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西南交通大学深圳研究院多通道高速扫描空发车载探地雷达系统产品介绍
2025/5/9 9:09:11 本站原创 点击数:
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       多通道高速扫描空发车载探地雷达系统包括VMGPR-6 主机, 数据采集笔记本电脑、AL-300天线、AL-900天线、多芯同轴电缆以及测距编码器等组成。系统还配备了GPS接收机和GIS定位系统。多通道高速扫描空发车载探地雷达系统可以安装在各种运载工具上,对公路、铁路、地铁等交通基础设施(桥梁、隧道、路基)快速检测。其特点是全断面快速扫描、参数设置简单、定位准确、采集过程全部自动化。
图1 全套车载探地雷达设备
全套车载探地雷达设备包括以下内容:
        车载探地雷达主机一台(型号VMGPR-6);
        六个300MHz空发天线(型号AL-300);
        六个900MHz空发天线(型号AL-900);
        六条带连接器的四芯同轴电缆;
        一台用于数据采集的三防电脑(松下笔记本电脑);
        一台GPS接收机、电缆、全频天线;
        一台装有铁路GIS系统的三防电脑(松下笔记本电脑);
       一台用于铁路测距的多谱勒雷达;
       一台用于汽车测距的多谱勒雷达;
       一套多通道车载探地雷达采集软件;
       一套多通道车载探地雷达数据处理软件
       一套铁路里程校正系统(铁路GIS)软件;
1.VMGPR-6 主机
       四个时窗可以任意切换。两种天线(300MHz和900MHz)都能应用四个时窗。同一时窗可以同时接两种天线,即同时采集双频天线数据。

图2探地雷达主机(左为前面板,右为后面板)
       1——20ns时窗指示灯;
       2——40ns时窗指示灯;
       3——60ns时窗指示灯;
       4——90ns时窗指示灯;
       5——时窗指示灯切换按钮;
       6——电源开关按钮,当电源接通时红色指示灯点亮,反之,不亮;
       7——天线上激光灯开关按钮;
       8——专用USB连接端口,与PC机相连进行数据传输;
       9——测距传感器插座,连接汽车多普勒雷达测距传感器;
       10——测距传感器插座,连接铁路多普勒雷达测距传感器;
       11——电源插座,接收来自电源适配器或蓄电池(11V-15V)的直流电源,推荐直流电源电压12V。
       12~17——雷达天线插座,通过电缆与天线连接。
       18——在主机的底部,有四个脚,去掉四个螺丝,可看到4个固定孔,用于固定主机。可将主机固定在车辆平台上。
       VMGPR-6 主机指标
       通道数:6;
       脉冲重复频率:每通道500kHz;
       每个扫描线的样点数:512;
       时窗:20ns、40ns、60ns、90ns;
       AD转换:16位;
       数据采集方式:时间控制与距离控制;
       电源:DC 12V;
       功耗:<300W;
       抗冲击:10g;
       抗震动:2g (30Hz)
       尺寸:430mm×355mm×180mm; 
       重量:17.5 kg。
       2. 300MHz空发天线

图3  型号AL-300空发天线 (1—与主机连接插座,2—法兰,与天线支架固定)
        中心频率:300MHz;
        脉冲重复频率:500kHz;
        动态范围:60dB;
        抗冲击:10g;
       抗震动:2g (30Hz);
       尺寸:375mm×325mm×220mm;
       重量:11.5Kg。
       垂直分辨率:空气中0.25m; 混凝土中0.07m(介电常数12)。
       3. 900MHz空发天线

图4 型号AL-900空发天线(1—与主机连接插座,2—法兰,与天线支架固定)
       中心频率:900MHz;
       脉冲重复频率:500kHz;
       动态范围:60dB;
       抗冲击:10g;
       抗震动:2g (30Hz);
       尺寸:305mm×218mm×190mm;
       重量:5.7kg 。
       垂直分辨率:空气中0.08m; 混凝土中0.03m (介电常数7.5)。
       4. 多通道探地雷达系统数据采集软件和多通道探地雷达数据处理软件
       多通道探地雷达系统数据采集软件是专业的车载探地雷达采集软件。它的特点是参数设置简单,数据采集全部自动化。
       多通道探地雷达数据处理软件可以同时处理单道数据、三道数据和六道数据。三道数据处理主要用于路面路基检测数据;六道数据处理主要用于隧道检测数据;主要功能分为四个部分:
       1)预处理功能;
       2)数据处理功能;
       3)资料解释功能;
       4)分析数据的输出;
       5)三维图像显示。
       5. 应用
       5.1路基检测案例
       图5是西安-南京铁路线路基检测后,数据经数据处理后的雷达图像与现场的对比;左上图,填土路基下沉;右上图,桥台后路基下沉,左下图,涵洞两侧下沉,右下图,路基下沉的三通道显示。图6是铁路隧道底部含仰拱的雷达图像。

图5数据处理后的雷达图像与现场的对比
 
图6铁路隧道底部含仰拱的雷达图像
       5.2单线铁路隧道检测案例
       图7广达铁路线磨坊湾隧道K133+380~K133+434段右拱腰测线雷达图像。经过数据处理软件处理后的图像,衬砌厚度很清晰。
 图7 广达铁路线磨坊湾隧道K133+380~K133+434段右拱腰测线雷达图像
       2013年宝鸡-中卫铁路线隧道进行了检测,图8和图9是严家山隧道k96+553-k96+575拱顶数据经过数据处理软件处理后的雷达图像。根据宝鸡工务段大修竣工文件,2003-2005年咸阳桥工段对隧道内k96+553-k96+575拱顶进行喷锚,并每米设一榀P34钢轨拱架,加固地段拱部压浆。图像上的长度与竣工文件的长度相同,
图8 k96+553-k96+575右拱顶雷达图像  图9 k96+553-k96+575左拱顶雷达图像
       襄渝线大坪隧道病害严重地段k437+093.5- k437+118.5区段,大修设计为拱部衬砌凿槽,每隔lm镶入1榀P50永久性钢轨拱,拱架底部焊接钢板支座,衬砌镶入钢轨拱后,拱架槽及时用C20混凝土塞填。2013年对襄渝线全线隧道进行了检测,图10是大坪隧道左拱顶雷达图像。但是施工中镶入钢拱架的长度只有一半。

图10 襄渝线大坪隧道左拱顶雷达图像
       5.3 高铁隧道检测案例
       在沈丹客运专线上检测数据经数据处理软件后处理后的图像如图11和图12,图11为于家岭隧道下行线K106+899-K106+841段拱顶的衬砌厚度。经现场勘验,附近就有围岩外露的情况。图12是连关山隧道下行K99+976拱顶数据经数据处理软件处理后的雷达图像,该段存在空洞坍塌过,2017年大桥局对该处空洞已进行整治。整治后我们进行了车载探地雷达检测,二衬背后仍存在空洞,经施工单位证实与现场情况基本吻合。
图11于家岭隧道下行线K106+899-K106+841段拱顶雷达图像    图12 连关山隧道下行K99+976拱顶雷达图像 
       图13是2023年我们用900MHz天线测得高铁隧道衬砌厚度。

图13   900MHz天线测得高铁隧道衬砌厚度
 
        5.4公路隧道检测案例
       我们进行了公路隧道进行检测试验。试验数据经数据软件处理后,分析结果得到了证实,见图14。衬砌厚度与设计文件相符。图15是用900MHz天线测得钢筋混凝土钢筋保护层厚度。
图14 衬砌厚度发生改变(设计文件得以证实)
图15 900MHz天线测得钢筋混凝土钢筋保护层厚度
        5.5地铁盾构隧道检测案例
        新建地铁管片厚度35cm.采用300MHz和900MHz天线,天线距离管片表面140cm。空气耦合天线测试的图像与地面耦合天线测试的图像是相同,见图16. 管片背后有异常的雷达图像见图17。

图16 300MHz天线测得地铁管片的雷达图像

图17  地铁管片背后有异常的雷达图像
       图18和图19分别为300M和900M天线测得管片后面含水的雷达图像。检测地铁位于沿海城市,检测时正值雨季,地铁里的水比较多。
图18  300MHz天线测得管片背后有水的雷达图像

图19 900MHz天线测得管片背后有水的雷达图像
       某国家实验室足尺寸管片模型上进行检测人为空洞试验,分别采用300M和900M空气耦合天线,天线与管片表面距离70 cm,见图20。空气耦合天线探测出的空洞长度与实际长度相同,空洞的异常清晰可辨,图21,22。说明300M和900M空气耦合天线在远距离的情况下都能穿透管片厚度,探测到管片背后的空洞。

 图20  足尺寸管片模型与现场试验


图21 300M天线实测的空洞雷达图像     图22 900M天线实测的空洞雷达图像
       某软土地区城市地铁某条线已运营10多年,需要检测的区段管片裂损比较严重,曾用钢片进行过加固。我们采用车载探地雷达系统对该区段上、下行线进行检测,采用5组300M空气耦合天线(见图23),检测速度30km/h。

图23车载探地雷达系统的天线布置
       盾构管片地铁是一个封闭系统。盾构管片系统完整时,管片外侧的软土在列车动力作用下固结变形时,孔隙水向外侧缓慢排出。当盾构管片系统损坏时,管片间或管片内存在排水通道,软土在列车动力作用下固结,孔隙水就会通过管片间或管片内存在的排水通道排出。所以通过探地雷达探测出含水区域和深度,就可以判断地铁管片的损坏程度。
探地雷达图像上反射波振幅强的部位(含水,电磁反射波振幅就强,图24)。可根据强反射波的平面分布和深度分布,初步判断地铁管片的损伤程度。探地雷达图像还可以三维显示,图25,图26.

图24  下行线加固区段雷达图像
图25  下行线加固区段雷达图像三维切片

图26  下行线加固区段雷达图像三维曲面切片
       由于地铁运营,在天窗点不可能在轨道结构部分增加钢环,所以加固段的道床与管片部分是没有处理的,加固段的道床与管片部分是原始病害状态。在探地雷达路基检测图像上,加固段的道床与管片部分都出现强反射,与周围图像存在明显的区别(见图27)。加固段是原来变形最严重地段,可见,探地雷达能够很容易地发现盾构管片病害地段。

图27  加固段附近路基左右侧探地雷达图像(方框内为加固段)
 
多通道高速扫描空发车载探地雷达系统推广单位:
              西南交通大学深圳研究院
               联系人:昝月稳 电话:13981701736
          微信:z13981701736;E-mail:cxrzyw@163.com

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