工程雷達檢測技術

巖土工程測試專題之三,工程雷達檢測技術,1.1概述,工程檢測中的雷達檢測技術是一項新興檢測技術，屬于脈沖時域探地雷達技術領域（Ground-Penetrating-Radar，GPR），正弦電磁波的傳播特征是工程雷達的理論基礎。用頻率102000MHz的寬頻脈沖電磁波來確定工程結構或構件介質分布的一種電磁波方法。雷達天線由接收、發(fā)射兩部分組成，電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨通過介質的電性和幾何形態(tài)而變化，根據(jù)反射波的時間、幅度與波形資料推斷工程介質的結構和分布。,2,1.1.1工程雷達檢測特點,同為利用電磁波的反射原理探測目標的雷達技術，工程雷達區(qū)別于探空雷達的主要特點：探空雷達是在無耗介質中傳播，探地雷達探測的是在有耗介質中傳播；探空雷達目標體一般為金屬體，目標回波能量大，工程雷達目標體大多為非金屬體，與周圍介質差異小，回波能量小。工程雷達與通用探地雷達也有所區(qū)別，要求探測深度相對較淺、精度和分辨率相對較高，探測目標一類為金屬體（鋼筋、管線等）；一類為非金屬體（工程介質分層厚度及隱患）,3,相對于工程中常用的其它無損檢測方法，具獨特的技術特點：,使用不同天線頻率，可實現(xiàn)幾厘米到幾米的不同探測深度；改變天線中心頻率和頻帶寬度，可實現(xiàn)不同分辨率的檢測；無接觸式掃描檢測，速度快，可進行大面積快速連續(xù)檢測；可穿透介質中的空隙探測到內部質量情況，可對有裝修層的結構和構件進行檢測；可探測鋼筋等金屬體分布，也可探測孔洞裂隙等非金屬介質差異；雷達檢測結果可二維切片圖或三維立體顯示。,4,1.1.2工程雷達檢測技術在工程中的應用,探測地下管網(wǎng)（水、電、油氣、熱）；路面、機場跑道分層厚度，地基脫空、回填欠實，地下水滲漏；隧道襯砌厚度、圍巖擾動、脫空與空洞；橋梁或混凝土建筑中的鋼筋分布，孔洞、疏松、裂縫、剝離層等缺陷的位置與范圍。,5,1.2工程雷達檢測原理,1.2.1工程介質中電磁波的傳播麥克斯韋（Maxwell）方程是研究電磁波傳播的基礎。大多數(shù)復雜形式的電磁波都可以近似成平面波的疊加。有耗介質中，電磁波傳播的一維波動方程（假設沿z軸方向傳播）：,式中：E電場強度-介質絕對介電常數(shù)-介質絕對磁導率,6,水平極化電磁波，電場強度E、磁場強度H和波矢量K三者互相垂直。介質中傳播的電磁波在數(shù)學上可表示為：其中，E0、H0為場源電場強度和磁場強度；E、H為距場源距r點的電場強度和磁場強度，ejkr稱為基本波函數(shù)；傳播常數(shù)k是一個復數(shù)，k=+j；、為相位系數(shù)和吸收系數(shù)。,7,吸收系數(shù),式中：電磁波角頻率（2f）；-介電常數(shù)；-介質電導率；-介質導磁率。,相位系數(shù),8,1.2.2電磁波在介質中的傳播速度,探地雷達測量的是介質界面的反射波的走時，為了獲取界面的深度，必須要有介質的電磁波傳播速度，其值為：,-為相位系數(shù)；-為導電率（1/）；-為介電系數(shù)，=0r，空氣介電常數(shù)與相對介電常數(shù)成積；-為磁導率，=0r，空氣導磁率與相對導磁率成積。,9,相位系數(shù)是波速決定因素，討論二種極限情況：,10,11,1.2.3電磁波在介質中的吸收特性,12,1.2.4工程介質的電磁學特性,介質的電磁學性質可用介電常數(shù)、電導率、磁導率來表征：1.介電常數(shù)是表征物質在外加電場中儲存極化電荷的能力的物理量。介電常數(shù)最大的物質是水，其相對介電常數(shù)是81；最小的是空氣，相對介電常數(shù)為l。工程介質的介電常數(shù)一般為中等值，如巖石、土、混凝土等常見的工程介質的相對介電常數(shù)在4到9之間，其介電常數(shù)的差異主要取決于介質中的含水量大小，例如干砂的相對介電常數(shù)為2.6，充水后其相對介電常數(shù)可升高到25，提高了10倍。,13,2.電導率(電阻率的倒數(shù))表征介質的導電能力。介質的電導率越高，則電磁波衰減越大，即電磁波傳播距離越短。低電導介質的l0mS/m，在此類介質中，電磁波衰減極大，雷達難于工作。例如：濕粘土、濕頁巖、海水、海水冰、濕沃土、含水砂巖、含水灰?guī)r、金屬等。,14,3.磁導率是表征介質在磁場作用下產生磁感應能力大小的物理量。絕大多數(shù)工程介質都是非鐵磁性物質，其相對磁導率接近1,對電磁波傳播無大影響。而鐵磁性物質的磁導率很高，對電磁波的波速和衰減有著重要影響。表1-1列出了一些常見介質的電磁參數(shù),15,表1-1常見介質的電磁參數(shù),16,1.2.5電磁波的反射系數(shù),電磁波在傳播過程中，遇到不同的阻抗界面時將產生反射波和透射波，其反射與透射遵循反射與透射定律。反射波能量大小取決于反射系數(shù)R，垂直入射時，反射系數(shù)的數(shù)學表達式：,17,1.3工程雷達儀器,工程中應用的雷達為脈沖時域雷達，雷達由主機和發(fā)射、接收天線組成。,主機與天線雷達天線沿測線從左向右移動，如圖；發(fā)射天線不斷發(fā)射雷達電磁波，并輻射到被測介質，接收天線接收到一條條雷達回波。將雷達回波按順序排列展開，便可準確、形象地反映出地下探測目的體及反射界面的位置。,18,天線類型按頻率劃分為低頻、中頻、高頻天線；按結構劃分為非屏蔽、屏蔽天線；按電性參數(shù)劃分為偶極子天線、反射器偶極子天線、喇叭天線。80MHz以下為低頻天線，通常采用非屏蔽式半波偶極子桿狀天線，無反射器偶極子天線一半的長度為/4，用于較深目標的探測；1001000MHz為中頻天線，采用屏蔽式半波偶極子天線，半個偶極子長度為/4，反射器將輻射到后方的能量集中到前方，在前方形成較強的電磁場密度，具有體積小，發(fā)射效率高的特點，在工程檢測中常使用此類天線；高于1GHz的為高頻天線，一般為喇叭形，以提高輻射效率，該類天線輻射能量集中，分辨率高，主要用于道路質量檢測。,19,加拿大Sensor這類干擾波在振幅、頻率上表現(xiàn)為強振幅、同相軸連續(xù),中心頻率接近發(fā)射天線的中心頻率,在一次波下會產生多次波,特別是桿形地物為金屬質地時。,39,2.地形干擾,坎狀地形引起的異常會在雷達記錄上產生2組交叉的特征波,其信號能量強,相位數(shù)多,其波傳播的視速度既不是空氣中電磁波的速度,也不是地下介質中電磁波的速度,而是介于兩者之間,它是沿自由,表面?zhèn)鞑サ牡孛娌?其出現(xiàn)的時間與天線距坎邊的距離相關。單坎,其波組呈倒“V”型,其頂點對應于坎邊,波組頂部往往與直達波復合，“V”型不明顯,在記錄上呈明顯的“八”字型,40,“凸”型坎波組形狀在記錄上呈“X”型,在兩三個相位之后,兩組波相互干涉在一起,形成水平狀(右圖)。這種地形對有效信號引起的干擾特別嚴重,造成有效反射信號無法辨認。,41,3.耦合效應引起的干擾圖像,局部地形變化,改變了雷達波的輻射特征,并引起電磁波的散射和漫射。當?shù)孛娲嬖谛匣蚴瘔K等雜物,天線不能很好地與地面接觸,能量不能有效地耦合傳輸?shù)降叵?使電磁波在地面與天線間形成振蕩。由于天線耦合不好而引起的干擾波,在記錄自始至終都存在,其頻率接近工作主頻,信號強,衰減慢,像無阻尼振蕩(右圖)。,42,如果天線垂直離開地面一定距離,其干擾現(xiàn)象可以得到一定程度的抑制,但直達波的相位數(shù)亦會增多,輻射到地下的能量也會衰減。,43,4.空中輸電線干擾圖像特征,當雷達測線垂直通過輸電線,天線的極化方向與輸電線方向平行時,輸電線引起的干擾呈雙曲線型,其頂點正對于輸電線的下方,尤其是高壓輸電線,其影響范圍遠達5080m,信號強、相位多。高度根據(jù)tc/2計算。,單線架空輸電線路干擾,44,當測線與架空輸電線路平行時,天線的極化方向與架空輸電線路方向垂直,輸電線路在地質雷達剖面上表現(xiàn)為一強振幅水平同向軸。,平行測線架空輸電線路干擾,45,多線高壓輸電線路在地質雷達剖面上的反映,剖面上出現(xiàn)了多組能量強、多次波多的反射,其干擾非常嚴重,多線架空輸電線路干擾,46,5.地表金屬物影響,天線通過地表金屬物時會產生強反射,在地質雷達剖面上反映為強能量同相軸出現(xiàn)，并且反射波會在金屬物和天線間產生多次反射,在剖面上表現(xiàn)為強能量同相軸垂向延續(xù)時間長的特點。,47,1.5.3測線布置原則,測量工作進行之前必須首先建立測區(qū)坐標，以便確定測線的平面位置。(1)目標是一維體，如管線方向已知，測線應垂直管線長軸；如果方向未知，則應采用方格網(wǎng)。(2)對基巖面等二維體進行調查時，測線應垂直二維體的走向，線距取決于目的體沿走向方向的變化程度。(3)目的體體積有限時，先用大網(wǎng)格小比例尺初查，以確定目的體的范圍，然后用小網(wǎng)格、大比例尺測網(wǎng)進行詳查。網(wǎng)格大小等于目的體尺小。,48,1.5.4測試方法,剖面法（反射觀測方式）,49,柱墻樓板,發(fā)射天線,接收天線,透射法,寬角法（共深點法，CDP）用于求取表層土的電磁波傳播速度,空氣波,地表直達波,50,1.5.5測量參數(shù)選擇,測量參數(shù)選擇合適與否關系到測量的效果。測量參數(shù)包括天線中心頻率、時窗、采樣率、測點點距與發(fā)射、接收天線間距。,(1)天線中心頻率選擇。天線中心頻率選擇需兼顧目的體深度與目的體的尺寸，一般來說，在滿足分辨率且場地條件又許可時，應該盡量使用中心頻率較低的天線;天線頻率與探測深度的粗略關系：1000M-0.5m500M-1.0m200M-2.0m100M-5.0m50M-10m10M-50m,51,(2)時窗選擇。時窗選擇主要取決于最大探測深度hmax(單位m)與地層電磁波速度v(單位m/ns)。時窗w(ns)可由下式估算:w=1.3(2hmax/v);考慮到hmax和v的變化，時窗應預留出30%以上的余量。,52,(3)掃描點數(shù)選擇。掃描點數(shù)即每道波形的采用點數(shù)(128、256、.2048等)。為保證在一定頻率下，每個波形有10個采樣點，掃描點數(shù)應滿足：掃描點數(shù)10時窗長度(s)天線頻率(Hz)如：天線1000M，時窗50ns，要求點數(shù)大于500，可選512.,53,(4)掃描速率選擇。掃描速率為每秒采集的掃描線記錄數(shù)，速率大時掃描線密集，可提高天線的移動速度。確定速率后，根據(jù)目標體尺寸決定天線移動速度（vTcm/s）。應保證最小探測目標內有20條掃描線。,54,1.5.6電磁波速的估計和標定方法,雷達探測目標深度等于反射時間乘以電磁波速度，因此電磁波速度的估算直接關系到目標深度的探測精度。雷達波速的估算方法有以下幾種:(1)根據(jù)被測介質類型查出對應于測量對象材質的介電常數(shù)后，用速度公式估算速度，要注意材質中的含水情況對介電常數(shù)的影響會很大；(2)利用已知埋深物體的反射走時計算波速，v=2h/t，h為已知目標埋深，t為反射波的雙程走時。這種方法簡單可行，是現(xiàn)場檢測中常用的一種方法；(3)利用地下點孤立目標產生的反射雙曲線求速度(見下圖計算)；(4)共中心點（CMP）法求速度(見下圖計算)。,55,如圖中，地下孤立目標為一條管道。當雷達天線由1號點向2號點方向掃描探測，由于雷達發(fā)射的是球面波，故在1號點已可探測到管道，其反射時間為tx，但是反射波卻記錄在1號點的正下方。如此當天線由1號點移動X距離，掃描到2、3號點，得到的反射波的分布便是圖中的“同相軸”。這個同相軸為雙曲線繞射波圖像。管道頂部2號點反射走時為t0，移動x后的3號點反射走時亦為tx，計算管深h和波速v：,56,如圖，用可分離天線相對于某一中心位置對稱移動發(fā)射、接收天線，t0為中心點反射走時，tx為移動x的反射走時。,57,共中心點法求速度,1.6雷達圖像的數(shù)字處理,常規(guī)的數(shù)字處理方法：預處理：點平均、道平均等數(shù)字濾波，低通、高通及帶通、中值濾波等偏移處理：以射線理論為基礎的偏移歸位方法波動方程偏移多次疊加技術特殊的數(shù)據(jù)處理方法：復信號分析：瞬時相位、瞬時振幅、瞬時頻率其它一些非線性技術的應用，如分形技術發(fā)展方向：成像處理、圖像的三維可視化、智能解釋功能,58,1.7雷達資料解釋,1.7.1時間剖面的對比原則對雷達剖面圖像進行解釋的基礎是提取反射目標，只要被測介質中存在電性差異，就可以在雷達剖面圖中找到相應的反射波。識別和追蹤同一界面的反射波形依據(jù)：同相性、振幅顯著性變化、波形特征同相性：在水平電性分界層，產生的反射波組往往有一組光滑平行的同相軸與之對應，這一特性稱為反射波組的同相性；相似性：雷達記錄點距與介質變化相比要小得多，相鄰道同一個反射波組的波形，振幅周期及包絡線形態(tài)有一定特征，這一特征稱為反射波形的相似性。,59,水的介電常數(shù)為81，與河底的性質差異較大，電磁波的強度和相位將有明顯變化，沿界面產生明顯異常,60,水下河床斷面的檢測圖象,1.7.2目標波組初始相位識別的基本要點,雷達記錄的判讀也叫雷達記錄的波相分析，是雷達資料解釋的基礎。1.反射波組的初始振幅與相位由可以看出兩點：界面兩側介質的電磁性差異越大，反射波幅越強；波從介電常數(shù)小的進入介電常數(shù)大的介質時，反射系數(shù)為負，反射波振幅反相；反之，反射系數(shù)為正，反射波振幅與入射波同相。,61,從反射波的振幅和相位上可以判定反射界面兩側介質的性質。其規(guī)律是：,1)從空氣中進入混凝士，反射波振幅反相；2)從混凝土內部的脫空層再反射回來后，反射波不反相；3)混凝土內的充滿水界面，電磁波反射回來時，反射波反相；4)混凝土中的鋼筋，因電磁波波速近似為零，反射波反相，且反射波振幅特別強。,62,混凝土模型中充水與未沖水孔的測試結果：500M天線，沖水孔界面反射波初始相位與直達波初始相位反相，未沖水孔界面的反射波初始相位與直達波初始相位同相；1000M天線測試，沖水孔界面反射波的初始相位與直達波初始相位相反，未沖水孔界面反射波初始相位與直達波初始相位相同。,63,2.反射波的頻譜特性不同介質有不同的結構特性，其反射波的頻譜特征明顯不同。例如：混凝土相對于巖層，比較均勻，沒有巖層內部結構復雜，因而圍巖中反射波明顯，高頻波豐富，混凝土內部反射波較少，只在有缺陷的部位發(fā)生反射。另外，圍巖中的含水帶也表現(xiàn)出低頻高振幅特征，易于識別。,64,3.反射波同向軸形態(tài)特征。雷達記錄中，同一連續(xù)界面的反射信號形成同相軸，依據(jù)同向軸的時間、形態(tài)、強弱、方向等進行判斷。孤立的目標體其反射的同向軸為向下開口的雙曲線，無限長平面界面反射的同向軸是直線，如圖所示。有限長的板狀目標同相軸的中間部位為直線，兩端為半只向下開口的雙曲線。,65,1.7.3不同工程檢測中雷達圖像特征,1.潛水面水平的強振幅反射波潛水面上下介質因為含水量的差別，介電常數(shù)產生較大的差異，反射系數(shù)較大。潛水面下的反射波組衰減較大。,66,2.不同土層的波場特征雜填土：反射波雜亂無序，粘土層：同相軸連續(xù)，波組平行粉質粘土，振幅中等淤泥質粘土，衰減大，振幅小砂層的波場特征與粘土層相似，中等及粗砂層，反射波同相軸不連續(xù)，存在有規(guī)律的繞射波,67,3.基巖破碎帶的波場特征同相軸錯斷，但破碎帶兩側的波組關系相對穩(wěn)定，破碎面上的振幅強,68,4.暗浜及古河道的波場特征特殊的地質現(xiàn)象。成分復雜，電性差異大二者雷達圖像特征相似，區(qū)別在于范圍的大小反射波振幅大，波形粗黑，同相軸不連續(xù)，波形雜亂，邊界明顯。,69,5.地下管線反射同相軸呈向上凸起的弧形，頂部反射振幅最強，弧形兩端反射振幅最弱，不同的材質的管線的反射波特征不同：金屬管：介電常數(shù)大，導電率極強，衰減極大，金屬管頂反射出現(xiàn)極性反轉，無管底的反射信息；非金屬管：管頂無極性反轉，有可能出現(xiàn)管底信息；管內是否充水，其波形特征亦不同，若充水，則亦出現(xiàn)波形的極性反轉管線的半徑越大，反射弧的曲率半徑就越大。,70,陶瓷,PVC,金屬,71,6.公路路面路基,路基場地為深達20多米的軟基。路基施工