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        基于激光雷達(dá)的水利工程質(zhì)量安全檢測方法

        2021-08-27 02:20:02韓友春金叢成
        地下水 2021年4期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)檢測方法

        韓友春,金叢成

        (江蘇禹衡工程質(zhì)量檢測有限公司,江蘇 鹽城 224000)

        水利工程質(zhì)量安全檢測指的是具備資質(zhì)的檢測單位對(duì)水利工程的施工質(zhì)量、材料、產(chǎn)品等進(jìn)行檢驗(yàn)、度量,同時(shí)比較材料應(yīng)用效果,確定水利工程質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)[1]。由此可見,水利工程質(zhì)量安全檢測是保障與維護(hù)水利工程質(zhì)量安全的基本。

        質(zhì)量安全檢測是保障水利工程應(yīng)用功能正常使用的根本保證,例如交通運(yùn)輸功能、農(nóng)田灌溉功能、防洪排澇功能等[2]。在本質(zhì)上來看,質(zhì)量安全檢測對(duì)一個(gè)國家的社會(huì)建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。在水利工程質(zhì)量安全檢測過程中,堤防質(zhì)量安全檢測方法主要包含人工探視、地質(zhì)鉆探等,混凝土質(zhì)量安全檢測方法主要包含鉆芯法、回彈法與超聲波法等。

        現(xiàn)有水利工程質(zhì)量安全檢測方法中,主要采用鉆芯法檢測水利工程質(zhì)量安全,該方法具備較高的探測精度,但也具備著一定的破壞性,并不具備連續(xù)性,導(dǎo)致現(xiàn)有方法存在檢測離散度較大、全面性參數(shù)較小的缺陷,為此提出基于激光雷達(dá)的水利工程質(zhì)量安全檢測方法。激光雷達(dá)指的是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)[3]。激光雷達(dá)是一種機(jī)械設(shè)施,具備分辨率高、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)、低空探測性能耗、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢,另外,激光雷達(dá)不會(huì)對(duì)水利工程造成損壞與影響,并可以全面的、準(zhǔn)確的、連續(xù)的、高效的檢測水利工程質(zhì)量安全。此研究引入激光雷達(dá)機(jī)械設(shè)施,希望改善現(xiàn)有方法存在的缺陷,提升水利工程質(zhì)量安全檢測的性能。

        1 水利工程質(zhì)量安全檢測方法研究

        1.1 激光雷達(dá)測線與天線布置

        為了精確的檢測水利工程質(zhì)量安全,引入激光雷達(dá)機(jī)械設(shè)施,首要的任務(wù)就是合理布置激光雷達(dá)測線與天線,具體布置過程如下所示。

        依據(jù)水利工程質(zhì)量安全相關(guān)規(guī)定,采用網(wǎng)格式布設(shè)激光雷達(dá)測線,具體情況如圖1所示。

        圖1 激光雷達(dá)測線布置示意圖

        如圖1所示,激光雷達(dá)測線橫向六條,間距為10 m;縱向4條,間距范圍為0.5~2 m。

        采用美國GSSI SIR-30E雷達(dá)作為此研究激光雷達(dá),其天線中心頻率包含40 MHz、100 MHz與200 MHz,每根天線布測上述激光雷達(dá)測線,共計(jì)10條檢測斷面[4]。依據(jù)水利工程實(shí)際情況,設(shè)置間距為1m加密檢測水利工程質(zhì)量安全,總計(jì)檢測天線長度約為1500 m。激光雷達(dá)天線配置情況如表1所示。

        表1 激光雷達(dá)天線配置表

        上述過程完成了激光雷達(dá)測線與天線的布置,為下述水利工程質(zhì)量安全檢測做準(zhǔn)備。

        1.2 激光雷達(dá)檢測參數(shù)設(shè)置

        激光雷達(dá)檢測參數(shù)直接影響著激光雷達(dá)檢測的效果,其檢測參數(shù)包括天線中心頻率、時(shí)窗、采樣率與測點(diǎn)間距,具體參數(shù)設(shè)置過程如下所示。

        天線中心頻率[5]主要由檢測目標(biāo)深度、尺寸等因素來決定,計(jì)算公式為

        (1)

        式中:f表示的是天線中心頻率,單位為MHz;x表示的是空間分辨率,單位為m,實(shí)質(zhì)上是激光雷達(dá)檢測物質(zhì)尺寸最小值;εr表示的是相對(duì)介電常數(shù)。

        當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)εr一致時(shí),不同檢測深度對(duì)應(yīng)著不同的天線中心頻率需求,具體如表2所示。

        表2 深度對(duì)應(yīng)天線中心頻率一纜表

        時(shí)窗[6]計(jì)算公式為

        (2)

        式中:W表示的是數(shù)據(jù)采集時(shí)窗;dmax表示的是檢測深度最大值;V表示的是電磁波速度。

        常規(guī)情況下,在激光雷達(dá)使用過程中,通過會(huì)將時(shí)窗增加30%,以此來保證檢測速度與深度含有一定的余量[7]。不同介質(zhì)對(duì)應(yīng)著不同的時(shí)窗需求,具體情況如表3所示。

        表3 不同介質(zhì)對(duì)應(yīng)時(shí)窗一纜表

        采樣率[8]由天線中心頻率決定,計(jì)算公式為

        (3)

        式中:ζt表示的是采樣率。

        由式(3)可以看出,不同天線中心頻率對(duì)應(yīng)著不同的最大間隔采樣時(shí)間,具體數(shù)值如表4所示。

        表4 不同天線中心頻率對(duì)應(yīng)最大間隔采樣時(shí)間一纜表

        測點(diǎn)間距[9]由天線中心頻率與介質(zhì)介電特征共同決定,計(jì)算公式為

        (4)

        式中:c表示的是測點(diǎn)間距計(jì)算常數(shù),此研究中取值為75/4。

        1.3 激光雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)處理

        以上述布置的激光雷達(dá)測線與天線以及設(shè)置的激光雷達(dá)檢測參數(shù)為基礎(chǔ),確定激光雷達(dá)作業(yè)方程,獲取水利工程檢測數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。

        激光雷達(dá)作業(yè)方程[10]表達(dá)式為

        (5)

        式中:PR表示的是接收天線頻率;PT表示的是發(fā)射天線頻率;GT表示的是天線發(fā)射的增益數(shù)值[11];GR表示的是天線接收的增益數(shù)值;λ表示的是激光雷達(dá)子波在介質(zhì)中傳播長度;g表示的是障礙物在激光雷達(dá)波面上發(fā)射的截面因素;α表示的是介質(zhì)傳送的衰減系數(shù);R表示的是障礙物與雷達(dá)天線的距離[12]。

        若激光雷達(dá)與接收天線配合默契,則雷達(dá)信號(hào)有效部分與噪聲[13]比例關(guān)系表達(dá)式為

        (6)

        式中:S與N分別表示的是雷達(dá)信號(hào)有效部分與噪聲;N0表示的是噪聲周圍環(huán)境背景功率密度,計(jì)算公式為N0=2KB·T0·FN;KB表示的是波爾茨曼常數(shù),取值為1.38×10-15J/k;T0表示的是溫度;FN表示的是噪音系數(shù)[14];GM表示的是常數(shù),取值為1。

        依據(jù)公式(5)獲取水利工程檢測數(shù)據(jù),其處理程序如圖2所示。

        圖2 激光雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)處理程序圖

        如圖2所示,水利工程檢測數(shù)據(jù)處理子程序較多,由于篇幅的限制,此研究針對(duì)濾波處理與振幅恢復(fù)處理進(jìn)行詳細(xì)分析。

        濾波處理中,最關(guān)鍵的就是濾波參數(shù)的選取,具體選取規(guī)則如表5所示。

        表5 濾波參數(shù)選取規(guī)則表

        振幅恢復(fù)處理表達(dá)式為

        A0=Ateβt

        (7)

        式中:A0表示的是反射波真振幅;A表示的是激光雷達(dá)的實(shí)際反射波振幅;t表示的是雙程走時(shí)時(shí)間;β表示的是吸收系數(shù)[15]。

        1.4 激光雷達(dá)圖像精細(xì)化變換

        以上述獲取的激光雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),為了能夠精確的凸顯雷達(dá)圖像特征,此研究利用K-L變換算法精細(xì)化變換激光雷達(dá)圖像[16]。

        假設(shè)原始激光雷達(dá)圖像矩陣為XN×M,其協(xié)方差矩陣表達(dá)式為

        CX=E{[X-E(X)][X-E(X)]T}

        (8)

        式中:E(X)表示的是X的數(shù)學(xué)期望。

        求解公式(8)特征向量矩陣,表達(dá)式為

        (9)

        通過K-L變換算法正交轉(zhuǎn)換雷達(dá)圖像,轉(zhuǎn)換公式為

        YN×M=AN×NTXN×M

        (10)

        通過上述過程完成了激光雷達(dá)圖像的精細(xì)化變換,為水利工程質(zhì)量安全判斷提供依據(jù)。

        1.5 水利工程質(zhì)量安全判斷

        以獲取的精細(xì)化激光雷達(dá)圖像為基礎(chǔ),獲取激光雷達(dá)特征分布圖,橫軸為特征值序號(hào),縱軸為特征值,依據(jù)激光雷達(dá)特征分布圖判斷水利工程質(zhì)量安全狀況。

        常見地質(zhì)波形特征如表6所示。

        如表6所示,若反射波波形時(shí)斷時(shí)續(xù),同相軸不規(guī)整,表明混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量較差;若雷達(dá)圖像中存在異常反射,則表明混凝土、隧道圍巖之間形成了空氣層,稱為脫空現(xiàn)象;若雷達(dá)圖像中,反射強(qiáng)度較弱,則表示水利工程中襯砌較為松散[17]。

        表6 常見地質(zhì)波形特征表

        綜上所述,實(shí)現(xiàn)了水利工程質(zhì)量安全的檢測,為水利工程的建設(shè)與發(fā)展提供更加有效的幫助。

        2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

        2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

        為了驗(yàn)證提出方法的性能,設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn),首要任務(wù)是選取實(shí)驗(yàn)對(duì)象。選取某市二級(jí)排污河道水利工程作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,其水流量為25 m3/s,是全市排水量的60%以上,承擔(dān)著排污的功能。

        二級(jí)排污河道水利工程是該市關(guān)鍵排水河道,關(guān)系著居民的財(cái)產(chǎn)與生命安全,由此可見,實(shí)驗(yàn)對(duì)象質(zhì)量安全的重要程度。

        實(shí)驗(yàn)對(duì)象水利工程利用臨時(shí)圍堰、堤防全開挖方式進(jìn)行,待水利工程完工后,拆除臨時(shí)圍堰,恢復(fù)堤防功能。為了保障堤防質(zhì)量安全,利用激光雷達(dá)對(duì)其質(zhì)量安全進(jìn)行相應(yīng)的檢測,具體實(shí)驗(yàn)過程如下所示。

        2.2 激光雷達(dá)檢測準(zhǔn)備

        在仿真實(shí)驗(yàn)開始前,需要到水利工程現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)勘查,對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象、尺寸、深度、交通狀況、工作環(huán)境等進(jìn)行記錄。依據(jù)上述勘查信息,結(jié)合收集的相關(guān)資料,選取適當(dāng)?shù)奶炀€中心頻率,合理布置激光雷達(dá)的測線與天線。

        激光雷達(dá)機(jī)械設(shè)施連接示意圖如圖3所示。

        圖3 激光雷達(dá)機(jī)械設(shè)施連接示意圖

        激光雷達(dá)檢測方式主要包含反射、共中心點(diǎn)、寬角與透射四種方式,依據(jù)此研究需求,選取反射檢測方式,示意圖如圖4所示。

        圖4 激光雷達(dá)反射檢測方式示意圖

        另外,需要對(duì)激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行一定的保護(hù)。例如不折疊電纜繞圈、不重壓雷達(dá)電纜、不磨損激光雷達(dá)電纜線等。

        上述過程完成了激光雷達(dá)檢測設(shè)備的準(zhǔn)備,為仿真實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供依撐。

        2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        依據(jù)上述選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象、準(zhǔn)備的激光雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)等進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),通過檢測離散度與全面性參數(shù)反映方法性能,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過程如下所示。

        通過仿真實(shí)驗(yàn)得到檢測離散度數(shù)據(jù)如表7所示。

        表7 檢測離散度數(shù)據(jù)表

        如表7數(shù)據(jù)顯示,提出方法的檢測離散度參數(shù)范圍為4.85~5.48,現(xiàn)有方法平均數(shù)值范圍為9.45~12.03,通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),提出方法檢測離散度參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有方法平均數(shù)值。

        通過實(shí)驗(yàn)得到檢測全面性參數(shù)數(shù)據(jù)如表8所示。

        表8 檢測全面性參數(shù)數(shù)據(jù)表

        如表8數(shù)據(jù)顯示,提出方法的檢測全面性參數(shù)范圍為8.45~9.45,現(xiàn)有方法平均數(shù)值范圍為4.26~6.45,通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),提出方法檢測全面性參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有方法平均數(shù)值。

        上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:與現(xiàn)有方法平均數(shù)值相比較,提出方法檢測離散度更小,全面性參數(shù)更大,充分說明提出方法水利工程質(zhì)量安全檢測性能更佳。

        3 結(jié)語

        此研究將激光雷達(dá)引入到水利工程質(zhì)量安全檢測方法設(shè)計(jì)中,極大的降低了方法檢測離散度,提升了方法檢測全面性參數(shù),為水利工程質(zhì)量安全提供了更加精確的檢測方法,為水利工程發(fā)展以及功能應(yīng)用助力,適合大力推廣使用。

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