CN113671488A - 一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统及其检测方法，系统包括：扇环形隧道，包括两片盾构隧道管片；探地雷达组件，包括雷达滑轨和探地雷达，雷达滑轨设置在扇环形隧道的内侧，探地雷达安装在雷达滑轨上；缺陷模拟组件，位于扇环形隧道的外侧，包括第一侧墙、第二侧墙以及底面，第一侧墙、第二侧墙、底面以及扇环形隧道之间形成腔体，腔体内填充有石英砂，石英砂内埋设有若干个管道，第一侧墙远离腔体的一侧敷设有砂浆，第二侧墙中设有多个钻孔；信号处理组件，用于处理探地雷达接收到的雷达回波信号，确定雷达信号特征。本发明通过缺陷模拟和雷达回波信号的处理可以准确分析盾构隧道管片后的隐蔽缺陷类型，可广泛应用于雷达探测技术领域。

Description

一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，尤其涉及一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统及其检测方法。

背景技术

地质雷达作为一种高分辨率、高效的无损检测技术，已开始应用于盾构隧道管片背后缺陷的检测，但是存在以下缺点：(1)地质雷达检测成果通常需要进行对比试验或现场开挖验证，但盾构隧道的检测现场受施工条件约束，无法大量验证；(2)由于钢筋(磁性金属)对电磁波具有较强的屏蔽作用，因此地质雷达天线有效反射取决于钢筋网的间距、天线间距，以及探测目标的大小和埋深。而在盾构管片内，钢筋网的布设比较密集，地质雷达天线发射的大部分电磁波信号被盾构管片内设的密集双层钢筋网阻挡和吸收，盾构隧道管片背后缺陷有效反射到接收天线的电磁波较少，因此仅通过地质雷达难以准确检测到盾构隧道管片背后的隐蔽缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统及其检测方法。

本发明所采用的第一技术方案是：

一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统，包括：

扇环形隧道，所述扇环形隧道包括两片盾构隧道管片；

探地雷达组件，所述探地雷达组件包括雷达滑轨和探地雷达，所述雷达滑轨设置在所述扇环形隧道的内侧，所述探地雷达安装在所述雷达滑轨上；

缺陷模拟组件，所述缺陷模拟组件位于所述扇环形隧道的外侧，所述缺陷模拟组件包括第一侧墙、第二侧墙以及底面，所述第一侧墙、所述第二侧墙、所述底面以及所述扇环形隧道之间形成腔体，所述腔体内填充有石英砂，所述石英砂用于设置隐蔽缺陷，所述石英砂内埋设有若干个管道，所述管道用于模拟埋地管道工况，所述第一侧墙远离所述腔体的一侧敷设有砂浆，所述砂浆用于模拟裂缝工况，所述第二侧墙中设有多个钻孔，所述钻孔用于插入钢筋以模拟钢筋混凝土结构；

信号处理组件，所述信号处理组件用于处理所述探地雷达接收到的雷达回波信号，从而确定不同地下隐蔽缺陷条件下的雷达信号特征。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述管道包括燃气管道、输水管道以及电力管道。

本发明所采用的第二技术方案是：

一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统的检测方法，用于通过上述地下隐蔽缺陷模拟检测系统执行，包括以下步骤：

通过缺陷模拟组件模拟实现地下隐蔽缺陷，并通过探地雷达接收雷达回波信号；

通过信号处理组件对所述雷达回波信号进行处理，提取出雷达信号特征；

所述对所述雷达回波信号进行处理，提取出雷达信号特征这一步骤，其具体包括：

对所述雷达回波信号中的直流漂移量进行去除，得到第一回波信号；

对所述第一回波信号进行零点校正，得到第二回波信号；

对所述第二回波信号进行带通滤波处理，去除掉高频噪声和低频噪声，得到第三回波信号；

对所述第三回波信号进行增益处理，增大隐蔽缺陷位置处的信号幅值，得到第四回波信号；

对所述第四回波信号进行逆时偏移处理，得到目标雷达图像；

根据所述目标雷达图像提取出雷达信号特征。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述检测方法还包括确定探地雷达中心频率和天线高度的步骤，其具体包括：

将探地雷达设置在扇环形隧道的内侧，将金属板设置在扇环形隧道的外侧，并紧贴盾构隧道管片设置；

在时间触发模式下，通过探地雷达持续采集第一测试信号；

移除金属板，通过探地雷达持续采集第二测试信号；

根据所述第一测试信号的平均幅值和所述第二测试信号的平均幅值确定金属板反射信号；

在不同中心频率和/或不同天线高度条件下重复上述步骤，对比得到的金属板反射信号，并选取出幅值最大的金属板反射信号对应的中心频率和天线高度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对所述雷达回波信号中的直流漂移量进行去除，得到第一回波信号这一步骤，其具体包括：

对所述雷达回波信号进行叠加后除以采样点数，得到直流漂移量；

将所述雷达回波信号减去所述直流漂移量，得到第一回波信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对所述第一回波信号进行零点校正，得到第二回波信号这一步骤，其具体为：

确定所述第二回波信号中直达波的波峰位置对应的第一时间点，将所述第一时间点作为零时刻点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过下式对所述第二回波信号进行带通滤波处理：

其中，H(f)表示第三回波信号，f₁、f₂、f₃以及f₄分别表示带通滤波器的4个阈值频率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对所述第三回波信号进行增益处理，增大隐蔽缺陷位置处的信号幅值，得到第四回波信号这一步骤，其具体包括：

确定增益函数，所述增益函数为指数增益函数或线性增益函数；

根据所述增益函数对所述第三回波信号进行增益处理，得到第四回波信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对所述第四回波信号进行逆时偏移处理，得到目标雷达图像这一步骤，其具体为：

将接收波场沿时间轴的负方向外推，当完成一个时间步长的外推，根据预设的成像条件将当前时刻的接收波场与预先存储的对应时刻的波源场进行一次成像，将得到的成像值累加到成像剖面，直至接收波场外推完成，得到目标雷达图像。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对所述第四回波信号进行逆时偏移处理，得到目标雷达图像这一步骤之后，还包括以下步骤：

调整所述目标雷达图像的横纵比例，使得所述目标雷达图像中的信号特征能够明显分辨。

本发明的有益效果是：本发明一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统及其检测方法，通过缺陷模拟组件可以实现多种不同类型的地下隐蔽缺陷的模拟，通过设置在雷达滑轨上的探地雷达可以对地下隐蔽缺陷进行探测，同时可通过在雷达滑轨上滑动调整探地雷达的探测方位，通过信号处理组件对探地雷达接收到的雷达回波信号进行处理提取出对应不同地下隐蔽缺陷的雷达信号特征。本发明通过缺陷模拟和雷达回波信号的处理可以准确分析盾构隧道管片背后的隐蔽缺陷类型，可以解决现场盾构隧道壁后缺陷无法验证检测结果的问题，可以快速、准确提供盾构隧道壁后缺陷偏移成像结果，可以对多种不同地下隐蔽缺陷条件下的雷达信号特征进行提取，以便于后续对地下隐蔽缺陷和结构表观病害的检测研究，以及后续在实际应用中根据探测到的雷达信号进行地下隐蔽缺陷的识别。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的地下隐蔽缺陷模拟检测系统的检测方法的步骤流程图；

图3(a)为本发明第一实施例提供的未经过偏移处理的探地雷达剖面图；

图3(b)为本发明第一实施例提供的经过传统偏移处理后的探地雷达剖面图；

图3(c)为本发明第一实施例提供的经过逆时偏移处理后的探地雷达剖面图；

图4(a)为本发明第二实施例提供的未经过偏移处理的探地雷达剖面图；

图4(b)为本发明第二实施例提供的经过传统偏移处理后的探地雷达剖面图；

图4(c)为本发明第二实施例提供的经过逆时偏移处理后的探地雷达剖面图。

附图标记：

11、盾构隧道管片；21、雷达滑轨；22、探地雷达；31、第一侧墙；32、第二侧墙；33、底面；34、石英砂；35、管道；36、砂浆；37、隐蔽缺陷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。

参照图1，本发明实施例提供了一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统，包括：

扇环形隧道，扇环形隧道包括两片盾构隧道管片11；

探地雷达组件，探地雷达组件包括雷达滑轨21和探地雷达22，雷达滑轨21设置在扇环形隧道的内侧，探地雷达22安装在雷达滑轨21上；

缺陷模拟组件，缺陷模拟组件位于扇环形隧道的外侧，缺陷模拟组件包括第一侧墙31、第二侧墙32以及底面33，第一侧墙31、第二侧墙32、底面33以及扇环形隧道之间形成腔体，腔体内填充有石英砂34，石英砂34用于设置隐蔽缺陷37，石英砂34内埋设有若干个管道35，管道35用于模拟埋地管道工况，第一侧墙31远离腔体的一侧敷设有砂浆36，砂浆36用于模拟裂缝工况，第二侧墙32中设有多个钻孔，钻孔用于插入钢筋以模拟钢筋混凝土结构；

信号处理组件，信号处理组件用于处理探地雷达22接收到的雷达回波信号，从而确定不同地下隐蔽缺陷条件下的雷达信号特征。

具体地，本发明实施例的扇环形隧道包含了两片1：1的真实盾构隧道管片11，可模拟最接近实际情况下的构隧道隐蔽缺陷，后续试验过程中还可以人为破坏其中一片管片，研究管片内部损伤(裂隙、掉块和渗漏)引起的雷达图像变化；第一侧墙31用于模拟裂缝工况，墙体外侧涂抹40mm厚砂浆36，并设置裂缝，通过对裂缝的探测和回波信号处理，可以研究基于深度学习的混凝土裂缝智能识别算法；第二侧墙32的墙体中预留两排间距为5cm的钻孔，后续可插入不同间隔的钢筋(5cm,10cm,15cm,20cm,25cm和30cm)，对研究各类基础设施钢筋混凝土结构的探地雷达检测具有重要意义。

进一步作为可选的实施方式，管道35包括燃气管道、输水管道以及电力管道。

具体地，在石英砂中埋设不同类型的管道(燃气管道、输水水管和电力管道等)，可对不同管道内部和外部缺陷的信号特征进行探测和研究。

本发明的相关原理如下：

电磁波的反射系数公式为：

其中，r为反射系数，ε₁、ε₂分别为两种物质的介电常数。

由上述公式可知：1)两种物质电磁属性相差越大,其反射率越高,越容易接收到目标的反射信号；2)通过电磁波回波的相位属性可以大致推断反射界面的性质；电磁波从高速介质进入低速介质,以及从介电常数小的介质进入介电常数大的介质时,反射系数为负,此时反射波与入射波相位特征相反,透射波相位不发生变化。即雷达波从介电常数小进入介电常数大的介质时,从高速介质进入低速介质时,从光疏进入光密介质时,反射系数为负,即反射波振幅反向。反之,从低速进入高速介质,反射波振幅与入射波同向。

雷达天线的中心频率f按如下公式确定：

其中，d为盾构隧道管片厚度(m)；t为双程旅行时间(ns)；X为雷达天线空间分辨率(m)；ε为相对介电常数，引用规范TB 10223-2004中计算公式为：

雷达天线空间分辨率是指：两个目标物在雷达荧光屏上产生的回波能够区分开的最小实际距离，根据对检测精度的需要，取0.01-0.1m；

双程旅行时间t是指：电磁波从雷达天线发出穿过介质到达目标体并从目标体反射回雷达天线这一过程的时间，即电磁波从盾构隧道管片的一面穿过盾构隧道管片的厚度并返回的时间。

以上是对本发明实施例的系统结构和相关原理进行了说明，下面对本发明实施例的检测方法进行说明。

参照图2，本发明实施例提供了一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统的检测方法，用于通过上述地下隐蔽缺陷模拟检测系统执行，包括以下步骤：

S101、通过缺陷模拟组件模拟实现地下隐蔽缺陷，并通过探地雷达接收雷达回波信号；

S102、通过信号处理组件对雷达回波信号进行处理，提取出雷达信号特征；

对雷达回波信号进行处理，提取出雷达信号特征这一步骤，其具体包括：

A1、对雷达回波信号中的直流漂移量进行去除，得到第一回波信号；

A2、对第一回波信号进行零点校正，得到第二回波信号；

A3、对第二回波信号进行带通滤波处理，去除掉高频噪声和低频噪声，得到第三回波信号；

A4、对第三回波信号进行增益处理，增大隐蔽缺陷位置处的信号幅值，得到第四回波信号；

A5、对第四回波信号进行逆时偏移处理，得到目标雷达图像；

A6、根据目标雷达图像提取出雷达信号特征。

本发明实施例通过缺陷模拟和雷达回波信号的处理可以准确分析盾构隧道管片背后的隐蔽缺陷类型，可以解决现场盾构隧道壁后缺陷无法验证检测结果的问题，可以快速、准确提供盾构隧道壁后缺陷偏移成像结果，可以对多种不同地下隐蔽缺陷条件下的雷达信号特征进行提取，以便于后续对地下隐蔽缺陷和结构表观病害的检测研究，以及后续在实际应用中根据探测到的雷达信号进行地下隐蔽缺陷的识别。

进一步作为可选的实施方式，检测方法还包括确定探地雷达中心频率和天线高度的步骤，其具体包括：

B1、将探地雷达设置在扇环形隧道的内侧，将金属板设置在扇环形隧道的外侧，并紧贴盾构隧道管片设置；

B2、在时间触发模式下，通过探地雷达持续采集第一测试信号；

B3、移除金属板，通过探地雷达持续采集第二测试信号；

B4、根据第一测试信号的平均幅值和第二测试信号的平均幅值确定金属板反射信号；

B5、在不同中心频率和/或不同天线高度条件下重复上述步骤，对比得到的金属板反射信号，并选取出幅值最大的金属板反射信号对应的中心频率和天线高度。

具体地，在进行检测之前，需要选取合适的中心频率及合适的天线高度，本发明实施例利用自主发明的金属板反射探测法来选取合适探测主频的天线及合适的天线高度，具体过程为：将探地雷达置于管片上侧，将金属板置于管片另一侧，并紧贴管片；在时间触发模式下，探地雷达在管片后有金属板的情况下持续采集数据，保持雷达触发情况下移除金属板，在壁后无金属板情况下继续采集数据，直至采集结束；取出有、无金属板各一道数据作差值，所得差值即为金属板反射信号，其中，具体做法为抽取相关性高的信道数据后取平均值；在时域和频域下，对比不同中心频率的天线及合适的天线高度得到金属板反射信号的幅值大小，幅值越大则代表穿透能量越大，选取幅值最大的金属板反射信号对应的中心频率和天线高度。

进一步作为可选的实施方式，对雷达回波信号中的直流漂移量进行去除，得到第一回波信号这一步骤A1，其具体包括：

A11、对雷达回波信号进行叠加后除以采样点数，得到直流漂移量；

A12、将雷达回波信号减去直流漂移量，得到第一回波信号。

具体地，探地雷达原始数据中存在直流漂移量属于无效信息，会对后续处理造成较大干扰，因此需要消除或抑制直流漂移量。本发明实施例通过将每道数据叠加后除以采样点数得到均值，然后将每道数据都减去该均值，具体公式如下：

式中，X′(n)表示去直流后的第一回波信号，X(n)表示去直流前的雷达回波信号，N为采样点数，n为信道数。

进一步作为可选的实施方式，对第一回波信号进行零点校正，得到第二回波信号这一步骤A2，其具体为：

确定第二回波信号中直达波的波峰位置对应的第一时间点，将第一时间点作为零时刻点。

具体地，通过零点校正使得零点位置为管片表面位置。在实际勘探中，需要提供GPR数据一个固定明确的参考作为零时刻点，该点表征勘探的深度零点，从而能够准确地探测目标的实际深度。造成零时刻点不同的主要因素包括：雷达的传输电缆长度不同、空气耦合因素以及天线抖动等外部原因。本发明实施例通过选择信号中直达波的正波峰或是负波峰位置，去除该位置以上的信号部分，将该位置作为零时刻点。

进一步作为可选的实施方式，通过下式对第二回波信号进行带通滤波处理：

其中，H(f)表示第三回波信号，f₁、f₂、f₃以及f₄分别表示带通滤波器的4个阈值频率。

具体地，频域用于描述信号的频率特性，时域信息通过傅里叶变换等时频变换方法能够得到频域信息，从频域分析能够有助于从一个角度分析信号的有效性。而带通滤波是在频域中设置一个滤波窗口，使得高于某个频率和低于某个频率都被去除，从而能够保留下有效频段，提高信噪比。本发明实施例通过正弦函数的平方作为镶边函数来有效避免吉布斯现象(即相邻子图像数据在各个边界上不连续)，镶边后的带通滤波器为如下表达式：

式中，f₁、f₂、f₃以及f₄为滤波器的4个阈值频率(单位：MHz)。其中，低于f₁的频率信号和高于f₄的频率信号被完全过滤，在f₂和f₃之间的频率信号将完整保留下来。

进一步作为可选的实施方式，对第三回波信号进行增益处理，增大隐蔽缺陷位置处的信号幅值，得到第四回波信号这一步骤A4，其具体包括：

A41、确定增益函数，增益函数为指数增益函数或线性增益函数；

A42、根据增益函数对第三回波信号进行增益处理，得到第四回波信号。

具体地，由于电磁波的色散特性和扩散损耗，探地雷达信号在介质中传播会不断地衰减，衰减的强度与介质的电导率相关。电导率越高，电磁波的损耗越大。由于增益处理会把目标信号放大的同时把干扰信号也放大，因此该处理步骤一般放在其他处理步骤之后进行。通过增益处理，可以有效放大来自地下深处的电磁波反射信号，使目标成像更加明显。常用的增益处理方式有两种：线性增益和指数增益。与线性增益相比，指数增益用于探测深部目标，对底部目标要求较大的增益补偿。

指数增益函数的生成方式：假设地下为均匀分布损耗介质，则理论上深度为r的探地雷达脉冲波振幅A为：

式中，A₀为无损耗的回波幅值；1/r为脉冲电磁波转播过程中的扩散因子；β为介质的吸收系数；t为回波的传播时间。则回波的原始振幅A₀：

A₀＝Are^βt

若v是有介质中电磁波传播速度，将深度r＝vt代入上式可得：

A₀＝Avte^βt

由上式可知，若已知地下介质一些有效信息，则可以构建出增益函数

W_e＝vte^βt

线性增益函数的生成方式：分段划分时窗，令相邻的时间段有半个小时的重叠，t1、t2为某时窗的起止时间，时窗的点数为N，平均振幅为：

将A(i)作为增益权值赋给其中心点，而时窗中其他点的权值则可以使用线性插值得到，各点连接起来为权值函数。将各权值函数取倒数并乘以一定系数后，可得到增益函数W_i。

增益的目的是通过人为增加信号衰减补偿来区分更有效的地下信息，从而使地下介质的分布边界更加明显。其公式如下：

Y′(n)＝Y(n)*k

式中，Y′(n)表示增益后的第四回波信号，Y(n)表示增益前的第三回波信号，其中n表示其中一条信道的编号，k为增益函数。

进一步作为可选的实施方式，对第四回波信号进行逆时偏移处理，得到目标雷达图像这一步骤A5，其具体为：

将接收波场沿时间轴的负方向外推，当完成一个时间步长的外推，根据预设的成像条件将当前时刻的接收波场与预先存储的对应时刻的波源场进行一次成像，将得到的成像值累加到成像剖面，直至接收波场外推完成，得到目标雷达图像。

具体地，本发明实施例通过逆时偏移处理能够有效地对目标信号进行高精度成像。逆时偏移技术应用于雷达成像，是基于以下的电磁波波动方程：

式中

为电场强度，μ为磁导率，ε为介电常数。

逆时偏移的主要流程包括激励源波场的正演模拟、接收波场的逆时外推和成像条件的应用。接收波场的逆时外推是波的逆时传播过程，沿时间轴的负方向递推，每完成一个时间步长的外推，则根据一定的成像条件，将该时刻的波场与预先存储的正演模拟中对应时刻的波场进行一次成像，得到的成像值累加到成像剖面，直到波场外推过程完成就可以得到最终的偏移成像剖面。常用的成像条件为叠前逆时偏移互相关成像条件，其数学表达式为：

式中S为激励源波场，R为接收波场，t和Tx_i分别表示时间和炮数。这种成像条件实际是利用发射波场和接收波场的互相关。

如图3(a)所示为本发明第一实施例提供的未经过偏移处理的探地雷达剖面图，其中管片内部的钢筋产生了较强的反射，可以分辨圆形和矩形空洞的反射信号，但无法根据这些反射来推断空洞的形状。如图3(b)所示为本发明第一实施例提供的经过传统偏移处理后的探地雷达剖面图，空洞位置的反射信号获得了增强，但成像精度仍然较低。如图3(c)所示为本发明第一实施例提供的经过逆时偏移处理后的探地雷达剖面图，可以清楚分辨出空洞所在的位置，并且圆形空洞和矩形空洞有不同成像的特征，矩形空洞存在有较强的多次反射。

如图4(a)所示为本发明第二实施例提供的未经过偏移处理的探地雷达剖面图，其中管片内部的上层钢筋产生了较强的反射，导致只能勉强分辨注浆层分界面，并且无法识别圆形空洞的位置。如图4(b)所示为本发明第二实施例提供的经过传统偏移处理后的探地雷达剖面图，注浆层界面的反射信号获得了增强，但依然难以分辨空洞的位置。如图4(c)所示为本发明第二实施例提供的经过逆时偏移处理后的探地雷达剖面图，可以清楚分辨出注浆层的分界面，同时能辨识空洞所在的具体位置。

进一步作为可选的实施方式，对第四回波信号进行逆时偏移处理，得到目标雷达图像这一步骤A5之后，还包括以下步骤：

调整目标雷达图像的横纵比例，使得目标雷达图像中的信号特征能够明显分辨。

与现有技术相比，本发明实施例具体以下优点：

(1)可以准确分析盾构隧道管片的背后隐蔽缺陷类型。本发明的扇环形隧道由2个管片拼装而成，该隧道管片与侧墙和底面之间的空腔可设置多个用于模拟各种不同缺陷的缺陷区；的其中一个管片还可设有裂缝缺陷，用于模拟含裂缝缺陷隧道管片的电磁波响应特征。本发明通过多个隐蔽缺陷来构成各种典型工况，通过填充石英砂模拟实际管片背后复杂的土体效果，并用雷达测试，获取典型数据，以供分析和比较，从而可准确分析盾构隧道管片的背后缺陷类型。

(2)可以快速提供盾构隧道壁后缺陷偏移成像结果。使用本发明提出的检测方法，可以极大程度上快速提高成像结果，对比传统的偏移处理技术，可以准确分辨隐蔽缺陷所在的具体位置。

(3)可以解决现场盾构隧道壁后缺陷无法验证检测结果的难题。由于本发明通过构建隧道管片模型进行模拟，可准确分析盾构隧道管片的背后缺陷类型(管片背部裂缝、管片脱空、管片空洞、注浆不密实)，通过数据处理及逆时偏移，可对缺陷进行准确成像，从而可解决无法大量验证盾构隧道检测成果的难题。

(4)结构可靠。本发明用砖砌隔墙构造管片外缺陷区，并可以灵活更换缺陷区的填充物质；结构外部设置便携式雨棚，防止室外降雨影响试验结果。

(5)结构多功能。本发明所用隔墙可以同时实现探测不同管道内部和外部缺陷的雷达信号特征；采集高精度裂缝图像，制作裂缝数据库。侧墙内部可以同时在盾构隧道壁后设置不同缺陷；设置不同类型的管道，探测不同管道内部和外部缺陷的信号特征。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。上述方法可以使用标准编程技术—包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。上述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，上述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所描述步骤的指令或程序时，本文所描述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所描述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所描述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统，其特征在于，包括：

扇环形隧道，所述扇环形隧道包括两片盾构隧道管片；

探地雷达组件，所述探地雷达组件包括雷达滑轨和探地雷达，所述雷达滑轨设置在所述扇环形隧道的内侧，所述探地雷达安装在所述雷达滑轨上；

缺陷模拟组件，所述缺陷模拟组件位于所述扇环形隧道的外侧，所述缺陷模拟组件包括第一侧墙、第二侧墙以及底面，所述第一侧墙、所述第二侧墙、所述底面以及所述扇环形隧道之间形成腔体，所述腔体内填充有石英砂，所述石英砂用于设置隐蔽缺陷，所述石英砂内埋设有若干个管道，所述管道用于模拟埋地管道工况，所述第一侧墙远离所述腔体的一侧敷设有砂浆，所述砂浆用于模拟裂缝工况，所述第二侧墙中设有多个钻孔，所述钻孔用于插入钢筋以模拟钢筋混凝土结构；

信号处理组件，所述信号处理组件用于处理所述探地雷达接收到的雷达回波信号，从而确定不同地下隐蔽缺陷条件下的雷达信号特征。

2.根据权利要求1所述的一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统，其特征在于：所述管道包括燃气管道、输水管道以及电力管道。

3.一种地下隐蔽缺陷模拟检测系统的检测方法，用于通过如权利要求1至2中任一项所述的地下隐蔽缺陷模拟检测系统执行，其特征在于，包括以下步骤：

通过缺陷模拟组件模拟实现地下隐蔽缺陷，并通过探地雷达接收雷达回波信号；

通过信号处理组件对所述雷达回波信号进行处理，提取出雷达信号特征；

所述对所述雷达回波信号进行处理，提取出雷达信号特征这一步骤，其具体包括：

对所述雷达回波信号中的直流漂移量进行去除，得到第一回波信号；

对所述第一回波信号进行零点校正，得到第二回波信号；

对所述第二回波信号进行带通滤波处理，去除掉高频噪声和低频噪声，得到第三回波信号；

对所述第三回波信号进行增益处理，增大隐蔽缺陷位置处的信号幅值，得到第四回波信号；

对所述第四回波信号进行逆时偏移处理，得到目标雷达图像；

根据所述目标雷达图像提取出雷达信号特征。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括确定探地雷达中心频率和天线高度的步骤，其具体包括：

将探地雷达设置在扇环形隧道的内侧，将金属板设置在扇环形隧道的外侧，并紧贴盾构隧道管片设置；

在时间触发模式下，通过探地雷达持续采集第一测试信号；

移除金属板，通过探地雷达持续采集第二测试信号；

根据所述第一测试信号的平均幅值和所述第二测试信号的平均幅值确定金属板反射信号；

在不同中心频率和/或不同天线高度条件下重复上述步骤，对比得到的金属板反射信号，并选取出幅值最大的金属板反射信号对应的中心频率和天线高度。

5.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述对所述雷达回波信号中的直流漂移量进行去除，得到第一回波信号这一步骤，其具体包括：

对所述雷达回波信号进行叠加后除以采样点数，得到直流漂移量；

将所述雷达回波信号减去所述直流漂移量，得到第一回波信号。

6.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述对所述第一回波信号进行零点校正，得到第二回波信号这一步骤，其具体为：

确定所述第二回波信号中直达波的波峰位置对应的第一时间点，将所述第一时间点作为零时刻点。

7.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，通过下式对所述第二回波信号进行带通滤波处理：

其中，H(f)表示第三回波信号，f₁、f₂、f₃以及f₄分别表示带通滤波器的4个阈值频率。

8.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述对所述第三回波信号进行增益处理，增大隐蔽缺陷位置处的信号幅值，得到第四回波信号这一步骤，其具体包括：

确定增益函数，所述增益函数为指数增益函数或线性增益函数；

根据所述增益函数对所述第三回波信号进行增益处理，得到第四回波信号。

9.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述对所述第四回波信号进行逆时偏移处理，得到目标雷达图像这一步骤，其具体为：

将接收波场沿时间轴的负方向外推，当完成一个时间步长的外推，根据预设的成像条件将当前时刻的接收波场与预先存储的对应时刻的波源场进行一次成像，将得到的成像值累加到成像剖面，直至接收波场外推完成，得到目标雷达图像。

10.根据权利要求9所述检测方法，其特征在于，所述对所述第四回波信号进行逆时偏移处理，得到目标雷达图像这一步骤之后，还包括以下步骤：

调整所述目标雷达图像的横纵比例，使得所述目标雷达图像中的信号特征能够明显分辨。

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