CN108232440B - 定向超宽带磁偶极天线的探地雷达路面垂向裂缝检测方法 - Google Patents

定向超宽带磁偶极天线的探地雷达路面垂向裂缝检测方法 Download PDF

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Abstract

定向超宽带磁偶极天线及探地雷达路面垂向裂缝检测方法，涉及道路及工程质量检测技术，解决现有检测方法存在对路面造成损伤，不利于路面维护，以采用电偶极子天线限制了辐射方向和通过电流大小而难以获得有效的垂向裂缝产生的异常信号等问题，所述磁偶极天线为圆环天线，所述圆环天线由环氧玻璃布层覆铜箔层压板组成，所述压板的正面覆有带电阻的圆环状金属铜贴片，所述电阻均匀地分布在所述金属铜贴片上，馈电点位于圆环状金属铜贴片圆心的正下方。本发明一方面在裂缝发育面有较大的辐射范围，反射信号强，另一方面，超宽带磁偶极子天线具有较大的频带宽度，对于细小裂缝检测分辨率更高。

Description

定向超宽带磁偶极天线的探地雷达路面垂向裂缝检测方法
技术领域
本发明技术涉及道路及工程质量检测技术，主要针对基于探地雷达的大倾角或近似直立裂缝宽度及延伸情况检测。
背景技术
公路在使用过程中出现病灾害是不可避免的。公路病害中如基层破碎、面层开裂、垫层沉陷等多因为面层之下的基层开裂。垂向裂缝通常出现在公路通车运营三五年之后，多发生于行车道、超车道，硬路肩亦有发生。垂向裂缝发生区域垂直形变明显，起伏凹陷，走向比较规则，呈现粗而疏的大裂缝，有些断断续续可以延伸几百米长。对于垂直方向或大角度隐含在基层的垂向裂缝，垫层材料如粗砂、矿渣等会逐渐充填裂缝，导致垫层材料缺失，形成层间脱空；在面层开裂后，因挤压而上涌至路面的填充物易导致公路的抗滑性与平整度等各项技术指标显著下降，导致行车安全、道路维修等各种隐患的出现。
常规水平方向的公路病害，表现为层间脱空，属于层内发育很少，在平面方向展布较大，使用常规探地雷达可进行快速检测，例如加载了喇叭形空气耦合天线的车载探地雷达。在垂向裂缝检测方法中，钻孔取芯等有损检测方法会对路面造成损伤，不利于路面维护；常规探地雷达可以达到无损探伤，但由于其加载的电偶极子天线在结构上限制了辐射方向以及通过电流小而难以获得有效的垂向裂缝产生的异常信号。基于上述问题，本发明提出加载圆极化定向超宽带磁偶极子探地雷达的纵向裂缝检测技术，用以上述垂向或大角度隐含裂缝的无损检测。
国内外大多数单位使用探地雷达进行道路检测，其应用方向主要集中在路面结构层后的检测上，而对压实度、脱空识别、路基缺陷、含水量、路表裂纹等方面的理论研究与可行性是当前主流研究方向。目前高精度纵向裂缝探测尚未有令人满意的方法。
发明内容
本发明为解决现有检测方法存在对路面造成损伤，不利于路面维护，以采用电偶极子天线限制了辐射方向和通过电流大小而难以获得有效的垂向裂缝产生的异常信号等问题，提供一种基于定向超宽带磁偶极天线及检测方法。
定向超宽带磁偶极天线，所述磁偶极天线为圆环天线，所述圆环天线由环氧玻璃布层覆铜箔层压板组成，所述压板的正面覆有带电阻的圆环状金属铜贴片，所述电阻均匀地分布在所述金属铜贴片上，馈电点位于圆环状金属铜贴片圆心的正下方。
定向超宽带磁偶极天线的探地雷达路面垂向裂缝检测方法，该方法具体为：
步骤一、基于目标体与周围介质之间的电性差异，发射天线向地下发射高频短脉冲电磁波，电磁波在传播过程中遇到地层分界面发生反射和透射，接收天线获得反射波并通过采样模块转化为回波电信号，上位机记录回波电信号并进行预处理，所述回波电信号包括信号振幅强度及时间变化特征；
步骤二、上位机根据预处理的结果及根据路面各层的电性特征获得裂缝的空间位置、形态和埋深，实现对路面垂向裂缝的检测。
本发明的有益效果：本发明采用定向超宽带磁偶极子天线探地雷达系统实现纵向裂缝的高分辨率检测。其主要技术要点是结合水平定向和超宽带磁偶极子的天线设计方式，一方面在裂缝发育面有较大的辐射范围，反射信号强，另一方面，超宽带磁偶极子天线具有较大的频带宽度，对于细小裂缝检测分辨率更高。基于圆极化定向超宽带探地雷达的纵向裂缝检测技术，以解决上述垂向或大角度隐含裂缝的空间位置、延伸范围和裂缝形状等参数。
附图说明
图1为本发明所述的定向超宽带磁偶极天线的结构图；
图2为本发明所述的定向超宽带磁偶极天线的的探地雷达路面垂向裂缝检测方法的原理图；
图3中图3a和图3b分别为采用常规天线和本发明的定向偶极天线辐射波瓣原理图；
图4中图4a、图4b和图4c分别为采用现有喇叭型天线探测时电磁波传播能量、本发明的定向超宽带磁偶极天线探测时电磁波传播能量和现有探地雷达辐射天线探测时电磁波传播能量的示意图；
图5中图5a图5b分别为现有偶极子天线和本发明定向磁偶极天线裂缝检测结果对比效果图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，基于定向超宽带磁偶极天线，所述圆环天线由环氧玻璃布层覆铜箔层压板1组成，所述压板1的正面覆有带电阻的圆环状金属铜贴片2，所述电阻3均匀地分布在所述金属铜贴片 2上，馈电点位于圆环状金属铜贴片2圆心的正下方。
本实施方式中，为实现超宽带天线脉冲信号，常规电偶极子是具有两个振子的电小天线，不能允许大电流流过，本实施方式的磁偶极子天线的结构适合于大电流通过，具有良好的微分特性即宽带辐射特性，天线设计示意图及具体参数指标如图1所示。天线技术指标：满足探测地下0.2-1米深度的裂缝分布，天线的频带宽度为800MHz，天线中心频率为1.5GHz，圆环天线外径R1＝23.5cm、内径R2＝20.5cm；馈电点位于圆心正下方，馈电长度l＝13cm,馈电出宽度g＝0.8cm, 馈电支点宽度w＝0.5cm；加载电阻阻值为50Ω，均匀地分布在金属环上。压板背面嵌有SMA接口。天线板材使用FR-4环氧玻璃布层覆铜箔层压板，金属铜贴片为圆环形。
具体实施方式二、结合1至图5说明本实施方式，本实施方式为采用具体实施方式一所述的定向超宽带磁偶极天线进行路面垂向裂缝的检测方法，该方法具体过程为：
步骤一、基于目标体与周围介质之间的电性差异，发射天线向地下发射高频短脉冲电磁波，电磁波在传播过程中遇到地层分界面发生反射和透射，接收天线获得反射波并通过采样模块转化为回波电信号，上位机记录回波电信号并进行预处理，预处理包括对回波电信号进行零时刻校正、直流成分消除、去直达波、去噪滤波和增益调整处理。所述回波电信号包括信号振幅强度及时间变化特征；
步骤二、上位机根据预处理的结果及根据路面各层的电性特征获得裂缝的空间位置、形态和埋深，实现对路面垂向裂缝的检测。
本实施方式中，按照裂缝的填充物属性与周围背景介质的关系，采用多极化天线可以获得更好的裂缝反射信号，通常情况下，由于目标(裂缝)介电常数小于周围介质(路面)介电常数时，采用YY极化模式，即以天线垂直于地面的方式进行测量。
超宽带天线有利于对狭窄裂缝的宽度获得较高分辨率的探测结果。严格定义来说探地雷达系统的探测分辨率分为纵向分辨率和横向分辨率。为了简化问题，这里统一归为距离分辨率(Range Resolution)。在理想情况下，可定义目标体反射脉冲的半幅度点(-6dB)或半功率点(-3dB)为信号包络的区分点。但是探地雷达系统的收发信号、天线特性、地下介质参数和目标体特性等都存在较大的频率选择性(Frequency Selective)，因此采用归一化sinc函数的半功率点作为信号包络的区分点更为合适。探地雷达的距离分辨率定义为：
Figure BDA0001532973130000041
其中c为电磁波在真空中的速度(光速)；B为信号带宽；εr为背景介质介电常数(不考虑频散特性)。由于目标分辨距离与背景介质介电常数存在双曲线函数关系，背景介质介电常数增大，信号波长变短，则能使距离分辨率的提高；但是在带宽大于250MHz时，距离分辨率基本与背景介质的介电常数关系不大。按照混凝土路面及土层基地相对介电常数为7计算，一般垂直裂缝宽度最小可达5cm，则按照上述公式要求的频带宽度B为1500MHz以上。
满足裂缝厚度检测的天线中心频率的选择通常需要考虑三个主要因素：空间分辨率、杂波的干扰和深度测量。如果要求的空间分辨率为x，则天线中心频率可初步确定为
Figure BDA0001532973130000042
按照纵向裂缝厚度分辨率为2cm，介电常数为7计算，天线中心频率需大于1.4GHz。
结合图2说明本实施方式，所述上位机包括控制面板、存储器和显示器；步骤一中，控制面板控制发射电路产生一个电信号给发射天线，天线将该电信号转换为电磁场向外辐射，电磁波在传播过程中遇到各地层分界面会产生相应的反射波，接收天线接收测区的反射波并由采样模块转化为回波电信号，最终通过控制面板进行预处理后进行存储与显示。发射电路与采样模块均有高动态范围的A/D转换器进行模数转换。采用收发一体整合型雷达天线检测时易得异常体的实际位置；根据所显示目标体走时、走时差即可计算目标体的埋深、产状等参数最终将数据可视化。
结合图3说明本实施方式，图3b可看出常规垂直偶极子(结形、喇叭形) 辐射天线辐射能量垂直向下，辐射角度在240-300之间，且最强能量波前面范围较小，对于垂直和大角度的裂缝导致波前能量较弱且波前面传播呈球面状，信号稳定性差。本发明设计的定向偶极子天线辐射波瓣图由图3a可以看出，该天线具有较大，完整的辐射波前面，且定向性好，符合对于垂直分布裂缝的信号响应。图4中图4a、图4b和图4c分别为采用现有喇叭型天线探测时电磁波传播能量、本发明的定向超宽带磁偶极天线探测时电磁波传播能量和现有探地雷达辐射天线探测时电磁波传播能量的示意图；为定向偶极子喇叭天线和常规偶极子天线的电磁波传播快照图。使用HFSS软件采用探地雷达路面检测的工作布置方式，采用FDTD方法数值模拟天线的电磁波能量传播，在相同条件下本发明采用的定向偶极子喇叭天线具有很好的定向性，波前传播能量聚焦性好。
结合图5说明本实施方式，采用本实施方式所述的定向偶极子天线和现有偶极子天线进行路面裂缝检测，将裂缝填充物设为空气，其介电常数为1，地下背景介质介电常数为7。采用共炮点的记录方式对比本发明定向超宽带天线和常规天线探地雷达探测效果，虽然两种结果都能对地下裂缝的位置有明显的异常响应，结合图5b，采用本实施方式所述的定向偶极子天线的检测结果信号响应能量幅值比常规方式强很多，约为常规检测方式的104倍。另外，从单道信号记录中也可以看出，本实施方式所述的定向偶极子天线的记录结果相对常规探测方式信号稳定性更好，在裂缝区域以及信号辐射前后更为平稳，信噪比更高。在实际路面检测复杂探测环境下，高信噪比的定向偶极子超宽带天线模式可以获得更为稳定和精确的检测结果。

Claims (5)

1.定向超宽带磁偶极天线的探地雷达路面垂向裂缝检测方法，其特征是：所述磁偶极天线为圆环天线，所述圆环天线由环氧玻璃布层覆铜箔层压板组成，所述压板的正面覆有带电阻的圆环状金属铜贴片，所述压板背面嵌有SMA接口，所述电阻均匀地分布在所述金属铜贴片上，馈电点位于圆环状金属铜贴片圆心的正下方；
所述天线外径R1＝23.5cm，内径R2＝20.5cm；馈电长度l＝13cm,馈电出宽度g＝0.8cm,馈电支点宽度w＝0.5cm；加载电阻阻值为50Ω；
该方法由以下步骤实现：
步骤一、基于目标体与周围介质之间的电性差异，发射天线向地下发射高频短脉冲电磁波，电磁波在传播过程中遇到地层分界面发生反射和透射，接收天线获得反射波并通过采样模块转化为回波电信号，上位机记录回波电信号并进行预处理，所述回波电信号包括信号振幅强度及时间变化特征；
步骤二、上位机根据预处理的结果及根据路面各层的电性特征获得裂缝的空间位置、形态和埋深，实现对路面垂向裂缝的检测。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，预处理包括对回波电信号进行零时刻校正、直流成分消除、去直达波、去噪滤波和增益调整处理。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述上位机包括控制面板、存储器和显示器；步骤一中，通过控制面板控制发射电路通过发射天线向地下发射高频短脉冲电磁波，接收天线获得反射波并转化为回波信号后由采样模块采集并传送至控制面板，控制面板对回波信号进行预处理后通过存储器存储，并在显示器上显示。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述发射电路与采样模块均由高动态范围的A/D转换器实现。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述发射天线和接收天线为收发一体整合型雷达天线。
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