KON-LD(A)工程雷达在混凝土无损检测中的应用

KON-LD(A)工程雷达在混凝土无损检测中的应用柳畅濮存亭孙刚柱（北京市康科瑞工程检测技术有限责任公司北京100037）摘要：本文阐述了混凝土无损检测新技术雷达检测技术的方法原理及KON-LD（A）工程雷达的技术参数，并在实验模型及工程实例中检验了雷达检测技术在混凝土无损检测应用中的可行性，并证明其效果良好。关键词：探地雷达、工程雷达、无损检测、雷达图像、混凝土1前言雷达检测技术是一项新兴的混凝土无损检测技术。同样作为利用高频电磁波的反射探测目标体的雷达技术，在土木工程中应用的雷达在本文中称为工程雷达，工程雷达在原理上属于探地雷达范畴，但与探空雷达和探地雷达相比较，工程雷达又有其特点。工程雷达区别于探空雷达的主要特点是：探空雷达的电磁波是在无耗介质中传播，探测距离大，工程雷达是在有耗介质中传播，探测距离有限，探空雷达的目标体一般为金属物体，目标回波能量大，工程雷达的目标体大多为非金属体，与周围介质差异小，回波能量小。另外同属于探地雷达范畴的工程雷达，与通用的探地雷达又有所区别，探地雷达需要适用于矿产资源勘查、岩土工程勘查、考古、灾害地质勘查、水文资源调查以及公路和建筑工程检测等众多领域，而工程雷达的探测对象主要集中于建设工程领域，包括道路、桥梁、混凝土建筑物、水利工程、地下隧道工程等，相对于通用性探地雷达，工程雷达要求的探测深度相对较浅，而测厚的分辨率相对较高，工程雷达探测的目标体一类为金属体，主要为混凝土结构中的钢筋和地下管线等，一类为非金属体，主要为工程介质的分层厚度以及结构物内部的孔洞、缺陷及裂缝等。雷达检测技术在土木工程中的应用主要有以下几方面：探查地下管网（如水管、电力管线、输气管线、热力管线等）的分布；公路路面、机场跑道的分层厚度；地基脱空、回填欠实、地下水渗漏等；隧道衬砌厚度、围岩扰动、脱空与空洞等；桥梁或混凝土建筑物中的钢筋分布，孔洞、疏松、裂缝、剥离层等缺陷的位置与范围。所要求的探测深度一般在几米以内，但要求有较高的分辨率。本文将介绍雷达检测技术和北京康科瑞公司KON-LD(A)型工程雷达在混凝土无损检测技术中的实际应用。相对于土木工程中经常用到的超声法、回弹法、取芯法等无损与微损检测技术，雷达法具有独到的技术特点；1、使用不同的天线频率，可以实现不同的探测深度，从几厘米到几米；2、改变天线的中心频率和频带宽度，可以实现不同分辨率的检测；3、可实现无接触式的扫描检测，探测速度快，可进行大面积的快速连续检测；4、可以穿透介质中的空隙探测到内部的质量情况，可对有装修层的结构或构件进行检测；5、可以探测到内部的钢筋等金属体的分布，也可以探测到孔洞、裂隙等非金属性的介质差异；6、雷达检测结果可以用二维切片图或三维立体图像显示，具有直观清晰的优势。2雷达方法原理-1-工程雷达工作原理与探地雷达工作原理相同，是侧重于建筑工程检测应用、进行浅层结构探测的专用雷达。雷达技术是一种用于确定地下介质分布的宽频带电磁波技术。雷达利用发射天线（T）发射高频宽带电磁波，用接收天线（R）接收来自地下介质分界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质、几何形态及深度发生变化。因此，根据接收天线接收到电磁波的旅行时间（双程走时）、幅度与波形资料可推断介质的结构。工程雷达工作模式如图1。图1工程雷达工作模式雷达在每个测点上所采集的数据在测线剖面图中均为在收、发天线中心点正下方的一条垂线，移动收发天线在一条测线进行多点数据采集就形成了该测线相对应的雷达剖面图。实际上，接收天线所接收到的电磁波是来自天线下方一个区域范围（第一菲涅尔带）内介质的反射波。雷达剖面图的横坐标是测点位置（收发两天线的中点位置〕，纵坐标是雷达波双程走时（深度）。雷达信号采集及图像的形成过程如图2。图2雷达记录图像形成过程3检测参数选择雷达检测时的参数选择合适与否直接关系到实际的检测效果。其主要的检测参数包括天线中心频率、发射天线与接收天线的间距、采样时窗、采样率和测点间距（或连续测量的天-2-线移动速率）。3.1天线中心频率天线中心频率的选择应在满足探测深度的前提下，使用更高分辨率的高频天线，并兼顾天线尺寸是否符合工作场地的要求。天线的频率越高，探测分辨率越高，但探测深度却越小。如果要求的空间分辨率为x，混凝土相对介电常数为ε，则天线中心频率f(单位为MHz)可由下式选定:εxf150=(1)在混凝土无损检测中一般要求雷达的探测深度在1米范围之内，所以，结合实际工程对探测深度以及分辨率的需要一般可选用500MHz-2000MHz甚至更高中心频率的天线对目标物体进行探测。3.2时窗选择时窗的选择决定雷达系统对反射回来的雷达信号取样的最大时间范围，这就决定了雷达记录所反映的最大探测深度。时窗主要取决于最大探测深度d与地层电磁波速度v，数据采集时所开的时窗W可由下式决定:vdWmax23.1=（2）上式中时窗的选用值增加30%，是为了介质中电磁波速度与目标深度的变化所设的校正值。在混凝土无损检测工程中，根据探测深度的要求可选择50ns以内的时窗范围。3.3采样率采样率是记录的单道反射波采样点之间的时间间隔。由尼奎斯特(Nyquist)采样定律，即采样率至少应达到记录反射波中最高频率的2倍。通常情况下，当天线中心频率为f(单位为MHz)，则采样率ft61000=Δ（3）3.4测点点距在进行离散点测时，测点的点距取决于天线的中心频率与地下介质的电性质。为了确保地下介质的响应在空间上不重叠，亦应该遵循Nyquist采样定律，其空间采样间隔应为周围介质中波长的1/4，即：εfcnx4=（4）式中f为天线中心频率，ε是周围介质的相对介电常数，c为空气中的电磁波速度。在进行连续测量时天线最大移动速度取决于天线扫描率、天线宽度和目标体的大小。-3-4KON-LD（A）型工程雷达技术参数KON-LD（A）型工程雷达是北京市康科瑞工程检测技术有限责任公司和中国科学院电子学研究所联合研制开发的第一代工程雷达产品，是侧重于建筑工程检测应用的专用雷达。雷达系统由主机、天线、控制显示单元、数据采集处理软件及配件组成，其主要技术参数如下。4.1主机：通道：单通道数据采集方式：点测、连续测量水平标记方式：时间、测量轮A/D转换：16位采样率：128、256、512或1024扫描速度：67scans/sec时窗：25、50、75、100ns体积（长*宽*高）：28*20*4.5cm重量：1.5kg功耗：4.1W（500MHz天线）、6.6W（1GHz天线）最大系统动态范围：168dB工作温度：-10℃~+40℃相对湿度：＜90%RH供电电源（直流）：12V连续工作时间：＞4h4.2天线：中心频率：500MHz、1000MHz天线种类：屏蔽式地面藕合天线工作温度：-10℃~+40℃4.3控制显示单元：笔记本电脑4.4软件功能：数据采集处理一体化软件安装在笔记本电脑Windows操作系统下，可进行现场数据分析处理、判读、成图。数据采集功能：数据采集的实时显示、回放及数据存盘；信号处理功能：频谱分析、低通滤波、高通滤波、带通滤波、偏移处理、增益、背景消除、叠加、希尔伯特变换、地形校正、动校正、数学运算、时深转换、数据编辑、文件操作等；-4-应用分析功能：厚度计算、目标体定位、分层界面提取、介电常数计算；图像显示方式：波形堆积图、灰色电平图和伪彩色电平图三种方式。4.5配件：主机及笔记本电脑托架、天线拉杆、直流电源、充电器、电缆、测量轮。图3KON-LD(A)型工程雷达5实验室模拟用KON-LD(A)型工程雷达500MHz天线对钢筋混凝土预制模型进行实验性探测。在该模型中，从疏到密埋有14根钢筋，第1、2根钢筋的间距为50cm，第2、3、4根为30cm，其余为20cm，并在第1、2根钢筋及第4、5根钢筋之间的下方预制有空洞异常。模型中预埋的钢筋及空洞异常，其相对介电常数均与周围的混凝土介质有明显差异，电磁波在到达该电性差异界面时就会产生强烈的反射，其反射波会在雷达记录图上得到相应记录。对该模型进行时间触发、连续探测，得到如图4的雷达记录图像。-5-图4KON-LD(A)型工程雷达500MHz天线检测混凝土预制模型记录图雷达记录图像清晰的反映出该混凝土预制模型中的钢筋分布情况以及空洞异常的存在。6工程实例某桥梁因修建使用时间较长，需确定该桥内部钢筋的分布情况及其内部是否存在缺陷，以便对其进行及时的维护修复工作。我们采用KON-LD(A)型工程雷达对该桥体进行探测,天线频率为1000MHz，得到如图5的雷达记录图。图5KON-LD(A)型工程雷达1000MHz天线检测桥梁记录图对该雷达记录进行处理分析，推断桥体内部可能存在局部疏松现象的缺陷。在雷达记录图上类似双曲线的图像均为桥体内钢筋的电磁波反射信号记录，桥板厚度为43cm（介电常数取9）。7结论从以上分析可知，雷达检测技术在探测混凝土结构内部的钢筋分布情况以及结构体内的缺陷方面具有良好的效果。伴随着雷达设备的不断更新完善，雷达检测技术在混凝土无损检测领域将会得到更广泛有效的应用。参考文献［1］李大心.探地雷达方法与应用.北京：地质出版社，1994［2］JohannesHugenschmidt,RomanMastrangelo.GPRinspectionofconcretebridge,Cement&ConcreteComposites,2006,28,384-392-6-