車載式地質(zhì)雷達(dá)信號敏感性測試與分析

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)作為一種無損檢測儀器，在鐵路隧道襯砌狀態(tài)檢測工作中有重要的應(yīng)用［1］。對于隧道襯砌檢測而言，主要可檢測的缺陷為不密實(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，會出現(xiàn)金屬的強(qiáng)反射信號，地質(zhì)雷達(dá)亦可有效探測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)距離對襯砌背后狀態(tài)檢測，故主流的車載模式利用檢測機(jī)構(gòu)支撐地質(zhì)雷達(dá)天線作業(yè)。我國首臺高鐵隧道襯砌檢測車的檢測機(jī)構(gòu)具備自動控制地質(zhì)雷達(dá)作業(yè)的能力［4-5］，通過現(xiàn)場應(yīng)用和檢測數(shù)據(jù)分析總結(jié)可知，檢測機(jī)構(gòu)機(jī)械振動與檢測間距的控制域等參數(shù)特性對檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量影響明顯，不但降低檢測精度，對圖像的識別造成影響，且后期的數(shù)據(jù)處理對質(zhì)量提升極其有限。該類影響分析目前鮮有研究，因此對地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行動力學(xué)激振，研究襯砌檢測回波信號的敏感性分析具有重要意義。

1 車載振動環(huán)境對地質(zhì)雷達(dá)信號幅頻的影響

基于現(xiàn)場檢測機(jī)構(gòu)實(shí)際振動檢測數(shù)據(jù)，計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。振動發(fā)生臺設(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，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個發(fā)射和接收周期內(nèi)，天線的垂直振動會改變被探測目標(biāo)反射信號的雙程走時，反映到單道波上為相位偏移，雷達(dá)回波會產(chǎn)生一定的信號起伏。單道波是反映地質(zhì)雷達(dá)采集信號質(zhì)量的最基本核心的對象，以單道波為基礎(chǔ)，對每個工況信號單道波、單道波集合的時域及頻域特征進(jìn)行分析研究。天線的水平振動會引起振動周期內(nèi)單道波信號的堆疊現(xiàn)象，從而影響信號連續(xù)性。信號分析方式主要有短時傅里葉變換（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)信號時頻分析。

2 不同振動工況下的雷達(dá)波信號幅頻特性分析

測試?yán)走_(dá)天線安裝在振動臺上，其余雷達(dá)天線模擬檢測機(jī)構(gòu)現(xiàn)場運(yùn)行條件串聯(lián)至主機(jī)系統(tǒng)中。被測試的目標(biāo)為移動小車式混凝土塊，檢測過程中勻速平移，

仿真現(xiàn)場檢測走行，同時可使檢測數(shù)據(jù)為整塊線掃檢測，非原點(diǎn)重復(fù)迭代，具有實(shí)際分析意義。伺服電機(jī)控制振動臺驅(qū)動雷達(dá)天線產(chǎn)生不同方向、頻率和振幅的振動，仿真實(shí)際現(xiàn)場檢測因走行或調(diào)整產(chǎn)生時的振動工況，主要方向?yàn)榇怪狈较颍▽?yīng)于車輛環(huán)境中的徑向）和水平方向（對應(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，對應(yīng)時窗為40 ns。

2.1 相同振幅、相同頻率和不同方向的振動激勵對雷達(dá)信號的影響

在靜態(tài)測試工況下，時域和頻譜見圖1。

圖1 靜態(tài)工況的時域和頻譜

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，將測試對象的所有道集疊加在時域數(shù)據(jù)中，頻譜的幅值是所有對應(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 基本時頻分析

在3 Hz-20 mm工況下，水平和垂直方向的時域和頻譜見圖2和圖3。

圖2 3 Hz-20 mm水平振動工況的時域和頻譜

圖3 3 Hz-20 mm垂直振動工況的時域和頻譜

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，垂直振動工況下的數(shù)據(jù)質(zhì)量比水平振動工況下受到的干擾更大，垂直振動對雷達(dá)信號的影響更為嚴(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T，單位為ns。水平振動下的反射信號比在垂直振動下的反射信號更豐富。垂直振動下的干擾信號對深部區(qū)域有很大影響。用同樣的方法比較水平振動和垂直振動下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：垂直振動對地質(zhì)雷達(dá)信號的干擾明顯大于水平振動。

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激勵對雷達(dá)信號的影響

2.2.1 基本時頻分析

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

圖5 垂直振動工況的頻譜

2.2.2 剖面圖分析

一個政治會議或國際會議，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，安全這個概念是相對的。如果對一些人過于安全了，或者無端做過多安保無用功，就有可能對其他人不安全。以一個政治會議或國際會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)。

垂直振動多工況雷達(dá)剖面圖見圖6，可見隨著振動頻率的增加，有效信號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)探索更高的激勵頻率對雷達(dá)信號的影響。

圖6 垂直振動多工況雷達(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，會對振動臺本身帶來破壞風(fēng)險，因此選擇垂直振動統(tǒng)一3 mm激振下1、3、5、8、10、12、15 Hz7個工況，分析工況的數(shù)據(jù)與靜態(tài)工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。垂直振動多工況雷達(dá)剖面圖見圖7。結(jié)果表明，在1～8 Hz激勵條件下，淺層和深層有效數(shù)據(jù)信號豐富；但在10 Hz及以上的振動條件下，多次反射信號明顯增加，深層有效數(shù)據(jù)信號受到明顯干擾。地質(zhì)雷達(dá)信號的時頻分析見表1，根據(jù)以上結(jié)果可推測檢測數(shù)據(jù)信號對10 Hz以上的激勵振動頻率敏感。

圖7 垂直振動多工況雷達(dá)剖面圖

表1 垂直振動激勵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激勵對雷達(dá)信號的影響

2.3.1 基本時頻分析

垂直振動為5Hz各種工況下的時頻見圖8—圖11。

圖9 5 Hz-10 mm垂直振動工況的時域和頻譜

圖10 5 Hz-15 mm垂直振動工況的時域和頻譜

圖11 5 Hz-20 mm垂直振動工況的時頻和頻譜

由此可見，隨著振幅的增加，信號主頻幅值逐步減小，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，振動幅度越大，高頻干擾越重。可以推斷，在相同方向、相同頻率、不同振幅的振動條件下，激勵振幅越大，對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響越大。

2.3.2 振動激勵幅值-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檢測數(shù)據(jù)的影響權(quán)重。現(xiàn)對垂直振動工況下激振頻率與幅值2個參數(shù)做交替改變，以進(jìn)行有效對比分析。垂直振動擴(kuò)展分析多工況雷達(dá)剖面圖見圖12，垂直振動激振頻率多工況雷達(dá)波主頻幅值分析見表2。

圖12 垂直振動擴(kuò)展分析多工況雷達(dá)剖面圖

表2 垂直振動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，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激勵工況下的雷達(dá)波主頻幅值會弱于5 Hz-10 mm工況。當(dāng)激振幅值達(dá)到15 mm時，5 Hz-15 mm激勵工況下比15 Hz-3 mm等10 Hz以上的激勵工況對地質(zhì)雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)的不利影響都顯著增高。

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

3 不同檢測間距下的地質(zhì)雷達(dá)圖像效果分析

垂直振動必然會導(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，雷達(dá)信號剖面圖的效果也大不相同［10］。地質(zhì)雷達(dá)天線裝載于簡易手推檢測小車上，對實(shí)際隧道現(xiàn)場某處已知缺陷處，使用地質(zhì)雷達(dá)天線在不同間距情況下對隧道襯砌該缺陷處進(jìn)行檢測。與隧道襯砌表面不同距離工況下所測缺陷區(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，淺層有效信號不能完全顯示。

當(dāng)距離達(dá)到16 cm時，剖面圖上的干擾信號大幅度增加，缺陷處的反射信號大大減弱，反射信號的形狀也受到影響，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工作中，應(yīng)執(zhí)行既定的8～12 cm的非接觸無損檢測距離技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)論

通過不同振動方向、振幅、頻率的激振對地質(zhì)雷達(dá)信號幅頻影響分析，雷達(dá)天線的敏感激勵頻率為10 Hz，安全激勵頻率為8 Hz內(nèi)；敏感激勵振幅為15 mm，安全激勵振幅為10 mm以內(nèi)；且徑向振動對數(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。