戴 舜,劉麗華,吳秉橫,方廣有

(1.中國科學院電子學研究所,北京 100190;2.中國科學院研究生院,北京 100049)

混凝土無損檢測技術(NDT)是指在不破壞結構構件的前提下,直接從結構物上測試及推定混凝土強度或缺陷以及鋼筋位置.目前常用的混凝土無損檢測方法包括回彈法、超聲法、超聲回彈綜合法、紅外成像法、光纖傳感法、沖擊波檢測法、電磁感應法和雷達波檢測法等[1].其中回彈法和超聲回彈綜合法主要用來測量混凝土強度;超聲法常用來檢測混凝土內部缺陷,其穿透能力強但準確性較差;紅外成像和光纖傳感法只適用于混凝土表面損傷檢測且價格昂貴;沖擊波法用于測量單面結構混凝土厚度和缺陷,其在復雜條件下精度不高;電磁法用于測定鋼筋直徑、位置和保護層厚度,探測深度較淺,受鋼筋直徑和相鄰鋼筋距離制約.

超寬帶探地雷達(GPR:Ground Penetrating Radar)具有穿透性強,回波信息豐富,探測深度深,空間分辨率高,對介電常數變化敏感和結果直觀等優(yōu)點,國外學者從1980年開始將超寬帶探地雷達用于混凝土無損檢測[2].近年來探地雷達已廣泛應用于鋼筋位置和保護層厚度檢測,混凝土內部缺陷檢測及PVC管等其他物體檢測[3-5].本文介紹了一種適用于混凝土無損檢測的無載頻脈沖超寬帶探地雷達系統(tǒng),其功耗低,設計新穎,體積小巧,使用方便.

1 GPR探測原理

探地雷達探測原理如圖1所示,圖中系統(tǒng)由發(fā)射機,接收機,收發(fā)天線,信號控制,數據采集與處理單元構成.發(fā)射機產生皮秒級的寬帶脈沖信號,該信號經緊貼地表的寬帶發(fā)射天線耦合到地下介質,經目標反射、散射后的部分電磁波能量被接收天線捕獲,并轉變?yōu)殡妷盒盘柟┖蠖颂幚?由于目標的距離及散射特性存在差異,接收機接收到的不同目標的回波信號幅度及時延也會存在差異,通過對接收數據進行處理,識別這些差異便可以實現(xiàn)對目標的檢測.通?；炷林械匿摻顬閺姺瓷淠繕?單道波形在目標處顯示為較高的信號幅度,堆積圖顯示為雙曲線回波,雙曲線的中心代表了鋼筋位置,雙曲線的位置與形狀則與鋼筋的直徑有關[6].

圖1 探地雷達探測原理圖Fig.1 Schematic diagram of the detection principle of GPR

設收發(fā)天線距離為x,地下目標的深度為H,電磁波速為v,地下介質電磁特性均勻,不考慮色散效應,由接收到的目標回波相對于脈沖發(fā)射的雙程傳播時間

即可計算出目標深度H.

探地雷達精度分析常采用地震波反射理論[7],按Reyleigh準則,取λ/4作為垂直分辨率的極限,則

式中:Δd為雷達樣機的最低垂直分辨率;λ為電磁波長;fc為天線中心頻率;εr為介質的相對介電常數.

水平分辨率通常由Fresnel反射帶決定[8],從該反射帶的回波相位差不應超過λ/4,則該反射帶直徑為

由式(2)和式(3)可知,介質的相對介電常數越大,天線的中心頻率越高,則雷達的垂直分辨率越高,而水平分辨率除上述因素外,還與待測目標的埋深有關.

2 GPR系統(tǒng)及設計

2.1 GPR系統(tǒng)總體設計

根據鋼筋混凝土的檢測要求,手持式GPR需要有較高的分辨率,合適的探測深度以及靈活的控制顯示方式,滿足上述需求的系統(tǒng)結構框圖如圖2所示.

圖2 手持式探地雷達系統(tǒng)結構框圖Fig.2 Structure sketch of the handheld GPR system

2.2 射頻模塊設計

射頻模塊是手持式探地雷達的重要組成部分,其性能直接影響到檢測效果.考慮到鋼筋混凝土的厚度較薄,鋼筋埋藏較淺,直徑和間距較小的目標特征,區(qū)別于一般探地雷達深層遠距的探測特點,本雷達系統(tǒng)的射頻模塊采用了皮秒級無載頻脈沖發(fā)射機,基于等效采樣原理[9]的脈沖接收機以及小型化寬帶天線.

發(fā)射機主要包括由微波三極管、肖特基二級管和階躍恢復二極管構成的階躍信號產生電路和高斯脈沖產生與整形電路[10].階躍信號產生電路利用微波三級管的高速開關特性,將來自控制端的方波信號轉變?yōu)榫哂锌焖傧陆笛氐碾A躍信號.高斯脈沖產生電路利用階躍恢復二極管的階躍特性以及RC電路充放電過程,在前級階躍信號驅動下產生高斯脈沖信號.該信號經肖特基二級管整形后可得到Vp-p為2～10 V,脈寬300～500 ps,脈沖重復頻率1 MHz的皮秒級單周期負脈沖信號,通過調節(jié)電路參數和供電電壓可改變輸出脈沖的寬度與幅度.

超寬帶脈沖接收機主要由互補寬帶微波三級管、肖特基二級管、保持放大器、寬帶變壓器和取樣相位檢測器(SPD)組成[11],其中SPD包含一只階躍恢復二極管(SRD),兩個保持電容和一對肖特基二極管.接收機包括脈沖產生電路,取樣門和基帶信號產生電路.寬帶變壓器將來自控制端的步進延時方波信號轉換為兩路平衡信號,該信號通過互補寬帶微波三級管轉換為完全對稱的正負窄脈沖信號,用作取樣門電路的取樣脈沖.SPD在取樣脈沖驅動下將雷達回波信號進行等效采樣,通過基帶信號產生電路的保持放大作用將皮秒量級的脈沖信號展寬為毫秒量級的基帶脈沖信號.實測接收機轉換增益為7～10 dB,對應取樣帶寬為6 GHz,動態(tài)范圍為50 dB,靈敏度為-46 dBmW.

收發(fā)天線由兩個并排放置、中心頻率為2 GHz的橢圓偶極子天線組成[12].天線的振子由一個半橢圓和半圓組成,優(yōu)化后的橢圓長軸a=21 mm,短軸b=12 mm,半圓半徑為b,中心饋電點之間距離為2 mm.天線輻射臂的末端通過一個500 Ω的電阻與高度為40 mm的反射腔相連.天線采用特性阻抗為100 Ω的平衡饋電方式,利用寬帶巴倫[13]匹配饋線與天線.整個射頻模塊采用普通FR-4環(huán)氧玻纖布基板,有效降低了模塊成本.

2.3 控制模塊硬件設計

控制模塊由基于ARM內核的嵌入式處理器構建,包含雷達時序控制單元和數據處理與顯示單元,其硬件結構如圖3所示.

圖3 嵌入式控制模塊硬件結構圖Fig.3 Hardware structure of the embedded control module

數據處理與顯示單元是嵌入式控制模塊的核心之一,在其控制下系統(tǒng)完成雷達主控配置、數據采集、圖像處理和數據存儲功能.處理器采用TI OMAP3530,它是一款雙核芯片,包括一個600 MHz的基于Cortex-A8的ARM處理器和一個430 MHz的基于TMS320C64+的DSP核,并附有圖像加速器.該單元擴展了256 MB的DDR SRAM,512 MB的NANDFLASH,帶觸控的4.3英寸反射型LCD顯示屏、控制按鈕,SD卡接口以及USB接口等,能夠滿足實時顯示、雷達控制、數據存儲與通訊等一系列功能需求.

雷達時序控制單元采用基于Cortex-M3的STM320F103處理器,內置有精度為12 bit,采樣率為1 MHz的AD轉換器、高級控制定時器、多個SPI接口以及充足的GPIO接口.單元通過控制由DS1023與SY89297U延時芯片構成的兩級延時電路提供最小時延為5 ps,最大探測時窗為130 ns的步進延時控制信號,同時采用多個電平轉換芯片完成LVPECL和LVCOMS/LVTT L電平的信號轉換.

嵌入式控制模塊的總體工作流程如下:OMAP3530通過SPI總線對STM32F103發(fā)送射頻模塊初始化配置參數啟動射頻模塊,采樣接收機的輸出基帶模擬信號通過STM32F103內置的A/D轉換器變?yōu)閿底中盘?在內部疊加去噪后通過SPI總線上傳.STM32F130應用定時器通過中斷方式對光電編碼盤輸出的兩路相位相差90°的脈沖信號進行計數,記錄數值作為雷達回波信號的道頭位置信息.在OMAP3530控制下,程序調用內置的DSP核進行相應的數據成像處理,LCD實時顯示雷達采集波形并將采集數據及時保存到存儲器中,方便后期雷達圖像的識別算法研究.

2.4 控制模塊軟件設計

控制模塊軟件包括時序控制處理器底層軟件和雷達顯示處理應用軟件.考慮到該探地雷達系統(tǒng)需現(xiàn)場采集數據、實時傳輸以及顯示信息等應用特點,基于微軟公司的Windows CE定制了嵌入式操作系統(tǒng),并開發(fā)了相應的BOOT LOAD啟動程序及相關驅動程序.探地雷達應用軟件采用多線程、雙顯示緩沖池等技術來完成雷達參數設置、數據存儲、實時波形圖像顯示、已存儲波形數據回放以及成像處理等功能.應用軟件處理模塊流程圖如圖4所示.

圖4 軟件處理模塊流程圖Fig.4 Software flowchart of the embedded control module

手持式探地雷達樣機如圖5所示,底部有4個滾輪,含電池重量約1.1 kg,外形尺寸為205(長)mm×144(寬)mm×82(高)mm,單手即可操作.

圖5 手持式探地雷達樣機圖Fig.5 Photo of the handheld GPR prototype

3 實驗與分析

將發(fā)射天線與接收天線水平對置,構成直接通路來驗證系統(tǒng)探測的準確性和可靠性.圖6所示為實驗室條件下天線間距為10 cm時測試得到的接收機下采樣后的雷達回波圖像.

為模擬探地雷達進行淺層探測時的典型應用環(huán)境,雷達樣機實驗采用測量沙坑中預埋鋼筋的方式進行.雷達樣機參數設置如下:發(fā)射機偏置電壓為±5 V,發(fā)射脈沖底寬為300 ps,幅度約為4 V、重復頻率為1 MHz,步進延時Δt=20 ps,步進長度N=511,時窗T=Δt×N=10.22 ns.

圖6 直接通路測試圖Fig.6 Diagram of the direct-path transmission test result

實驗1 對沙坑內深10 cm,直徑6 mm,長度30 cm的鋼筋進行測量.7根鋼筋并排放置,間隔按1 cm,從10 cm,依次遞減至5 cm.設置雷達為距離觸發(fā)模式,觸發(fā)間隔為1.5 cm,采集波形如圖7所示,可發(fā)現(xiàn)共存在5個尖峰和1個平臺,其中前4個尖峰波形相對明顯,第5個尖峰與后一個尖峰將要合并,第6個和第7個尖峰已合并為一個平臺,尖峰表示該處為鋼筋,而平臺為多根鋼筋的波形混疊在一起的結果.對比測量實驗的預設條件可知,兩根深度為10 cm,間距為6 cm的鋼筋仍可分辨.由式(3)可計算此時的Fresnel帶直徑為12.2 cm,對應的水平分辨率為6.1 cm,與實驗結果相符.

圖7 水平分辨率實驗結果Fig.7 Result of the horizontal resolution experiment

實驗2 對沙坑內水平間隔20 cm,直徑10 mm,長度30 cm的螺紋鋼進行測量.4根鋼筋按埋深從25 cm按5 cm依次遞增到40 cm.采集波形顯示如圖8所示,圖中發(fā)現(xiàn)存在4個尖峰回波,其中對應25 cm埋深的回波幅度最大,深度越大則回波幅度越小,在深度為40 cm時波形微弱但仍可分辨.這是由于沙坑中沙粒較深處含水量較高,介電常數較大,電磁波衰減快.按照沙的介電常數為4,混凝土為5～8進行換算,則雷達探測深度可達35 cm以上.

圖8 探測深度實驗結果Fig.8 Result of the detection depth experiment

實驗3 對28 cm厚的混凝土磚砌墻進行探測,在墻體中存在配電箱以及金屬電線管.墻體試驗采用距離觸發(fā)模式,采樣間隔為5 mm.雷達采集波形如圖9,圖中可見金屬電線管道的明顯雙曲線回波以及金屬配電箱的平臺狀回波.

圖9 墻體探測實驗結果Fig.9Result of the concrete wall detection experiment

4 結 論

本文介紹了超寬帶手持式探地雷達的結構和工作原理,闡述了射頻模塊和控制模塊的軟硬件設計方法.該雷達系統(tǒng)發(fā)射機脈沖幅度可調,最小脈寬為300 ps,接收機取樣帶寬為6.4 GHz,動態(tài)范圍為50 dB,靈敏度為-46 dBmW,時序控制單元可提供最小延時步進為5 ps,探測時窗達130 ns的步進延時信號,基于嵌入式技術的數據處理與顯示單元可實時處理和顯示雷達采集圖像并保存數據.實驗測試結果表明,系統(tǒng)在一定探測深度中具有較高水平分辨率.整機結構簡單,工作穩(wěn)定,價格低廉,滿足淺層高分辨率地表穿透探測特別是鋼筋混凝土的無損檢測要求.

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