液晶顯示屏上，司機(jī)可通過液晶顯示屏的道路圖像輔助駕駛，并且使用時(shí)避免了頭盔式微光夜視儀需戴在頭上的缺點(diǎn)，克服了長期使用產(chǎn)生疲勞的問題。紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于高速公路的監(jiān)控，具有監(jiān)控質(zhì)量不受自然環(huán)境影響的優(yōu)勢，能更好地對(duì)高速公路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高駕駛安全系數(shù)，對(duì)保障駕駛員、乘客以及行人的生命財(cái)產(chǎn)安全具有非常重要的意義。結(jié)語與展望1紅外熱成像儀可以精確直觀地檢測出瀝青路面施工攤鋪過程或者轉(zhuǎn)運(yùn)混合料過程中發(fā)生溫度離析的地方，從而幫助人們采取措施預(yù)防早期危害的發(fā)生。2紅外熱成像同樣能直觀地檢測出路面發(fā)生脫空危害的部位，能很好地遏制因脫