钢筋混凝土无损检测的手持式探地雷达研制.docx

1、钢筋混凝土无损检测的手持式探地雷达研制钢筋混凝土无损检测的手持式探地雷达研制Developing of Handheld Ground Penetrating Radar System for Application of Reinforced Concrete Nondestructive TestingDai Shun1 ,2, Liu Li-hua1,2, Wu Bin-heng1,2, Fang Guang-you1(1.Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100190,China;2. Gradua

2、te University of Chinese Academy of Sciences,Beijing,100049,China): According to the specialty of reinforced concrete nondestructive testing (NDT) and detective principle of ultra wide band (UWB)radar, a handheld high resolution UWB ground penetrating radar (GPR) system was developed. The Structure

3、and principle of the low-cost RF module with the base-band pulse transmitter, the equivalent time sampling receiver and the UWB antenna were described. The design methods of the embedded control module which function included the radar control, the data acquisition and the image process were introdu

4、ced. The integration of hardware and software improved the portability, the stability andthe real-time implementation of the system. The prototypeexperimental results demonstrate that the system could detect the protective layer thickness and the positions of 6 reinforcing steel bars effectively wit

5、h 035cm depth and intervals of no less than 6cm, and reflect the other characteristics of the reinforced concrete.混凝土无损检测技术(NDT)是指在不破坏结构构件的前提下 直接从结构物上测试及推定混凝土强度或缺陷以及钢筋位置。 目 前常用的混凝土无损检测方法包括回弹法、 超声法、 超声回弹综 合法、红外成像法光纤传感法、冲击波检测法、电磁感应法和雷 达波检测法等 1 。其中回弹法和超声回弹综合法主要用来测量 混凝土强度 ; 超声法常用来检测混凝土内部缺陷 , 其穿透能力强 但准确性

6、较差 ; 红外成像和光纤传感法只适用于混凝土表面损伤 检测且价格昂贵 ; 冲击波法用于测量单面结构混凝土厚度和缺陷 其在复杂条件下精度不高 ; 电磁法用于测定钢筋直径、位置和保 护层厚度 , 探测深度较浅 ,受钢筋直径和相邻钢筋距离制约。超宽带探地雷达 (GPR:Ground Penetrating Radar) 具有穿透 性强,回波信息丰富 ,探测深度深 ,空间分辨率高 , 对介电常数变 化敏感和结果直观等优点，国外学者从1980s开始将超宽带探地 雷达用于混凝土无损检测 2 。近年来探地雷达已广泛应用于钢 筋位置和保护层厚度检测，混凝土内部缺陷检测及 PVCt等其他物体检测 3-5 。本文

7、介绍了一种适用于混凝土无损检测的无载 频脉冲超宽带探地雷达系统 ,其功耗低 ,设计新颖 , 体积小巧 , 使 用方便。1GPR 探测原理探地雷达探测原理如图 1 所示,图中系统由发射机 , 接收机, 收发天线 ,信号控制 ,数据采集与处理单元构成。 发射机产生皮秒 级的宽带脉冲信号 , 该信号经紧贴地表的宽带发射天线耦合到地 下介质 , 经目标反射、散射后的部分电磁波能量被接收天线捕获 , 并转变为电压信号供后端处理。 由于目标的距离及散射特性存在 差异 ,接收机接收到的不同目标的回波信号幅度及时延也会存在 差异,通过对接收数据进行处理 , 识别这些差异便可以实现对目 标的检测。通常混凝土中的

8、钢筋为强反射目标 , 单道波形在目标 处显示为较高的信号幅度 ,堆积图显示为双曲线回波 , 双曲线的 中心代表了钢筋位置 , 双曲线的位置与形状则与钢筋的直径有关 6 。图 1 探地雷达探测原理图Fig.1 Schematic diagram of the detection principle ofGPR设收发天线距离为 x, 地下目标的深度为 H, 电磁波速为 v, 地 下介质电磁特性均匀 , 不考虑色散效应 , 由接收到的目标回波相 对于脉冲发射的双程传播时间(1)即可计算出目标深度 H。探地雷达精度分析常采用地震波反射理论 7, 按 Reyleigh准则,取入/4作为垂直分辨率的极限，

9、则(2)其中， d为雷达样机的最低垂直分辨率，入为电磁波长,fc 为天线中心频率 , 为介质的相对介电常数。水平分辨率通常由 Fresnel 反射带决定 8, 从该反射带的回波相位差不应超过入/4，则该反射带直径为:(3)由(2) 式和(3) 式可知 , 介质的相对介电常数越大 , 天线的中 心频率越高 , 则雷达的垂直分辨率越高 , 而水平分辨率除上述因 素外,还与待测目标的埋深有关。2GPR 系统及设计2.1GPR 系统总体设计根据钢筋混凝土的检测要求，手持式GPR需要有较高的分辨 率, 合适的探测深度以及灵活的控制显示方式 , 满足上述需求的 系统结构框图如图 2 所示。图 2 手持式探

10、地雷达系统结构框图Fig.2 Structure sketch of the handheld GPR system2.2射频模块设计射频模块是手持式探地雷达的重要组成部分 ,其性能直接影 响到检测效果。考虑到钢筋混凝土的厚度较薄 , 钢筋埋藏较浅 , 直径和间距较小的目标特征 , 区别于一般探地雷达深层远距的探 测特点 , 本雷达系统的射频模块采用了皮秒级无载频脉冲发射机 , 基于等效采样原理 9 的脉冲接收机以及小型化宽带天线。发射机主要包括由微波三极管、 肖特基二级管和阶跃恢复二 极管构成的阶跃信号产生电路和高斯脉冲产生与整形电路 10 。 阶跃信号产生电路利用微波三级管的高速开关特性

11、, 将来自控制 端的方波信号转变为具有快速下降沿的阶跃信号。 高斯脉冲产生 电路利用阶跃恢复二极管的阶跃特性以及 RC电路冲放电过程，在前级阶跃信号驱动下产生高斯脉冲信号。 该信号经肖特基二级 管整形后可得到 Vp-p为2-10V,脉宽300500ps,脉冲重复频率 1MHZ的皮秒级单周期负脉冲信号，通过调节电路参数和供电电压 可改变输出脉冲的宽度与幅度。超宽带脉冲接收机主要由互补宽带微波三级管、 肖特基二级 管、保持放大器、宽带变压器和取样相位检测器(SPD)组成11, 其中SPD包含一只阶跃恢复二极管(SRD),两个保持电容和一对 肖特基二极管。接收机包括脉冲产生电路 , 取样门和基带信号

12、产 生电路。宽带变压器将来自控制端的步进延时方波信号转换为两 路平衡信号 , 该信号通过互补宽带微波三级管转换为完全对称的 正负窄脉冲信号，用作取样门电路的取样脉冲。 SPD在取样脉冲驱动下将雷达回波信号进行等效采样 , 通过基带信号产生电路的 保持放大作用将皮秒量级的脉冲信号展宽为毫秒量级的基带脉 冲信号。实测接收机转换增益为 7dB-10dB, 对应取样带宽为 6GHz, 动态范围为 50 dB, 灵敏度为 - 46 dBm 。收发天线由两个并排放置、中心频率为 2GHz的椭圆偶极子天线组成 12 。天线的振子由一个半椭圆和半圆组成 ,优化后的 椭圆长轴a=21mm短轴b=12mm半圆半径

13、为b,中心馈电电之间距 离为2mm天线辐射臂的末端通过一个 500 Q的电阻与高度为40mm勺反射腔相连。天线采用特性阻抗为 的平衡馈电方式，利用宽带巴伦 13 匹配馈线与天线。整个射频模块采用普通 FR-4 基材覆铜板 , 有效降低了模块成本。2.3控制模块硬件设计控制模块由基于ARM内核的嵌入式处理器构建，包含雷达时 序控制单元和数据处理与显示单元 , 其硬件结构如图 3 所示。图 3 嵌入式控制模块硬件结构图Fig.3 Hardware structure of the embedded control module数据处理与显示单元是嵌入式控制模块的核心之一 , 在其控 制下系统完成雷

14、达主控配置、 数据采集、 图像处理和数据存储功 能。处理器采用TI OMAP3530，它是一款双核芯片，包括一个 600MHz的基于Cortex-A8 的ARM处理器和一个430MHz的基于 TMS320C64的DSP核,并附有图像加速器。该单元扩展了 256MB的DDR SRAM512MB的NANDFLASH带触控的4.3英寸反射型 LCD显示屏、控制按钮、SD卡接口以及USB接 口等，能够满足实 时显示、雷达控制、数据存储与通讯等一系列功能需求。雷达时序控制单元采用基于 Cortex-M3的STM320F103处理 器,内置有精度为12bit,采样率为1MHz的AD转换器、高级控制 定时器

15、、多个SPI接口以及充足的GPIO接口。单元通过控制由 DS1023与 SY89297U延时芯片构成的两级延时电路提供最小时延 为5ps,最大探测时窗为130ns的步进延时控制信号，同时采用多 个电平转换芯片完成 LVPECL和LVCOMS/LVTT电平的信号转换。嵌入式控制模块的总体工作流程如下 ：OMAP353（通过SPI总 线对STM32F103发送射频模块初始化配置参数启动射频模块，采 样接收机的输出基带模拟信号通过 STM32F10内置的A/D转换器变为数字信号 , 在内部叠加去噪后通过 SPI 总线上传。 STM32F130 应用定时器通过中断方式对光电编码盘输出的两路相位相差 9

16、0˚的脉冲信号进行计数 , 记录数值作为雷达回波信号的道 头位置信息。在OMAP353控制下，程序调用内置的DSP核进行相 应的数据成像处理 丄CD实时显示雷达采集波形并将采集数据及 时保存到存储器中 , 方便后期雷达图像的识别算法研究。2.4控制模块软件设计控制模块软件包括时序控制处理器底层软件和雷达显示处 理应用软件。 考虑到该探地雷达系统需现场采集数据、 实时传输 以及显示信息等应用特点，基于微软公司的 WindowsCE定制了嵌 入式操作系统，并开发了相应的BOOTLOA启动程序及相关驱动 程序。探地雷达应用软件采用多线程、 双显示缓冲池等技术来完 成雷达参数设置、数据存储、

17、实时波形图像显示、已存储波形数 据回放以及成像处理等功能。 应用软件处理模块流程图如图 4 所 示。图4 软件处理模块流程图Fig. 4 Software flowchart of the embedded controlmodule手持式探地雷达样机如图 5所示,底部有四个滚轮 , 含电池 重量约1.1kg,外形尺寸为205（长）X 144（宽）X 82（高）mm,单手 即可操作。图 5 手持式探地雷达样机图Fig.5 Photo of the handheld GPR prototype3实验与分析将发射天线与接收天线水平对置 , 构成直接通路来验证系统 探测的准确性和可靠性。图 6 所示

18、为实验室条件下天线间距为 10cm时测试得到的接收机下采样后的雷达回波图像。图 6 直接通路测试图Fig.6 Diagram of the direct-path transmission testresult为模拟探地雷达进行浅层探测时的典型应用环境 , 雷达样机 实验采用测量沙坑中预埋钢筋的方式进行。 雷达样机参数设置如 下:发射机偏置电压为土 5V,发射脉冲底宽为 300ps、幅度约为 4V、重复频率为1MHz步进延时 t =20ps, 步进长度N=511,时 窗= t X N=10.22 ns。实验1对沙坑内深10cm,直径6mm长度30cm的钢筋进行测 量。7根钢筋并排放置，间隔按1

19、cm从10cm依次递减至5cm。设 置雷达为距离触发模式，触发间隔为1.5cm,采集波形如图7所示, 可发现共存在 5 个尖峰和 1 个平台 , 其中前 4 个尖峰波形相对明 显, 第 5个尖峰与后一个尖峰将要合并 , 第 6和7个尖峰已合并为 一个平台 , 尖峰表示该处为钢筋 , 而平台为多根钢筋的波形混叠 在一起的结果。 对比测量实验的预设条件可知 , 两根深度为 10cm, 间距为6cm的钢筋仍可分辨。由（3）式可计算此时的Fresnel带 直径为12.2cm,对应的水平分辨率为6.1cm,与实验结果相符。图 7 水平分辨率实验结果Fig.7 Result of the horizont

20、al resolution experiment实验2对沙坑内水平间隔20cm,直径10mm长度30cm的螺纹 钢进行测量。4根钢筋按埋深从25cm按5cm依次递增到40cmo 采集波形显示如图 8所示,图中发现存在 4个尖峰回波 ,其中对应 25cm埋深的回波幅度最大，深度越大则回波幅度越小，在深度为 40cm时波形微弱但仍可分辨。这是由于沙坑中沙粒较深处含水 量较高 , 介电常数较大 , 电磁波衰减快。按照沙的介电常数为 4, 混凝土为58进行换算，则雷达探测深度可达2535cm以上。图8 探测深度实验结果Fig.8 Result of the detection depth experi

21、ment实验3对28cm厚的混凝土砖砌墙进行探测，在墙体中存在配 电箱以及金属电线管。墙体试验采用距离触发模式 , 采样间隔为 5mm雷达采集波形如图9,图中可见金属电线管道的明显双曲线 回波以及金属配电箱的平台状回波。图9 墙体探测实验结果Fig.9 Result of the concrete wall detection experiment4结论 本文介绍了超宽带手持式探地雷达的结构和工作原理 , 阐述 了射频模块和控制模块的软硬件设计方法。 该雷达系统发射机脉 冲幅度可调，最小脉宽为300ps,接收机取样带宽为6.4 GHz,动态 范围为 50 dB, 灵敏度为 - 46 dBm, 时序控制单元可提供最小延时 步进为 5ps, 探测时窗达 130ns 的步进延时信号 , 基于嵌入式技术 的数据处理与显示单元可实时处理和显示雷达采集图像并保存 数据。实验测试结果表明 , 系统在一定探测深度中具有较高水平 分辨率。整机结构简单 , 工作稳定 , 价格低廉 , 满足浅层高分辨率 地表穿透探测特别是钢筋混凝土的无损检测要求。