用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达及方法技术

本公开提供了一种用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达及方法，本公开通过控制天线阵列系统的位置，以及各天线的位置和角度，进行大角度扫描，当扫描到强反射目标体时，记录下目标体位置；根据目标体位置和采集数据，生成包含有波形幅度、频率各脉冲周期的雷达波束控制参数，根据控制参数计算移相器的实时波控码码值及各个功率分配器的馈电幅值及天线的工作状态；控制移相器改变扫描波束的方向，对该模式所覆盖区域、目标体位置附近进行小角度精细的扫描，能够实现相控阵地质雷达波束方向精确控制与大范围扫描，进而利于隧道较深处围岩破坏或缺陷的精细探测。深处围岩破坏或缺陷的精细探测。深处围岩破坏或缺陷的精细探测。

【技术实现步骤摘要】
用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达及方法


[0001]本公开属于隧道衬砌结构病害检测
，具体涉及一种用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达及方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]地质雷达应用领域相当广泛，能够有效的解决场地勘查、线路选择、病害诊断、地质构造等多种问题。随着近些年来工程检测领域的需求的急剧增加，地质雷达成为检测中国重要工程项目安全性的有效途径。借助发射天线定向发射的高频短脉冲电磁波在地下传播，通过分析接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度，具有探测过程连续、操作方便、分辨率高等诸多优势，地质雷达可用于检测各种材料，如岩石、泥土以及人造材料如混凝土、砖、沥青等，用于确定金属或非金属管道、下水道、缆线、缆线管道、孔洞、基础层、混凝土中的钢筋及其它地下埋件的位置，用于检测不同岩层的深度和厚度，用于探测各种地质灾害等等，其广泛的应用领域，促进了地质雷达的快速发展。隧道衬砌作为指支撑和保障隧道的长期稳定和耐久性的永久结构物，必须有足够强度、耐久性和一定的抗冻、抗渗和抗侵蚀性。裂缝、脱空、空洞等病害严重威胁隧道的安全质量，导致隧道存在着安全隐患，人力检测不仅耗时耗力而且不便于发现，而地质雷达用于衬砌厚度、脱空和空洞、回填欠实在、围岩扰动等问题时均可以达到较高精确度。
[0004]专利技术人发现，由于电磁波束在围岩与混凝土复杂介质中具有很强的散射和衍射现象，传播规律极其复杂，多束电磁波的干涉特性也极其复杂，且电磁波在通过地下介质时，相较于空间介质相对均匀对空雷达，电磁波的能量衰减大、衰减快、信噪比低，这些因素严重制约了地质雷达的探测深度和精度。此外，围岩与结构的复杂性导致相控阵地质雷达进行大范围扫描时易产生旁瓣和栅瓣，严重制约了电磁波束的扫描范围和方向聚焦精度，成为相控阵地质雷达进行深部目标体精细探测的主要障碍。而这些问题和技术瓶颈恰恰就是目前制约地质雷达发展的几个核心问题。
[0005]同时，目前的地质雷达的探测深度和精度还有待提高，例如传统的单发单收地质雷达观测模式，随着探测深度的增加与信号的快速衰减，探测精度随之降低，难以实现较深处围岩破坏或缺陷的精细探测。

技术实现思路

[0006]本公开为了解决上述问题，提出了一种用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达及方法，本公开能够实现相控阵地质雷达波束方向精确控制与大范围扫描，进而利于隧道较深处围岩破坏或缺陷的精细探测。
[0007]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0008]一种用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达，包括可移动机构，所述可移动机构上设置有介质基板，所述介质基板下端设置有天线阵列系统，天线阵列系统中各个天线均连接有单独的传输线，所述天线阵列系统中的各天线分别连接有对应的移相器，使各天线相对于介质基板的位置和/或角度可调；
[0009]所述传输线的馈电点相互连接，由功率分配器连接至供电源，各天线受波束控制单元控制，所述波束控制单元用于产生移相器波控码及功率分配器的功率分配值，以控制天线发射信号的相位差和天线的馈电幅度；
[0010]所述波束控制单元与信号处理系统连接，所述信号处理系统用于接收并分析探测数据，生成雷达波束控制参数，并传输给所述波束控制单元和天线阵列系统。
[0011]作为可选择的实施方式，所述可移动机构包括壳体，所述壳体上端设置有把手，所述壳体下端设置有若干车轮，且所述壳体下端设置有开口，以供天线阵列系统上下移动，所述壳体内设置有伸缩机构，所述伸缩机构作用于天线阵列系统，能够改变所述天线阵列系统的整体位置，且所述伸缩机构配置有锁紧装置，以锁紧所述天线阵列系统相对于所述壳体的相对位置。
[0012]作为可选择的实施方式，所述天线阵列系统包括多个喇叭天线，各喇叭天线的波导管部分斜置于介质基板上方，每个喇叭天线连接一个移相器，通过改变喇叭天线的轴线夹角，形成等间距、不等轴线夹角的相控阵阵列排布方式；
[0013]各喇叭天线在介质基板上等距排布，以和介质基板几何中心为中心点，圆周分布有多组喇叭天线，在所述中心点不同距离的喇叭天线呈现不同的轴线夹角，且距离与轴线夹角具有正相关的关系。
[0014]作为可选择的实施方式，所述各传输线同轴布设，各传输线由介质基板的几何中心沿着半径扩散至边界，每一条从中心到边界的传输线都采用中心馈电的馈电方式，构成一级馈电网络；
[0015]每一条传输线的馈电点连接起来，构成二级馈电网络，由供电源经功率分配器强制馈电到各条传输线。
[0016]作为可选择的实施方式，所述波束控制单元包括子阵天线控制机和发射/接收组件，其中，发射/接收组件包括移相器、功率分配器和发射/接收模块；子阵天线控制机通过导线与波束控制单元中的其余部件连接，移相器位于射/接收模块的下一级，两者通过导线相连；子阵天线控制机用于计算出阵列中每个移相器所需的波控码值及各功率分配器对于天线单元的功率分配值。
[0017]作为可选择的实施方式，所述信息处理系统包括中央处理器、存储器和系统总线，所述中央处理器被配置对检测数据进行处理，所述存储器被配置为存储有电磁波在典型围岩与混凝土复杂介质中电磁波传播规律及对应移相器控制参数、已知天线阵列各倾斜角度所对应的指向系数及天线馈线初相补偿和非线性温度补偿值和随机馈相补偿参考值，系统总线用于接收数据。
[0018]基于上述相控阵地质雷达的工作方法，包括：
[0019]控制天线阵列系统的位置，以及各天线的位置和角度，进行大角度扫描，当扫描到强反射目标体时，记录下目标体位置；
[0020]根据目标体位置和采集数据，生成包含有波形幅度、频率各脉冲周期的雷达波束
控制参数，根据控制参数计算移相器的实时波控码码值及各个功率分配器的馈电幅值及天线的工作状态；
[0021]控制移相器改变扫描波束的方向，对该模式所覆盖区域、目标体位置附近进行小角度精细的扫描。
[0022]上述技术方案，通过建立“粗扫+细扫”的波束大角度扫描与自适应扫描新方法，形成适用于复杂工程环境的自适应相控阵观测方法，使得探测深度大，空间分辨率高。
[0023]作为可选择的实施方式，控制移相器改变扫描波束的方向的具体过程包括：根据天线阵列系统产生的多束电磁波在独立传播过程中波前的矢量叠加规律，控制天线阵列系统中各天线的电磁波发射相位，以实现合成电磁波的聚焦和能量增强效果。
[0024]作为可选择的实施方式，对采集数据进行分析时，进行电磁波能量补偿，具体过程包括：以电磁波传播方向、振动方向、相位和频率中的若干项对不同尺度非均匀介质的响应特性，建立典型相控阵天线合成电磁波束在围岩与混凝土复杂介质中的传播模型；
[0025]分析探测目标反射子波分别在纵向和横向两个方向上的干涉特性，得出合成电磁波在三维空间的能量分布特征和衰减规律，计算高频电磁波束在典型混本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达，其特征是：包括可移动机构，所述可移动机构上设置有介质基板，所述介质基板下端设置有天线阵列系统，天线阵列系统中各个天线均连接有单独的传输线，所述天线阵列系统中的各天线分别连接有对应的移相器，使各天线相对于介质基板的位置和/或角度可调；所述传输线的馈电点相互连接，由功率分配器连接至供电源，各天线受波束控制单元控制，所述波束控制单元用于产生移相器波控码及功率分配器的功率分配值，以控制天线发射信号的相位差和天线的馈电幅度；所述波束控制单元与信号处理系统连接，所述信号处理系统用于接收并分析探测数据，生成雷达波束控制参数，并传输给所述波束控制单元和天线阵列系统。2.如权利要求1所述的一种用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达，其特征是：所述可移动机构包括壳体，所述壳体上端设置有把手，所述壳体下端设置有若干车轮，且所述壳体下端设置有开口，以供天线阵列系统上下移动，所述壳体内设置有伸缩机构，所述伸缩机构作用于天线阵列系统，能够改变所述天线阵列系统的整体位置，且所述伸缩机构配置有锁紧装置，以锁紧所述天线阵列系统相对于所述壳体的相对位置。3.如权利要求1所述的一种用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达，其特征是：所述天线阵列系统包括多个喇叭天线，各喇叭天线的波导管部分斜置于介质基板上方，每个喇叭天线连接一个移相器，通过改变喇叭天线的轴线夹角，形成等间距、不等轴线夹角的相控阵阵列排布方式；各喇叭天线在介质基板上等距排布，以和介质基板几何中心为中心点，圆周分布有多组喇叭天线，在所述中心点不同距离的喇叭天线呈现不同的轴线夹角，且距离与轴线夹角具有正相关的关系。4.如权利要求1所述的一种用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达，其特征是：所述各传输线同轴布设，各传输线由介质基板的几何中心沿着半径扩散至边界，每一条从中心到边界的传输线都采用中心馈电的馈电方式，构成一级馈电网络；每一条传输线的馈电点连接起来，构成二级馈电网络，由供电源经功率分配器强制馈电到各条传输线。5.如权利要求1所述的一种用于隧道衬砌结构病害检测的相控阵地质雷达，其特征是：所述波束控制单元包括子阵天线控制机和发射/接收组件，其中，发射/接收组件包括移相器、功率分配器和发射/接收模块；子阵天线控制机通过导线与波束控制单元中的其余部件连接，移相器位于射/接收模块的下一级，两者通...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，王正方，李博，张凤凯，隋青美，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：