摘要闡述了林木無損檢測的主要原理和研究現(xiàn)狀，介紹了探地雷達的工作原理、應用情況和主要特點，探討了將探地雷達應用在無損檢測中的研究難點和方向。

關鍵詞探地雷達；林木無損檢測；綜述

中圖分類號S223.9文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）05-345-03

A Preliminary Study on the Application of GPR in Nondestructive Tests for Wood

GU Wei-hong1， MIN Kun-long1， ZHOU Xiu-Ming2 （1.Northeast Forestry University， Haerbin， Heilongjiang 150040；2.Heilongjiang Vocational Institute of Ecologicail Engineering，Haerbin，Heilongjiang 150025）

Abstract The main principles and research status of nondestructive tests for wood were elaborated， working principle， application and the main features were introduced. The difficulties and the direction of the application of GPR in Nondestructive Tests for Wood were discussed.

Key words GPR； Nondestructive Tests for Wood； Review

作者簡介顧偉宏（1982- ），女，黑龍江富錦人，工程師，在讀博士，從事自動檢測與控制研究。

收稿日期2014-12-26

無損檢測作為一種檢測手段具有不破壞測試件性狀的優(yōu)點，在森林資源日益短缺的今天，將無損檢測應用于林木檢測可以將林木的保護、調(diào)查和使用最大化、最優(yōu)化。目前探地雷達主要應用于地下目標的探測，應用于地表以上物體的檢測還有待進一步開發(fā)。

1林木無損檢測簡述

無損檢測又稱非破壞性技術(shù)檢測，是指不破壞被測試件原有的形狀、物理力學性質(zhì)和化學性質(zhì)等，采用合適的檢驗手段，實現(xiàn)對木材性能、性質(zhì)進行檢測和評估的方法。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，把電子計算機和射線等技術(shù)，與木材的特殊性質(zhì)相結(jié)合而進行的非破壞性檢驗的技術(shù)手段，被稱之為木材無損檢測。木材具有多孔性、層次性、各向異性等諸多特殊性質(zhì)使得木材無損檢測與其他材料相比具有特殊的困難。木材無損檢測始于20世紀60年代后期，在歐美、日本等國家興起，近幾十年多種研究方法被借鑒到木材無損檢測上，發(fā)展非常迅速。用這項技術(shù)可以將原木劃分等級或者對一些木制品進行一定范圍的質(zhì)量評估，也可以對木材生長情況進行檢測[1]。

20世紀70年代末我國開始利用X射線技術(shù)進行木材無損檢測研究，20世紀80年代后期，嘗試利用多種技術(shù)手段對木材及木制品物理力學性質(zhì)、木材生長特性等進行無損檢測的研究。隨著技術(shù)的不斷進步，我國木材無損檢測項目的應用雖已有幾十種，但與國際同類項目相比還有一定差距，有待于對新方法的不斷探索和突破[2]。

1.1無損檢測技術(shù)的類型

1.1.1聲應力波檢測。

目前聲應力波的應用比較普遍，聲應力波就是對沖擊波產(chǎn)生的回饋信息進行加工和分析。檢測原理是利用聲波會在被測物體表面產(chǎn)生沖擊，但各個部位反射回來的信息是不同的，根據(jù)反射回來的聲音速度以及回饋的波譜，分析被檢測物體各個部位可能存在的缺陷。

1.1.2超聲波檢測。木材超聲波檢測指超聲波產(chǎn)生聲脈沖，使聲脈沖進入到木材及其制品中并經(jīng)過不斷地穿透、反射、衰減，然后利用傳感器收集，得到不同信號參數(shù)再經(jīng)過處理后，達到預測木材及其制品的性質(zhì)的方法。與聲應力波檢測不同的是超聲波檢測使用的頻率一般在20 kHz以上。

1.1.3其他無損檢測技術(shù)。

聲應力波、超聲波這2種技術(shù)的主要特點是操作程序簡單、成本低。在特殊的檢測條件下，電學方法、X射線技術(shù)、γ射線技術(shù)等也是常使用的檢測技術(shù)，其中X射線技術(shù)主要應用在立年輪的檢測，實現(xiàn)對林區(qū)現(xiàn)場立年輪的無損檢測，可以根據(jù)具體的實際情況選擇合理的檢測技術(shù)[3]。

1.2無損檢測的應用無損檢測技術(shù)在林業(yè)上的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.2.1木材含水率檢測。決定木制品內(nèi)在質(zhì)量的關鍵因素主要就是木材含水率，對古建筑木構(gòu)件更是尤為重要。當木構(gòu)件含水率過高，古建筑木構(gòu)件發(fā)生病蟲害的可能性會大大增加。

1.2.2樹木保護。古樹名木是珍貴的自然資源，也是重要的文化遺產(chǎn)，為加強古樹名木的保護，需要在不破壞其生長的條件下進行內(nèi)部缺陷和病蟲害的檢測，這就需要應用無損檢測技術(shù)，這已經(jīng)是發(fā)達國家對城市樹木進行保護必須采用的重要技術(shù)。

1.2.3木結(jié)構(gòu)部件現(xiàn)場檢測。在對一些木結(jié)構(gòu)的古建筑進行維修和保護的時候，不能破壞原有木構(gòu)件，就需要對構(gòu)件進行現(xiàn)場的無損檢測，檢測木構(gòu)件的強度和缺陷情況，確定木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，對古建筑的維護方案提供可靠的參考。

1.2.4木材加工業(yè)。將無損檢測應用于木材加工中，可以顯著地提高木材加工的自動化水平和生產(chǎn)效率，并在生產(chǎn)的同時監(jiān)測木材加工質(zhì)量，為產(chǎn)品品質(zhì)提供有力保證[4]。

2探地雷達簡介

探地雷達又被稱為表層穿透雷達，是利用電磁波探測地下目標形狀位置的一種新技術(shù)。探地雷達有一個發(fā)射電磁波的天線與一個接收電磁波的天線。發(fā)射電磁波的天線發(fā)出電磁波，當電磁波遇到地下探測目標時由于探測目標與土壤的介電常數(shù)不同從而在分界面發(fā)生電磁波的反射和散射，被發(fā)射和散射的電磁波被探地雷達的接收天線所接收。探地雷達通過對接收的電磁波的處理實現(xiàn)對地下探測目標的反演，如確定地下目標的位置、形狀以及識別目標的介電特性等，最終起到對地下目標的探測作用。若探地雷達所使用的發(fā)射電磁波的發(fā)射天線和接收電磁波的接收天線與地面的夾角比較小時，大部分的反射電磁波都將與地面保持垂直關系。所以在探地雷達所接收到的反射電磁波的變化可以真實地表示地下探測目標的具體分布情況。探地雷達所發(fā)出的電磁波頻率較高，從而在土壤中主要表現(xiàn)為位移電流的形式。所有電磁波在傳輸?shù)倪^程中發(fā)生頻散較小，而且傳輸速度主要根據(jù)傳輸介質(zhì)的介電常數(shù)不同而不同。這種電磁波的傳輸特性與由于地震引起的彈性波的傳輸特性十分相似，而且它們的波動方程表達形式也非常相似，從而應用于地震波處理的方法可以作為探地雷達信號處理的參考資料。隨著科技的不斷發(fā)展以及人們對地下探測研究的不斷深入，人們對地下探測的要求也在不斷提高，這使得探地雷達的應用范圍也在不斷拓展，探測的精度也在不斷提高，探測深度也在進一步加深[5]。

目前人們對利用探地雷達進行淺地層的目標的探測研究十分重視，并將該項研究列為我國建設安全中的一個非常重要的領域。因為利用探地雷達進行地下目標探測具有不破壞地表結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，同時探地雷達探測目標的反演成像技術(shù)也在不斷的提高，使得探地雷達更加實用。目前進行淺地層目標探測行業(yè)中，探地雷達的無損探測技術(shù)具有非常廣闊的發(fā)展前景和推廣價值[6]。根據(jù)不同的分類方法，探地雷達可以分為很多類。按照探地雷達的回波信號采集方法的不同可以分為地表式探地雷達和鉆孔式探地雷達等；若按照探地雷達的操作方法的不同又可以分為手提式探地雷達、車載式探地雷達與機載式探地雷達等。由探地雷達分類可以看出不同的應用場所應該選擇適當?shù)奶降乩走_進行探測。探地雷達的性能主要依據(jù)其調(diào)制的方式，調(diào)制方式的好壞則可以決定探地雷達的探測深度、探測精度及其工作時抗干擾的能力。調(diào)制方式的不同還影響著探地雷達的設計費用和探地雷達自身的體積。從探地雷達的探測原理出發(fā)，當2個探地雷達的工作頻帶一致，則這2個探地雷達探測效果應該相同，可以獲得同樣的探測深度，并與探測深度獲得同樣的探測目標的信息。但是同樣的工作頻帶卻可以通過不同的方法和手段實現(xiàn)。

2.1探地雷達的分類目前常見的探地雷達主要有沖激脈沖形式的探地雷達、線性調(diào)頻形式的探地雷達、步進變頻形式的探地雷達、噪聲信號探地雷達等。

2.1.1沖激脈沖形式的探地雷達。沖激脈沖探地雷達主要應用于對淺地層的目標探測，由于探地雷達通常對探測深度與探測精度要求較高，所以其使用探測信號為一種具有寬帶特性的沖激脈沖，這使得沖激脈沖探地雷具有探測處理速度快，設備體積較小的特點[7-9]。沖激脈沖探地雷達通過發(fā)射天線向地下發(fā)出沖激脈沖，然后使用一定采集方法收集地下探測目標的回波信號，該回波信號中帶有了探測目標的很多信息。通過該回波信號可以完成探測目標的反演與重構(gòu)。沖激脈沖在地下傳輸衰減速度較為嚴重，這使得沖激脈沖探地雷達的探測深度受到了一定的限制。

2.1.2線性調(diào)頻形式的探地雷達。線性調(diào)頻形式的探地雷達根據(jù)探測現(xiàn)場的土壤的介電常數(shù)及對電磁波的衰減特性和探測目標對電磁波的響應設置雷達的工作參數(shù)。線性調(diào)頻形式的探地雷達的優(yōu)勢在于其探測的精度較高，而且發(fā)射信號的頻譜可以調(diào)整；但是線性調(diào)頻形式的探地雷達的設計費用較高，而且體積較大，系統(tǒng)參數(shù)設計較為困難[10-11]。線性調(diào)頻形式的探地雷達主要用于對淺地層目標進行探測，如公路質(zhì)量檢測等。

2.1.3步進變頻形式的探地雷達。步進變頻形式的探地雷達通過發(fā)射天線向地下發(fā)射具有一定時間間隔的多個頻率信號，接收天線通常采用孔徑形式的天線。接收天線接收地下的回波信號，然后對回波信號的相位值和回波信號的幅度值進行處理[12-16]。由于步進變頻形式的探地雷達發(fā)射的信號具有的特性，使發(fā)射天線設計較為簡單，但是發(fā)射天線的工作頻率需要由具體探測現(xiàn)場的土壤的介電常數(shù)等特性決定。

2.1.4噪聲信號探地雷達。噪聲信號探地雷達通過發(fā)射天線發(fā)射一定的噪聲信號，然后根據(jù)噪聲信號探地雷達接收天線接收的信號和受到時延的發(fā)射信號的關系，最后得到地下探測目標的具體位置等。

2.2探地雷達的應用

作為一種目標探測手段，探地雷達具有許多特點和優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應用，目前主要應用領域包括以下幾個方面[17]：

（1）軍事方面。構(gòu)建工事之前的地質(zhì)勘測，探測埋藏于地下的地雷、軍械或地下工事等。目前主要應用于淺層地雷的探測研究，特別是探測金屬地雷是研究熱點。

（2）城建方面。探測水泥管線、金屬管線及塑料管線的走向和位置；探測建筑物內(nèi)部鋼筋的分布；檢測隧道和橋梁的建筑質(zhì)量等。

（3）交通方面。在勘察設計階段，探地雷達可用于探測地質(zhì)情況（如斷層、滑坡及基面）；在公路的施工建設階段，探地雷達可用于監(jiān)測，在隧道的施工建設階段，探地雷達可以用于提前探測可能遇到的斷層和溶洞等；在工程完成后的試運行時期，探地雷達可以實時監(jiān)測路基壓實度、厚度和含水量等參數(shù)?？梢哉f探地雷達的應用貫穿于公路建設的全程[18]。

（4）地質(zhì)勘探方面。探地雷達可以應用于查找和探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下礦藏、巖層、地下水及空洞等目標[19]。

（5）考古方面。探地雷達主要應用于探測古遺址、古墓和古代地下埋藏物，另外還應用于檢測古建筑物結(jié)構(gòu)及墻體等。

（6）安保方面。主要應用于查找地下非法作坊、被掩埋的物證及監(jiān)獄暗道等。

（7）石油方面。主要應用于查找地下石油管線的漏點、查明石油產(chǎn)品的污染范圍，確定石油副產(chǎn)品對地下水和土壤污染情況等。

（8）水利方面。主要應用探地雷達床面測繪及檢測江、河、湖泊等大壩所存在的隱患等。

3探地雷達在林木無損檢測中的應用嘗試

探地雷達具有分辨率高，檢測速度快，結(jié)果直觀，使用方便等諸多優(yōu)點。電磁波在林木的不同狀態(tài)下，如腐朽、空洞等界面，會發(fā)生損耗、反射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以在波形上得到體現(xiàn)。這些都說明利用探地雷達對林木進行無損檢測是可行的。探地雷達的檢測手段是相對成熟的，但在林木無損檢測中探地雷達和相應的圖像處理算法還比較少，有待人們進一步深入研究，開發(fā)手持、低能耗的現(xiàn)場檢測設備將是今后研究的重點。

參考文獻

[1]

劉培炎. 無損檢測在木材應用中的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 福建分析測試， 2012，21（1）：60-62.

[2] 楊洋，申世杰. 木材無損檢測技術(shù)研究歷史、現(xiàn)狀和展望[J]. 科技導報， 2010，28（14）：113-117.

[3] 梁善慶， 蔡智勇， 王喜平，等. 北美木材無損檢測技術(shù)的研究與應用[J]. 木材工業(yè)， 2008，22（3）：5-8.

[4] 樸常革. 無損檢測技術(shù)在我國林業(yè)發(fā)展中的應用探析[J]. 民營科技， 2012（8）：122.

[5] 閔昆龍. 基于Stolt偏移的林木根系探地雷達SAR成像算法研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2014.

[6] 何蒙奎，陸云祥. 探地雷達在市政工程中的應用[J]. 工程勘察，2009（2） ： 486-493.

[7] 支海燕，呂錫從. 一種無載波脈沖探地雷達技術(shù)的發(fā)展及應用[J]. 中國航天，1994（5）：39-43.

[8] 方廣有. 無載波脈沖探地雷達的現(xiàn)狀與展望[J]. 電子了望，1994（2）：17-20.

[9] 彭榮. 6ns脈寬的單脈沖探地雷達系統(tǒng)[J]. 電波與天線，1993（1）：48-55.

[10] 蘇宏艷，梁華慶. 提高線性調(diào)頻連續(xù)波探地雷達厚度檢測分辨率的信號處理方法[J].石油大學學報：自然科學版，2002，26（5）：74-76.

[11] 苗萌. 脈沖壓縮探地雷達[J]. 電子工程信息，1995（5）：18-22.

[12] 方廣有，佐藤源之. 頻率步進探地雷達及其在地雷探測中的應用[J]. 電子學報，2005，33（3）：436-439.

[13] CATTIN V，CHAIFOUT J J，BFAN P AIN R. Detection and localization with a step frequency radar[C]//Proeeeding of IEEE，1998：86-90.

[14] WEEDON W H，CHEW W C，RUWE C A.Step-frequency radar imaging for nondestructive evaluation （NDE） and ground-Penetrating radar（GPR） applications[C]//Proceeding of Advanced Microwave and Millimeter-Wave Detectors.SPIE，1994：156-167.

[15] DEROBERT X，F(xiàn)AUCHARD C，COTE P，et al. Step-frequency radar applied on thin road layers[J]. Journal of Applied GeoPhysics，2001，47（3）：317-325.

[16] TRILTZSCH G，BRAUN H M，KRELLMANN Y，et al. Stepped frequency GPR field trials in potash mines[C]//Proceeding of the Tenth International Conference Ground Penetrating Radar.IEEE，2004：755-758.

[17] 賀建輝，李又云，秦世偉. 隧道二襯雷達檢測常見缺陷圖及形成原因[J]. 山西建筑，2012，38（32）：196-197.

[18] 江凱. 探地雷達在路基檢測中的應用研究[D]. 西安：西南交通大學，2011：57-72.

[19] 黃琪，閆光輝. 路用探地雷達檢測信號的缺陷識別試驗[J]. 公路交通科技，2011，28（10）：40-43.

43卷5期顧偉宏等探地雷達在林木無損檢測應用初探

責任編輯徐麗華責任校對李巖