基于双频连续波雷达技术的木材中白蚁无损检测

马春雨 张丹 丁振东 宗楚菁

摘 要：提出了一个双频连续波雷达系统用于检测木材中的白蚁活动，建立了一个双频CW系统检测算法，利用接收信号的多普勒频移开发并测试了一个软件雷达系统，其中多普勒的变化反应白蚁的活动，同时分析了被腐蚀木材中白蚁的存活性。实验表明，通过调整木材和检测仪器的间距，对功率频谱和相位数据采集分析，结果确定木材和检测仪器的间距最小为50厘米;相位信息也是确定白蚁存在的一个重要的指标。

关键词：双频;连续波雷达;白蚁检测;多普勒;相位信息;腐蚀

Abstract：A dual frequency CW radar system is proposed to detect the activity information of termites in wood. A dual frequency CW system detection algorithm is established. A software radar system is developed and tested by using the Doppler shift of the received signal to detect termites. The Doppler variation reflects the activity information of termites. The existing activity of termites in the wood corroded by termites is analyzed， meanwhile. The experiment shows that by adjusting the distance between the wood and the detection instrument， the power spectrum and the phase data are collected and analyzed. The result shows that the distance between the wood and the detection instrument is at least 50 cm. The phase information is also an important index to determine the existence of termites.

Key words：two-frequency; CW radar; termite detection; Doppler; phase information; corrosion

在现代社会，白蚁腐蚀的木质结构是一个严重的问题;由于黑暗和潮湿的侵蚀，造成白蚁的出现，当发现白蚁存活在木材中，它已对木材造成了极大的损害。正如所知，自然的复杂性表现在任何一种形式主义或方法都不足以捕捉其所有性质，从而对正在研究的现象进行完整的描述。这就是通过分析它们的排放物来检测昆虫的情况。白蚁活动及其相关排放物的特征描述是一项艰巨的任务，因为白蚁发出的信号建模较为复杂。木材[1-2]是一种天然材料，因此有被昆虫和真菌侵蚀[3]和变质的风险。腐蚀木材已成为越来越多的研究热点，其中，无损检测技术是在不破坏原木材原始状态的条件下，将所需的目标信息准确且快速识别出来的技术[4]。

白蚁会产生某种酸，它们很容易腐蚀木头。目前，木材检测方法[5]很多，但每种方法都有其自身的缺陷。因此，白蚁腐蚀后的木材难以检测。

白蚁被列为世界性五大害虫之一，种类繁多，其危害每年造成巨大的经济损失[6]，中国地区有白蚁 41 属 473 种[7]。对目前的工作来说，最重要的是它们对人造结构的破坏是由于它们对木材和其他纤维素材料的腐蚀。白蚁可以让地球上几乎所有物品都能遭其的侵害。1989年，巴西一座被白蚁破坏的教堂屋顶倒塌，造成26人死亡，500人受伤。尽管白蚁造成了许多问题，但也应该承认，白蚁有助于在许多热带生态系统中循环养分，使土壤通气，并作为许多食虫动物的食物。白蚁的生存取决于食物、水分和温度。一般来说，白蚁的分布范围在赤道以北和以南45°到50°之间。白蚁也出现在智利的顶端，塔斯马尼亚州，喜马拉雅山海拔3000米。预测表明白蚁将继续在欧洲北部蔓延[8]。可以看出，白蚁的检测非常重要。

检测白蚁的方法有很多种，如射线、超声波、应力波等。其中，AE方法[9]是一种超声波测量（声发射）方法。然而，AE检测白蚁方法有其局限性，探测时传感器和木头必须要紧密接触。声发射的应用多用于煤岩识别[10-12]。这种方法的缺点是它不能被远程检测，因为它需要相对于雷达检测的接触传感器。由于有上千种不同的噪音，很难区分它们。非接触式X射线检测法也是检测白蚁的一种，但设备和系统比较昂贵，对于人体的辐射，这些都应要考虑。同时， 一些新的技术和设备也在尝试使用 ，如放射性同位素测定仪 、微波遥感技术 、电阻勘探技术、探地雷达、声频探测仪、气味测定仪 、红外线测定仪等[13-15]。

最近，一些研究人员认为白蚁检测方法使用的是电磁波[16-18]。该方法是在仪器与木材一定距离处检测白蚁和木材的某些特性，不仅可以进行距离检测，而且可以防止工作人员受到仪器辐射和白蚁酸腐蚀。对木材检测起到无损作用[19-22]。白蚁检测技术由检测接收信号的多普勒[23-24]频移到一个电磁波辐照在木材上[25-26]，采用这种方法是因为白蚁在木材内部活动[27]。根据检测方法，可以有效地进行非接触式感应白蚁[28-30]。此外，这种检测方法优点一是低成本;二是工作人员容易操作降低电磁波的辐射。

连续波雷达技术[31-32]主要控制连续频率。根据发射信号和回波信号的频差，根据计算得到的最終相位差，获取特定的目标信息。调频连续波（CW）雷达技术在实际应用中具有距离分辨率高等显著优点，可以保证雷达发生和接收的同时工作，避免信号接收的遗漏，使信号接收更具可持续性和针对性。在一定的噪声下，该技术还可以在较宽的范围内捕获信号带宽和脉冲雷达。一般雷达测距[33-35]应用较为广泛。信号传输功率低，安全性高，不易被截获，容易避免泄漏问题。

连续波雷达具有低功耗和简单的无线电体系结构。此外，连续波雷达还可以通过适当调整无线电前端架构来消除杂波噪声。相比其他技术而言，双频CW系统是简化的，其传输信号有两个几乎相同的频率使用时间分离方法、接收信号和发射信号。在双频CW系统中，占用频率带宽比较窄，相对于其他技术抗干扰能力比较强。此外，双频CW系统具有良好的适用性，接近目标检测，基于距离精度依赖于S/N，而不是频率带宽。

采用白蚁损害过的木材和白蚁作为目标材料进行实验，使用双频连续波的方法，继而提出了此种检测方法来检测接收信号的多普勒频移的白蚁活动，并验证检测白蚁在木材中[36]的实验，首先，解释了探测白蚁使用的双频CW系统检测原理。然后，使用了软件雷达设备对在木材中的白蚁做检测实验。

1 双频CW系统检测算法

将电磁波照射到木材上，检测木材中白蚁活动产生的接收信号，并检测白蚁。连续波雷达系统在时分模式下传输两个稍微分开的频率，由于接收器和低速信号进行处理获得高分辨率，所以考虑低成本和高分辨率选择使用雷达设备装置。由于频带比较小，很难与其他雷达产生干扰。连续波方法，根据不同需求的原则，两个目标发送的频率接收信号，所以目标距离km/h的相对速度和多个波（不同复杂的相位频率波）的复杂目标的速度测量是困难的，产生相位值的信息是错误的，将产生的是一个距离值。此外，发送连续波在所有的时间和所有的距离范围内波反射可在同一时间观察。特别是在反射装置附近有不必要的大量反射，发送和接收波的干涉系统很容易受到影响。

当电磁波辐照在木材，双频CW系统接收信号会捕捉带有白蚁的木头和捕捉木材中白蚁的位置。如图1所示，双频CW方法在一个非常窄的频段可以探测到目标的距离和速度。连续波（CW）首先传输频率f1;之后一段时间T，发送频率f2。因此，f1和f2相距一段距离，这与T和频率的波长有关。在系统的接收端，传输频率f1和f2分别的与当地的信号混合。然后，通过一个低通滤波器过滤信号，相应的信号产生可以实用以下表达式：

距离测量的理论精度取决于传输信号的频带宽度和信号能量和噪声能量之比。此外，测量精度可能会限制，如频率测量设备的精确性。电路和传输线可能引起剩余路径长度误差，多次反射和发射机泄漏也可能引起误差，频率模式的转变可能引起频率误差。

每个规律性信号的时间间隔是通过傅里叶变换转换到频域信号。如果我们已知道多普勒频率和目标速度，目标距离可以通过多普勒频率的相位差得到，如下所示：

2 白蚁探测实验

首先，给出了实验场景，寻找了一块被白蚁腐蚀的木块作为实验目标，在木块内部放入一组白蚁，每个白蚁的长度大约是6毫米，大约在这个尺寸下，我们可以检测到移动的白蚁产生的多普勒波信号。传输频率为24.15 GHz。如果白蚁移动的速度被假定为1～10 mm/s，那么多普勒频率是0.16～0.8 Hz，频谱的密度可能会增加。系统的雷达参数和规格（用于本次实验）如表1所示。发现它可以检测白蚁的存在是通过检测强度的增加。实验使用软件雷达装置图2所示，图2的（a）、（b）分别是白蚁检测系统装置和白蚁探测系统的框图。天线和木头之间的距离设置10厘米、20厘米和50厘米。选择光谱分析时间为100秒，以确保频率分辨率为0.01 Hz。通过检测该电力的上升，能够检测到白蚁的存在。

3 实验分析

展示了在普通环境噪声下和每种测试距离情况下的功率频谱图和相位差，如图3-图6。从测试数据图中，图3为普通环境的功率频谱图和相位图，即没有实验目标材料的情况下。图4～图6为有实验目标材料的情况下，图4为雷达设备与木材距离为R=10 cm时的功率频谱图和相位图，与图3相比，功率波动变大，相位差在频带-0.5 Hz至0.5 Hz内变化，可知木材中有白蚁情况得到验证。

如图5所示，在R=20 cm时，功率波动效果比R=10 cm稍微弱，相位幅度在-0.4 Hz至0.8 Hz内集中，比R=10 cm时集中强。如图6所示，当R=50 cm时，功率频谱幅度比R=20 cm时又较弱;通过观察，相位在频带为-0.5 Hz至0.5 Hz变化，集中程度较R=10 cm時和R=20 cm时都弱。

上述说明，这与白蚁在木材中相对活跃的程度有关，但在R=50 cm时，相位越来越接近普通环境下的相位噪声。可知，测试距离最好不超过50 cm。另外，如果功率的上升不是噪声等，而是来自木材中的白蚁群，则相位差值在能看到功率的上升的频率的范围内，被认为大致固定。但不同距离相位差值有明显变化。因此，在一定的频率和一定的功率范围内，相位分散指数可以确定白蚁的存在。最后，本文确定相位差的值较小时或集中时，白蚁是存在的。

4 结 论

实验选取三个具有代表性参数展示，雷达装置与目标木材之间分别为10 cm、20 cm、50 cm，通过对功率频谱和相位分析，本次实验确定本系统测试距离最好不好超过50 cm，距离越近，检测白蚁的功率谱密度越强，其中相位的集中程度说明白蚁存活性，越集中表明检测白蚁存活强度大，本实验从三组数据中说明在R=20 cm时的数据，相位集中最强，从相位角度看，三种距离中，最佳检测距离为R=20 cm。

在这项工作中，采用双频连续波系统在木材检测出白蚁的存在。24 GHz雷达设备符合预先确定低功耗无线电的标准。实验结果表明，需要足够的信号强度从木材中检测白蚁。木材和天线之间的距离（例如，至少50厘米）确定所需的信号强度。实验表明，相位信息是一个重要的指标来确定白蚁的存在。

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