车载式地质雷达信号敏感性测试与分析

2021-03-01雷洋王纯皎齐法琳田甜江波李耀南

铁路技术创新 2021年6期

雷洋，王纯皎，齐法琳，田甜，江波，李耀南

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081；2.中国铁路南宁局集团有限公司工务部，广西南宁 530029）

0 引言

地质雷达作为一种无损检测仪器，在铁路隧道衬砌状态检测工作中有重要的应用［1］。对于隧道衬砌检测而言，主要可检测的缺陷为不密实、空洞、含水以及脱空等，这些缺陷的发生都伴随着介质的改变，在钢筋混凝土衬砌中，会出现金属的强反射信号，地质雷达亦可有效探测钢筋与钢拱架的分布［2-3］。

因地质雷达天线普遍无法做到远距离对衬砌背后状态检测，故主流的车载模式利用检测机构支撑地质雷达天线作业。我国首台高铁隧道衬砌检测车的检测机构具备自动控制地质雷达作业的能力［4-5］，通过现场应用和检测数据分析总结可知，检测机构机械振动与检测间距的控制域等参数特性对检测数据质量影响明显，不但降低检测精度，对图像的识别造成影响，且后期的数据处理对质量提升极其有限。该类影响分析目前鲜有研究，因此对地质雷达进行动力学激振，研究衬砌检测回波信号的敏感性分析具有重要意义。

1 车载振动环境对地质雷达信号幅频的影响

基于现场检测机构实际振动检测数据，计划将激振工况在幅值0～25 mm、频率1～15 Hz范围内梯次施加。振动发生台设有安全保护控制，使系统只能在非破坏条件内施加激励，如无法施加10 mm-15 Hz的正弦曲线。

在地质雷达天线的1个发射和接收周期内，天线的垂直振动会改变被探测目标反射信号的双程走时，反映到单道波上为相位偏移，雷达回波会产生一定的信号起伏。单道波是反映地质雷达采集信号质量的最基本核心的对象，以单道波为基础，对每个工况信号单道波、单道波集合的时域及频域特征进行分析研究。天线的水平振动会引起振动周期内单道波信号的堆叠现象，从而影响信号连续性。信号分析方式主要有短时傅里叶变换（STFT）、小波变换（WT）和经验模态分解（EMD）［6-9］，以下主要以傅里叶变换进行雷达信号时频分析。

2 不同振动工况下的雷达波信号幅频特性分析

测试雷达天线安装在振动台上，其余雷达天线模拟检测机构现场运行条件串联至主机系统中。被测试的目标为移动小车式混凝土块，检测过程中匀速平移，

仿真现场检测走行，同时可使检测数据为整块线扫检测，非原点重复迭代，具有实际分析意义。伺服电机控制振动台驱动雷达天线产生不同方向、频率和振幅的振动，仿真实际现场检测因走行或调整产生时的振动工况，主要方向为垂直方向（对应于车辆环境中的径向）和水平方向（对应于车辆环境中的纵向）。以下所有工况采集的数据均为512采样点/扫描，对应时窗为40 ns。

2.1 相同振幅、相同频率和不同方向的振动激励对雷达信号的影响

在静态测试工况下，时域和频谱见图1。

图1 静态工况的时域和频谱

为了反映单道波的叠加特性，防止道提取分析的非客观特性，将测试对象的所有道集叠加在时域数据中，频谱的幅值是所有对应的单道波线性求和后的平均值。由图1可见，静态工况下，单道波叠加具有高度重合性，主频频段范围内信号比较集中，高频区和低频区均没有毛刺干扰。

2.1.1 基本时频分析

在3 Hz-20 mm工况下，水平和垂直方向的时域和频谱见图2和图3。

图2 3 Hz-20 mm水平振动工况的时域和频谱

图3 3 Hz-20 mm垂直振动工况的时域和频谱

从图2和图3可见，在主频幅值和毛刺干扰方面的情况都显示，垂直振动工况下的数据质量比水平振动工况下受到的干扰更大，垂直振动对雷达信号的影响更为严重。

2.1.2 剖面图分析

3 Hz-20 mm工况下的雷达剖面图见图4，以下所有雷达剖面图均使用相同参数进行去除零偏和增益处理，Y轴表示双程走时T，单位为ns。水平振动下的反射信号比在垂直振动下的反射信号更丰富。垂直振动下的干扰信号对深部区域有很大影响。用同样的方法比较水平振动和垂直振动下2 Hz-10 mm、3 Hz-10 mm、5 Hz-10 mm和8 Hz-5 mm的数据，得出同样的结果。由此得出结论：垂直振动对地质雷达信号的干扰明显大于水平振动。

图4 3 Hz-20 mm工况的雷达剖面图

2.2 相同振幅、相同方向和不同频率的振动激励对雷达信号的影响

2.2.1 基本时频分析

因垂直振动工况对数据质量的影响明显大于水平振动工况，以振幅为10 mm的垂直振动工况为例，对比分析1、2、3、4 Hz激励频率下的地质雷达信号频谱图（见图5）。由此得出：在相同的振动幅度条件下，振动频率增加，对应的主频幅值降低，主频带毛刺增多；振动频率越高，地质雷达信号受到的影响越大。

图5 垂直振动工况的频谱

2.2.2 剖面图分析

一个政治会议或国际会议，应该有一定的安保措施，但如果过度安保，安保半径过大，措施要求太高，就会带来大量的经济损失。损失包括两方面。一方面是大幅增加了安保成本，另一方面增加了其他人的不安全。实际上，安全这个概念是相对的。如果对一些人过于安全了，或者无端做过多安保无用功，就有可能对其他人不安全。以一个政治会议或国际会议为名打破周边居民正常生活，要求周边企业停止经营，就是这些居民生活的不安全，企业产权的不安全。所谓产权安全，就是其运营要稳定和可靠。如果有过多不可预料的因素使之停止运营，这个产权就不安全。极而言之，真正的和整体的安全，就是宪法得到遵守，民众的宪法权利受到保护。

垂直振动多工况雷达剖面图见图6，可见随着振动频率的增加，有效信号受到的影响轻微增加但仍然有效，难以分析地质雷达信号产生的敏感影响，因此有必要进一步在15 Hz范围内探索更高的激励频率对雷达信号的影响。

图6 垂直振动多工况雷达剖面图

2.2.3 敏感频率分析

10 mm以上的持续激振振幅在超过5 Hz后，会对振动台本身带来破坏风险，因此选择垂直振动统一3 mm激振下1、3、5、8、10、12、15 Hz7个工况，分析工况的数据与静态工况的数据进行对比。垂直振动多工况雷达剖面图见图7。结果表明，在1～8 Hz激励条件下，浅层和深层有效数据信号丰富；但在10 Hz及以上的振动条件下，多次反射信号明显增加，深层有效数据信号受到明显干扰。地质雷达信号的时频分析见表1，根据以上结果可推测检测数据信号对10 Hz以上的激励振动频率敏感。

图7 垂直振动多工况雷达剖面图

表1 垂直振动激励频率多种情况下的主要频谱分析

2.3 相同频率、相同方向和不同振幅的振动激励对雷达信号的影响

2.3.1 基本时频分析

垂直振动为5Hz各种工况下的时频见图8—图11。

图9 5 Hz-10 mm垂直振动工况的时域和频谱

图10 5 Hz-15 mm垂直振动工况的时域和频谱

图11 5 Hz-20 mm垂直振动工况的时频和频谱

由此可见，随着振幅的增加，信号主频幅值逐步减小，以5 mm工况为基准，10 mm工况下降4.7%，15 mm工况减小10.7%，20 mm工况下，主频带幅值降幅达到26.2%。在频谱的2～4 GHz区域，振动幅度越大，高频干扰越重。可以推断，在相同方向、相同频率、不同振幅的振动条件下，激励振幅越大，对数据质量的影响越大。

2.3.2 振动激励幅值-频率扩展分析

结合2.2节分析结果，有必要进一步分析幅值与频率对检测数据的影响权重。现对垂直振动工况下激振频率与幅值2个参数做交替改变，以进行有效对比分析。垂直振动扩展分析多工况雷达剖面图见图12，垂直振动激振频率多工况雷达波主频幅值分析见表2。

图12 垂直振动扩展分析多工况雷达剖面图

表2 垂直振动激振频率多工况雷达波主频幅值分析

结合雷达剖面图与雷达波主频幅值分析表，可统计得出：

（1）激振工况5 Hz-20 mm下的主频幅值最低，且远比其他工况低；其剖面图所见多次反射干扰非常明显，有效深部信息范围最小，数据质量很差，已无法支持隧道衬砌缺陷分析。而振动10 mm振幅及以下的数据质量总体而言均可支持有效的分析工作。

（2）当振幅幅度控制在一定范围内（小于10 mm）时，单道波主频幅值受激振频率的影响更大，尤其在10 Hz后的影响显著，例如15 Hz-2 mm激励工况下的雷达波主频幅值会弱于5 Hz-10 mm工况。当激振幅值达到15 mm时，5 Hz-15 mm激励工况下比15 Hz-3 mm等10 Hz以上的激励工况对地质雷达检测数据的不利影响都显著增高。

可以推断：垂直振动对地质雷达信号幅频稳定性存在显著不利影响的临界区域，故安全振动振幅应控制在10 mm以内，安全振动频率应控制在10 Hz以内。

3 不同检测间距下的地质雷达图像效果分析

垂直振动必然会导致地质雷达天线与隧道衬砌之间的距离发生变化。当距离不同时，雷达信号剖面图的效果也大不相同［10］。地质雷达天线装载于简易手推检测小车上，对实际隧道现场某处已知缺陷处，使用地质雷达天线在不同间距情况下对隧道衬砌该缺陷处进行检测。与隧道衬砌表面不同距离工况下所测缺陷区雷达剖面图见图13。