实时三维频率步进式探地雷达技术介绍及应用案例分析
◆最快的步进频率雷达:利用数字频率信号源, 可以产生0.5-10 毫秒的扫描周期,一个同相接收机,使得整个扫描周期(一般为几个毫秒)100%可被有效利用。
◆天线阵技术,可容纳21个天线阵子:覆盖范围从100MHz 到3GHz。
实际工作时,用户无需更换天线就可采集从100MHz 到3GHz频率的数据。
◆CMP(共中点)采集模式:这套系统可以设置为CMP(共中点)采集模式,可实时显示各层的厚度和对应的介电常数,并基于路基材料的介电常数与其密实度,含水量的相关曲线,评定路基质量。
◆空前的区域勘察速度(工作效率):极其高的勘察效率和有效的采样方法使得 GeoScope TM采用2.4m天线阵可以以80km/h车速提供7.5×7.5cm网格完全三维图像。
生产效率高达20亩/小时。
◆数据采集过程中的三维实时显示技术:浏览器即可调用采集数据,实现实时三维显示(包括横向剖面、纵向剖面,水平切面)。
◆软件处理能力超强:完整而快速的进行数据后处理,可加入注解及地理图像,且可以进行二次开发。
挪威3D-Radar公司成立于2001年,为国防、航空和安全高技术产品全球制造商——美国Chemring Sensors and Electronic Systems (Chemring SES)集团的子公司。
3D-Radar公司拥有高质量三维雷达技术,从传统的脉冲信号雷达转为新的频率步进雷达,且具有丰富的GPR数据处理经验。
与市场上广泛使用的单通道脉冲式探地雷达系统相比,挪威3D-Radar公司的GeoScopeTM三维探地雷达系统具有如下特点:
频率步进雷达技术、实时三维显示、多通道天线阵技术、软件超强的处理能力
应用领域:
◆公路检测:面层厚度和质量、垫层和基层、桥梁检测 (脱空/剥离)
◆桥梁面板检测
◆铁路路基检测:垫层厚度和质量、基层、电缆和管道
◆机场跑道检测:沥青层厚度和质量、基层、脱空、电缆和管道
◆地下公用设施 (管线/电缆):地下公用设施
◆考古
◆地雷和未爆炸物探测
●频率步进的雷达技术
频率步进探地雷达是一种工作频率以阶梯方式步进的连续波雷达,在一个扫描周期内雷达发射的信号频率从起始频率fstart以频率间隔f逐步上升到终止频率fstop,其工作带宽B和f分别为:B=fstop-fstart,f= B/(N-1)其中N为步进的频率点数。
GeoScope TM探地雷达是目前市场上最快的步进频率雷达。
利用数字频率信号源替代传统的锁相循环技术, GeoScope TM可以产生0.5-10 毫秒的扫描周期,其中包含了多达1500个从100MHz 到3GHz 不同频率的频率信号。
步进频率雷达有一个同相接收机,这意味着整个扫描周期(一般为几个毫秒)100%可被有效利用,而通过频闪观测采样对比,脉冲式探地雷达明显有能量损失。
步进频率技术优势如下:
▶ 100%有效的扫描时间。
▶可编程频率范围控制整个频谱。
▶针对不同测试应用,采用不同的频率范围。
如果某类土质对雷达波衰减很大,而低分辨率又能满足测试要求时,无需在高频段浪费能量。
▶原始数据以频率数据存储。
用户可以使用不同频率加权对数据重新处理,以便突出感兴趣的特征。
同时,还能对数据进行频域吸收分析处理。
▶频域数据非常适合FK偏移处理,以便获得更好的图像。
▶步进频率信号是低峰值功率信号,其他无线电波对它的干扰小。
▶由于系统的自检定,系统内时间没有漂移,建少热机时间。
●数据采集过程中的三维实时显示技术
GeoScope TM采用先进的采集控制技术,电脑无需预装采集软件,电脑只要打开浏览网页即可调用固化在主机里的采集设置。
实现实时三维显示(包括横向剖面、纵向剖面,水平切面),具有国际领先水平。
●天线阵技术,可容纳21个天线阵子
GeoScope TM探地雷达被设计为可操作含有多对电子扫描天线振子. 其中每对天线振子被顺序扫描. 这种独特的天线系统是由一对一对的蝶型单极天线组成。
这种类似单基天线结构在实际中可以当作无偏距的。
与传统的倍频探地雷达 (GPR) 天线不同, 这种超宽带的蝶型单极天线有一系列连续的频率, 其覆盖范围从100MHz 到3GHz. 实际工作时,用户无需更换天线就可采集从100MHz 到3GHz频率的数据。
作为比较, 若
用脉冲式探地雷达作相同的探测, 就需要200MHz, 400 MHz,800 MHz 和1600 MHz等不同的天线,并不停地更换。
天线振子以线形布置如图3发射与接收互相对应。
测量时,雷达按一对(发射/接收)天线阵子顺序扫描,可以一次采集获得多条扫描断面(通道)如图4。
根据不同的应用,系统可以通过编程使用天线阵的所有天线振子,以7.5 × 7.5 cm网格采集数据,从而获得真正的三维图像。
系统也可以通过编程,只利用其中一部分天线振子, 形成一个较稀疏的空间网格来进行高速勘查。
图3:天线内部阵子排列图
图4 为不同的勘探模式激活的不同个数的天线振子, 从三条断面的高速测量到高分辨率数据采集。
要得到全三维成像, 全部天线组均要激活。
图4:数据采集模式
同时,这套系统也可以设置为CMP(共中点)采集模式,即将收发天线阵列以一定的距离按中心线对称排列的一种探测手段。
基于采集到的探测数据形成探地雷达时间剖面图,在时间剖面图上标出雷达波的同向
轴追踪线,计算各层的厚度和对应的介电常数。
基于路基材料的介电常数与其密实度,含水量的相关曲线,评定路基质量。
图5. CMP共中点采集模式
3D-Radar公司最新推出特别为GeoScope MK IV雷达主机配置的DX/DXG系列天线可以同时接收两个通道的数据,勘察速度提高了一倍而不会丢失数据和数据保真度。
DX/DXG系列天线阵代表了当前GPR天线设计的最新创新。
●软件超强的处理能力——3dR Examiner分析软件
▶为控制大数据而设计:不会减少数据、可对完整数据进行后处理
▶极大地减少数据处理时间:几乎可在勘查结束后及时获得处理结果、支持自动层追踪、一条纵断面画层,可自动复制到其他断面上
▶直观的图形界面GUI:容易提取有意义的数据
▶注解功能:可输出各种地下特征的注解
▶输入/输出地理参考地图和图像:AutoCAD, Google Earth, Video
▶提供完整软件开发包文档:整合特殊算法,二次开发
3D-Radar实际工程案例分析
★3D-Radar在高速公路检测中的应用▶辽宁交通科学研究院高速公路检测现场
◆检测路段250米,可见裂缝
◆裂缝中心、裂缝两端50cm作为弯沉测点
▶检测结果:
在路面裂缝附近位置处,沥青层孔隙率偏高,基层评价结果多数为松散状态。
详见附图。
◆雷达图像
◆典型图像
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▶ CMP数据分析◆介电常数
◆评价结果
★3D-Radar在市政道路检测中的应用
▶深基坑外侧市政道路检测
路段检测长度371.6m,检测路段西侧35m附近有一处建筑工地深基坑(如图2所示),基坑内部已做支挡防护。
本次检测的目的是采用3D雷达技术对基坑外侧道路进行探测,排查道路内部是否有空洞、沉陷等情况。
▶评价结果表明:
◆检测路段雷达检测宽度及深度范围内,未见明显空洞。
◆该检测路段内沥青层与基层分界较为清晰,沥青层结构性较为完好,基层存在不同程度的松散情况。
◆检测路段范围内发现多处井盖、管线雷达影像,详情见附图。
◆典型图像。