探地雷达连续测量模式下触发方式讨论

许泽善，蔡俊雄，戴泉水，唐发伟，熊秀权

(1.四川省建业检验检测股份有限公司，四川 成都 610213；2.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518022;3.福建省建筑工程质量检测中心有限公司 厦门分公司，福建 厦门 361011)

1 引 言

在隧道衬砌检测应用中，多数情况下进行数据采集是采用时间触发模式，其好处是一直以相同的时间间隔进行数据采集，操作简单且可避免漏采。但采用此模式的检测结果对天线移动速度要求很高，如果速度不均匀会导致检测结果与实际偏差较大，甚至造成误判、漏判，导致在验证缺陷时钻芯位置不准，造成了人力物力的浪费[1,2]。采用距离触发模式，是以固定的道间距进行数据采集的，这样可以避免由于天线移动速度不均而导致空间采集间隔不同，即道间距不等而产生的雷达图像失真及对探测目标定位的距离错误。隧道检测环境差，天线移动速度不均匀，时间触发模式下的数据标间道数差别很大，为了使整条测线数据具有相同的道间距，需进行距离归一化处理。距离归一化的作用是使所有相邻标间的道数固定统一[3],即通过已知的标间距转换为固定的道间距。在距离触发模式下，由于测距轮的跳动、磨损等均会造成误差，为避免累计误差，同样需要做距离归一化处理。

2 探地雷达数据采集模式与触发方式

目前工程检测应用中探地雷达的数据采集方法主要是反射剖面法[4]，数据采集模式有连续测量模式与离散测量模式，连续测量模式下有两种触发方式，即时间触发与距离触发[5]。离散测量模式通常采用“按键”方式触发[6]。

2.1 时间触发方式

探地雷达的时间触发模式是每隔设定的时间间隔采集一道数据，由于数据采集时雷达天线的移动速度不确定，故无法自动标记里程位置，因此采用时间触发模式进行隧道衬砌检测时，为了保证各测点的位置和隧道里程相对应，必须要进行距离标注，一般每隔5 m在测线上做一个标记，并标明桩号，在检测时每到一个标记处，相应在采集界面上打标一次[7]。

2.2 距离触发方式

距离触发方式也叫测距轮触发方式[8]，即每隔设置好的固定距离采集一道数据，它的采集由测距轮转动触发，具有道间距固定，距离准确的优点，但如果道间距设置过小，需要控制采集速度，速度过快容易造成数据道漏采。一般采用测距轮模式时,为了避免测距轮里程的累积误差，同样需要采用现场打标的办法进行距离标定[9]。

3 实验模拟

3.1 实验方法

为了更容易控制采集速度，实验对象为某办公楼楼板，如图1所示，楼板施工缝间距为4.6 m，选择两块长度相同且相邻的楼板，第一个楼板主要用来调节初始采集速度，第二块楼板为实测对象。

图1 实验现场布置

本次利用两块楼板的三条施工缝，从左向右分别为施工缝1、施工缝2、施工缝3，以每个施工缝作为一个打标点，同时为了在雷达图像准确反映施工缝2和3的位置，在施工缝2和3处分别沿缝的方向平行放一个钢尺。在施工缝2右侧200 cm处放置一块长81 cm、宽52 cm的铁板模拟为隧道衬砌中的缺陷，如图2所示，因为铁介质的趋肤效应会对电磁波产生全反射[10]，所以能够在雷达图像上清晰判断铁板的位置和大小，四条测线采用相同的采集长度，相同的方向，走相同的位置，都从钢板正上方经过，而采用不同的触发方式和速度，为了消除一些随机误差，每条测线采5次，并计算铁板长度和铁板前沿至施工缝2的距离值，最后分别对5次距离值求平均。通过对比各测线雷达图像中铁板的长度和位置来对两种触发方式进行评价。

3.1.1 实验一

实验一主要讨论天线移动速度不均匀对时间触发方式和测距轮触发方式的影响，本次实验共采集四条测线，测线1和测线2用距离触发方式，测线3和测线4用时间触发方式，测线1和测线3采用相同的速度调整方式，测线2和测线4采用相同的速度调整方式，如表1所示。

表1 采集参数

从图3、图4、图5、图6四张原始图像可以看出，采用距离触发方式下的两张图像基本一致，而采用时间触发方式的两张雷达图像中钢板的位置和大小明显改变，且相差较大。

图3 测线1原始图像

图4 测线2原始图像

图5 测线3原始图像

图6 测线4原始图像

为使图像距离均匀标准，对四条测线数据进行距离归一化处理[11]，设置道间距0.01 m，如图7、图8、图9、图10所示。

图7 测线1距离归一化

图8 测线2距离归一化

图9 测线3距离归一化

图10 测线4距离归一化

3.1.2 实验二

实验二讨论时间触发方式下天线走走停停对雷达图像的影响，本次实验共采集三条测线，分别为测线5、测线6、测线7，三条测线速度相同，约5 km/h，测线5是在铁板前暂停约1秒钟，测线6在铁板上暂停约1秒钟，测线7在铁板后暂停约1秒钟，如表2所示。

表2 采集参数

在隧道衬砌检测过程中，经常会遇到各种状况导致检测车辆走走停停的情况，在标间距内车辆暂停位置不一样对解释结果的影响也不同，以下为三条测线的原始图像，如图11、图12、图13所示。

图11 测线5原始图像

图12 测线6原始图像

图13 测线7原始图像

由图11～图13可看出，当暂停位置在缺陷上方时，会使解释结果明显偏大。以下为3条测线距离归一化后图像，设置道间距0.01 m，如图14、图15、图16所示。

图14 测线5距离归一化

图15 测线6距离归一化

图16 测线7距离归一化

3.2 实验结果统计分析

从表3可以看出，距离触发方式下速度的变化对检测结果影响不大，但时间触发方式下两种变速模式下的结果与实际偏差较大；在时间触发方式下，检测时不管在哪个位置出现暂停，对病害的位置和大小都有较大影响。

表3 实验结果统计

3.3 实验不足处

本次实验模拟隧道衬砌检测中速度不均匀对时间触发方式和距离触发方式数据结果的影响，为了更准确地控制速度，实验场地选择在室内，但仍有以下缺陷无法克服：

1)雷达本身的距离精度，本次使用的矿大雷达在距离上的精度是10 cm，而本次使用的铁板长度81 cm，计算精度均为1 cm；

2)天线移动速度由人拉控制，每条测线的速度难把控，测线1和测线3、测线2和测线4的采集速度很难控制到完全相同，测线5、测线6、测线7三条测线的速度很难控制完到全相同；

3)实际检测中标间距一般为5 m，本次标间距为4.6 m。

4 结 论

从本实验可看出，当天线移动速度不均时，在时间触发方式下，铁板的位置和长度与实际偏差较大，而在距离触发方式下基本与实际相符。

在在建隧道衬砌检测过程中，由于道路平整度差、障碍物多等因素干扰，容易造成车速不均匀，甚至走走停停，如果采用时间触发方式会大大降低检测结果的评价效果，而采用距离触发方式不仅避免了时间触发方式下可能造成的位置和大小的问题，还有以下优点：

1)距离触发方式采用相同的道间距采集数据，对判断钢筋、钢架间距非常准确；

2)在隧道复杂的检测环境中，距离触发避免了时间触发方式下随检测车的走走停停而产生的频繁启停操作；

3)标间道数基本相同，后期做距离归一化处理对距离影响小。

根据实验结果可知在隧道衬砌检测时，应尽量采用距离触发方式，尤其在检测车速控制难度太大时不宜使用时间触发方式。

致谢：感谢中国石油大学(北京)地球物理学院博士田行达、中国石油大学(华东)地球科学与技术学院博士简世凯、南方科技大学理学院地球与空间科学系博士袁士川对本人的论文支持与帮助及吉林大学王者江老师的指导。