Brevet FR2626666A1 — publié le 19890804

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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). 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. La figure 7, similaire à la figure 1, concerne le cas d'une chaussée à deux couches sur substrat. 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. 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. Cette fréquence se situe en général entre quelques mégahertz et quelques 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. 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. 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. 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. 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. 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.. Ces opérations préparatoires une fois accomplies, on procède eux mesures d'épaisseur de la couche 1 de la chaussée. 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. 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. 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). 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). 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. 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. 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). 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. 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. 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. Revendications 1. 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, caractérisé par le fait qu'il consiste 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 (la) de la chaussée durant le cycle de mesure, et à acquérir les signaux respectifs S1 et reçus en correspondance, à former un signal de référence S3 an soustrayant du signal S2 le signal S1 et à mesurer sur ce signal S3 l'amplitude crête à crête E. 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 S1 et à mesurer sur ce signal Sg l'amplitude crête à crête E r de la première impulsion d'écho A, renvoyée par la surface (la) de la chaussée, à en déduire le coefficient de réflexion R de ladite surface par la formule R = lEr I Eji puis la permittivité du matériau de la couche supérieure (1) de la chaussée par la formule = (1 + R) 1(1 - R) et è calculer l'épaisseur d de cette couche par la formule d = c tt / (I) où c est la célérité de la lumière dans le vide et At le temps total de propagation des ondes émises par le radar dans ladite couche, déterminé par l'écart temporel entre les première et deuxième impulsions d'écho A et B contenues dans le signal Sg. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, lorsque lesdites impulsions d'écho A et B sont bien distinctes l'une de l'autre, on détermine l'intervalle de temps sst par mesure directe sur le signal Sg de l'écart que présentent ces impulsions. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, lorsque lesdites impulsions d'écho A et B sont rapprochées au point de se mélanger partiellement, on détermine l'intervalle de temps en mesurant sur le signal S5 le retard tA de la première impulsion A par rapport à un instant d'origine, on forme un signal complémentaire S6 en soustrayant du signal S5 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 on mesure sur ce dernier le retard tB de la deuxième impulsion B par rapport à l'instant d'origine, puis on déduit la valeur de l'intervalle de temps bt = t B - tA. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que, pour mesurer l'épaisseur c2 d'une deuxième couche (2) immédiatement sous-jacente à la couche supérieure (1), on détermine préalablement la permittivité 2 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 At2 de propagation des ondes dans cette couche, puis, par carottage de la chaussée en ce point, l'épaisseur d2 de la couche (2), et on utilise 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.