CN103790099B - 采用声效与探地雷达检测路面病害的控制电路及具有该控制电路的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用声效与探地雷达检测路面病害的控制电路及具有该控制电路的检测装置，采用声效与探地雷达联合检测路面病害能够精确确定各结构层的厚度、抗压弹性模量和缺陷。声波震荡激发器和探地雷达通过控制器控制信号同步，利用电磁波精确测量每一路面结构层厚度的同时，通过声波传播速度差异计算出每一结构层的弹性模量。本发明自动化程度高，故障效率低；体积小巧，使用方便。与传统的路面结构检测装置相比，能够实现结构层厚度、抗压弹性模量、结构不连续隐形病害等定量化无损检测，检测时速可达到60km/h以上，推广应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及交通公路检测领域，特别涉及一种采用声效与探地雷达检测路面病害的控制电路及具有该控制电路的检测装置。
背景技术
目前路面结构内部病害检测技术越来越引起了世界上各国工程师的关注，都期望能有一种快速、无损的检测设备对路面实时检测，发现路面内部各种病害。近年来探地雷达(Groundpenetratingradar，简称GPR)在高速公路病害的无损检测中得到了较为广泛的应用。应用GPR进行道路路面层厚度、路面结构缺陷等在20世纪90年度就开始了研究。使用探地雷达技术进行测量研究时，其基本原理是电磁波由发射天线向地下介质发射高频电磁脉冲波，经地下各层的反射后返回地面，被接收天线所接收，反射脉冲波形成重复间断发射的电路，按采样定律等间距地采集叠加波而获得数据。若公路路面的各层之间形成如下的分界面：在新的沥青混凝土与旧的沥青混凝土之间，在材料不同的沥青混凝土之间，在沥青混凝土与水泥混凝土之间，在土基和路面底基层之间等，将会很容易检测到结构层厚度。
应用探地雷达检测路面质量至今没有彻底解决如下几个方面的问题：一是，GPR的探测深度与分辨率是相互制约的，在设计或选用天线时只好折中考虑；二是，GPR的探测效果与路面结构层材料性质密切相关，当路基路面材料对电磁波的耗散性强，并且目标的电磁特性与其环境相比反差不大时，表现出不好的性能，有时候甚至完全不适用；三是，探地雷达检测的图谱晦涩难懂，即使专业人士也只能根据经验判断路面下部可能存在病害；四是，路基病害的定量化检测精度有待进一步提高，以上这些成为探地雷达进一步深层应用的瓶颈；五是，探地雷达无法检测出每一结构层的强度特性。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种设计简单合理、自动化程度高、检测速度快、采样速率高、检测结果直观准确的采用声效与探地雷达检测路面病害的控制电路及具有该控制电路的检测装置。
按照本发明所提供的设计方案，一种采用声效与探地雷达检测路面病害的控制电路，该控制电路包含控制信号发生器、信号处理控制单元、同步信号发生器、脉冲探地雷达发生器、存储器及采样保持器，探地雷达包含发射天线、第一接收天线和第二接收天线，所述发射天线的输入端通过串联的波形整形器与信号处理控制单元的输出端相连接，波形整形器的第一输出端与信号处理控制单元的输入端连接，波形整形器的第二输出端与同步单元的第一输入端相连接，同步单元的第二输入端与同步信号发生器的第一输出端相连接，同步单元的第一输出端与脉冲探地雷达发生器的输入端相连接，同步信号发生器的第二输出端通过分频器与波形整形器的第二输入端相连接，同步信号发生器的第三输出端与探地雷达可控延迟器的第一输入端相连接，第一接收天线的输出端通过低噪声放大器与采样保持器的第一输入端相连接，第二接收天线的输出端通过低噪声放大器与采样保持器的第二输入端相连接，所述采样保持器的第三输入端与探地雷达可控延迟器的输出端相连接，所述采样保持器的输出端与A/D转换器的第一输入端连接，所述A/D转换器的第二输入端与同步信号发生器的第三输入端相连接，所述A/D转换器的输出端与存储器的第一输入端相连接，所述存储器的第二输入端与波形整形器的第三输出端相连接，声波震荡激发器的输入端通过声音激励信号发生器与同步单元的第三输出端相连接，所述A/D转换器的第二输出端、控制信号发生器的第一输入端分别与控制计算机相信号连接，发射天线的输入端与极化矢量发生器的输出端相连接，极化矢量发生器的第一输入端通过同步单元与控制信号发生器的第一输出端连接，所述极化矢量发生器的第二输入端通过开关器与控制信号发生器的第二输出端连接，所述开关器的第二输入端通过中继器与脉冲探地雷达发生器的第一输出端相连接，所述开关器的第三输入端通过逆变器与脉冲探地雷达发生器的第二输出端相连接。
一种采用声效与探地雷达联合检测路面病害的检测装置，包含支架、分别设置在支架两侧的支架轮、设置在支架上的路面检测机构及与路面检测机构相信号连接的控制器，所述控制器与控制计算机相信号连接，所述路面检测机构包含分别设置在支架上的声波震荡激发器和探地雷达，所述控制器包含上述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的控制电路。
根据上述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的检测装置，所述声波震荡激发器通过支撑梁固定在支架上。
优选的，所述支撑梁垂直设有悬杆一和与悬杆一平行的悬杆二，所述悬杆一的长度大于悬杆二的长度，所述声波震荡激发器通过支撑横梁设在悬杆一和悬杆二之间。
优选的，所述声波震荡激发器为声效激励轮。
根据上述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的检测装置，所述发射天线为极化喇叭形发射天线。
根据上述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的检测装置，所述脉冲探地雷达发生器采用振幅可调的脉冲发生器。
本发明的有益效果：
1.本发明采用声效与探地雷达联合检测路面病害的检测装置设计简单合理、自动化程度高、检测速度快、采样速率高、检测结果直观准确，将声效与探地雷达结合，在声效作用下能确切检测出路面结构强度特征，可以对路面结构进行定量检测，且检测结果直观输出，方便查看。
2.本发明采用声效与探地雷达联合检测路面病害，能够精确确定路面内层的牢固特性，路面内层结构的任何变化，其中包括路面牢固性的变化，会被雷达信号所发现，并被综合系统的管理计算机所记录，对路面结构层的牢固性进行确定,测定结果借助于计算机相应的软件进行分析并进行记录，以便对公路质量进行进一步的研究和分析，发射天线和接收天线保证形成和发射的电磁短脉冲，以及接收从路面反射回来的一定频率范围内的电磁信号。
3.本发明采用声波震荡激发器和探地雷达通过控制器进行控制信号同步，自动化程度高，故障效率低，能够精确确定各结构层的厚度、抗压弹性模量和缺陷，利用电磁波精确测量每一路面结构层厚度的同时，通过声波传播速度差异计算出每一结构层的弹性模量。
4.本发明采用声效与探地雷达联合检测路面病害的装置体积小巧，单独的检测装置通过支架与行走车辆活动链接，使用方便，与传统的路面结构检测装置相比，能够实现结构层厚度、抗压弹性模量、结构不连续隐形病害等定量化无损检测，检测时速可达到60km/h以上，推广应用前景广阔。
附图说明：
图1为本发明采用声效与探地雷达联合检测路面病害的检测装置俯视示意图；
图2为本发明图1所示的主视示意图；
图3为本发明采用声效与探地雷达联合检测路面病害的检测装置工作状态结构框图；
图4为本发明采用声效与探地雷达联合检测路面病害的检测装置工作流程框图；
图5为本发明采用声效与探地雷达联合检测路面病害的检测装置A/D转换器的接口电路图。
具体实施方式：
图中标号1代表支架，标号2代表支架轮，标号3代表声波震荡激发器，标号4代表探地雷达，标号5代表叉头，标号6代表控制器，标号4-1代表发射天线，标号4-2代表第一接收天线，标号4-3代表第二接收天线，标号a代表第一接收天线到发射天线之间的距离，标号b代表第二接收天线到发射天线之间的距离，标号h1代表路面结构上层的厚度，标号h2代表路面结构下层的厚度。
下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：参见图1～5所示，一种采用声效与探地雷达检测路面病害的控制电路，该控制电路包含控制信号发生器、信号处理控制单元、同步信号发生器、脉冲探地雷达发生器、存储器及采样保持器，探地雷达包含发射天线、第一接收天线和第二接收天线，所述发射天线的输入端通过串联的波形整形器与信号处理控制单元的输出端相连接，波形整形器的第一输出端与信号处理控制单元的输入端连接，波形整形器的第二输出端与同步单元的第一输入端相连接，同步单元的第二输入端与同步信号发生器的第一输出端相连接，同步单元的第一输出端与脉冲探地雷达发生器的输入端相连接，同步信号发生器的第二输出端通过分频器与波形整形器的第二输入端相连接，同步信号发生器的第三输出端与探地雷达可控延迟器的第一输入端相连接，第一接收天线的输出端通过低噪声放大器与采样保持器的第一输入端相连接，第二接收天线的输出端通过低噪声放大器与采样保持器的第二输入端相连接，所述采样保持器的第三输入端与探地雷达可控延迟器的输出端相连接，所述采样保持器的输出端与A/D转换器的第一输入端连接，所述A/D转换器的第二输入端与同步信号发生器的第三输入端相连接，所述A/D转换器的输出端与存储器的第一输入端相连接，所述存储器的第二输入端与波形整形器的第三输出端相连接，声波震荡激发器的输入端通过声音激励信号发生器与同步单元的第三输出端相连接，所述A/D转换器的第二输出端、控制信号发生器的第一输入端分别与控制计算机相信号连接，发射天线的输入端与极化矢量发生器的输出端相连接，极化矢量发生器的第一输入端通过同步单元与控制信号发生器的第一输出端连接，所述极化矢量发生器的第二输入端通过开关器与控制信号发生器的第二输出端连接，所述开关器的第二输入端通过中继器与脉冲探地雷达发生器的第一输出端相连接，所述开关器的第三输入端通过逆变器与脉冲探地雷达发生器的第二输出端相连接。
一种采用声效与探地雷达联合检测路面病害的检测装置，包含支架、分别设置在支架两侧的支架轮、设置在支架上的路面检测机构及与路面检测机构相信号连接的控制器，所述控制器与控制计算机相信号连接，所述路面检测机构包含分别设置在支架上的声波震荡激发器和探地雷达，所述控制器包含上述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的控制电路。
所述声波震荡激发器通过支撑梁固定在支架上。
优选的，所述支撑梁垂直设有悬杆一和与悬杆一平行的悬杆二，所述悬杆一的长度大于悬杆二的长度，所述声波震荡激发器通过支撑横梁设在悬杆一和悬杆二之间。
优选的，所述声波震荡激发器为声效激励轮。
所述发射天线为极化喇叭形发射天线。
所述脉冲探地雷达发生器采用振幅可调的脉冲发生器。
信号处理控制单元通过波形整形器的指令进行综合控制，探地雷达信号和从路面被反射回来的雷达信号转换为数字信号随后记录下来，在接到指令“开始”时，波形整形器借助于分频器产生的脉冲形成一个同步脉冲周期，进入同步单元，同步信号发生器的信号和同步单元同步运行，脉冲信号分别进入到A/D转换器的输入端和输出端，探地雷达信号可控延迟器用该时刻的信号确定信号模拟-数字转换工作，收到周期同步脉冲信号时，同步单元生成同步脉冲，同步脉冲与同步信号发生器的参考脉冲信号绑定，同步单元生成雷达脉冲探测器的图像，输出的信号在探地雷达脉冲发生器中被放大并使用发射天线发射到公路路面结构内。从公路路面的界面层中反射出来的信号利用接收天线接收到信号，再被低噪声放大器把信号放大，进入到采样保持器的输入端；根据同步信号，采样保持器标记下从同步单元经过可控延迟器后进入单元的瞬时值，A/D转换器根据瞬时值的时间来执行模拟-数字移动转换，该瞬时值是指在探地雷达信号可控延迟器中节拍脉冲的延迟时间。数字代码从A/D转换器的输出端连同随机同步脉冲共同送达到存储器中，存储器作为存储设备，直接将信息存储在高速的集成电路存储器中，存储器也处理来自波形整形器的脉冲信号，这个脉冲信号实际上表示周期的起点和该脉冲的时差，存储器把来自A/D转换器中的信号记录下来，并且将代码测量结果存储在内存上。为了提高运行速度，代码测量结果被加载到装置的自动调谐阶段的控制电路，来确定它的测量范围。保存在存储器中的测量结果被读取并按照波形整形器的指令脉冲传输到控制和信号处理单元中，测量和测量数据收集周期到此结束。雷达探测信号是持续时间相对较短的宽频信号，并且需要足够高的模拟-数字转换频率（离散化频率）。使用频闪观测法并借助探地雷达信号可控延迟器来实现，探地雷达信号可控延迟器根据同步单元的指令，借助所需要的同步信号发生器分离出的延迟脉冲形成并发送这个脉冲，程序在设定的范围内根据测量周期线性滤波。探地雷达信号可控延迟器的调谐范围等于同步信号发生器的节拍信号周期，而调谐的离散区间值确定了信号有效离散化周期。
为了提高测量分辨率，由于路面各层的厚度为h，则发射天线的频率及频率宽度应符合如下关系式：
式中，c代表电磁波在空气中传播的速度(c≈3×108米/秒)；ξ代表所检测公路路面层的介电常数最小值。
为了提高厚度测量准确性，及提高信号处理和控制单元的功能作用，测量厚度的计算公式：
式中，a和b分别代表第一接收天线和第二接收天线与发射天线之间的距离；tn和tn-1-表示电磁波在所测层及其上层的传播时间（n≥2层）。
图5所示的A/D转换器的接口电路图中，接口模块应用USB2.0接口协议，以CY7C68013A为基础，保证测量部件和进入控制计算机的软件之间的信息交换，接口集成电路通过ADuM1200元件从A/D转换器等组件上进行电流退耦，保证对小于1000伏的直流电压进行保护。发射天线和接收天线经过发射和接收之后可以形成数字控制信号，并在A/D转换器之间传输该数字控制信号。电子信号经过保护电路和放大器-形成器进入A/D转换器的输入端，在A/D转换器内，根据转换时间和转换振幅的不同转换为数字代码，并保存在缓冲存储器内。存储器空间占满后测量会停止，累积的会经过USB接口传输到控制计算机内，在控制计算机中由软件对所测量的数据进行数学处理，包括对电子信号的振幅和时间参数进行数字测量，工作人员在显示器屏幕上可以看到这些数据。
本发明可以精确测量经变换而生成的信号，并且可以将它进行积累和统计处理，同时通过使用高速A/D转换器达到测量的实时性，不影响声音信号在传播时到达路面不同层的记录时间，从而提高了地质声效雷达探测的精度。
本发明的检测装置不仅可以用于两层路面结构的检测，还可以检测多层。
本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。
Claims (7)
1.一种采用声效与探地雷达联合检测路面病害的控制电路，其特征在于：该控制电路包含控制信号发生器、信号处理控制单元、同步信号发生器、脉冲探地雷达发生器、存储器及采样保持器，探地雷达包含发射天线、第一接收天线和第二接收天线，所述发射天线的输入端通过串联的波形整形器与信号处理控制单元的输出端相连接，波形整形器的第一输出端与信号处理控制单元的输入端连接，波形整形器的第二输出端与同步单元的第一输入端相连接，同步单元的第二输入端与同步信号发生器的第一输出端相连接，同步单元的第一输出端与脉冲探地雷达发生器的输入端相连接，同步信号发生器的第二输出端通过分频器与波形整形器的第二输入端相连接，同步信号发生器的第三输出端与探地雷达可控延迟器的第一输入端相连接，第一接收天线的输出端通过低噪声放大器与采样保持器的第一输入端相连接，第二接收天线的输出端通过低噪声放大器与采样保持器的第二输入端相连接，所述采样保持器的第三输入端与探地雷达可控延迟器的输出端相连接，所述采样保持器的输出端与A/D转换器的第一输入端连接，所述A/D转换器的第二输入端与同步信号发生器的第三输入端相连接，所述A/D转换器的输出端与存储器的第一输入端相连接，所述存储器的第二输入端与波形整形器的第三输出端相连接，声波震荡激发器的输入端通过声音激励信号发生器与同步单元的第三输出端相连接，所述A/D转换器的第二输出端、控制信号发生器的第一输入端分别与控制计算机相信号连接，发射天线的输入端与极化矢量发生器的输出端相连接，极化矢量发生器的第一输入端通过同步单元与控制信号发生器的第一输出端连接，所述极化矢量发生器的第二输入端通过开关器与控制信号发生器的第二输出端连接，所述开关器的第二输入端通过中继器与脉冲探地雷达发生器的第一输出端相连接，所述开关器的第三输入端通过逆变器与脉冲探地雷达发生器的第二输出端相连接。
2.一种采用声效与探地雷达联合检测路面病害的装置，包含支架、分别设置在支架两侧的支架轮、设置在支架上的路面检测机构及与路面检测机构相信号连接的控制器，所述控制器与控制计算机相信号连接，其特征在于：所述路面检测机构包含分别设置在支架上的声波震荡激发器和探地雷达，所述控制器包含权利要求1所述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的控制电路。
3.根据权利要求2所述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的装置，其特征在于：所述声波震荡激发器通过支撑梁固定在支架上。
4.根据权利要求3所述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的装置，其特征在于：所述支撑梁垂直设有悬杆一和与悬杆一平行的悬杆二，所述悬杆一的长度大于悬杆二的长度，所述声波震荡激发器通过支撑梁设在悬杆一和悬杆二之间。
5.根据权利要求2～4任一项所述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的装置，其特征在于：所述声波震荡激发器为声效激励轮。
6.根据权利要求2所述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的装置，其特征在于：所述发射天线为极化喇叭形发射天线。
7.根据权利要求2所述的采用声效与探地雷达联合检测路面病害的装置，其特征在于：所述脉冲探地雷达发生器采用振幅可调的脉冲发生器。
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