探地雷達（GPR）在木材無損檢測應用中的可行性探討

邸向輝，王立海

（1.東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040；2.東北林業大學 黑龍江省森林持續經營與微生物工程重點實驗室，哈爾濱 150040）

探 地 雷 達［1］（Ground Penetrating Radar，GPR），也稱為表層穿透雷達（Surface Penetrating Radar，SPR）或稱表層下雷達（Subsurface Radar，SSR）［2］等，是近年來國際上新發展起來的地球物理探測技術，是極具應用前途的無損檢測技術之一。GPR技術起源于1904年，德國人Hulsmeyer首次將電磁波信號應用于地下金屬體的探測。1910年，Leimback和lowy以專利形式提出將雷達原理用于探地，正式提出了探地雷達的概念。20世紀70年代以來，商業化探地雷達系統先后問世，促進了探地雷達的發展與應用［1－4］。國內在20世紀70年代初開始了對探地雷達的研究，并逐步應用在工程實踐中［4－5］。20世紀90年代初，隨著研發水平的提高以及先進技術、先進儀器的引入，我國逐漸在工程地質勘查、質量檢測、地雷探測、災害地質調查、考古調查、資源勘探、無損評估/探測（NDE/NDT）等眾多領域中廣泛應用［2，6］該技術。但是，從目前的GPR研究程度以及實際工程應用情況來看，探地雷達仍然存在很多問題。探地雷達采用中心頻率為1～1 000MHz的高頻寬頻帶短脈沖電磁波［1］探測地下或建筑物內的幾何形態及幾何特征。GPR技術具有勘查精度高、無損性、連續性、費用低、檢測快、約束少、操作簡單、空間分辨力高、對目標敏感性強等優勢［2，7］。基于這些特點的GPR技術，近年來也引起了無損檢測專家學者的廣泛關注與研究。在2009年J R Butnor［8］等學者將GPR技術應用于松科活立木，并與闊葉樹的檢測效果進行了對比研究。特別是美國TRU公司開發研制的樹木雷達（TRU）系統［8］更是引起了高度的關注。

1 探地雷達基本原理

探地雷達系統基本組成有計算機、控制面板、發射電路、接收電路、發射天線、接收天線等，其框架圖如圖1［1］。GPR技術利用高頻寬頻帶電磁波，以脈沖形式通過發射天線定向地送入地下。電磁波在媒質傳播過程中，遇到具有電性差異的地下目標體時會發生反射，由接收天線接收反射波后直接傳輸到接收機。信號在接收機經過整形和放大等處理后，傳輸到雷達主機。通過對接收的電磁波進行處理和分析，根據其波形、強度、雙程走時等參數便可推斷地下目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態，從而實現探測地下目標物［2，9］。探地雷達的發射與接收天線之間距離小，可以合二為一。當地層的傾角不大時，反射波的全部路徑幾乎是垂直于地面。因此，在側線不同位置上法線反射時間的變化就反映了地下地層的構造形態。探地雷達工作頻率高，在地質介質中以位移電流為主，高頻寬頻帶電磁波傳播時很少出現頻散，速度基本上決定于媒質的介電性質。應用GPR技術進行探測的前提是地下媒質之間具有電性差異，即介電常數和電導率不同。媒質間的電磁特性差異越大，媒質間的界面越容易識別。實際測量時，一般沿著檢測線連續或密集采樣，典型探地雷達波形如圖2所示［1］。

圖1 探地雷達基本框架圖

圖2 探地雷達波形圖

2 GPR在木材NDT的應用理論

2.1 基本原理

根據美國TRU公司的樹木雷達檢測系統，GPR技術應用于木材無損檢測中的工作原理見圖3和4［4］。TRU公司研制的樹木雷達（TRU）系統的設計，也是因為木材內部腐朽部分與健康部分存在電性差異，所以接收天線能夠接收到因界面差異而引起反射的回波，控制機記錄反射時間t，電磁波在介質中的傳播速度v為：

圖3 健康木電磁波傳播示意圖

圖4 腐朽木電磁波傳播示意圖

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度，0.3m/ns；εr為媒質的介電常數。

利用電磁波在媒質中的傳播速度和雙程傳播時間，可由下式推算出媒質界面的深度h［9］：

式中：v為電磁波在介質中的傳播速度；t為控制機記錄的反射時間。

探地雷達應用于木材無損檢測時，不僅檢測腐朽的有無，而且還應該檢測腐朽目標的幾何分布信息。為此，在將探地雷達應用于樹木無損檢測之前，必須先知道木材的介電參數［10］。

2.2 數據采集

2.2.1 樹木介電常數的測量

介電常數與木材的密度、結構取向、化學組成、溫度、所加電壓的頻率有關。據相關文獻［10－13］了解，介電常數隨著頻率的增加而降低；隨著溫度增加而增加；沿著紋理方向的介電常數值比垂直方向的值高20%～50%，徑向、切向、縱向的介電常數有很大差異；恒定含水率下，隨密度增加而增加；隨著含水率的提高也會有不同程度的增加。因此，在使用數據采集、分析處理前應該先了解木材的介電常數。為此含水率一定的木材可仿照探地雷達對地下媒質介電常數的測量方法，即已知目標深度法、點源反射體法、層狀反射體法三種方法。此處簡單介紹采用已知目標深度法來確定木材介電常數。

預先在規則的圓形木盤中心取一孔洞，已知目標深度z為：

式中：D圓盤為圓盤直徑；d孔洞為孔洞直徑。

將雷達移至孔洞徑向木盤外側，收發天線的間距近似為直線距離l，測量雙程時間t0，根據下式即可得到木材的相對介電常數：

應該明確的是，該測量計算值是在試驗條件下的介電常數平均值。基于以上的多種因素影響著木材的介電特性，其只能在一定范圍內應用計算。由于木材的復合組分，可以綜合考慮其內部組分的介電常數以及孔隙度的關系［14］，根據下式可推算求得木材的介電常數εr為［15－16］：

式中：εp為干燥木材的介電常數；εw為水的介電常數；εa為空氣的介電常數；SW為木材中總的水分百分含量；φ為木材總孔隙度。

2.2.2 樹木雷達掃描

探地雷達的掃描方式大致有三種：A－scan、B－scan和C－scan［2］。A－scan是位于平面內某一位置，單通道一維數據采集，其信號反映不同位置的介質表面與介質內部目標的反射回波。B－scan是平面內沿某一方向移動連續掃描，二維數據采集。C－scan是在平面內沿多條平行的測量線完成對某區域的測量，可對介質內部形成立體全面的掃描，其中測量線指的是采集位置按照一定間隔連成的一條線。在測量方面，探地雷達的測量方法很多，有單點測量、共中心點測量、廣角測量、連續剖面掃描測量和多天線的測量等［2］。在TRU公司的樹木雷達數據采集中使用的是C－scan、單點測量的方法進行樹木內部情況掃描，掃描的現場如圖5所示。試驗室內掃描的腐朽木雷達如圖6所示，實木余量掃描圖如圖7所示。圖中陰影部分為實木未腐朽部分；陰影與空白的邊界到中心點那條直線的部分為實木腐蝕部分。橫坐標為圓周長，用兩種度量方法來度量，第一排數據單位為（°）（取任意一點為初始點，記為0°，沿著原木周長方向旋轉一圈即為360°）；第二排數據單位為cm，數據與各角度點對應。右縱坐標百分數表示將木材從中心處到樹皮（即半徑）等分100份，陰影部分表示未腐朽的實木部分距樹皮的距離占半徑長度的百分比。

圖5 樹木雷達掃描現場工作照片

目前對雷達回波信號進行處理以識別地下目標體的主要手段包括圖像識別和特征變量識別。前者是通過對探地雷達二維或三維圖像的處理［16］，獲取地下目標體的幾何特征，從而對其加以判別，處理結果一般由人工加以解釋，含有較多主觀因素；后者主要是利用探地雷達的回波信號進行特征變量的提取，借助神經網絡完成目標的自動識別，特征變量的提取方法包括譜分析、連續子波變換和時頻分析等［1，2，18］。

在探地雷達的應用中，由于地下媒質的不均勻性和色散、干擾與雜波噪聲等，對目標檢測與屬性的判別比較困難，是其應用的瓶頸，同樣也給樹木雷達對腐朽及空洞的判別增加了困難，因此探地雷達中的小波變換、神經網絡、霍夫變換、能量統計等方法可應用到樹木雷達圖像的解釋中，為結果的分析提供解析、解釋的科學方法［19］。

圖6 腐朽、空洞實際情況與雷達掃描圖

圖7 整個圓周長的實木余量圖

3 結論

（1）探地雷達可以作為一種樹木無損檢測技術，具有檢測無損快速、方便簡單等特點。

（2）由于木材與土壤同樣具有不均勻性和色散，使得電磁波在健康木與腐朽、空洞界面處發生的損耗、反射等在波形上可明顯識別，為木材內部情況的解釋提供了直觀形象的說明。

（3）將探地雷達中數據處理、分析和解釋的方法選擇性地應用于樹木雷達圖的解釋，能夠更為準確地對腐朽、空洞等進行定位說明。

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