橋梁結構三維雷達檢測技術應用分析

文/毛訓濤、曾德榮

1 前言

隨著我國科學技術的發展，探地雷達技術逐步應用到橋梁混凝土質量檢測中，進而對鋼筋與鋼筋保護層檢測起到良好效果，但是這并不能從根本上消除質量問題，還需要我們加強分析和研究。比如單天線覆蓋范圍比較小、測量效率比較低、檢測深度淺、二維雷達檢測圖像抽象，且檢測設備或者人員素質比較低，最終造成檢測結果缺乏有效性，混凝土橋梁的質量難以達到標準的要求，探地雷達在公路橋梁混凝土檢測領域的應用受到極大限制。三維雷達檢測技術可以真實地體現出橋梁混凝土內部結構的實際情況，探測范圍也比較大，因此能夠滿足橋梁混凝土工程質量控制的需要。

2 三維雷達工作基本原理

探地雷達通常也可以叫作脈沖雷達或者透視雷達，其工作原理是通過電磁脈沖技術探測與分析地下物質。通過探地雷達可以準確地進行混凝土結構質量的三維檢測，最終生成質量水平較高的三維圖形。檢測前需要在規定范圍內設置天線振子，并組合成為多個通道形式，提升天線加密的效果，保證其所形成的3D 圖像符合檢測需要，保障探測的精度。本文在研究過程中，通過應用多天線技術、天線交叉技術組合而成的多極化陣列天線分析橋梁尺寸，以達到操作方便等要求。三維雷達系統通過使用三組天線的方式進行，并組合成為品字形的測量范圍。由于三組天線以品字形方式布置，所以可以給不同方向的目標物發射信號，同時根據不同部位上接收信號的時間差計算確定距離參數。探頭內處理器要結合規定算法按照相同埋設物質的不同天線信號數據實施探測結果修正，提高測量精度，滿足探測使用的需要，保證混凝土結構質量，掌握探測精度，全面提升橋梁工程質量水平[1]。

3 結構參數選取

探地雷達在檢測中主要是通過超寬天線進行，頻帶為f0/2～3f0/2，其中f0 是天線的中心頻率數據。按照橋梁鋼筋混凝土的標準分析發現，鋼筋結構設置距離通常是10cm，然后減去鋼筋直徑，網格尺寸可以根據8cm 來計算確定，此時可以確定出穿透單層鋼筋網電磁波的最大波長為32cm，且分析確定橋梁混凝土應用的是雙層鋼筋形式，雙層鋼筋上下網孔并不是一一對應。最極端的狀態下兩層鋼筋交錯設施，也就是下層鋼筋正好在上層鋼筋的兩條鋼筋縫隙部位，由此需要縮小網間距4cm，并以此確定雷達天線在混凝土內最大波長為16cm。混凝土介電常數為8，電磁波在混凝土內傳播最大波長是16cm。計算確定空氣內最大波長h 為45cm，此時與之對應天線最低頻率為660MHz。根據探地雷達頻率范圍可以計算確定中心頻率是1.3GHz。

4 三維雷達檢測技術數據收集分析

4.1 合理設置測線位置

承臺檢測總計需要布置A、B、C、D、E、F的6個測試區，具體的設置位置可見下圖1。

圖1 測線分布位置圖

A 測試區：設 置4 條測 線，1～2 間距40cm，2～3間距40cm，3～4 間距20cm。

B 測試區：設置7 條測線，任意兩條間距均為40cm。

C 測試區：設置4 條測線，任意兩條間距均為40cm。

D 測試區：設 置7 條測 線，1～2 間距40cm，2～3間距40cm，3～4 間距40cm，4～5 間距40cm，5～6 間距80cm，6～7 間距40cm。

E測試區：設置4 條測線，任何兩條間距為40cm。

F測試區：設置3 條測線，任意兩條間距為40cm。

4.2 對探測的結果進行分析

探地雷達把需要探測的各項數據收集結束后，就要在系統內分析各項數據信息。該環節的工作與地震數據處理有著一定的相似之處，一般都是通過除零漂、增益處理、帶通濾波、道均衡等，經過多個程序的處理后，普通干擾因素并不會給反射波造成影響，而且還可以提升探測發射的精度，保證檢測工作順利進行，為檢測數據的質量提升起到良好的促進作用。

4.2.1 A測試區的探測結果

A 測區分布有4 條測線，各個線路之間的間距設定為40cm、40cm、20cm。

A 測區的現場寬度尺寸為1.2m，上述的測線分布方式能夠直接將整個測量區域進行覆蓋處理，從而有效提升數據的完整性，不會有因為數據不完善而導致測量精度不足的情況，全面提升測量數據的精確度。在本次檢測環節，主要是通過下述兩種方式進行探測結果的分析。

4.2.1.1 HIRESS 高頻天線陣探測結果

4.2.1.1.1 1 號測線。該線路內部總計有7 個通道存在，1 號測線的設置可以直接掌握和分析這7 個通道內的各項數據；從數據分析發現，僅有1 個通道有異常問題。

4.2.1.1.2 2號測線。該測線中也有7 個通道，從檢測之后的數據分析發現，1 號通道與1 號測線存在有相同異常點，其他的并未有任何異常情況發生。

4.2.1.1.3 3號測線。該測線內并未發現任何異常點存在。

4.2.1.1.4 4號測線。該測線在圖形中也沒有任何異常點出現。

總而言之，這種天線陣列進行A 區檢測僅有一處異常點，就是在1、2 號測線之間，以此可以基本確定缺陷的位置，為下一步準確檢測提供基礎[2]。

4.2.1.2 900MHz 天線探測結果

在該方面的探測環節，所布置的各個測線都能夠獲取相應的通道數據剖面，并且探測的深度比較淺，由此僅能夠探測出1m 左右深度位置的信號，且3、4號測線所能夠探測出來的異常點位置是完全一致的。經過對A 區內的各個雷達圖的總結和分析，形成了三維雷達圖，并總結出如下的結果：在A 區測量中進行了各個數據剖面的分析和檢測，發現其深度尺寸為1m，且在起點之外的9.3m 的位置上發現有一個缺陷點存在，該點與頂部有60cm 的距離，南北方向的寬度尺寸為80cm，東西方向的寬度尺寸為1m[3]。

經過上述兩種方法探測結果分析可以發現，兩種方式確定的異常點是在同一個位置上，且是同一個異常點，主要的形狀就是上小下大。

4.2.2 B測試區的探測結果

B 區檢測中總結設置了7 條探測線，應用HIRESS高頻天線陣和900MHz 頻率都沒有存在任何的異常情況。

4.2.3 C測試區的探測結果

C 區探測的過程中，在應用900MHz 天線探測過程中沒有任何異常，而應用HIRESS 天線陣卻發現2號測線的3、4 通道存在問題，其具體位置和起點有6.8m 的距離，深度35cm，東西寬10cm，南北寬4cm。

4.2.4 D測試區的探測結果

D 區總計設計了7 條探測線，兩兩間距為40cm。900MHz 天線探測后發現1、2 號測線異常部位和起點間距6.07m，深85cm，南北寬80cm，東西寬40cm。

4.2.5 E測試區的探測結果

E 區探測沒有任何異常問題。

4.2.6 F測試區的探測結果

F 區探測沒有任何異常問題。

5 探測雷達的檢測結果

在應用兩種天線進行承臺混凝土結構的檢測后分析發現，本次混凝土結構中存在一些問題，且主要出現在A、C、D這3個測試區。

5.1 A 區測試經過探測后發現存在有兩個異常點，該異常點和起點的位置上間隔距離為9.3m，其缺陷部位的形狀以上小下大的形式存在。

5.2 C區經過探測后發現存在有一個異常點，且該位置上的異常點和起點的間距為6.8m，深度尺寸為35cm，東西方向上的寬度尺寸為10cm，南北方向上的寬度尺寸為4cm。

5.3 D 區經過探測數據分析后發現存在有一個異常點，其和起點位置上的間距為6.07m，深度尺寸達到了85cm，并且南北方向上的寬度尺寸為80cm，東西方向上的寬度尺寸為40cm。經過探測數據分析可知，在B、E、F 區并未存在有任何異常點[4]。

6 結語

綜上所述，在混凝土橋梁結構的質量檢測中，需要全面應用先進科學技術來進行檢測。目前最為先進的檢測技術是探地雷達無損檢測技術，它能夠快速、準確地掌握混凝土結構內部存在的缺陷和問題，及時了解混凝土質量情況，保證橋梁的質量合格[5]。該技術和超聲檢測技術對比分析，有著連續性、便捷性、效率高、測量速度快等方面的優勢，且橋梁質量檢測應用后可以達到非常好的效果，能夠了解橋梁的缺陷和問題，以便做出必要的管理和控制，所以該技術可以在更大的范圍內推廣和應用，促進我國橋梁技術的發展和進步。