探地雷達(dá)連續(xù)測量模式下觸發(fā)方式討論

許澤善，蔡俊雄，戴泉水，唐發(fā)偉，熊秀權(quán)

(1.四川省建業(yè)檢驗(yàn)檢測股份有限公司，四川 成都 610213；2.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518022;3.福建省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司 廈門分公司，福建 廈門 361011)

1 引 言

在隧道襯砌檢測應(yīng)用中，多數(shù)情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是采用時間觸發(fā)模式，其好處是一直以相同的時間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，操作簡單且可避免漏采。但采用此模式的檢測結(jié)果對天線移動速度要求很高，如果速度不均勻會導(dǎo)致檢測結(jié)果與實(shí)際偏差較大，甚至造成誤判、漏判，導(dǎo)致在驗(yàn)證缺陷時鉆芯位置不準(zhǔn)，造成了人力物力的浪費(fèi)[1,2]。采用距離觸發(fā)模式，是以固定的道間距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，這樣可以避免由于天線移動速度不均而導(dǎo)致空間采集間隔不同，即道間距不等而產(chǎn)生的雷達(dá)圖像失真及對探測目標(biāo)定位的距離錯誤。隧道檢測環(huán)境差，天線移動速度不均勻，時間觸發(fā)模式下的數(shù)據(jù)標(biāo)間道數(shù)差別很大，為了使整條測線數(shù)據(jù)具有相同的道間距，需進(jìn)行距離歸一化處理。距離歸一化的作用是使所有相鄰標(biāo)間的道數(shù)固定統(tǒng)一[3],即通過已知的標(biāo)間距轉(zhuǎn)換為固定的道間距。在距離觸發(fā)模式下，由于測距輪的跳動、磨損等均會造成誤差，為避免累計(jì)誤差，同樣需要做距離歸一化處理。

2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集模式與觸發(fā)方式

目前工程檢測應(yīng)用中探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集方法主要是反射剖面法[4]，數(shù)據(jù)采集模式有連續(xù)測量模式與離散測量模式，連續(xù)測量模式下有兩種觸發(fā)方式，即時間觸發(fā)與距離觸發(fā)[5]。離散測量模式通常采用“按鍵”方式觸發(fā)[6]。

2.1 時間觸發(fā)方式

探地雷達(dá)的時間觸發(fā)模式是每隔設(shè)定的時間間隔采集一道數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)采集時雷達(dá)天線的移動速度不確定，故無法自動標(biāo)記里程位置，因此采用時間觸發(fā)模式進(jìn)行隧道襯砌檢測時，為了保證各測點(diǎn)的位置和隧道里程相對應(yīng)，必須要進(jìn)行距離標(biāo)注，一般每隔5 m在測線上做一個標(biāo)記，并標(biāo)明樁號，在檢測時每到一個標(biāo)記處，相應(yīng)在采集界面上打標(biāo)一次[7]。

2.2 距離觸發(fā)方式

距離觸發(fā)方式也叫測距輪觸發(fā)方式[8]，即每隔設(shè)置好的固定距離采集一道數(shù)據(jù)，它的采集由測距輪轉(zhuǎn)動觸發(fā)，具有道間距固定，距離準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但如果道間距設(shè)置過小，需要控制采集速度，速度過快容易造成數(shù)據(jù)道漏采。一般采用測距輪模式時,為了避免測距輪里程的累積誤差，同樣需要采用現(xiàn)場打標(biāo)的辦法進(jìn)行距離標(biāo)定[9]。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了更容易控制采集速度，實(shí)驗(yàn)對象為某辦公樓樓板，如圖1所示，樓板施工縫間距為4.6 m，選擇兩塊長度相同且相鄰的樓板，第一個樓板主要用來調(diào)節(jié)初始采集速度，第二塊樓板為實(shí)測對象。

圖1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場布置

本次利用兩塊樓板的三條施工縫，從左向右分別為施工縫1、施工縫2、施工縫3，以每個施工縫作為一個打標(biāo)點(diǎn)，同時為了在雷達(dá)圖像準(zhǔn)確反映施工縫2和3的位置，在施工縫2和3處分別沿縫的方向平行放一個鋼尺。在施工縫2右側(cè)200 cm處放置一塊長81 cm、寬52 cm的鐵板模擬為隧道襯砌中的缺陷，如圖2所示，因?yàn)殍F介質(zhì)的趨膚效應(yīng)會對電磁波產(chǎn)生全反射[10]，所以能夠在雷達(dá)圖像上清晰判斷鐵板的位置和大小，四條測線采用相同的采集長度，相同的方向，走相同的位置，都從鋼板正上方經(jīng)過，而采用不同的觸發(fā)方式和速度，為了消除一些隨機(jī)誤差，每條測線采5次，并計(jì)算鐵板長度和鐵板前沿至施工縫2的距離值，最后分別對5次距離值求平均。通過對比各測線雷達(dá)圖像中鐵板的長度和位置來對兩種觸發(fā)方式進(jìn)行評價。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)一主要討論天線移動速度不均勻?qū)r間觸發(fā)方式和測距輪觸發(fā)方式的影響，本次實(shí)驗(yàn)共采集四條測線，測線1和測線2用距離觸發(fā)方式，測線3和測線4用時間觸發(fā)方式，測線1和測線3采用相同的速度調(diào)整方式，測線2和測線4采用相同的速度調(diào)整方式，如表1所示。

表1 采集參數(shù)

從圖3、圖4、圖5、圖6四張?jiān)紙D像可以看出，采用距離觸發(fā)方式下的兩張圖像基本一致，而采用時間觸發(fā)方式的兩張雷達(dá)圖像中鋼板的位置和大小明顯改變，且相差較大。

圖3 測線1原始圖像

圖4 測線2原始圖像

圖5 測線3原始圖像

圖6 測線4原始圖像

為使圖像距離均勻標(biāo)準(zhǔn)，對四條測線數(shù)據(jù)進(jìn)行距離歸一化處理[11]，設(shè)置道間距0.01 m，如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7 測線1距離歸一化

圖8 測線2距離歸一化

圖9 測線3距離歸一化

圖10 測線4距離歸一化

3.1.2 實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)二討論時間觸發(fā)方式下天線走走停停對雷達(dá)圖像的影響，本次實(shí)驗(yàn)共采集三條測線，分別為測線5、測線6、測線7，三條測線速度相同，約5 km/h，測線5是在鐵板前暫停約1秒鐘，測線6在鐵板上暫停約1秒鐘，測線7在鐵板后暫停約1秒鐘，如表2所示。

表2 采集參數(shù)

在隧道襯砌檢測過程中，經(jīng)常會遇到各種狀況導(dǎo)致檢測車輛走走停停的情況，在標(biāo)間距內(nèi)車輛暫停位置不一樣對解釋結(jié)果的影響也不同，以下為三條測線的原始圖像，如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 測線5原始圖像

圖12 測線6原始圖像

圖13 測線7原始圖像

由圖11～圖13可看出，當(dāng)暫停位置在缺陷上方時，會使解釋結(jié)果明顯偏大。以下為3條測線距離歸一化后圖像，設(shè)置道間距0.01 m，如圖14、圖15、圖16所示。

圖14 測線5距離歸一化

圖15 測線6距離歸一化

圖16 測線7距離歸一化

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

從表3可以看出，距離觸發(fā)方式下速度的變化對檢測結(jié)果影響不大，但時間觸發(fā)方式下兩種變速模式下的結(jié)果與實(shí)際偏差較大；在時間觸發(fā)方式下，檢測時不管在哪個位置出現(xiàn)暫停，對病害的位置和大小都有較大影響。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.3 實(shí)驗(yàn)不足處

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M隧道襯砌檢測中速度不均勻?qū)r間觸發(fā)方式和距離觸發(fā)方式數(shù)據(jù)結(jié)果的影響，為了更準(zhǔn)確地控制速度，實(shí)驗(yàn)場地選擇在室內(nèi)，但仍有以下缺陷無法克服：

1)雷達(dá)本身的距離精度，本次使用的礦大雷達(dá)在距離上的精度是10 cm，而本次使用的鐵板長度81 cm，計(jì)算精度均為1 cm；

2)天線移動速度由人拉控制，每條測線的速度難把控，測線1和測線3、測線2和測線4的采集速度很難控制到完全相同，測線5、測線6、測線7三條測線的速度很難控制完到全相同；

3)實(shí)際檢測中標(biāo)間距一般為5 m，本次標(biāo)間距為4.6 m。

4 結(jié) 論

從本實(shí)驗(yàn)可看出，當(dāng)天線移動速度不均時，在時間觸發(fā)方式下，鐵板的位置和長度與實(shí)際偏差較大，而在距離觸發(fā)方式下基本與實(shí)際相符。

在在建隧道襯砌檢測過程中，由于道路平整度差、障礙物多等因素干擾，容易造成車速不均勻，甚至走走停停，如果采用時間觸發(fā)方式會大大降低檢測結(jié)果的評價效果，而采用距離觸發(fā)方式不僅避免了時間觸發(fā)方式下可能造成的位置和大小的問題，還有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)距離觸發(fā)方式采用相同的道間距采集數(shù)據(jù)，對判斷鋼筋、鋼架間距非常準(zhǔn)確；

2)在隧道復(fù)雜的檢測環(huán)境中，距離觸發(fā)避免了時間觸發(fā)方式下隨檢測車的走走停停而產(chǎn)生的頻繁啟停操作；

3)標(biāo)間道數(shù)基本相同，后期做距離歸一化處理對距離影響小。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知在隧道襯砌檢測時，應(yīng)盡量采用距離觸發(fā)方式，尤其在檢測車速控制難度太大時不宜使用時間觸發(fā)方式。

致謝：感謝中國石油大學(xué)(北京)地球物理學(xué)院博士田行達(dá)、中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士簡世凱、南方科技大學(xué)理學(xué)院地球與空間科學(xué)系博士袁士川對本人的論文支持與幫助及吉林大學(xué)王者江老師的指導(dǎo)。