橋梁結(jié)構(gòu)三維雷達檢測技術(shù)應用分析

文/毛訓濤、曾德榮

1 前言

隨著我國科學技術(shù)的發(fā)展，探地雷達技術(shù)逐步應用到橋梁混凝土質(zhì)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(zhì)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(shè)備或者人員素質(zhì)比較低，最終造成檢測結(jié)果缺乏有效性，混凝土橋梁的質(zhì)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(lǐng)域的應用受到極大限制。三維雷達檢測技術(shù)可以真實地體現(xiàn)出橋梁混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhì)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(shù)探測與分析地下物質(zhì)。通過探地雷達可以準確地進行混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的三維檢測，最終生成質(zhì)量水平較高的三維圖形。檢測前需要在規(guī)定范圍內(nèi)設(shè)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(shù)、天線交叉技術(shù)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(tǒng)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(fā)射信號，同時根據(jù)不同部位上接收信號的時間差計算確定距離參數(shù)。探頭內(nèi)處理器要結(jié)合規(guī)定算法按照相同埋設(shè)物質(zhì)的不同天線信號數(shù)據(jù)實施探測結(jié)果修正，提高測量精度，滿足探測使用的需要，保證混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量，掌握探測精度，全面提升橋梁工程質(zhì)量水平[1]。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)據(jù)。按照橋梁鋼筋混凝土的標準分析發(fā)現(xiàn)，鋼筋結(jié)構(gòu)設(shè)置距離通常是10cm，然后減去鋼筋直徑，網(wǎng)格尺寸可以根據(jù)8cm 來計算確定，此時可以確定出穿透單層鋼筋網(wǎng)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(wǎng)孔并不是一一對應。最極端的狀態(tài)下兩層鋼筋交錯設(shè)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(wǎng)間距4cm，并以此確定雷達天線在混凝土內(nèi)最大波長為16cm。混凝土介電常數(shù)為8，電磁波在混凝土內(nèi)傳播最大波長是16cm。計算確定空氣內(nèi)最大波長h 為45cm，此時與之對應天線最低頻率為660MHz。根據(jù)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(shù)數(shù)據(jù)收集分析

4.1 合理設(shè)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(qū)，具體的設(shè)置位置可見下圖1。

圖1 測線分布位置圖

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

B 測試區(qū)：設(shè)置7 條測線，任意兩條間距均為40cm。

C 測試區(qū)：設(shè)置4 條測線，任意兩條間距均為40cm。

D 測試區(qū)：設(shè) 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(qū)：設(shè)置4 條測線，任何兩條間距為40cm。

F測試區(qū)：設(shè)置3 條測線，任意兩條間距為40cm。

4.2 對探測的結(jié)果進行分析

探地雷達把需要探測的各項數(shù)據(jù)收集結(jié)束后，就要在系統(tǒng)內(nèi)分析各項數(shù)據(jù)信息。該環(huán)節(jié)的工作與地震數(shù)據(jù)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(jīng)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(fā)射的精度，保證檢測工作順利進行，為檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量提升起到良好的促進作用。

4.2.1 A測試區(qū)的探測結(jié)果

A 測區(qū)分布有4 條測線，各個線路之間的間距設(shè)定為40cm、40cm、20cm。

A 測區(qū)的現(xiàn)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(qū)域進行覆蓋處理，從而有效提升數(shù)據(jù)的完整性，不會有因為數(shù)據(jù)不完善而導致測量精度不足的情況，全面提升測量數(shù)據(jù)的精確度。在本次檢測環(huán)節(jié)，主要是通過下述兩種方式進行探測結(jié)果的分析。

4.2.1.1 HIRESS 高頻天線陣探測結(jié)果

4.2.1.1.1 1 號測線。該線路內(nèi)部總計有7 個通道存在，1 號測線的設(shè)置可以直接掌握和分析這7 個通道內(nèi)的各項數(shù)據(jù)；從數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，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(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，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(fā)生。

4.2.1.1.3 3號測線。該測線內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)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(xiàn)。

總而言之，這種天線陣列進行A 區(qū)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(chǔ)[2]。

4.2.1.2 900MHz 天線探測結(jié)果

在該方面的探測環(huán)節(jié)，所布置的各個測線都能夠獲取相應的通道數(shù)據(jù)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(jīng)過對A 區(qū)內(nèi)的各個雷達圖的總結(jié)和分析，形成了三維雷達圖，并總結(jié)出如下的結(jié)果：在A 區(qū)測量中進行了各個數(shù)據(jù)剖面的分析和檢測，發(fā)現(xiàn)其深度尺寸為1m，且在起點之外的9.3m 的位置上發(fā)現(xiàn)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(jīng)過上述兩種方法探測結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，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(qū)的探測結(jié)果

B 區(qū)檢測中總結(jié)設(shè)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(qū)的探測結(jié)果

C 區(qū)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(fā)現(xiàn)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(qū)的探測結(jié)果

D 區(qū)總計設(shè)計了7 條探測線，兩兩間距為40cm。900MHz 天線探測后發(fā)現(xiàn)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(qū)的探測結(jié)果

E 區(qū)探測沒有任何異常問題。

4.2.6 F測試區(qū)的探測結(jié)果

F 區(qū)探測沒有任何異常問題。

5 探測雷達的檢測結(jié)果

在應用兩種天線進行承臺混凝土結(jié)構(gòu)的檢測后分析發(fā)現(xiàn)，本次混凝土結(jié)構(gòu)中存在一些問題，且主要出現(xiàn)在A、C、D這3個測試區(qū)。

5.1 A 區(qū)測試經(jīng)過探測后發(fā)現(xiàn)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(qū)經(jīng)過探測后發(fā)現(xiàn)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(qū)經(jīng)過探測數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)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(jīng)過探測數(shù)據(jù)分析可知，在B、E、F 區(qū)并未存在有任何異常點[4]。

6 結(jié)語

綜上所述，在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測中，需要全面應用先進科學技術(shù)來進行檢測。目前最為先進的檢測技術(shù)是探地雷達無損檢測技術(shù)，它能夠快速、準確地掌握混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的缺陷和問題，及時了解混凝土質(zhì)量情況，保證橋梁的質(zhì)量合格[5]。該技術(shù)和超聲檢測技術(shù)對比分析，有著連續(xù)性、便捷性、效率高、測量速度快等方面的優(yōu)勢，且橋梁質(zhì)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(shù)可以在更大的范圍內(nèi)推廣和應用，促進我國橋梁技術(shù)的發(fā)展和進步。