李耀華， 張維平,， 李 軍

(1.航天建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100070；2.云南航天工程物探檢測股份有限公司，昆明 650217)

地質(zhì)雷達信號譜能分析法在混凝土缺損探傷中的應(yīng)用

李耀華1， 張維平1,2， 李 軍2

(1.航天建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100070；2.云南航天工程物探檢測股份有限公司，昆明 650217)

地質(zhì)雷達是一種廣泛應(yīng)用于混凝土澆注質(zhì)量及缺陷檢測的技術(shù)手段，但常規(guī)數(shù)據(jù)處理方法對微小和微弱的有用信號難以識別，還會造成異常解譯的不確定性?；趩我唤橘|(zhì)頻譜響應(yīng)唯一性的特點，提出并詳細(xì)介紹了地質(zhì)雷達譜能分析的信號后處理技術(shù)及數(shù)據(jù)處理流程，通過對橋梁混凝土腹板的檢測實踐，提取計算空氣目標(biāo)介質(zhì)的譜能強度進而判定混凝土內(nèi)部密實程度及缺陷，與常規(guī)數(shù)據(jù)處理的雷達圖像對比，發(fā)現(xiàn)了常規(guī)圖像中尚未反映的淺層不密實和深部微小孔隙異常。結(jié)合網(wǎng)格狀探測并重構(gòu)目標(biāo)體模型，經(jīng)三維成像反演出蜂窩缺陷的空間分布、形態(tài)及影響范圍，實現(xiàn)了混凝土澆注質(zhì)量及內(nèi)部健康狀況診斷的目的，為加固處理提供借鑒。

地質(zhì)雷達； 混凝土澆注質(zhì)量； 信號后處理； 譜能強度； 蜂窩孔洞； 三維成像

0 引言

隨著大型建筑物建設(shè)速度的加快，混凝土構(gòu)件成為建筑結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，但其質(zhì)量和安全問題日益突出。在通常的混凝土澆筑與施工質(zhì)量檢測中，由于條件和抽樣頻率的限制，試件抗壓強度法無法全面反映澆筑混凝土真實品質(zhì)情況；回彈法和超聲回彈綜合法僅能反映混凝土的表面強度，無法反映內(nèi)部質(zhì)量及缺陷；貫入法、拔出法和取芯法均是通過測定強度參數(shù)反映混凝土質(zhì)量的好壞，這些方法在檢測和評價過程中限制條件較多，工作量大，局部測試不具備代表性，很難對混凝土整體質(zhì)量做出評價，同時還會對混凝土構(gòu)件造成一定程度的破壞[1]。

地質(zhì)雷達是在不損傷破壞混凝土外表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，對在建和使用中的混凝土構(gòu)件進行精細(xì)化檢測與診斷[2-3]，根據(jù)雷達反射回波對混凝土結(jié)構(gòu)整體或局部進行全面、客觀地分析，揭示混凝土澆筑質(zhì)量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和健康狀況，進而對混凝土構(gòu)件的安全狀況加以評價[4]；針對雷達微弱有效反射信號難以識別以及異常解釋的多解性，或使得有用的微弱信息因過度處理損失而導(dǎo)致分辨率降低，提出了基于譜能分析法的地質(zhì)雷達信號后處理技術(shù)[5]，通過定性識別混凝土內(nèi)部缺陷分布特征和密實度，在一定程度上可彌補現(xiàn)有建筑物混凝土澆注質(zhì)量檢測技術(shù)的不足[6]。

1 地質(zhì)雷達信號后處理技術(shù)

依據(jù)物探信號三波相的解譯原則，常規(guī)地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理方法主要是對反射電磁波的走時、頻率、相位等信息進行解譯，而對那些被噪聲掩蓋的微弱的有用反射信號則難以識別，尺寸較小的有用異常也不易分辨。利用物探信號的介質(zhì)共振頻響特性，通過應(yīng)用目標(biāo)介質(zhì)譜能強度的分析方法，可有效地提取識別微弱信號，去除雜波信號的干擾[7]。

1.1 譜能分析法

由于不同介質(zhì)對于物探激勵反射余波在目標(biāo)介質(zhì)(如水、空氣、金屬、不同巖性的巖層等)中傳播時，都具有各自相對應(yīng)的共振頻率響應(yīng)特征?；谖锾叫盘枌Σ煌橘|(zhì)的頻率響應(yīng)差異首先進行目標(biāo)介質(zhì)信號判定，通過對不同激發(fā)源的物探信號共振頻率進行振幅譜分析，提取識別目標(biāo)介質(zhì)的頻率響應(yīng)特征，求取目標(biāo)介質(zhì)在頻響譜域中的譜能強度，反演出地下目標(biāo)體或異常體譜能強度二維剖面圖或三維空間分布圖，達到探測的目的[8]，方法流程如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達信號后處理流程圖Fig.1 The flow chart of post-processing for groundpenetrating radar signal

1.2 目標(biāo)介質(zhì)信號的判定

地質(zhì)雷達以高頻率的寬頻帶短脈沖形式經(jīng)發(fā)射天線向目標(biāo)介質(zhì)發(fā)射固有頻率電磁波，在地下介質(zhì)特性發(fā)生變化的界面發(fā)生反射并返回地面被接收天線所接收，電磁波反射回波可看作是地下不同介質(zhì)或異常所形成同頻率同方向傳播的電磁極化波的合成結(jié)果。采用常規(guī)地質(zhì)雷達及組合天線采集，獲取雷達反射波數(shù)據(jù)信號。

直接測得的原始信號是以累加合成方式表現(xiàn)信號中不同正弦波信號的頻率、振幅、相位信息及特征。根據(jù)傅里葉變換的疊加特性，通過傅里葉逆變換可將采集的一個非周期合成信號的頻率譜，分解為時間域內(nèi)連續(xù)變化的多個周期信號的頻率譜。

(1)

(2)

式中：ω為角頻率；t為時間。

對分解后的采樣信號進行識別，首先根據(jù)不同介質(zhì)特有的頻譜響應(yīng)特征判定出目標(biāo)介質(zhì)信號；再根據(jù)目標(biāo)介質(zhì)信號的波相頻響特性確定其特有的頻率譜線特征。

1.3 頻率響應(yīng)特征的分離

混凝土構(gòu)件中除本身的骨料介質(zhì)，還有鋼筋材料，同時還有因澆注質(zhì)量產(chǎn)生被水或空氣填充的缺陷。根據(jù)地質(zhì)雷達天線中心頻率標(biāo)定結(jié)果分析標(biāo)準(zhǔn)反射回波信號的振幅譜和頻率帶寬，分離出金屬、水和空氣三種不同介質(zhì)對電磁波偏振的主頻響應(yīng)值，如圖2所示[9]。

圖2 不同介質(zhì)對電磁波偏振的頻響譜Fig.2 The frequency response spectrum of electromagneticwave polarization for different medium

圖3 目標(biāo)介質(zhì)頻率響應(yīng)特征的唯一性Fig.3 The uniqueness of frequency response character for target medium

1.4 譜能強度的計算

鑒于不同目標(biāo)介質(zhì)的共振頻率響應(yīng)存在差異[10]，而單一目標(biāo)介質(zhì)的頻率響應(yīng)具有唯一性的特點(圖3),根據(jù)上述分離的不同介質(zhì)的主頻響應(yīng)值和頻響范圍，將頻譜密度函數(shù)F(ω)在各自頻帶寬度內(nèi)積分得空氣(水或金屬)不同目標(biāo)介質(zhì)的頻譜強度，探測介質(zhì)體的頻譜總強度則為頻譜密度函數(shù)F(ω)在整個帶寬范圍內(nèi)的積分。由譜能強度計算公式計算不同待測目標(biāo)介質(zhì)的譜能強度。

(3)

式中：A為目標(biāo)介質(zhì)譜能強度；n為目標(biāo)介質(zhì)；ω為角頻率；ω1～ω2為目標(biāo)介質(zhì)頻率響應(yīng)范圍。

通過譜能分析法可唯一確定不同介質(zhì)的頻譜強度，有效提高微弱反射信號，增強雷達圖像中的異常特征反映。因此，該信號后處理技術(shù)在混凝土澆注質(zhì)量及缺損探傷發(fā)現(xiàn)較小尺寸缺陷體方面行之有效，且具獨特優(yōu)勢。

2 混凝土缺損探傷應(yīng)用對比與分析

西游洞特大橋是西部開發(fā)通道武昆高速公路(武定至昆明)的控制性工程，對該橋1號、2號橋墩0～6#梁段混凝土注漿質(zhì)量檢查時發(fā)現(xiàn)箱梁腹板表面局部產(chǎn)生蜂窩麻面，呈酥散脫落、低強度狀態(tài)，推測其內(nèi)部尚有蜂窩孔洞存在，澆注不密實。為防止缺陷危害程度進一步擴大，需通過探測查明內(nèi)部缺陷分布及密實情況。

圖4 測線布置示意圖Fig.4 The schematic diagram of line layout

2.1 測線布置及參數(shù)設(shè)置

在腹板表面可見蜂窩麻面的200 cm×140 cm分布區(qū)域內(nèi)布置網(wǎng)格狀測線，測線間距為20 cm，測線布置如圖4所示。探測使用SIR3000地質(zhì)雷達，配置1 600 MHz收發(fā)一體屏蔽天線，根據(jù)梁板尺寸及現(xiàn)場情況，探測時窗為18 ns，低通濾波選取300 MHz，高通濾波選取3 000 MHz，采樣點數(shù)為1 024；為提高信噪比，采用8次疊加連續(xù)測量方式。

2.2 信號數(shù)據(jù)處理

2.2.1 常規(guī)地質(zhì)雷達信號處理

通過常規(guī)地質(zhì)雷達處理分析軟件對編輯后的數(shù)據(jù)進行二維譜分析得出合適的數(shù)據(jù)處理流程，采用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對水平向分辨率和時間層位信號分辨率加以處理，獲得二維時間-距離或深度-距離剖面圖(圖5(a))。

2.2.2 地質(zhì)雷達信號后處理

在信號數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)儀器設(shè)備配置標(biāo)定出目標(biāo)介質(zhì)的雷達波頻率響應(yīng)參數(shù)，在已知雷達剖面網(wǎng)格化的單元格中對地質(zhì)雷達波的反射回波信號進行振幅譜分析，分離識別出混凝土、空洞缺陷、金屬等不同目標(biāo)介質(zhì)對電磁波偏振的頻率響應(yīng)。采用C++編寫程序，根據(jù)式(3)計算各雷達剖面上各個窗口的目標(biāo)介質(zhì)(如空氣)在頻響譜域中的積分與全譜積分之比，獲得每一時間窗口位置在不同深度上的目標(biāo)介質(zhì)的譜能強度A，結(jié)合坐標(biāo)并通過插值方法，繪制出影響混凝土構(gòu)件質(zhì)量的空氣目標(biāo)介質(zhì)譜能強度分布的等值剖面圖(圖5(b))。

2.3 數(shù)據(jù)處理效果對比分析

在圖5(a)中，深度為0.25 m以上較為明顯的0.3 m～0.4 m處有多次反射，與兩側(cè)同相軸錯斷，1.4 m、1.6 m、1.7 m等位置同相軸錯斷，為孔洞反映。深度為0.25 m以下0.6 m～1.2 m波形雜亂，反射規(guī)律性差，同相軸不連續(xù)，推測為不密實區(qū)或空隙分布區(qū)。

應(yīng)用譜能分析法進行信號后處理得到的二維譜能強度等值線剖面圖5(b)中，深度為0.25 m以上間隙性分布有多處縱軸向較大范圍的不密實區(qū)，在0.4 ～0.8 m的不密實區(qū)中還有孔洞存在。深度為0.5 m以下還有多處微小孔隙異常存在。

圖5 典型測線地質(zhì)雷達圖像Fig.5 The diagram of GPR for typical survey line(a)常規(guī)時深剖面； (b)譜能強度等值線剖面； (c)合成剖面

圖5(c)是將上述兩種數(shù)據(jù)處理結(jié)果合成后的雷達圖像，可以看出常規(guī)二維剖面的不密實及孔洞異常均能在譜能強度等值線圖中得到印證，如0.4 m、1.4 m和1.6 m位置，特別是1.0 m位置同相軸錯斷明顯的位置是二者均反映的不同密實程度區(qū)域的邊界。而譜能分析法處理結(jié)果中仍能反映多處淺層的不密實區(qū)異常和深部微小孔隙異常。

3 三維成像與解譯

3.1 三維成像技術(shù)

將探測混凝土構(gòu)件劃分成一系列的矩形網(wǎng)格單元，并對網(wǎng)格內(nèi)空氣目標(biāo)介質(zhì)物性參數(shù)均一線性化，通過三維建模重構(gòu)被測混凝土構(gòu)件模型，并將網(wǎng)格狀布置的各雷達測線的譜能強度等值線剖面集于同一空間。應(yīng)用Voxler軟件采用格里克插值法反演出混凝土箱梁腹板澆注密實程度及孔洞缺陷的空間形態(tài)和分布范圍，對其結(jié)果進行三維空間的綜合分析與解譯。

3.2 結(jié)果分析與解譯

基于譜能分析地質(zhì)雷達信號，對混凝土澆注質(zhì)量的反映主要是蜂窩孔洞及不密實區(qū)內(nèi)空氣介質(zhì)對雷達波的頻譜響應(yīng)，根據(jù)空氣介質(zhì)在被測混凝土目標(biāo)體中不同質(zhì)點的譜能強度值進行分析解譯。三維成像結(jié)果中腹板內(nèi)側(cè)從表面向內(nèi)延伸約10 cm范圍混凝土澆注質(zhì)量較差，呈欠密實狀，內(nèi)部蜂窩缺陷呈零散狀分布，導(dǎo)致局部疏松，密實程度降低；外側(cè)澆注質(zhì)量較好(圖6)。僅提取蜂窩孔洞單一介質(zhì)譜能強度值，反演出內(nèi)部蜂窩形態(tài)及譜能強度分布，其中A、B兩處譜能強度值較低，與空氣介質(zhì)譜能強度值相近，判斷為孔洞缺陷，孔洞A位于(80 cm，85 cm)處，深度為10 cm；孔洞B位于(135 cm，40 cm)處，深度為5 cm(圖7)。

圖6 腹板混凝土澆筑質(zhì)量譜能強度分布圖Fig.6 The distribution of spectral energy strengthabout the casting quality of web

圖7 內(nèi)部蜂窩譜能強度分布圖Fig.7 The distribution of spectral energystrength about internal cellular

4 結(jié)論

譜能分析法地質(zhì)雷達信號后處理技術(shù)，有別于通過壓制噪聲而提高信噪比的傳統(tǒng)信號處理方法，它是基于物探信號對不同介質(zhì)的頻率響應(yīng)差異識別和提取目標(biāo)介質(zhì)頻響特征，通過計算獲得空氣介質(zhì)的譜能強度，可以判定混凝土澆注密實程度及缺陷的分布。

通過在腹板混凝土表面蜂窩麻面區(qū)域?qū)嶋H探測，選取相同測線剖面與常規(guī)地質(zhì)雷達軟件處理結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，譜能分析處理結(jié)果不僅可反映出常規(guī)處理結(jié)果中的異常，還可有效反映出深部微小孔洞異常，根據(jù)標(biāo)定的目標(biāo)介質(zhì)譜能強度只針對單一空氣介質(zhì)解譯，在一定程度上可避免異常解譯的多解性。

應(yīng)用三維成像技術(shù)綜合不同測線實現(xiàn)三維空間解譯，清晰地反映了混凝土的密實程度及內(nèi)部蜂窩缺陷的空間形態(tài)分布和影響范圍，同時準(zhǔn)確判斷了孔洞位置，取得了良好效果。

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TheapplicationofspectralenergyanalysismethodforGPRsignalinthedefectofconcreteandinspection

LI Yaohua1， ZHANG Weiping1,2， LI Jun2

(1. China Aerospace Academy of Architectural Design & Research Co. Ltd., Beijing 100070, China;2. Yunnan Aerospace Engineering Geophysical Detecting Co. Ltd., Kunming 650217, China)

The ground penetrating radar is a widely used technology for the pouring quality and defect detection of concrete, but it is difficult to identify usefully micro and weak signal by the conventional data processing method, and it can also cause the uncertainty for the interpretation of abnormality. Based on the unique characteristics of spectral response for the single medium, the signal post-processing technology of the spectral energy analysis about GPR is presented and the data processing flow is described in detail in this article. Through the practice of bridge concrete, the strength of spectral energy about air target medium was extracted and calculated, and then the degree of compactness and defects about internal concrete were determined. In the comparison with conventional GPR image, the shallow non-dense and deep micro pore which were not reflected in the conventional images have been found through this post-processing technology. Combined with the gridding detection and the reconstruction of target model, the spatial distribution, morphology and influence scope of honeycomb defects have been inverted by three dimensional imaging. It has not only achieved the diagnosis purpose of concrete pouring quality and internal health, but also has provided scientific basis for reinforcement treatment.

ground penetrating radar (GPR)； quality of concrete pouring； signal post-processing； strength of spectral energy； honeycomb and hole； three dimensional imaging

2016-10-10 改回日期： 2017-02-22

中國航天建設(shè)集團有限公司自主創(chuàng)新項目(YK2016-06)

李耀華(1982-)，男，博士，高級工程師，主要從事綜合地球物理勘察與工程質(zhì)量檢測等相關(guān)工作及研究，E-mail：liyaohua_abc@163.com。

1001-1749(2017)06-0762-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.06.08