CN102288625A - 一种渠道混凝土衬砌无损检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渠道混凝土衬砌无损检测系统，包括计算机，其特征是：所述计算机连接专用探地雷达子系统，所述计算机包括雷达数据处理子系统和超声波数据处理子系统，所述雷达数据处理子系统包括文件管理模块、剖面数据处理模块、衬砌病害模拟分析模块、层位追踪和病害识别模块、衬砌物性分析模块，所述超声波数据处理子系统包括超声波波速计算模块和混凝度强度判定模块。本系统提高了渠道混凝土衬砌探施工质量检测数据处理效率和准确性，为渠道混凝土衬砌探施工质量检测提供科学、准确、先进、有效的技术支持。

Description

一种渠道混凝土衬砌无损检测系统

技术领域

本发明涉及渠道混凝土衬砌无损检测领域，具体地讲，涉及一种渠道混凝土衬砌无损检测系统。

背景技术

南水北调工程全部完成预计总投资为 5000 亿元人民币，"十五"期间干线 建设投资为 400—450 亿元人民币。南水北调工程建设规划东线全长近 1800km、中线工程干渠全长 1420km，是迄今为止世界上最长的调水工程，其中衬砌渠道超过  1500km。已经开工的南水北调东线济平干渠和胶东供水干渠总长超过700km，拟建或在建的新疆北水南调等其它大型调水工程需衬砌的渠道也有上千公里。 

渠道衬砌铺设质量是决定渠道工程成败的关键。实际资料显示，受衬砌结 

构型式、施工工艺及施工质量的共同影响，浇筑形成的混凝土衬砌层会存在不 

同类型缺陷，这些缺陷存在将影响衬砌层稳定性、防渗护坡效果及大堤安全。

衬砌施工过程的质量控制检测和工程验收的质量检测成为非常重要的工作。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种渠道混凝土衬砌无损检测系统，提高了渠道衬砌质量检测水平。

本发明采用如下技术手段实现发明目的：

一种渠道混凝土衬砌无损检测系统，包括计算机，其特征是：所述计算机连接专用探地雷达子系统，所述计算机包括雷达数据处理子系统和超声波数据处理子系统，所述雷达数据处理子系统包括文件管理模块、剖面数据处理模块、衬砌病害模拟分析模块、层位追踪和病害识别模块、衬砌物性分析模块，所述超声波数据处理子系统包括超声波波速计算模块和混凝度强度判定模块。

作为对本技术方案的进一步限定，雷达主机和与其连接的雷达天线模块，所述雷达主机包括控制电路和与其连接的启动脉冲电路，所述控制电路还连接延时电路和低频放大电路，所述低频放大电路连接A/D转换电路，所述A/D转换电路连接控制计算机，所述雷达天线包模块括连接延时电路和低频放大电路的取样积分电路和发射脉冲形成电路，所述取样积分电路连接高频放大电路，所述高频放大电路上连接有接收天线，所述发射脉冲形成电路连接发射天线。

作为对本技术方案的进一步限定，所述启动脉冲电路还连接随机扰动电路。

作为对本技术方案的进一步限定，所述剖面数据模块包括道编辑单元、极性翻转单元、剖面翻转单元、横向滤波单元、频谱分析与滤波单元、浮点增益单元、预测反褶积单元、速度分析单元、偏移处理单元、动平衡单元。

作为对本技术方案的进一步限定，所述层位追踪和病害识别模块包括自动层位追踪单元、半自动层位追踪单元、病害自动识别单元、异常区手工判定单元。

作为对本技术方案的进一步限定，所述物性分析模块包括单道分析方式和固定间隔方式。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：文件管理模块完成了剖面文件的连接及长剖面文件的分割， 便于层位的连续追踪和病害的突出显示；同时完成了解释成果文件及衬砌质量评价文件的打开和保存，为评价数据报表提供基础数据。剖面数据处理模块主要实现了对剖面数据的去噪、频谱分析与滤波、基于数据道的编辑（包含了反道、置费道、取相邻两道的平均值、初至拉平、形切、上切、下切等道处理功能）、剖面倒转、极性反转、浮点增益、预测反 褶积、速度分析、偏移等。剖面处理包含常规探地雷达数据处理的全部功能， 并包含了独具特色的用于去多次波的预测反褶积及移植于弹性波处理的技术，如速度分析、偏移等，这些模块的开发大大丰富了探地雷达数据处理的能力。层位追踪和病害识别模块是针对渠道混凝土衬砌质量探测开发的专用模块，该模块通过根据衬砌施工的不同结构情况采用波形特征法直接自动或者半自动进行直达波和混凝土底界的连续追踪；通过滑动窗口平均法进行局部异常体的自动识别，该模块极大地提高了衬砌结构层位追踪和病害识别的效率和准确度。衬砌物性分析模块利用已知衬砌结构的速度进行时深转换，自动计算衬砌结构层的深度和厚度，为日常管理提供准确可靠的成果。病害模拟分析模块病害模拟分析针对混凝土衬砌进行正演模拟，便于技术人员提高对病害的认识、识别和成果的解释水平。本系统提高了渠道混凝土衬砌探施工质量检测数据处理效率和准确性，为渠道混凝土衬砌探施工质量检测提供供科学、准确、先进、有效的技术支持。所述超声波数据处理子系统用于完成超声波波速计算和混凝度强度判定。

 

附图说明

图1为本发明优选实施例的结构方框图。

图2为本发明优选实施例的流程图。

图3为本发明Kane S．Yee  差分格式示意图。

图4为本发明探地雷达系统结构图。

图5为本发明不同延展深度混凝裂缝模型及1.5G天线探测正演雷达图像。

图6为本发明隐伏混凝土裂缝模型及1.5G天线探测正演雷达图像。

图7为本发明不同宽度裂缝1.5G天线探测正演雷达图像。

图8为本发明保温板垫层衬砌混凝土介电模型和1.5G正演雷达图像。

图9为本发明砂砾垫层衬砌混凝土介电模型和1.5G正演雷达图像。

图10为本发明保温板拉开情况1.5G天线正演雷达图像。

图11为本发明保温板缺失情况1.5G天线正演雷达图像。

图12为本发明保温板缺失位置被混凝土充填的介电模型和正演雷达图像。

图13为本发明混凝土不密实情况下1.5G天线探测正演雷达图像。

图14为本发明相同碎石垫层介电模型下900M和1.5G天线探测正演雷达图像。

图15为本发明优选实施例的混凝土和保温板垫层探测剖面及波形图。

图16为本发明优选实施例衬砌裂缝在探测剖面上的反映图。

图17为本发明优选实施例自动识别的衬砌病害在探测剖面上的反映图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细描述。

参见图1－图17，包括计算机，所述计算机连接专用探地雷达子系统，所述计算机包括雷达数据处理子系统和超声波数据处理子系统，所述雷达数据处理子系统包括文件管理模块、剖面数据处理模块、衬砌病害模拟分析模块、层位追踪和病害识别模块、衬砌物性分析模块，所述超声波数据处理子系统用于完成超声波波速计算和混凝度强度判定。

雷达主机和与其连接的雷达天线模块，所述雷达主机包括控制电路和与其连接的启动脉冲电路，所述控制电路还连接延时电路和低频放大电路，所述低频放大电路连接A/D转换电路，所述A/D转换电路连接所述计算机，所述雷达天线模块包括连接延时电路和低频放大电路的取样积分电路和发射脉冲形成电路，所述取样积分电路连接高频放大电路，所述高频放大电路上连接有接收天线，所述发射脉冲形成电路连接发射天线。所述启动脉冲电路还连接随机扰动电路。

（一）雷达主机发射信号调制技术

从发射信号特征来看，探地雷达主要有连续波雷达，调频连续波雷达和冲击波雷达。早期的探地雷达主要采用连续波。这种雷达使用单一频率，频带窄，避免了宽带天线的技术问题，但也由于频率单一，使得回波包含的信息量有限。调频连续波雷达的发射信号是具有一定频率上限和下限的线性扫频信号。雷达接收的回波信号和发射信号混频，输出一个差频信号，经过FFT处理后输出差频信号的频谱。差频的大小正比于目标回波的延时，由此即可决定目标深度。冲击波雷达发射的信号是脉冲宽度为纳秒级的无载波信号，其频谱分量从直流一直扩展到上千兆，因此雷达回波包含丰富的目标信息，有利于目标的识别。同时，要有效的发射和接收这样的宽带信号，在天线和电路设计方面存在一定困难。其解决办法是选用不同宽度的脉冲信号及相配套天线来实现不同分辨率和探测深度，以满足不同探测要求。

由于冲击型雷达结构相对简单，相关技术较为成熟，近20年在国内外取得了较大的发展，已成为探地雷达的主流。冲击型雷达技术是一门综合性高新技术，包括高压纳秒脉冲技术、纳秒脉冲宽带天线技术、取样技术、大规模集成电路技术、控制技术、信号处理技术等。

冲击雷达在国际上得到了迅猛发展，已经进入实用和改进完善阶段。美国、加拿大、瑞典生产的雷达都属于这类雷达， 本次研究采用冲击波脉冲源。

（二）雷达主机信号接收技术

如果直接将接收的回波信号回送到主机，由于以下原因可能影响雷达的性能：（1）雷达回波是一个高频信号，通过电缆回传会由于电缆的损耗降低回波的信噪比；（2）在天线的移动过程中，电缆的弯曲、扭转等形变，会影响电缆的高频传输性能；（3）回波的时延与电缆的长度相关，电缆越长，时延越大，回波分析的复杂度越大。

为了解决这个问题，研制过程中将采样变换电路放置在天线端，回传到雷达主机的是经过采样变换后的低频信号，这样上述问题便不再存在。

回波信号是一个大动态范围信号，离天线近的目标产生的回波强，远的目标体产生的回波弱。所以，雷达接收系统的动态范围是雷达的一个极其重要的指标。在雷达接收系统中，取样变换电路的动态范围一般只有50—60dB，所以该电路的动态范围成为制约雷达动态范围的一个瓶颈。为了克服这个问题，研制中将高频放大器设置为大动态范围的时变增益放大器，对时延较小的近距离目标散射回波，采用较低增益放大，对于时延较大的远距离目标回波采用较高增益放大，这样进入取样变换电路的回波电平变得相对平稳。

脉冲天线是探地雷达极其重要的一个部件，其性能直接决定了雷达的探测效果。决定该系统性能的主要因素有：天线末端反射波强度和多次反射波强度；天线辐射的效率；天线的方向性。

脉冲波是一个宽带信号，为减小天线上的反射波，需采用宽带天线以保证天线的良好匹配。常用的天线有等角螺旋天线和蝶形天线，其中蝶形天线使用更多。本次研制过程中也采用蝶形天线。为了保证发射信号更好的向地下介质辐射和防止辐射场的畸变，在设计中增加了屏蔽措施。

测量时收发一体天线系统和悬挂在一起的测量轮沿设定测线移动，在雷达主机的控制下，不断发射、接受电磁波信号，从而完成对路基施工质量的连续检测。

（三）系统达到的技术指标

1） 系统增益：160dB; 

2） 发射脉冲重复频率：64KHz； 

3） 时间窗：2～5000ns，可任选； 

4） A/D： 16 位； 

5） 采样率：128、256、512、1024 、2048 样点/扫描，可任选； 

6） 扫描速率：8～128 扫描/秒，可任选； 

7） 波形叠加次数：1～4096 次，可任选； 

8） 同步时钟：内部晶振； 

9） 可编程时变增益（-10dB～+70dB），实时曲线显示； 

10）连续工作时间：大于4h； 

11）MTBF：不小于500h；MTTR：不大于2h； 

12）冲击振动：满足GJB74.6～85 要求； 

13）工作温度：-10～50℃；储存温度：-40～60℃；湿热条件：+40℃，90％；

14）供电电源：12V 汽车电瓶或12V 直流电源（接交流220V 电源）； 

15）水平距离标记：手动或测量轮自动标记；

（四）系统可实现的测量指标

1）测量速度和横向（水平）测点间距

测量速度、雷达系统的信号发射频率和数据采集存储速度共同决定了对目标层横向分布的探测能力。   

扫描速度是指水平方向上每秒记录的道数。扫描速度的选择除了要考虑水平分辨率（一般要求有10—20 个数据点经过探测目标）和记录数据量两个因素外，还要受到采样点数选择的影响。实测时，一直采用高速扫频可能会影响仪器的使用寿命，另外考虑模数转换速度和数据量大小对取样存储速度的影响，采样点数确定后，在满足水平分辨率要求的前提下，采集仪可根据表3-1对扫描速度适当限制。

表3-1 采样点数与扫描速度的关系

采样点数/道	可选道数/s
		256	16，32，64
512	16，32，64
		1024	16，32，64
2048	16，32

根据通常工作设置，取1024点/道情况下，64道/s的道数据采样频率进行估算。如果沿测线的测试速度为5km/h，对比数据采集频率64道/s，可以推算在此种情况下相当于每间隔0.02m进行一次数据采集，这种数据采集密度完全可满足路基横向连续检测的要求。而研制雷达脉冲信号的发射频率为128kHz，与采集速度相匹配。在扫描速度不变的情况下，测试速度越慢，横向测量间隔越小，对路基横向变化的探测能力越强。

2）所能探测的最小层厚度

雷达天线采用研制的1.5G天线 可实现5cm厚混凝土薄板的有效探测。 

所述剖面数据模块包括道编辑单元、极性翻转单元、剖面翻转单元、横向滤波单元、频谱分析与滤波单元、浮点增益单元、预测反褶积单元、速度分析单元、偏移处理单元、动平衡单元。

道编辑单元用于选择单道数据。

极性翻转单元将整个剖面文件的反射轴正负相位翻转，一般用于统一标准化所有的检测文件。

剖面翻转单元将剖面头尾翻转，用于统一所有检测文件的起始顺序。

横向滤波单元去除横向上不变的值，就是背景消除，用于突出剖面异常。

频谱分析与滤波单元用于在探地雷达检测中，由于目前的天线技术达不到发射或者接受单一频率的纯净电磁波，因此记录的雷达数据均为宽频带，在记录了各种有效波的同时，也记录了各种干扰波数字滤波技术就是根据数据中有效信号和干扰信号频谱范围的不同来压制干扰的，如果有效信号的频谱分布与干扰信号的频谱有一个比较明显的分界，那么可以根据具体的干扰信号的分布，设置一个滤波器，将干扰信号消除，达到滤波后效果。

浮点增益单元：由于雷达波衰减，较深目标的反射信号比较弱，可以用浮点增益增强特定位置的信号强度。

预测反褶积单元：把原始雷达记录转换为反射系数序列（还原为理想的尖脉冲），达到压缩天线子波和减弱鸣振（ringing）的目的，用于提高垂向分辨率。

速度分析单元：用于分体天线共中心点方法检测的剖面，用来得到地下介质的层速度。

偏移处理单元：用于探测地下倾斜面的剖面处理，将反射点的位置进行校正，恢复到实际位置，也可以叫偏移归位。

动平衡单元：用于消除天线移动时由于抖动造成的剖面异常。

衬砌病害模拟分析模块：针对混凝土衬砌进行正演模拟，便于技术人员提高对病害的认识、识别和成果的解释水平。

正演模拟是目前国内外专家进行理论分析的常用手段。探地雷达传播过程研究中常用的正演计算方法有射线追踪法、有限元法、和时域有限差分法等。时域有限差分法( FDTD)是近年来发展起来的，基于Maxwell方程波动方程法实施计算的方法。它具有直接时域计算、节约存储空间和计算时间、适合并行计算、计算程序通用性强等优点。已在不同模型的探地雷达正演模拟中取得了良好的效果，得到了越来越广泛地应用。

1994年Tsili Wang实现了三维时域有限差分法探地雷达正演模拟，1998年How wei Chen实现了二维时域有限差分法探地雷达正演模拟。在这些模拟中，均引入了1966年由K．S．Yee提出的具有代表性的Yee氏网格。由于这些模拟均以符合电磁波传播的Maxwell方程为出发点，所获得的正演剖面既能模拟雷达波传播的运动学特征，同时也能较好地模拟其动力学特征。 国内 1994年沈飚将声波方程代替电磁波的传播方程进行了正演模拟；1999年底青云和王妙月进行了探地雷达剖面的有限元仿真模拟，从麦克斯韦方程组出发，并且考虑了衰减项；1999年岳建华将超吸收边界条件应用在探地雷达的剖面正演中。上述正演模拟工作均只对一两个极简单的地质模型进行了计算，计算结果对模型的运动学特征或动力学特征均反映不足。本研究拟从克斯韦方程组出发，采用时域有限差分法实现正演计算，模拟电磁波在渠道混凝土衬砌传播过程，研究电磁波的运动学特征，讨论探地雷达探测剖面对衬砌结构层的反映能力，相关研究在国内外尚未见到。

1）正演模拟方法原理

① FDTD算法基本原理

时域有限差分法(finite difference time domain method，简称FDTD)是求解电磁场问题的一种数值技术，在1966年由Kane S．Yee 首次提出。

时域有限差分法直接求解依赖时间的Maxwell旋度方程，利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式，这样达到在一定体积内和一定时间上对连续电磁场的数据取样压缩。

FDTD法直接将有限差分式代替麦克斯韦时域场旋度方程中的微分式，得到关于场分量的有限差分式，用具有相同电参量的空间网格去模拟被研究的目的体，选取合适的场初始值和计算空间的边界条件，可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解。 

Maxwell方程组概括了宏观电磁场的基本规律，由2个旋度方程和2个散度方程构成。2个旋度方程是Faraday电磁感应定律和Ampere环流定律的微分形式。2个散度方程可由2个旋度方程导出，因此，研究电磁场问题可由2个旋度方程作为出发点。假定所研究的电磁场问题是各向同性、线性且与时间无关的媒质，在无源区域，Maxwell方程的2个旋度方程表示为

                  （2-16）

式中，E为电场强度，H为磁场强度，

为介电常数，

为磁导率， 为电导率。

Kane S．Yee对上述微分方程引入了一种差分格式，按照Kane S．Yee的差分算法，首先在空间内建立矩形差分网格，网格节点与一组相应的整数标号一一对应：         

式中

为矩形网格分别沿x，y，z方向的空间步长。

为了获得足够的精度，Kane S．Yee将空间上任一矩形网格上的E和H的6个分量如图2-35所示放置，每个磁场分量由四个电场分量环绕着；反过来，每个电场分量也由四个磁场分量所环绕。

Kane S．Yee将E和H在时间上相差半个时间步长交替计算，在每一个网格点上各场分量的新值依赖于该点在前一时间步长时刻的值及该点周围邻近点上另一场量的场分量早半个时间步长时刻的值。因此，在任一给定时刻，场分量的计算可一次算出一个点，或者采用P个并行处理器一次计算P个点（并行算法）。通过这些基本算式，逐个时间步长对模拟区域各网格点的电、磁场交替进行计算，在执行到适当的时间步数后，即可获得需要的时域数值结果。这种差分格式通常称为蛙跳格式。

在FDTD法的蛙跳格式中，每一步计算都无需做矩阵求逆计算，避免了矩阵求逆运算带来的许多问题，这是该方法的一个突出优点。

通常情况下以二维TM波问题进行讨论， 与Y方向的空间步长相等，用△s表示统一的空间步长，大多数电磁场问题中，计算空间为非磁性媒质，时域有限差分方程为：

  （2-17）

        （2-18）

        （2-19）

其中，

                             （2-20）

该算法的特点是，任一网格点上的电场分量只与它上一个时间步的值及四周环绕它的磁场分量有关，同理，任一网格点上的磁场分量也只与它上一时间步时的值及四周环绕它的电场分量有关，而且方程中

都是空间坐标的函数，这说明这些参数可随介质而改变，虽然推导时假设介质是各向同性的，但方程同样适合于介质的各向异性。

②解的稳定性条件

在FDTD算法中，时间增量△t和空间增量△x，△y，△z不是相互独立的，它们的取值必须满足一定的关系，以避免数值结果的不稳定，这种不稳定性表现在解显式微分方程时，随着时间步长的增加，计算结果也将无限地增加。

为保证数值稳定性，几个增量必须满足关系如下：

                                   ( 2-21) 

其中

。这便是时域有限差分法的数值稳定条件。对二维问题（例如场不随z变化），可令上式中

，得相应的稳定条件。

③吸收边界条件

差分格式、解的稳定性、吸收边界条件是FDTD法的3大要素。方法应用中，除考虑方程的稳定性条件，还要采用提高正演模拟精度的吸收边界条件以减少边界反射引起的影响。

时域有限差分法是在计算机的数据储存空间中对连续的实际电磁波的传播过程在时间空间进程上进行数字模拟。在电磁场的辐射、散射等问题中，边界总是开放的，电磁场将占据无限大空间，由于计算机内存是有限的，故只能模拟有限空间。这就是说，时域有限差分网格要在某处被截断。如何处理截断边界，使之与需要的无限空间有尽量小的差异是时域有限差分法中必须很好解释的一个重要问题。实际上，这就要求在网格阶段处不引起波的明显反射，因而对向外传播的波而言就像在无限大空间传播一样。一种行之有效的方法是在截断处设置一种边界条件，使传输到截断处的波被边界吸收而不产生反射，这就起到了模拟无限空间的目的。当然，要达到完全无反射是不可能的，但已提出的一些吸收边界刻达到相当满意的结果。正演模拟过程采用完全匹配层（PML）吸收边界条件。

1994年，Berenger提出了用完全匹配层（PML）来吸收外向电磁波。它将电磁波分量在吸收边界区分裂，并能分别对各个分裂的场分量附以不同的耗损。这样一来，就能在FDTD网格外边界得到一种非物理的吸收媒质，它具有不依赖于外向波入射角及频率的波阻抗。据Berenger报道，PML的反射系数是其他吸收边界条件的1／3000，总的网格噪声能量是使用普通吸收边界条件时的1／107，使用PML，可以使FDTD模拟的最大动态范围达到80dB。

④FDTD中的发射源        

用FDTD方法分析电磁问题时一个重要任务是对发射源（发射天线）的模拟，即选用合适的入射波形式以及用适当方法将入射波加到FDTD迭代中。从源随时间的变化看有两类发射源：一类是随时间周期变化的时谐场源，另一类是对时间成脉冲函数形式的波源。从空间分布来看，有面源、线源、点源等。 根据检测用探地雷达的信号发射方式，模拟计算中采用1.5GHz的高斯脉冲源。

2）基于正演模拟结果的问题研究

介电模型根据常用的两种衬砌结构型式建立，结构层介电常数和电导率根据实测结果给出，具体见各模型图。

①裂缝分布状态检测能力

图5为不同延展深度混凝裂缝1.5G天线探测正演雷达图像，图像显示裂缝的存在会引起同相轴的断开，与室内试验及实测结果一致。但延展深度不同，并不会引起图像特征的明显变化。

图6为隐伏混凝土裂缝模型及1.5G天线探测正演雷达图像。图像显示隐伏裂缝在探测剖面上表现为混凝土底界同相轴断开，并出现“八”字形异常，异常顶端位置为裂缝断开位置。

图7由上到下分别为1mm、2mm及5mm宽裂缝介电常数模型及正演探地雷达图像。正演结果显示不同宽度裂缝正演图像中都出现了绕射波，随宽度增大，绕射信号加强并出现了同相轴断开现象。

②衬砌混凝土厚度变化检测能力

图8为保温板垫层不同厚度衬砌混凝土正演雷达图像。图像显示混凝土厚度变化会引起底界同相轴相应变化。幅度大于1cm的厚度变化能在探测剖面上得到清晰的反映。相同的检测能力在砂砾垫层衬砌混凝土厚度检测中也得到反映。 

图9为砂砾垫层衬砌混凝土正演雷达图像。图像显示混凝土厚度变化同样会引起底界同相轴相应变化，但反射信号变得较弱。

③保温板连接缝拉开及破坏检测能力

图10为保温板连接缝拉开2cm情况下1.5G天线探测正演雷达图像。图像显示保温板拉开位置反射波同相轴出现错断，同时出现“八”字形伴随异常。 

图11为保温板横向缺失20cm情况下，1.5G天线连续探测正演雷达图像。图像显示保温板缺失位置反射同相轴信号能量增强，在接触面位置出现较弱的“八”字形伴随异常。 

图12为保温板横向缺失位置被混凝土充填情况下，1.5G天线连续探测正演雷达图像。图像显示保温板缺失位置出现反射同相轴缺失，在接触面位置出现较强的“八”字形伴随异常。

④混凝土密实度不均

图13显示混凝土薄板密实度变化会引起底部反射轴变化，越密实反射走时越大，越疏松反射走时越小。

⑤不同频率天线对混凝土厚度的反映能力

图14显示900M天线探测时，信号轴宽度明显大于1.5G天线探测信号轴宽度。6cm厚的混凝土薄板可在1.5G 天线探测剖面上得到清晰的反映，而在900M 天线探测剖面上却不明显。

所述层位追踪和病害识别模块包括自动层位追踪单元、半自动层位追踪单元、病害自动识别单元、异常区手工判定单元。

自动层位追踪单元：

混凝土衬砌界面追踪采用了波形特征法来实现。波形特征法是在对混凝土衬砌雷达图像数据的特征认识的基础上提出一种实用的层位追踪方法。如图15所示，图中第2088道波形图显示该道主要有四个正向波峰，其中第一、三波峰幅值较大，二、四波峰幅值较小。根据混凝土和保温板垫层结构判断第一、三波峰分别对应的是直达波和混凝土底界。正确追踪出第一、三波峰就可以满足下一步衬砌结构层深度和厚度的要求。由此，设计如下方法：

1）检索第一道正向轴波峰幅值Amax；

2）检索第一道多个正向轴波峰幅值A1, A2, A3… …；

3）用A1, A2, A3… …分别与Amax求比值，取出前5个比值较大的正向轴波峰幅值Ai, (i=1, 5);

4）把Ai（i=1，5）按照从上向下的时间进行排序，前两个即是直达波和混凝土底界反射波位置。

半自动层位追踪单元：

半自动层位追踪方式由人工在剖面拾取确定的层位点，系统会自动搜索出该点所处的相位，然后采用滚动法连续追踪出同向轴。

滚动法连续追踪法是指依据上一个同向轴点的时间

，在当前道上下搜索一定的范围

，找到当前同向轴点的时间

，保存并赋给，作为下一道搜索的参照时间点，依次类推，直到完成整个层位追踪。

病害自动识别单元：

混凝土衬砌中存在的裂缝或者空洞会在探测剖面上表现为明显的异常图像。从图16衬砌裂隙在探测剖面上的反映图可以看出，图上出现了两个双曲线形态，在混凝土底界层位线上有两个明显的能量不连续的断点。这个断点位置就是病害出现的位置。为此，设计如下层位线断点滑动窗口扫描方法：

1）沿混凝土底界层位线计算同向轴的能量平均值DATaver；需要注意的是，必须沿追踪得到的混凝土底界层位线全部进行相加，而不是按照同一固定的时间，从的得到全局的数值分布和整体能量状态；

2）仍然沿混凝土底界层位线取出同相位的一个窗口内点的数值（幅值）的平均值DATawin与上一步得到的能量平均值DATaver进行连续比值，如果比值小于一个比例，即可认为找到断点。该比值可以根据具体探测剖面情况和能量强度分布进行设定。

图17显示了自动识别的衬砌病害在探测剖面上的反映，从图上可以看出，自动识别的结果是可靠的。

异常区手工判定单元：执行这个功能后，利用屏幕上出现的画笔圈定和标注人工识别的异常目标。

衬砌物性分析模块：

单道分析方式：抽取出单道（对应某一特定位置点）数据，通过识别出该道数据的各层位位置，进行厚度的计算，计算公式具体为：，实际上就是简单的厚度计算。

固定间隔方式：原理与单道数据分析相同，不过是隔固定道数抽取一道，将所有的抽取数据进行计算，形成整条测线上的连续厚度。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种渠道混凝土衬砌无损检测系统，包括计算机，其特征是：所述计算机连接专用探地雷达子系统，所述计算机包括雷达数据处理子系统和超声波数据处理子系统，所述雷达数据处理子系统包括文件管理模块、剖面数据处理模块、衬砌病害模拟分析模块、层位追踪和病害识别模块、衬砌物性分析模块，所述超声波数据处理子系统包括超声波波速计算模块和混凝度强度判定模块。

2.根据权利要求1所述渠道混凝土衬砌无损检测系统，其特征在于，所述专用探地雷达子系统包括雷达主机和与其连接的雷达天线模块，所述雷达主机包括控制电路和与其连接的启动脉冲电路，所述控制电路还连接延时电路和低频放大电路，所述低频放大电路连接A/D转换电路，所述A/D转换电路连接控制计算机，所述雷达天线模块包括连接延时电路和低频放大电路的取样积分电路和发射脉冲形成电路，所述取样积分电路连接高频放大电路，所述高频放大电路上连接有接收天线，所述发射脉冲形成电路连接发射天线。

3.根据权利要求2所述渠道混凝土衬砌无损检测系统，其特征在于，所述启动脉冲电路还连接随机扰动电路。

4.根据权利要求1所述渠道混凝土衬砌无损检测系统，其特征在于，所述剖面数据模块包括道编辑单元、极性翻转单元、剖面翻转单元、横向滤波单元、频谱分析与滤波单元、浮点增益单元、预测反褶积单元、速度分析单元、偏移处理单元、动平衡单元。

5.根据权利要求1所述渠道混凝土衬砌无损检测系统，其特征在于，所述层位追踪和病害识别模块包括自动层位追踪单元、半自动层位追踪单元、病害自动识别单元、异常区手工判定单元。

6.根据权利要求1所述渠道混凝土衬砌无损检测系统，其特征在于，所述物性分析模块包括单道分析方式和固定间隔方式。

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