CN109143225B - 一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法 - Google Patents

一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法，其特征在于，令低频雷达和高频雷达以固定的相对位置沿隧道管片内壁进行环向运动，对隧道管片后方注浆进行检测，获取双频信号，通过双频信号的相干强度进行快速成像，根据成像结果判断注浆体厚度。与现有技术相比，本发明可以快速准确地对盾构隧道壁后注浆厚度进行评价，为隧道运营及维护提供依据，在隧道结构检测中有很好的应用前景。低频雷达信号频率范围为200～600Mhz，高频雷达信号频率范围为700～1100Mhz，可保证探测结果满足探测深度及精度要求。低频信号与高频信号之间差值宜为：300～700Mhz，可保证信号之间的独立性。

Description

一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测 方法
技术领域
本发明涉及一种盾构隧道注浆厚度检测方法，尤其是涉及一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法。
背景技术
在盾构隧道中，注浆作为控制地层损失及控制沉降的手段，具有重要作用。然而由于浆液注入隧道壁后，注浆质量和形态难以测试和控制，需要通地质雷达进行无损检测，过往对数据的解译通过采用波形、相位作为参数进行确定，例如公开号为CN100445516C的中国专利公开了一种基于探地雷达的盾构隧道沉降控制方法，由于该方法无法再保证探测深度的要求上同时满足对探测精度的要求，且利用波形、相位作为判断参数具有较大主观性及较差的抗干扰性，因此检测效果不佳，精确度差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法，通过双频雷达信号相干投影成像方法，提高相关检测手段的准确度，对隧道壁后注浆体厚度的检测工作开展具有重要的指导作用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法，令低频雷达和高频雷达以固定的相对位置沿隧道管片内壁进行环向运动，对隧道管片后方注浆进行检测，获取双频信号，通过双频信号的相干强度进行快速成像，根据成像结果判断注浆体厚度。
方法包括以下步骤：
S1，将低频雷达和高频雷达布置在隧道管片内壁，低频雷达和高频雷达的相对距离为d，雷达的测点间距为dx，高频雷达的第k道测点坐标为(xk，0)，则该处为低频雷达的第k+d/dx道测点；
S2，令低频雷达和高频雷达沿隧道管片内壁进行环向匀速运动，并分别在各个测点对注浆成像点进行检测；
S3，计算某成像点与低频雷达的所有测点和高频雷达的所有测点之间的双程时延，获得低频雷达和的高频雷达双程时延向量，所述的双程时延向量以双程时延为元素，按测点位置排序；
S4，根据双程时延向量，搜索成像点在低频雷达的所有测点和高频雷达的所有测点处的特征值，获得特征值向量，所述的特征值向量以特征值为元素，按测点位置排序；
S5，计算成像点双频特征值相干强度RA，RA＝sum[(VA,L T×VA,H-VA,L·VA,H)/2]，其中，sum表示求和，脚标A代表成像点，VA,L为成像点A的低频雷达测点特征值向量，VA,H为成像点A的高频雷达测点特征值向量，该式中括号内含义为：列向量与行向量叉乘得到矩阵，然后矩阵中每个元素减去两个行向量点乘的值再除以2；
S6，返回步骤S3并计算下一个成像点的双频特征值相干强度，直到遍历研究区域中的所有成像点，绘制二维剖面图，计算壁后注浆厚度。
所述的步骤S3中，以高频雷达第k道测点(xk，0)为例，则坐标(xA，yA)的成像点A与高频雷达第k道测点及低频雷达信号第k+d/dx道测点的双程时延均为：
Figure BDA0001732155440000021
其中，εr为管片介电常数，SA,k为坐标(xA，yA)的成像点与测点(xk，0)的距离，
Figure BDA0001732155440000022
c为真空中的光速。
所述的低频雷达信号频率范围为200～600Mhz。
所述的高频雷达信号频率范围为700～1100Mhz。
所述的低频信号与高频信号之间差值为300～700Mhz。
与现有技术相比，本发明可以快速准确地对盾构隧道壁后注浆厚度进行评价，为隧道运营及维护提供依据，在隧道结构检测中有很好的应用前景。低频雷达信号频率范围为200～600Mhz，高频雷达信号频率范围为700～1100Mhz，可保证探测结果满足探测深度及精度要求。低频信号与高频信号之间差值宜为：300～700Mhz，可保证信号之间的独立性。
附图说明
图1为本实施例检测方法采用的装置布置示意图；
图2为本实施例检测方法流程图；
图3为本实施例检测方法得到的成像图；
附图标记：
1为低频雷达；2为高频雷达；3为测线；4为管片上界面；5为管片下界面；6为浆液与围岩分界面；7为低频雷达测点；8为高频雷达测点；9为成像点；10为高频第k道测点；11为成像点与测点距离。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法，包括如下计算步骤：
S1：计算雷达测点偏差。在测试时低频雷达测点7与高频雷达测点8之间有一定方位偏差d，若测点间距为dx，高频雷达第k道测点位于地表(xk，0)处，则低频雷达应为第k+d/dx道；
S2：计算成像点9与测点之间双程走时。坐标(xA，yA)的成像点对测点的距离11为：
Figure BDA0001732155440000031
成像点在高频雷达信号第k道以及低频雷达信号第k+d/dx道测点的双程时延为：
Figure BDA0001732155440000032
遍历成像点与所有M个测点的双程延时，则可得1×M向量：
tA＝[tA,1,tA,2..........tA,m] (3)
S3：搜索成像点在第k+d/dx道低频雷达信号和第k道高频雷达处特征值，即在相应道雷达信号时间序列中的相应相位值。令vL,n(tA,m)代表第n道低频雷达信号在时间点＝tA,m时的特征值，vH,n(tA,m)代表第n道高频雷达信号在时间点t＝tA,m时的特征值，则成像点特征值集合为：
Figure BDA0001732155440000041
S4：计算成像点双频特征值相干强度。相干强度计算公式为：
Figure BDA0001732155440000042
写为矩阵模式为：
RA＝sum[(VA,L T×VA,H-VA,L·VA,H)/2] (6)
S5：遍历研究区域内每个点则可绘制二维剖面图。
以上式中，下标L、H分别代表低频雷达数据及高频雷达数据；εr为管片介电常数，可取经验值或由试验获取；d为两个雷达之间的距离；dx为测点之间的距离。
具体实施时，如图1所示，获取低频雷达测点7信号及高频雷达测点8信号，通过计算检测区域内成像点的双频雷达信号特征值相干强度作为成像参数，对注浆体厚度进行检测。
参见图2，首先确定测线3布置及雷达移动方向，继而启动低频雷达1、高频雷达2，沿测线3紧贴管片上界面4环向运动，获得各测点低频雷达信号值与高频雷达信号值，然后从起点至终点、从浅至深将研究区划分为有限个成像点，并根据成像点9坐标计算其至每个测点之间的双程时延，然后根据双程时延求得成像点在每道信号上的特征值，并计算其相干强度作为成像值，最后根据剖面图判断注浆体厚度。
参见图3，通过实际应用对本发明的注浆体厚度检测方法进行了验证，考虑数据传输延迟，图中h1与h2连续、平直分界面分别为管片上界面4、管片下界面5，上下界面之间点状结构为钢筋分布，h3至h4区间可见连续但起伏的分界面为注浆体与围岩分界面6，因此可判断注浆体厚度平均为
Figure BDA0001732155440000043

Claims (4)

1.一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法，其特征在于，令低频雷达和高频雷达以固定的相对位置沿隧道管片内壁进行环向运动，对隧道管片后方注浆进行检测，获取双频信号，通过双频信号的相干强度进行快速成像，根据成像结果判断注浆体厚度，包括以下步骤：
S1，将低频雷达和高频雷达布置在隧道管片内壁，低频雷达和高频雷达的相对距离为d，雷达的测点间距为dx，高频雷达的第k道测点坐标为(xk，0)，则该处为低频雷达的第k+d/dx道测点；
S2，令低频雷达和高频雷达沿隧道管片内壁进行环向匀速运动，并分别在各个测点对注浆成像点进行检测；
S3，计算某成像点与低频雷达的所有测点和高频雷达的所有测点之间的双程时延，获得低频雷达和高频雷达双程时延向量，所述的双程时延向量以双程时延为元素，按测点位置排序；
S4，根据双程时延向量，搜索成像点在低频雷达的所有测点和高频雷达的所有测点处的特征值，获得特征值向量，所述的特征值向量以特征值为元素，按测点位置排序；
S5，计算成像点双频特征值相干强度RA，RA＝sum[(VA,L T×VA,H-VA,L·VA,H)/2] 其中，sum表示求和，脚标A代表成像点，VA,L为成像点A的低频雷达测点特征值向量，VA,H为成像点A的高频雷达测点特征值向量，该式中括号内含义为：列向量与行向量叉乘得到矩阵，然后矩阵中每个元素减去两个行向量点乘的值再除以2；
S6，返回步骤S3并计算下一个成像点的双频特征值相干强度，直到遍历研究区域中的所有成像点，绘制二维剖面图，计算壁后注浆厚度，
所述的步骤S3中，以高频雷达第k道测点(xk，0)为例，则坐标(xA，yA)的成像点A与高频雷达第k道测点及低频雷达信号第k+d/dx道测点的双程时延均为：
Figure FDA0003567961230000012
其中，εr为管片介电常数，SA,k为坐标(xA，yA)的成像点与测点(xk，0)的距离，
Figure FDA0003567961230000013
c为真空中的光速。
2.根据权利要求1所述的一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法，其特征在于，所述的低频雷达信号频率范围为200～600Mhz。
3.根据权利要求1所述的一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法，其特征在于，所述的高频雷达信号频率范围为700～1100Mhz。
4.根据权利要求1所述的一种基于双频雷达相干投影成像算法的壁后注浆厚度检测方法，其特征在于，所述的低频信号与高频信号之间差值为300～700Mhz。
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