FR2626666A1 - Method for measuring the thickness of road covering layers using pulsed radar - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé de mesure de l'épaisseur de couches de chaussées
à l'aide d'un radar impulsionnel
La présente invention se rapporte à un procédé de mesure de l'épaisseur de couches de chaussées à l'aide d'un radar impulsionnel dont l'antenne, disposée au-dessus de la chaussée, sans contact avec celle-ci, émet un signal formé d'impulsions répétées, chaque impulsion d'écho renvoyée par une surface limite de couche étant analysée quant à son instant de réception et à son amplitude.Method for measuring the thickness of pavement layers
using a pulse radar
The present invention relates to a method for measuring the thickness of pavement layers using a pulse radar, the antenna of which, placed above the pavement, without contact with the latter, emits a signal. formed of repeated pulses, each echo pulse returned by a layer boundary surface being analyzed as to its reception instant and its amplitude.
I1 est connu d'utiliser la technique du radar impusionnel pour effectuer l'auscultation par ondes électromagnétiques des structures de chaussées comportant un revêtement formé de plusieurs couches superposées, notamment dans le but de mesurer de façon non destructive et quasi continue l'épaisseur de ces couches par déplacement du radar tout au long d'une chaussée. I1 is known to use the pulse radar technique to perform auscultation by electromagnetic waves of pavement structures comprising a coating formed of several superimposed layers, in particular for the purpose of non-destructively and almost continuously measuring the thickness of these layers by displacement of the radar along a roadway.
L'invention a pour but de définir un procédé permettant d'effectuer de telles mesures d'épaisseur de façon précise et sOre, malgré les difficultés que présente la technique d'auscultation par radar liées en particulier au fait que la permittivité des matériaux constitutifs des couches, donc la vitesse avec laquelle s'y propagent les ondes hertziennes, est mal connue, ainsi qu'à la faiblesse du contraste diélectrique qui apparaît à l'interface entre couches de permittivités très voisines. The object of the invention is to define a method making it possible to carry out such thickness measurements in a precise and safe manner, despite the difficulties presented by the radar auscultation technique linked in particular to the fact that the permittivity of the materials constituting the layers, therefore the speed with which the hertzian waves propagate there, is poorly known, as well as the weakness of the dielectric contrast which appears at the interface between layers of very neighboring permittivities.
Le procédé selon 11 invention consiste essentiellement
10/ préalablement à un cycle de mesure, à faire émettre l'antenne du radar d'une part en champ libre, d'autre part vers une plaque métallique placée à une distance égale à la distance séparant l'antenne et la surface de la chaussée durant le cycle de mesure, et à acquérir les signaux respectifs S1 et S2 reçus en correspondance, à former un signal de référence S3 en soustrayant du signal S2-le signal S1 et à mesurer sur ce signal S3 l'amplitude crête à crête Ei de l'écho de réflexion totale sur la plaque métallique;;
20/ durant un cycle de mesure, à faire émettre l'antenne du radar vers la chaussée, en incidence normale, et à acquérir le signal S4 renvoyé alors par celle-ci, puis à former un signal de mesure S5 en soustrayant du signal S4 le signal Si et à mesurer sur ce signal S5 l'amplitude crête à crête E de la première impulsion
r d'écho A, renvoyée par la surface de la chaussée, à en déduire le coefficient de réflexion R de ladite surface par la formule
R = IEr / EiI puis la permittivité du matériau de la couche supérieure de la chaussée par la formule 4 = (1 + R) 1(1 - R) et à calculer l'épaisseur d de cette couche par la formule
d = c At / 2;;i- (I) où c est la célérité de la lumière dans le vide et ss t le temps to- tal de propagation des ondes émises par le radar dans ladite couche, déterminé par l'écart temporel sst entre les première et deuxième impulsions d'écho A et B contenues dans le signal S5. The process according to the invention consists essentially of
10 / prior to a measurement cycle, having the radar antenna emitted on the one hand in free field, on the other hand towards a metal plate placed at a distance equal to the distance separating the antenna and the surface of the floor during the measurement cycle, and to acquire the respective signals S1 and S2 received in correspondence, to form a reference signal S3 by subtracting from the signal S2-the signal S1 and to measure on this signal S3 the peak-to-peak amplitude Ei total reflection echo on the metal plate;
20 / during a measurement cycle, to transmit the antenna of the radar towards the roadway, at normal incidence, and to acquire the signal S4 then returned by the latter, then to form a measurement signal S5 by subtracting from the signal S4 the signal Si and to measure on this signal S5 the peak-to-peak amplitude E of the first pulse
r of echo A, returned by the surface of the road, to deduce the reflection coefficient R of said surface by the formula
R = IEr / EiI then the permittivity of the material of the upper layer of the roadway by the formula 4 = (1 + R) 1 (1 - R) and calculate the thickness d of this layer by the formula
d = c At / 2 ;; i- (I) where c is the speed of light in a vacuum and ss t the total propagation time of the waves emitted by the radar in said layer, determined by the time difference sst between the first and second echo pulses A and B contained in the signal S5.
Les opérations de soustraction de signaux mises en oeuvre dans le procédé défini ci-dessus ont pour effet de conduire à des signaux de référence et de mesure 83 et Sg parfaitement propres, malgré les imperfections de l'antenne du radar qui introduisent dans les signaux de réception un certain nombre d'échos fixes superposés à du bruit. The signal subtraction operations implemented in the process defined above have the effect of producing perfectly clean reference and measurement signals 83 and Sg, despite the imperfections of the radar antenna which introduce into the signals of reception a certain number of fixed echoes superimposed on noise.
Lorsque lesdites impulsions d'écho A et B sont bien distinctes l'une de l'autre, il est possible de déterminer l'intervalle de temps At par mesure directe sur le signal S5 de l'écart que présentent ces impulsions. When said echo pulses A and B are very distinct from each other, it is possible to determine the time interval At by direct measurement on the signal S5 of the difference which these pulses present.
Toutefois, lorsque lesdites impulsions d'écho A et B sont, en raison de la minceur de la couche correspondante, difficiles à dissocier, étant rapprochées au point de se mélanger partiellement, il convient de déterminer l'intervalle de temps ht en mesurant sur le signal S5 le retard tA de la première impulsion
A par rapport à un instant d'origine, de former un signal complémentaire S6 en soustrayant du signal Sg le signal S3 après multiplication de l'amplitude de ce dernier par le coefficient R, de sorte que la première impulsion-A a disparu de ce signal S6, et de mesurer sur ce dernier le retard tB de la deuxième impulsion B par rapport à l'instant d'origine, puis d'en déduire la valeur de l'intervalle de temps At = tB ~ tA. However, when said echo pulses A and B are, due to the thinness of the corresponding layer, difficult to dissociate, being brought together to the point of partially mixing, it is necessary to determine the time interval ht by measuring on the signal S5 the delay tA of the first pulse
A with respect to an original instant, to form a complementary signal S6 by subtracting from the signal Sg the signal S3 after multiplying the amplitude of the latter by the coefficient R, so that the first pulse-A has disappeared from this signal S6, and to measure on this latter the delay tB of the second pulse B with respect to the original instant, then to deduce therefrom the value of the time interval At = tB ~ tA.
Lorsqu'on désire mesurer l'épaisseur d2 d'une deuxième couche immédiatement sous-jacente à la couche supérieure, il convient de déterminer préalablement la permittivité 62 du matériau de cette couche à l'aide de la formule (I) en mesurant, en un point de la chaussée, au moyen du radar, le temps, de propagation des ondes dans cette couche, puis, par carottage de la chaussée en ce point, l'épaisseur d2 de la couche, et d'utiliser la valeur de la permittivité E2 ainsi obtenue pour déterminer, au moyen du radar et à l'aide de la formule (I), l'épaisseur d2 en tous les autres points de mesure de la chaussée. When it is desired to measure the thickness d2 of a second layer immediately underlying the upper layer, the permittivity 62 of the material of this layer should be determined beforehand using the formula (I) by measuring, a point on the roadway, using radar, the time, propagation of the waves in this layer, then, by coring the roadway at this point, the thickness d2 of the layer, and using the value of the permittivity E2 thus obtained to determine, by means of the radar and using the formula (I), the thickness d2 at all the other measurement points of the roadway.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'exemples de réalisation non limitatifs. Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows, with reference to the appended drawings, of nonlimiting exemplary embodiments.
La figure 1 représente schématiquement la marche des ondes radar dans le cas d'une chaussée à couche unique sur substrat (l'angle incidence, en réalité de 90 , y étant inférieur à cette valeur par simple raison de clarté). FIG. 1 schematically represents the course of the radar waves in the case of a pavement with a single layer on a substrate (the angle of incidence, in reality of 90, being less than this value there for simple reason of clarity).
Les figures 2 à 6 sont des enregistrements des différents signaux qui apparaissent dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention appliqué à la mesure de l'épaisseur d'une couche épaisse. Figures 2 to 6 are records of the different signals that appear in the implementation of the method according to the invention applied to the measurement of the thickness of a thick layer.
La figure 7, similaire à la figure 1, concerne le cas d'une chaussée à deux couches sur substrat. FIG. 7, similar to FIG. 1, relates to the case of a two-layer pavement on a substrate.
Les figure 8 à 10 sont des enregistrements de signaux illustrant le traitement complémentaire utilisé dans le cas d'une couche supérieure mince recouvrant une deuxième couche épaisse. FIGS. 8 to 10 are signal recordings illustrating the additional processing used in the case of a thin upper layer covering a second thick layer.
Le radar utilisé pour la mesure d'épaisseur de couches de chaussées est installé à bord d'un véhicule, son antenne d'émission/réception étant disposée à l'extérieur de celui-ci de façon qu'elle émet vers la chaussée, suivant une direction d'incidence normale, un signal radio-électrique formé d'impulsions qui sont renvoyées sous forme d'échos vers l'antenne par la surface la de la chaussée et les interfaces séparant les différentes couches superposées composant la chaussée. Le radar émet par exemple toutes les 200 ns une impulsion d'une durée voisine de 1,5 ns. Le choix de la fréquence porteuse de ces impulsions est lié d'une part à la profondeur de pénétration nécessaire dans la chaussée, d'autre part à la résolution désirée. The radar used for measuring the thickness of pavement layers is installed on board a vehicle, its transmitting / receiving antenna being arranged outside of the latter so that it transmits towards the pavement, according to a normal direction of incidence, a radioelectric signal formed by pulses which are returned in the form of echoes towards the antenna by the surface la of the roadway and the interfaces separating the different superposed layers making up the roadway. The radar emits for example every 200 ns an impulse with a duration close to 1.5 ns. The choice of the carrier frequency of these pulses is linked on the one hand to the necessary penetration depth in the roadway, on the other hand to the desired resolution.
Cette fréquence se situe en général entre quelques mégahertz et quelques gigahertz.This frequency is generally between a few megahertz and a few gigahertz.
Dans le cas simple de la figure 1, où la chaussée comprend une couche unique 1 sur un substrat 2, chaque impulsion incidente I donne naissance à un écho A par réflexion sur la surface supérieure la de la couche 1, puis à un écho B par réflexion sur l'interface 12 de la couche 1 et du substrat 2. On peut déduire des caractéristiques des impulsions d'écho A et B la valeur de l'épaisseur d de la couche 1 à l'aide de la formule
d = c tt 2 (I) où c est la célérité de la lumière dans le vide, At est l'intervalle de temps séparant la réception des impulsions A et B, et est la permittivité ou constante diélectrique du -tériau constitutif -de la couche 1, dont dépend la vitesse de propagation des ondes radar dans ce matériau.In the simple case of FIG. 1, where the roadway comprises a single layer 1 on a substrate 2, each incident pulse I gives rise to an echo A by reflection on the upper surface la of the layer 1, then to an echo B by reflection on the interface 12 of layer 1 and substrate 2. We can deduce from the characteristics of the echo pulses A and B the value of the thickness d of layer 1 using the formula
d = c tt 2 (I) where c is the speed of light in a vacuum, At is the time interval separating the reception of pulses A and B, and is the permittivity or dielectric constant of the constituent material of the layer 1, on which the speed of propagation of radar waves in this material depends.
La permittivité peut être calculée en utilisant la formule w = (1 + R) 1(1 - R) (II) dans laquelle R est le coefficient de réflexion de la couche 1, soit
R=IEr/ Eji (III)
E i et E r représentant les amplitudes crête à crête de l'impulsion incidente émise par l'antenne et de l'impulsion A réfléchie par la surface la qui sépare la couche 1 de l'atmosphère.The permittivity can be calculated using the formula w = (1 + R) 1 (1 - R) (II) in which R is the reflection coefficient of layer 1, i.e.
R = IEr / Eji (III)
E i and E r representing the peak-to-peak amplitudes of the incident pulse emitted by the antenna and of the pulse A reflected by the surface la which separates layer 1 from the atmosphere.
Préalablement à la réalisation d'une série de mesures sur une chaussée, un signal de référence S3 est élaboré, qui représente ladite impulsion incidente débarrassée des signaux parasites dus ô des réflexions dans la circuiterie du radar et au bruit. Before carrying out a series of measurements on a roadway, a reference signal S3 is developed, which represents said incident pulse free of parasitic signals due to reflections in the radar circuitry and to noise.
A cet effet, on dirige tout d'abord l'antenne du radar vers le ciel de façon que l'onde émise ne rencontre pas d'obstacle rapproché. On recueille alors à la sortie des circuits de réception du radar un signal S1 (figure 2), que l'on stocke une fois pour toutes dans une mémoire de l'ordinateur de traitement associé au radar. To this end, the radar antenna is first directed towards the sky so that the transmitted wave does not encounter any close obstacle. A signal S1 (FIG. 2) is then collected at the output of the radar reception circuits, which is stored once and for all in a memory of the processing computer associated with the radar.
Puis on dirige l'antenne sur une plaque métallique placée à une distance de l'antenne égale à la distance que présentera celle-ci par rapport à la surface de la chaussée. On recueille maintenant un signal S2 (figure 3) dont la deuxième impulsion représente l'écho de réflexion totale sur ladite plaque, et on enregistre ce signal. Then the antenna is directed on a metal plate placed at a distance from the antenna equal to the distance that it will present relative to the surface of the roadway. We now collect a signal S2 (Figure 3) whose second pulse represents the total reflection echo on said plate, and we record this signal.
On forme ensuite le signal de référence S3 en soustrayant du signal S2 le signal S1 (figure 4), en prenant garde à maintenir une parfaite synchronisation des deux signaux. Le signal S3 contient l'écho de réflexion totale seul, exempt du bruit et des échos fixes qui perturbent le signal S2, et on en mesure l'amplitude crête à crête E.. The reference signal S3 is then formed by subtracting the signal S1 from the signal S2 (FIG. 4), taking care to maintain perfect synchronization of the two signals. The signal S3 contains the total reflection echo alone, free from noise and fixed echoes which disturb the signal S2, and the peak-to-peak amplitude E is measured.
Ces opérations préparatoires une fois accomplies, on procède eux mesures d'épaisseur de la couche 1 de la chaussée. Once these preparatory operations have been completed, we proceed to measure the thickness of layer 1 of the roadway.
Ayant dirigé l'antenne du radar vers la surface la de celle-ci, en incidence normale, on recueille un signal de réception S4 (figure 5), caractéristique de la structure de la chaussée. Ce signal ressemble au signal S2. 11 n'en diffère que par une amplitude plus faible de la première impulsion A de réflexion sur la couche 1 (seule une partie de l'énergie incidente étant renvoyée) et par l'apparition de l'impulsion B représentant l'écho sur l'interface 12 de la couche 1 avec le substrat. Le signal S4 est stocké dans une mémoire de l'ordinateur qui est régénérée à chaque nouvelle acquisition.Having directed the radar antenna towards the surface 1a thereof, at normal incidence, a reception signal S4 is collected (FIG. 5), characteristic of the structure of the roadway. This signal resembles signal S2. 11 differs from it only by a lower amplitude of the first reflection pulse A on the layer 1 (only part of the incident energy being returned) and by the appearance of the pulse B representing the echo on l interface 12 of layer 1 with the substrate. The signal S4 is stored in a memory of the computer which is regenerated with each new acquisition.
Comme le signal S2, le signal S4 est perturbé par le bruit et les échos fixes. Pour le nettoyer de ces perturbations, on lui applique le même traitement qu'au signal S2, c'est-à-dire qu'on retranche du signal S4 le signal S1. On obtient ainsi un signal S5 (figure 6) représentant les impulsions réfléchies par la chaussée, débarrassées des échos fixes et du bruit, et on mesure l'amplitude crête à crête E r de la première impulsion d'écho A de ce signal. Like the signal S2, the signal S4 is disturbed by noise and fixed echoes. To clean it of these disturbances, the same treatment is applied to it as to the signal S2, that is to say that the signal S1 is subtracted from the signal S1. A signal S5 is thus obtained (FIG. 6) representing the pulses reflected by the road, free of fixed echoes and of noise, and the peak-to-peak amplitude E r of the first echo pulse A of this signal is measured.
On calcule alors le coefficient de réflexion R à l'aide de la formule (III), puis la permittivité E à l'aide de la formule (II), compte tenu du fait que le coefficient R ainsi déterminé n'est certes représentatif que de la surface la de la couche 1, mais que, comme l'expérience l'a montré, il peut être étendu à l'ensemble de la couche que l'on suppose homogène. Connaissant ainsi E , ainsi que l'intervalle de temps bt par mesure de l'écart des impulsions A et B sur le signal propre Sg, on peut calculer l'épaisseur d de la couche 1 à l'aide de la formule (I). The reflection coefficient R is then calculated using the formula (III), then the permittivity E using the formula (II), taking into account the fact that the coefficient R thus determined is certainly only representative of the surface 1a of layer 1, but that, as experience has shown, it can be extended to the entire layer which is assumed to be homogeneous. Knowing thus E, as well as the time interval bt by measuring the difference of the pulses A and B on the eigen signal Sg, one can calculate the thickness d of the layer 1 using the formula (I) .
Dans le présent exemple, les valeurs suivantes ont été relevées
E. = 1,6 V
E r = 0,7 V = t = 3,75 . 10 9 s il en résulte que
R = 0,7 / 1,6 = 0,44
= = 1,44 / 0,56 = 2,57
et d = 3,75 . 10 3 . 108/2 . 2,57
= 21,9 cm
L'épaisseur de la couche peut ainsi être mesurée tout au long de la chaussée à ausculter, en des points successifs plus moins proches les uns des autres suivant la vitesse du véhicule porteur du radar et le pas d'échantillonnage du signal de réception du radar (la durée et la fréquence de répétition des impulsions émises par le radar se chiffrant en nanosecondes, il est en effet nécessaire d'appliquer à ce signal un traitement d'échantillonnage pour permettre son exploitation et son enregistrement).In this example, the following values have been noted
E. = 1.6 V
E r = 0.7 V = t = 3.75. 10 9 s it follows that
R = 0.7 / 1.6 = 0.44
= = 1.44 / 0.56 = 2.57
and d = 3.75. 10 3. 108/2. 2.57
= 21.9 cm
The thickness of the layer can thus be measured all along the roadway to be examined, at successive points which are closer to each other according to the speed of the radar carrying vehicle and the sampling step of the radar reception signal. (the duration and the frequency of repetition of the pulses emitted by the radar being encrypted in nanoseconds, it is indeed necessary to apply to this signal a processing of sampling to allow its exploitation and its recording).
Lorsque la couche supérieure 1 de la chaussée à ausculter présente une épaisseur d1 faible, les deux impulsions d'écho A et B correspondant à cette couche peuvent apparaître très proches dans le temps l'une de l'autre, au point de se mélanger partiellement (figure 7). Dans ce cas, le signal Sg tel que défini ci-dessus ne permet pas la détermination de l'intervalle de temps séparant ces deux impulsions (figure 9). Un traitement complémentaire des signaux est alors prévu. When the upper layer 1 of the roadway to be examined has a low thickness d1, the two echo pulses A and B corresponding to this layer may appear very close in time to one another, to the point of partially mixing (figure 7). In this case, the signal Sg as defined above does not allow the determination of the time interval separating these two pulses (FIG. 9). Additional signal processing is then planned.
Du signal S4 reçu en provenance de la chaussée, où s'aperçoivent les deux petites impulsions A et B correspondant à la couche 1 (figure 8), est, comme précédemment, retranché le signal pour former le signal Ss (figure 9). Sur ce signal sont mesurées les valeurs de l'amplitude crête à crête Er de la première impulsion A et de son retard tA par rapport à l'instant d'origine. The signal S4 received from the roadway, where the two small pulses A and B corresponding to layer 1 are seen (FIG. 8), is, as before, subtracted from the signal to form the signal Ss (FIG. 9). On this signal are measured the values of the peak-to-peak amplitude Er of the first pulse A and of its delay tA with respect to the original instant.
Ayant déterminé le coefficient de réflexion R1 = Er / Ei de ladite couche, on forme un signal complémentaire S6 en retranchant du signal Sg le signal de référence 83 multiplié par le coefficient R. Cette opératicn a pour effet de faire disparaître du signal S6 résultant l'impulsion A (figure 10). Having determined the reflection coefficient R1 = Er / Ei of said layer, a complementary signal S6 is formed by subtracting from the signal Sg the reference signal 83 multiplied by the coefficient R. This operation has the effect of removing from the signal S6 resulting l pulse A (Figure 10).
il est alors possible de déterminer sur le signal S6 le retard t B de la seconde impulsion B par rapport à l'instant d'origine, d'où l'on déduit la valeur de l'intervalle de temps recherché #t1 = tB - tA. A partir de cette valeur et de celle de la permittivité t 1 calculée à l'aide de la formule (Il), on peut calculer l'épaisseur d1 de la couche mince considérée ici. it is then possible to determine on the signal S6 the delay t B of the second pulse B with respect to the original instant, from which the value of the sought time interval is deduced # t1 = tB - your. From this value and that of the permittivity t 1 calculated using the formula (II), one can calculate the thickness d1 of the thin layer considered here.
Dans le présent exemple, on constate que
E. = 1,6
E r = 0,25
# t1 =tB - tA = 3,85 - 3,30 = 0,55 ns
D'où R1 = 0,25 / 1,6 = 0,16 ##1 = 1,16 / 0,84 = 1,38 (il s'agit d'une couche
de plâtre appartenant à une dalle d'essai)
et d1 = 6 cm.In this example, we see that
E. = 1.6
E r = 0.25
# t1 = tB - tA = 3.85 - 3.30 = 0.55 ns
Hence R1 = 0.25 / 1.6 = 0.16 ## 1 = 1.16 / 0.84 = 1.38 (this is a layer
plaster belonging to a test slab)
and d1 = 6 cm.
La figure 7 montre la présence, sous la couche 1, d'une deuxième couche 2 dont l'interface 23 avec le substrat 3 est responsable de la troisième impulsion d'écho C visible sur les figures 8, 9 et 10. Si l'écart # t2 des impulsions B et C relatives à la couche 2 est facilement déterminable sur le signal S6, la permittivité 2 de cette couche n'est pas accessible par mesure au radar. Elle est déterminée par carottage. Plus précisément, on fait une mesure au radar en dirigeant celui-ci sur un point déterminé de la chaussée à ausculter, ce qui permet de déterminer la quantité a t2. Puis on prélève une carotte de la chaussée en ce point et on y mesure l'épaisseur de la couche 2. La formule (I) permet alors de calculer la valeur de 2, valeur qui sera utilisée pour tout le cycle subséquent de mesure au radar en différents points de la chaussée pour calculer l'épaisseur d2 de la couche 2 en ces points. FIG. 7 shows the presence, under layer 1, of a second layer 2 whose interface 23 with the substrate 3 is responsible for the third echo pulse C visible in FIGS. 8, 9 and 10. If the deviation # t2 of the pulses B and C relating to layer 2 is easily determinable on the signal S6, the permittivity 2 of this layer is not accessible by radar measurement. It is determined by coring. More precisely, a measurement is made by radar by directing it to a determined point on the roadway to be examined, which makes it possible to determine the quantity a t2. Then we take a core from the roadway at this point and measure the thickness of layer 2. Formula (I) then allows us to calculate the value of 2, which value will be used for the entire subsequent radar measurement cycle at different points on the road to calculate the thickness d2 of layer 2 at these points.
Claims (4)
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Also Published As
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|---|---|
| FR2626666B1 (en) | 1991-05-24 |
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