基于雙頻連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)的木材中白蟻無損檢測

馬春雨 張丹 丁振東 宗楚菁

摘 要：提出了一個雙頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)用于檢測木材中的白蟻活動，建立了一個雙頻CW系統(tǒng)檢測算法，利用接收信號的多普勒頻移開發(fā)并測試了一個軟件雷達(dá)系統(tǒng)，其中多普勒的變化反應(yīng)白蟻的活動，同時分析了被腐蝕木材中白蟻的存活性。實(shí)驗(yàn)表明，通過調(diào)整木材和檢測儀器的間距，對功率頻譜和相位數(shù)據(jù)采集分析，結(jié)果確定木材和檢測儀器的間距最小為50厘米;相位信息也是確定白蟻存在的一個重要的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：雙頻;連續(xù)波雷達(dá);白蟻檢測;多普勒;相位信息;腐蝕

Abstract：A dual frequency CW radar system is proposed to detect the activity information of termites in wood. A dual frequency CW system detection algorithm is established. A software radar system is developed and tested by using the Doppler shift of the received signal to detect termites. The Doppler variation reflects the activity information of termites. The existing activity of termites in the wood corroded by termites is analyzed， meanwhile. The experiment shows that by adjusting the distance between the wood and the detection instrument， the power spectrum and the phase data are collected and analyzed. The result shows that the distance between the wood and the detection instrument is at least 50 cm. The phase information is also an important index to determine the existence of termites.

Key words：two-frequency; CW radar; termite detection; Doppler; phase information; corrosion

在現(xiàn)代社會，白蟻腐蝕的木質(zhì)結(jié)構(gòu)是一個嚴(yán)重的問題;由于黑暗和潮濕的侵蝕，造成白蟻的出現(xiàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)白蟻存活在木材中，它已對木材造成了極大的損害。正如所知，自然的復(fù)雜性表現(xiàn)在任何一種形式主義或方法都不足以捕捉其所有性質(zhì)，從而對正在研究的現(xiàn)象進(jìn)行完整的描述。這就是通過分析它們的排放物來檢測昆蟲的情況。白蟻活動及其相關(guān)排放物的特征描述是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)榘紫伆l(fā)出的信號建模較為復(fù)雜。木材[1-2]是一種天然材料，因此有被昆蟲和真菌侵蝕[3]和變質(zhì)的風(fēng)險。腐蝕木材已成為越來越多的研究熱點(diǎn)，其中，無損檢測技術(shù)是在不破壞原木材原始狀態(tài)的條件下，將所需的目標(biāo)信息準(zhǔn)確且快速識別出來的技術(shù)[4]。

白蟻會產(chǎn)生某種酸，它們很容易腐蝕木頭。目前，木材檢測方法[5]很多，但每種方法都有其自身的缺陷。因此，白蟻腐蝕后的木材難以檢測。

白蟻被列為世界性五大害蟲之一，種類繁多，其危害每年造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6]，中國地區(qū)有白蟻 41 屬 473 種[7]。對目前的工作來說，最重要的是它們對人造結(jié)構(gòu)的破壞是由于它們對木材和其他纖維素材料的腐蝕。白蟻可以讓地球上幾乎所有物品都能遭其的侵害。1989年，巴西一座被白蟻破壞的教堂屋頂?shù)顾斐?6人死亡，500人受傷。盡管白蟻造成了許多問題，但也應(yīng)該承認(rèn)，白蟻有助于在許多熱帶生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)養(yǎng)分，使土壤通氣，并作為許多食蟲動物的食物。白蟻的生存取決于食物、水分和溫度。一般來說，白蟻的分布范圍在赤道以北和以南45°到50°之間。白蟻也出現(xiàn)在智利的頂端，塔斯馬尼亞州，喜馬拉雅山海拔3000米。預(yù)測表明白蟻將繼續(xù)在歐洲北部蔓延[8]?？梢钥闯觯紫伒臋z測非常重要。

檢測白蟻的方法有很多種，如射線、超聲波、應(yīng)力波等。其中，AE方法[9]是一種超聲波測量（聲發(fā)射）方法。然而，AE檢測白蟻方法有其局限性，探測時傳感器和木頭必須要緊密接觸。聲發(fā)射的應(yīng)用多用于煤巖識別[10-12]。這種方法的缺點(diǎn)是它不能被遠(yuǎn)程檢測，因?yàn)樗枰鄬τ诶走_(dá)檢測的接觸傳感器。由于有上千種不同的噪音，很難區(qū)分它們。非接觸式X射線檢測法也是檢測白蟻的一種，但設(shè)備和系統(tǒng)比較昂貴，對于人體的輻射，這些都應(yīng)要考慮。同時， 一些新的技術(shù)和設(shè)備也在嘗試使用 ，如放射性同位素測定儀 、微波遙感技術(shù) 、電阻勘探技術(shù)、探地雷達(dá)、聲頻探測儀、氣味測定儀 、紅外線測定儀等[13-15]。

最近，一些研究人員認(rèn)為白蟻檢測方法使用的是電磁波[16-18]。該方法是在儀器與木材一定距離處檢測白蟻和木材的某些特性，不僅可以進(jìn)行距離檢測，而且可以防止工作人員受到儀器輻射和白蟻酸腐蝕。對木材檢測起到無損作用[19-22]。白蟻檢測技術(shù)由檢測接收信號的多普勒[23-24]頻移到一個電磁波輻照在木材上[25-26]，采用這種方法是因?yàn)榘紫佋谀静膬?nèi)部活動[27]。根據(jù)檢測方法，可以有效地進(jìn)行非接觸式感應(yīng)白蟻[28-30]。此外，這種檢測方法優(yōu)點(diǎn)一是低成本;二是工作人員容易操作降低電磁波的輻射。

連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)[31-32]主要控制連續(xù)頻率。根據(jù)發(fā)射信號和回波信號的頻差，根據(jù)計算得到的最終相位差，獲取特定的目標(biāo)信息。調(diào)頻連續(xù)波（CW）雷達(dá)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有距離分辨率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以保證雷達(dá)發(fā)生和接收的同時工作，避免信號接收的遺漏，使信號接收更具可持續(xù)性和針對性。在一定的噪聲下，該技術(shù)還可以在較寬的范圍內(nèi)捕獲信號帶寬和脈沖雷達(dá)。一般雷達(dá)測距[33-35]應(yīng)用較為廣泛。信號傳輸功率低，安全性高，不易被截獲，容易避免泄漏問題。

連續(xù)波雷達(dá)具有低功耗和簡單的無線電體系結(jié)構(gòu)。此外，連續(xù)波雷達(dá)還可以通過適當(dāng)調(diào)整無線電前端架構(gòu)來消除雜波噪聲。相比其他技術(shù)而言，雙頻CW系統(tǒng)是簡化的，其傳輸信號有兩個幾乎相同的頻率使用時間分離方法、接收信號和發(fā)射信號。在雙頻CW系統(tǒng)中，占用頻率帶寬比較窄，相對于其他技術(shù)抗干擾能力比較強(qiáng)。此外，雙頻CW系統(tǒng)具有良好的適用性，接近目標(biāo)檢測，基于距離精度依賴于S/N，而不是頻率帶寬。

采用白蟻損害過的木材和白蟻?zhàn)鳛槟繕?biāo)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用雙頻連續(xù)波的方法，繼而提出了此種檢測方法來檢測接收信號的多普勒頻移的白蟻活動，并驗(yàn)證檢測白蟻在木材中[36]的實(shí)驗(yàn)，首先，解釋了探測白蟻使用的雙頻CW系統(tǒng)檢測原理。然后，使用了軟件雷達(dá)設(shè)備對在木材中的白蟻?zhàn)鰴z測實(shí)驗(yàn)。

1 雙頻CW系統(tǒng)檢測算法

將電磁波照射到木材上，檢測木材中白蟻活動產(chǎn)生的接收信號，并檢測白蟻。連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)在時分模式下傳輸兩個稍微分開的頻率，由于接收器和低速信號進(jìn)行處理獲得高分辨率，所以考慮低成本和高分辨率選擇使用雷達(dá)設(shè)備裝置。由于頻帶比較小，很難與其他雷達(dá)產(chǎn)生干擾。連續(xù)波方法，根據(jù)不同需求的原則，兩個目標(biāo)發(fā)送的頻率接收信號，所以目標(biāo)距離km/h的相對速度和多個波（不同復(fù)雜的相位頻率波）的復(fù)雜目標(biāo)的速度測量是困難的，產(chǎn)生相位值的信息是錯誤的，將產(chǎn)生的是一個距離值。此外，發(fā)送連續(xù)波在所有的時間和所有的距離范圍內(nèi)波反射可在同一時間觀察。特別是在反射裝置附近有不必要的大量反射，發(fā)送和接收波的干涉系統(tǒng)很容易受到影響。

當(dāng)電磁波輻照在木材，雙頻CW系統(tǒng)接收信號會捕捉帶有白蟻的木頭和捕捉木材中白蟻的位置。如圖1所示，雙頻CW方法在一個非常窄的頻段可以探測到目標(biāo)的距離和速度。連續(xù)波（CW）首先傳輸頻率f1;之后一段時間T，發(fā)送頻率f2。因此，f1和f2相距一段距離，這與T和頻率的波長有關(guān)。在系統(tǒng)的接收端，傳輸頻率f1和f2分別的與當(dāng)?shù)氐男盘柣旌?。然后，通過一個低通濾波器過濾信號，相應(yīng)的信號產(chǎn)生可以實(shí)用以下表達(dá)式：

距離測量的理論精度取決于傳輸信號的頻帶寬度和信號能量和噪聲能量之比。此外，測量精度可能會限制，如頻率測量設(shè)備的精確性。電路和傳輸線可能引起剩余路徑長度誤差，多次反射和發(fā)射機(jī)泄漏也可能引起誤差，頻率模式的轉(zhuǎn)變可能引起頻率誤差。

每個規(guī)律性信號的時間間隔是通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域信號。如果我們已知道多普勒頻率和目標(biāo)速度，目標(biāo)距離可以通過多普勒頻率的相位差得到，如下所示：

2 白蟻探測實(shí)驗(yàn)

首先，給出了實(shí)驗(yàn)場景，尋找了一塊被白蟻腐蝕的木塊作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，在木塊內(nèi)部放入一組白蟻，每個白蟻的長度大約是6毫米，大約在這個尺寸下，我們可以檢測到移動的白蟻產(chǎn)生的多普勒波信號。傳輸頻率為24.15 GHz。如果白蟻移動的速度被假定為1～10 mm/s，那么多普勒頻率是0.16～0.8 Hz，頻譜的密度可能會增加。系統(tǒng)的雷達(dá)參數(shù)和規(guī)格（用于本次實(shí)驗(yàn)）如表1所示。發(fā)現(xiàn)它可以檢測白蟻的存在是通過檢測強(qiáng)度的增加。實(shí)驗(yàn)使用軟件雷達(dá)裝置圖2所示，圖2的（a）、（b）分別是白蟻檢測系統(tǒng)裝置和白蟻探測系統(tǒng)的框圖。天線和木頭之間的距離設(shè)置10厘米、20厘米和50厘米。選擇光譜分析時間為100秒，以確保頻率分辨率為0.01 Hz。通過檢測該電力的上升，能夠檢測到白蟻的存在。

3 實(shí)驗(yàn)分析

展示了在普通環(huán)境噪聲下和每種測試距離情況下的功率頻譜圖和相位差，如圖3-圖6。從測試數(shù)據(jù)圖中，圖3為普通環(huán)境的功率頻譜圖和相位圖，即沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)材料的情況下。圖4～圖6為有實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)材料的情況下，圖4為雷達(dá)設(shè)備與木材距離為R=10 cm時的功率頻譜圖和相位圖，與圖3相比，功率波動變大，相位差在頻帶-0.5 Hz至0.5 Hz內(nèi)變化，可知木材中有白蟻情況得到驗(yàn)證。

如圖5所示，在R=20 cm時，功率波動效果比R=10 cm稍微弱，相位幅度在-0.4 Hz至0.8 Hz內(nèi)集中，比R=10 cm時集中強(qiáng)。如圖6所示，當(dāng)R=50 cm時，功率頻譜幅度比R=20 cm時又較弱;通過觀察，相位在頻帶為-0.5 Hz至0.5 Hz變化，集中程度較R=10 cm時和R=20 cm時都弱。

上述說明，這與白蟻在木材中相對活躍的程度有關(guān)，但在R=50 cm時，相位越來越接近普通環(huán)境下的相位噪聲?？芍瑴y試距離最好不超過50 cm。另外，如果功率的上升不是噪聲等，而是來自木材中的白蟻群，則相位差值在能看到功率的上升的頻率的范圍內(nèi)，被認(rèn)為大致固定。但不同距離相位差值有明顯變化。因此，在一定的頻率和一定的功率范圍內(nèi)，相位分散指數(shù)可以確定白蟻的存在。最后，本文確定相位差的值較小時或集中時，白蟻是存在的。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)選取三個具有代表性參數(shù)展示，雷達(dá)裝置與目標(biāo)木材之間分別為10 cm、20 cm、50 cm，通過對功率頻譜和相位分析，本次實(shí)驗(yàn)確定本系統(tǒng)測試距離最好不好超過50 cm，距離越近，檢測白蟻的功率譜密度越強(qiáng)，其中相位的集中程度說明白蟻存活性，越集中表明檢測白蟻存活強(qiáng)度大，本實(shí)驗(yàn)從三組數(shù)據(jù)中說明在R=20 cm時的數(shù)據(jù)，相位集中最強(qiáng)，從相位角度看，三種距離中，最佳檢測距離為R=20 cm。

在這項(xiàng)工作中，采用雙頻連續(xù)波系統(tǒng)在木材檢測出白蟻的存在。24 GHz雷達(dá)設(shè)備符合預(yù)先確定低功耗無線電的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，需要足夠的信號強(qiáng)度從木材中檢測白蟻。木材和天線之間的距離（例如，至少50厘米）確定所需的信號強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明，相位信息是一個重要的指標(biāo)來確定白蟻的存在。

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