探地雷達(dá)（GPR）在木材無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用中的可行性探討

邸向輝，王立海

（1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 黑龍江省森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

探 地 雷 達(dá)［1］（Ground Penetrating Radar，GPR），也稱為表層穿透雷達(dá)（Surface Penetrating Radar，SPR）或稱表層下雷達(dá)（Subsurface Radar，SSR）［2］等，是近年來(lái)國(guó)際上新發(fā)展起來(lái)的地球物理探測(cè)技術(shù)，是極具應(yīng)用前途的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一。GPR技術(shù)起源于1904年，德國(guó)人Hulsmeyer首次將電磁波信號(hào)應(yīng)用于地下金屬體的探測(cè)。1910年，Leimback和lowy以專利形式提出將雷達(dá)原理用于探地，正式提出了探地雷達(dá)的概念。20世紀(jì)70年代以來(lái)，商業(yè)化探地雷達(dá)系統(tǒng)先后問(wèn)世，促進(jìn)了探地雷達(dá)的發(fā)展與應(yīng)用［1－4］。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)70年代初開(kāi)始了對(duì)探地雷達(dá)的研究，并逐步應(yīng)用在工程實(shí)踐中［4－5］。20世紀(jì)90年代初，隨著研發(fā)水平的提高以及先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)儀器的引入，我國(guó)逐漸在工程地質(zhì)勘查、質(zhì)量檢測(cè)、地雷探測(cè)、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、考古調(diào)查、資源勘探、無(wú)損評(píng)估/探測(cè)（NDE/NDT）等眾多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用［2，6］該技術(shù)。但是，從目前的GPR研究程度以及實(shí)際工程應(yīng)用情況來(lái)看，探地雷達(dá)仍然存在很多問(wèn)題。探地雷達(dá)采用中心頻率為1～1 000MHz的高頻寬頻帶短脈沖電磁波［1］探測(cè)地下或建筑物內(nèi)的幾何形態(tài)及幾何特征。GPR技術(shù)具有勘查精度高、無(wú)損性、連續(xù)性、費(fèi)用低、檢測(cè)快、約束少、操作簡(jiǎn)單、空間分辨力高、對(duì)目標(biāo)敏感性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)［2，7］?；谶@些特點(diǎn)的GPR技術(shù)，近年來(lái)也引起了無(wú)損檢測(cè)專家學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究。在2009年J R Butnor［8］等學(xué)者將GPR技術(shù)應(yīng)用于松科活立木，并與闊葉樹(shù)的檢測(cè)效果進(jìn)行了對(duì)比研究。特別是美國(guó)TRU公司開(kāi)發(fā)研制的樹(shù)木雷達(dá)（TRU）系統(tǒng)［8］更是引起了高度的關(guān)注。

1 探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)系統(tǒng)基本組成有計(jì)算機(jī)、控制面板、發(fā)射電路、接收電路、發(fā)射天線、接收天線等，其框架圖如圖1［1］。GPR技術(shù)利用高頻寬頻帶電磁波，以脈沖形式通過(guò)發(fā)射天線定向地送入地下。電磁波在媒質(zhì)傳播過(guò)程中，遇到具有電性差異的地下目標(biāo)體時(shí)會(huì)發(fā)生反射，由接收天線接收反射波后直接傳輸?shù)浇邮諜C(jī)。信號(hào)在接收機(jī)經(jīng)過(guò)整形和放大等處理后，傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī)。通過(guò)對(duì)接收的電磁波進(jìn)行處理和分析，根據(jù)其波形、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等參數(shù)便可推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)地下目標(biāo)物［2，9］。探地雷達(dá)的發(fā)射與接收天線之間距離小，可以合二為一。當(dāng)?shù)貙拥膬A角不大時(shí)，反射波的全部路徑幾乎是垂直于地面。因此，在側(cè)線不同位置上法線反射時(shí)間的變化就反映了地下地層的構(gòu)造形態(tài)。探地雷達(dá)工作頻率高，在地質(zhì)介質(zhì)中以位移電流為主，高頻寬頻帶電磁波傳播時(shí)很少出現(xiàn)頻散，速度基本上決定于媒質(zhì)的介電性質(zhì)。應(yīng)用GPR技術(shù)進(jìn)行探測(cè)的前提是地下媒質(zhì)之間具有電性差異，即介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同。媒質(zhì)間的電磁特性差異越大，媒質(zhì)間的界面越容易識(shí)別。實(shí)際測(cè)量時(shí)，一般沿著檢測(cè)線連續(xù)或密集采樣，典型探地雷達(dá)波形如圖2所示［1］。

圖1 探地雷達(dá)基本框架圖

圖2 探地雷達(dá)波形圖

2 GPR在木材NDT的應(yīng)用理論

2.1 基本原理

根據(jù)美國(guó)TRU公司的樹(shù)木雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，GPR技術(shù)應(yīng)用于木材無(wú)損檢測(cè)中的工作原理見(jiàn)圖3和4［4］。TRU公司研制的樹(shù)木雷達(dá)（TRU）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也是因?yàn)槟静膬?nèi)部腐朽部分與健康部分存在電性差異，所以接收天線能夠接收到因界面差異而引起反射的回波，控制機(jī)記錄反射時(shí)間t，電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v為：

圖3 健康木電磁波傳播示意圖

圖4 腐朽木電磁波傳播示意圖

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度，0.3m/ns；εr為媒質(zhì)的介電常數(shù)。

利用電磁波在媒質(zhì)中的傳播速度和雙程傳播時(shí)間，可由下式推算出媒質(zhì)界面的深度h［9］：

式中：v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；t為控制機(jī)記錄的反射時(shí)間。

探地雷達(dá)應(yīng)用于木材無(wú)損檢測(cè)時(shí)，不僅檢測(cè)腐朽的有無(wú)，而且還應(yīng)該檢測(cè)腐朽目標(biāo)的幾何分布信息。為此，在將探地雷達(dá)應(yīng)用于樹(shù)木無(wú)損檢測(cè)之前，必須先知道木材的介電參數(shù)［10］。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 樹(shù)木介電常數(shù)的測(cè)量

介電常數(shù)與木材的密度、結(jié)構(gòu)取向、化學(xué)組成、溫度、所加電壓的頻率有關(guān)。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［10－13］了解，介電常數(shù)隨著頻率的增加而降低；隨著溫度增加而增加；沿著紋理方向的介電常數(shù)值比垂直方向的值高20%～50%，徑向、切向、縱向的介電常數(shù)有很大差異；恒定含水率下，隨密度增加而增加；隨著含水率的提高也會(huì)有不同程度的增加。因此，在使用數(shù)據(jù)采集、分析處理前應(yīng)該先了解木材的介電常數(shù)。為此含水率一定的木材可仿照探地雷達(dá)對(duì)地下媒質(zhì)介電常數(shù)的測(cè)量方法，即已知目標(biāo)深度法、點(diǎn)源反射體法、層狀反射體法三種方法。此處簡(jiǎn)單介紹采用已知目標(biāo)深度法來(lái)確定木材介電常數(shù)。

預(yù)先在規(guī)則的圓形木盤(pán)中心取一孔洞，已知目標(biāo)深度z為：

式中：D圓盤(pán)為圓盤(pán)直徑；d孔洞為孔洞直徑。

將雷達(dá)移至孔洞徑向木盤(pán)外側(cè)，收發(fā)天線的間距近似為直線距離l，測(cè)量雙程時(shí)間t0，根據(jù)下式即可得到木材的相對(duì)介電常數(shù)：

應(yīng)該明確的是，該測(cè)量計(jì)算值是在試驗(yàn)條件下的介電常數(shù)平均值。基于以上的多種因素影響著木材的介電特性，其只能在一定范圍內(nèi)應(yīng)用計(jì)算。由于木材的復(fù)合組分，可以綜合考慮其內(nèi)部組分的介電常數(shù)以及孔隙度的關(guān)系［14］，根據(jù)下式可推算求得木材的介電常數(shù)εr為［15－16］：

式中：εp為干燥木材的介電常數(shù)；εw為水的介電常數(shù)；εa為空氣的介電常數(shù)；SW為木材中總的水分百分含量；φ為木材總孔隙度。

2.2.2 樹(shù)木雷達(dá)掃描

探地雷達(dá)的掃描方式大致有三種：A－scan、B－scan和C－scan［2］。A－scan是位于平面內(nèi)某一位置，單通道一維數(shù)據(jù)采集，其信號(hào)反映不同位置的介質(zhì)表面與介質(zhì)內(nèi)部目標(biāo)的反射回波。B－scan是平面內(nèi)沿某一方向移動(dòng)連續(xù)掃描，二維數(shù)據(jù)采集。C－scan是在平面內(nèi)沿多條平行的測(cè)量線完成對(duì)某區(qū)域的測(cè)量，可對(duì)介質(zhì)內(nèi)部形成立體全面的掃描，其中測(cè)量線指的是采集位置按照一定間隔連成的一條線。在測(cè)量方面，探地雷達(dá)的測(cè)量方法很多，有單點(diǎn)測(cè)量、共中心點(diǎn)測(cè)量、廣角測(cè)量、連續(xù)剖面掃描測(cè)量和多天線的測(cè)量等［2］。在TRU公司的樹(shù)木雷達(dá)數(shù)據(jù)采集中使用的是C－scan、單點(diǎn)測(cè)量的方法進(jìn)行樹(shù)木內(nèi)部情況掃描，掃描的現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。試驗(yàn)室內(nèi)掃描的腐朽木雷達(dá)如圖6所示，實(shí)木余量掃描圖如圖7所示。圖中陰影部分為實(shí)木未腐朽部分；陰影與空白的邊界到中心點(diǎn)那條直線的部分為實(shí)木腐蝕部分。橫坐標(biāo)為圓周長(zhǎng)，用兩種度量方法來(lái)度量，第一排數(shù)據(jù)單位為（°）（取任意一點(diǎn)為初始點(diǎn)，記為0°，沿著原木周長(zhǎng)方向旋轉(zhuǎn)一圈即為360°）；第二排數(shù)據(jù)單位為cm，數(shù)據(jù)與各角度點(diǎn)對(duì)應(yīng)。右縱坐標(biāo)百分?jǐn)?shù)表示將木材從中心處到樹(shù)皮（即半徑）等分100份，陰影部分表示未腐朽的實(shí)木部分距樹(shù)皮的距離占半徑長(zhǎng)度的百分比。

圖5 樹(shù)木雷達(dá)掃描現(xiàn)場(chǎng)工作照片

目前對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行處理以識(shí)別地下目標(biāo)體的主要手段包括圖像識(shí)別和特征變量識(shí)別。前者是通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)二維或三維圖像的處理［16］，獲取地下目標(biāo)體的幾何特征，從而對(duì)其加以判別，處理結(jié)果一般由人工加以解釋，含有較多主觀因素；后者主要是利用探地雷達(dá)的回波信號(hào)進(jìn)行特征變量的提取，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別，特征變量的提取方法包括譜分析、連續(xù)子波變換和時(shí)頻分析等［1，2，18］。

在探地雷達(dá)的應(yīng)用中，由于地下媒質(zhì)的不均勻性和色散、干擾與雜波噪聲等，對(duì)目標(biāo)檢測(cè)與屬性的判別比較困難，是其應(yīng)用的瓶頸，同樣也給樹(shù)木雷達(dá)對(duì)腐朽及空洞的判別增加了困難，因此探地雷達(dá)中的小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、霍夫變換、能量統(tǒng)計(jì)等方法可應(yīng)用到樹(shù)木雷達(dá)圖像的解釋中，為結(jié)果的分析提供解析、解釋的科學(xué)方法［19］。

圖6 腐朽、空洞實(shí)際情況與雷達(dá)掃描圖

圖7 整個(gè)圓周長(zhǎng)的實(shí)木余量圖

3 結(jié)論

（1）探地雷達(dá)可以作為一種樹(shù)木無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)無(wú)損快速、方便簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

（2）由于木材與土壤同樣具有不均勻性和色散，使得電磁波在健康木與腐朽、空洞界面處發(fā)生的損耗、反射等在波形上可明顯識(shí)別，為木材內(nèi)部情況的解釋提供了直觀形象的說(shuō)明。

（3）將探地雷達(dá)中數(shù)據(jù)處理、分析和解釋的方法選擇性地應(yīng)用于樹(shù)木雷達(dá)圖的解釋，能夠更為準(zhǔn)確地對(duì)腐朽、空洞等進(jìn)行定位說(shuō)明。

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