雷洋，王純皎，齊法琳，田甜，江波，李耀南

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081；2.中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 工務(wù)部，廣西 南寧 530029）

0 引言

地質(zhì)雷達(dá)作為一種無損檢測(cè)儀器，在鐵路隧道襯砌狀態(tài)檢測(cè)工作中有重要的應(yīng)用［1］。對(duì)于隧道襯砌檢測(cè)而言，主要可檢測(cè)的缺陷為不密實(shí)、空洞、含水以及脫空等，這些缺陷的發(fā)生都伴隨著介質(zhì)的改變，在鋼筋混凝土襯砌中，會(huì)出現(xiàn)金屬的強(qiáng)反射信號(hào)，地質(zhì)雷達(dá)亦可有效探測(cè)鋼筋與鋼拱架的分布［2-3］。

因地質(zhì)雷達(dá)天線普遍無法做到遠(yuǎn)距離對(duì)襯砌背后狀態(tài)檢測(cè)，故主流的車載模式利用檢測(cè)機(jī)構(gòu)支撐地質(zhì)雷達(dá)天線作業(yè)。我國首臺(tái)高鐵隧道襯砌檢測(cè)車的檢測(cè)機(jī)構(gòu)具備自動(dòng)控制地質(zhì)雷達(dá)作業(yè)的能力［4-5］，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和檢測(cè)數(shù)據(jù)分析總結(jié)可知，檢測(cè)機(jī)構(gòu)機(jī)械振動(dòng)與檢測(cè)間距的控制域等參數(shù)特性對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響明顯，不但降低檢測(cè)精度，對(duì)圖像的識(shí)別造成影響，且后期的數(shù)據(jù)處理對(duì)質(zhì)量提升極其有限。該類影響分析目前鮮有研究，因此對(duì)地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)激振，研究襯砌檢測(cè)回波信號(hào)的敏感性分析具有重要意義。

1 車載振動(dòng)環(huán)境對(duì)地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)幅頻的影響

基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)際振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)劃將激振工況在幅值0～25 mm、頻率1～15 Hz范圍內(nèi)梯次施加。振動(dòng)發(fā)生臺(tái)設(shè)有安全保護(hù)控制，使系統(tǒng)只能在非破壞條件內(nèi)施加激勵(lì)，如無法施加10 mm-15 Hz的正弦曲線。

在地質(zhì)雷達(dá)天線的1個(gè)發(fā)射和接收周期內(nèi)，天線的垂直振動(dòng)會(huì)改變被探測(cè)目標(biāo)反射信號(hào)的雙程走時(shí)，反映到單道波上為相位偏移，雷達(dá)回波會(huì)產(chǎn)生一定的信號(hào)起伏。單道波是反映地質(zhì)雷達(dá)采集信號(hào)質(zhì)量的最基本核心的對(duì)象，以單道波為基礎(chǔ)，對(duì)每個(gè)工況信號(hào)單道波、單道波集合的時(shí)域及頻域特征進(jìn)行分析研究。天線的水平振動(dòng)會(huì)引起振動(dòng)周期內(nèi)單道波信號(hào)的堆疊現(xiàn)象，從而影響信號(hào)連續(xù)性。信號(hào)分析方式主要有短時(shí)傅里葉變換（STFT）、小波變換（WT）和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）［6-9］，以下主要以傅里葉變換進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)時(shí)頻分析。

2 不同振動(dòng)工況下的雷達(dá)波信號(hào)幅頻特性分析

測(cè)試?yán)走_(dá)天線安裝在振動(dòng)臺(tái)上，其余雷達(dá)天線模擬檢測(cè)機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件串聯(lián)至主機(jī)系統(tǒng)中。被測(cè)試的目標(biāo)為移動(dòng)小車式混凝土塊，檢測(cè)過程中勻速平移，

仿真現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)走行，同時(shí)可使檢測(cè)數(shù)據(jù)為整塊線掃檢測(cè)，非原點(diǎn)重復(fù)迭代，具有實(shí)際分析意義。伺服電機(jī)控制振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)雷達(dá)天線產(chǎn)生不同方向、頻率和振幅的振動(dòng)，仿真實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)因走行或調(diào)整產(chǎn)生時(shí)的振動(dòng)工況，主要方向?yàn)榇怪狈较颍▽?duì)應(yīng)于車輛環(huán)境中的徑向）和水平方向（對(duì)應(yīng)于車輛環(huán)境中的縱向）。以下所有工況采集的數(shù)據(jù)均為512采樣點(diǎn)/掃描，對(duì)應(yīng)時(shí)窗為40 ns。

2.1 相同振幅、相同頻率和不同方向的振動(dòng)激勵(lì)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響

在靜態(tài)測(cè)試工況下，時(shí)域和頻譜見圖1。

圖1 靜態(tài)工況的時(shí)域和頻譜

為了反映單道波的疊加特性，防止道提取分析的非客觀特性，將測(cè)試對(duì)象的所有道集疊加在時(shí)域數(shù)據(jù)中，頻譜的幅值是所有對(duì)應(yīng)的單道波線性求和后的平均值。由圖1可見，靜態(tài)工況下，單道波疊加具有高度重合性，主頻頻段范圍內(nèi)信號(hào)比較集中，高頻區(qū)和低頻區(qū)均沒有毛刺干擾。

2.1.1 基本時(shí)頻分析

在3 Hz-20 mm工況下，水平和垂直方向的時(shí)域和頻譜見圖2和圖3。

圖2 3 Hz-20 mm水平振動(dòng)工況的時(shí)域和頻譜

圖3 3 Hz-20 mm垂直振動(dòng)工況的時(shí)域和頻譜

從圖2和圖3可見，在主頻幅值和毛刺干擾方面的情況都顯示，垂直振動(dòng)工況下的數(shù)據(jù)質(zhì)量比水平振動(dòng)工況下受到的干擾更大，垂直振動(dòng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響更為嚴(yán)重。

2.1.2 剖面圖分析

3 Hz-20 mm工況下的雷達(dá)剖面圖見圖4，以下所有雷達(dá)剖面圖均使用相同參數(shù)進(jìn)行去除零偏和增益處理，Y軸表示雙程走時(shí)T，單位為ns。水平振動(dòng)下的反射信號(hào)比在垂直振動(dòng)下的反射信號(hào)更豐富。垂直振動(dòng)下的干擾信號(hào)對(duì)深部區(qū)域有很大影響。用同樣的方法比較水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)下2 Hz-10 mm、3 Hz-10 mm、5 Hz-10 mm和8 Hz-5 mm的數(shù)據(jù)，得出同樣的結(jié)果。由此得出結(jié)論：垂直振動(dòng)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的干擾明顯大于水平振動(dòng)。

圖4 3 Hz-20 mm工況的雷達(dá)剖面圖

2.2 相同振幅、相同方向和不同頻率的振動(dòng)激勵(lì)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響

2.2.1 基本時(shí)頻分析

因垂直振動(dòng)工況對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響明顯大于水平振動(dòng)工況，以振幅為10 mm的垂直振動(dòng)工況為例，對(duì)比分析1、2、3、4 Hz激勵(lì)頻率下的地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)頻譜圖（見圖5）。由此得出：在相同的振動(dòng)幅度條件下，振動(dòng)頻率增加，對(duì)應(yīng)的主頻幅值降低，主頻帶毛刺增多；振動(dòng)頻率越高，地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)受到的影響越大。

圖5 垂直振動(dòng)工況的頻譜

2.2.2 剖面圖分析

一個(gè)政治會(huì)議或國際會(huì)議，應(yīng)該有一定的安保措施，但如果過度安保，安保半徑過大，措施要求太高，就會(huì)帶來大量的經(jīng)濟(jì)損失。損失包括兩方面。一方面是大幅增加了安保成本，另一方面增加了其他人的不安全。實(shí)際上，安全這個(gè)概念是相對(duì)的。如果對(duì)一些人過于安全了，或者無端做過多安保無用功，就有可能對(duì)其他人不安全。以一個(gè)政治會(huì)議或國際會(huì)議為名打破周邊居民正常生活，要求周邊企業(yè)停止經(jīng)營，就是這些居民生活的不安全，企業(yè)產(chǎn)權(quán)的不安全。所謂產(chǎn)權(quán)安全，就是其運(yùn)營要穩(wěn)定和可靠。如果有過多不可預(yù)料的因素使之停止運(yùn)營，這個(gè)產(chǎn)權(quán)就不安全。極而言之，真正的和整體的安全，就是憲法得到遵守，民眾的憲法權(quán)利受到保護(hù)。

垂直振動(dòng)多工況雷達(dá)剖面圖見圖6，可見隨著振動(dòng)頻率的增加，有效信號(hào)受到的影響輕微增加但仍然有效，難以分析地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生的敏感影響，因此有必要進(jìn)一步在15 Hz范圍內(nèi)探索更高的激勵(lì)頻率對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響。

圖6 垂直振動(dòng)多工況雷達(dá)剖面圖

2.2.3 敏感頻率分析

10 mm以上的持續(xù)激振振幅在超過5 Hz后，會(huì)對(duì)振動(dòng)臺(tái)本身帶來破壞風(fēng)險(xiǎn)，因此選擇垂直振動(dòng)統(tǒng)一3 mm激振下1、3、5、8、10、12、15 Hz7個(gè)工況，分析工況的數(shù)據(jù)與靜態(tài)工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。垂直振動(dòng)多工況雷達(dá)剖面圖見圖7。結(jié)果表明，在1～8 Hz激勵(lì)條件下，淺層和深層有效數(shù)據(jù)信號(hào)豐富；但在10 Hz及以上的振動(dòng)條件下，多次反射信號(hào)明顯增加，深層有效數(shù)據(jù)信號(hào)受到明顯干擾。地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的時(shí)頻分析見表1，根據(jù)以上結(jié)果可推測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)10 Hz以上的激勵(lì)振動(dòng)頻率敏感。

圖7 垂直振動(dòng)多工況雷達(dá)剖面圖

表1 垂直振動(dòng)激勵(lì)頻率多種情況下的主要頻譜分析

2.3 相同頻率、相同方向和不同振幅的振動(dòng)激勵(lì)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響

2.3.1 基本時(shí)頻分析

垂直振動(dòng)為5Hz各種工況下的時(shí)頻見圖8—圖11。

圖9 5 Hz-10 mm垂直振動(dòng)工況的時(shí)域和頻譜

圖10 5 Hz-15 mm垂直振動(dòng)工況的時(shí)域和頻譜

圖11 5 Hz-20 mm垂直振動(dòng)工況的時(shí)頻和頻譜

由此可見，隨著振幅的增加，信號(hào)主頻幅值逐步減小，以5 mm工況為基準(zhǔn)，10 mm工況下降4.7%，15 mm工況減小10.7%，20 mm工況下，主頻帶幅值降幅達(dá)到26.2%。在頻譜的2～4 GHz區(qū)域，振動(dòng)幅度越大，高頻干擾越重?？梢酝茢?，在相同方向、相同頻率、不同振幅的振動(dòng)條件下，激勵(lì)振幅越大，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響越大。

2.3.2 振動(dòng)激勵(lì)幅值-頻率擴(kuò)展分析

結(jié)合2.2節(jié)分析結(jié)果，有必要進(jìn)一步分析幅值與頻率對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響權(quán)重。現(xiàn)對(duì)垂直振動(dòng)工況下激振頻率與幅值2個(gè)參數(shù)做交替改變，以進(jìn)行有效對(duì)比分析。垂直振動(dòng)擴(kuò)展分析多工況雷達(dá)剖面圖見圖12，垂直振動(dòng)激振頻率多工況雷達(dá)波主頻幅值分析見表2。

圖12 垂直振動(dòng)擴(kuò)展分析多工況雷達(dá)剖面圖

表2 垂直振動(dòng)激振頻率多工況雷達(dá)波主頻幅值分析

結(jié)合雷達(dá)剖面圖與雷達(dá)波主頻幅值分析表，可統(tǒng)計(jì)得出：

（1）激振工況5 Hz-20 mm下的主頻幅值最低，且遠(yuǎn)比其他工況低；其剖面圖所見多次反射干擾非常明顯，有效深部信息范圍最小，數(shù)據(jù)質(zhì)量很差，已無法支持隧道襯砌缺陷分析。而振動(dòng)10 mm振幅及以下的數(shù)據(jù)質(zhì)量總體而言均可支持有效的分析工作。

（2）當(dāng)振幅幅度控制在一定范圍內(nèi)（小于10 mm）時(shí)，單道波主頻幅值受激振頻率的影響更大，尤其在10 Hz后的影響顯著，例如15 Hz-2 mm激勵(lì)工況下的雷達(dá)波主頻幅值會(huì)弱于5 Hz-10 mm工況。當(dāng)激振幅值達(dá)到15 mm時(shí)，5 Hz-15 mm激勵(lì)工況下比15 Hz-3 mm等10 Hz以上的激勵(lì)工況對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)的不利影響都顯著增高。

可以推斷：垂直振動(dòng)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)幅頻穩(wěn)定性存在顯著不利影響的臨界區(qū)域，故安全振動(dòng)振幅應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)，安全振動(dòng)頻率應(yīng)控制在10 Hz以內(nèi)。

3 不同檢測(cè)間距下的地質(zhì)雷達(dá)圖像效果分析

垂直振動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)雷達(dá)天線與隧道襯砌之間的距離發(fā)生變化。當(dāng)距離不同時(shí)，雷達(dá)信號(hào)剖面圖的效果也大不相同［10］。地質(zhì)雷達(dá)天線裝載于簡(jiǎn)易手推檢測(cè)小車上，對(duì)實(shí)際隧道現(xiàn)場(chǎng)某處已知缺陷處，使用地質(zhì)雷達(dá)天線在不同間距情況下對(duì)隧道襯砌該缺陷處進(jìn)行檢測(cè)。與隧道襯砌表面不同距離工況下所測(cè)缺陷區(qū)雷達(dá)剖面圖見圖13。

圖13 與隧道襯砌表面不同距離工況下所測(cè)缺陷區(qū)雷達(dá)剖面圖

由圖13可知，距離襯砌表面8 cm的檢測(cè)數(shù)據(jù)能完整地顯示出該處缺陷的特征，其淺部反射信號(hào)特征較為豐富，受到的干擾較少。距離襯砌表面12 cm工況下的數(shù)據(jù)在缺陷處的信號(hào)反映也比較完整，反射能量弱于8 cm工況下的數(shù)據(jù)效果，淺層有效信號(hào)不能完全顯示。

當(dāng)距離達(dá)到16 cm時(shí)，剖面圖上的干擾信號(hào)大幅度增加，缺陷處的反射信號(hào)大大減弱，反射信號(hào)的形狀也受到影響，不能完全反映缺陷的真實(shí)情況，可能造成誤判。因此，在高速鐵路隧道檢查車的檢測(cè)工作中，應(yīng)執(zhí)行既定的8～12 cm的非接觸無損檢測(cè)距離技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)論

通過不同振動(dòng)方向、振幅、頻率的激振對(duì)地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)幅頻影響分析，雷達(dá)天線的敏感激勵(lì)頻率為10 Hz，安全激勵(lì)頻率為8 Hz內(nèi)；敏感激勵(lì)振幅為15 mm，安全激勵(lì)振幅為10 mm以內(nèi)；且徑向振動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響遠(yuǎn)大于縱向，距離控制不應(yīng)使基準(zhǔn)距離超過12 cm。