一种欠阻尼天线瞬变电磁雷达及探测隧道衬砌病害的方法与流程

本发明涉及岩土检测技术领域，具体涉及一种欠阻尼天线瞬变电磁雷达探测隧道衬砌病害的方法。

背景技术：

运营隧道的衬砌病害主要包含衬砌接触不良、衬砌背后存在空洞等。衬砌病害是影响隧道内部行车安全和隧道使用年限的重要因素之一，为了在隧道产生病害时对其及时进行修复，保证隧道衬砌的强度储备和隧道的使用寿命，在隧道竣工验收及病害治理时往往需要预先对隧道衬砌进行全面准确的探测。

目前，利用地质雷达进行衬砌探测是隧道衬砌病害探测的主流方法，而地质雷达探测衬砌在实际应用过程中存在诸多弊端，如不适于隧道断面的环向探测，跨越障碍能力不强，耗费人力物力且探测过程耗时较长，同时受隧道内部各类因素干扰较大，探测图像由人工进行识别和分析，在探测深度和精度上目前还达不到要求，故地质雷达在隧道衬砌探测中存在局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种欠阻尼天线瞬变电磁雷达探测隧道衬砌病害的方法，以解决现有技术中隧道衬砌探测工作的安全性低、准确性差、操作不便等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种欠阻尼天线瞬变电磁雷达探测隧道衬砌病害的方法，该方法包括：探测系统、雷达主机和采集pc所述探测系统通过测量轮实时记录探测距离，在探测过程中须紧贴隧道壁；所述雷达主机包含电磁接收机与电磁发射机，发送电磁波并接收探测数据；所述电磁发射系统由能够连续发射脉冲式低频电磁信号的波形发射器、驱动器、输出级和电磁感应装置的发射天线组成；电磁采集系统由电磁感应的接收天线、信号放大器、滤波器、a/d转换器及arm处理器组成；所述操作软件可在采集过程中同步实时传输数据，待系统初始化后，首先进行数据采集参数配置使系统处于采集准备就绪状态；当有信号触发时，系统立即进入数据采集状态进行采集并将数据存储在sdram中；在采集过程中数据实时传输到采集pc，从而完成一次采集；所述采集pc的操作软件为采集处理一体式软件usep系统，显示界面横坐标为测量距离，纵坐标为探测深度，通过调节传播速度得到对应介质的雷达图像，对数据的处理可呈现二维与三维图像显示，在二维图中可查看波形图、密度图、等值线图，使衬砌病害更加直观清晰；所述采集pc的操作软件对数据采用视电阻率处理模式，视电阻率等于相同瞬变电磁接收发射机系统和测量系统下，在同一时刻产生与测量值相同瞬变场响应的均匀导电半空间的电阻率；对于隧道衬砌探测数据的处理采用负阶跃响应等式迭代计算全程视电阻率，得到处理后的结果，通过不断抽取密度图的显示范围，设置对应的速度值，得到衬砌探测的密度图，将处理后的图像调整到最佳显示状态，根据图像中显示判别衬砌的厚度及衬砌与背后的接触状态和空洞病害部位，并进行后续工程处理。

进一步，所述雷达主机与探测天线为有线连接，雷达主机与采集pc采用wifi式无线连接，电磁发射机及电磁接收机内部均内置wifi功能。

进一步，所述探测系统的探测天线包含发射天线与接收天线，探测天线与雷达主机连接后由电磁发射机经发射天线发射电磁波，关断后由接收天线接收反射的电磁波数据，并传输至电磁接收机。

进一步，所述探测系统在探测线圈移动时，常用测量轮传感器标定移动的距离或位置，在瞬变电磁雷达探测时，可以通过测量轮传感器的脉冲数，折算为距离值，事先设置好距离参数，待移动脉冲数达到后触发电磁发射机，同步也触发采集系统。

隧道衬砌可能存在病害的异常图像显示包含以下图像中的至少一个：

当围岩湿度较大含水较多时，图像整体背景为低阻色；当围岩湿度较低含水较少时，图像整体背景为高阻色；

隧道衬砌与围岩的界面明显，衬砌厚度在图像经过处理后容易推断，在不满足标准衬砌厚度处易于标定；

衬砌背后空洞图像以低阻色为整体背景，空洞或脱空区域为高阻色显示，同时空洞区域对应的衬砌厚度会有明显变化；

衬砌背后的金属图像以高阻色为整体背景，雷达图像上会出现较强的波形变化，钢筋图像呈现为小波纹形式，钢拱架图像呈现为等间距的低阻条状；

衬砌背后的富水区域显示为低阻色且图像呈不规律显示。

所述探测系统中的发射天线与接收天线为中心回线式布置方式，由感应接收线圈放在发射回线的中心组成，发射回线与接收线圈在探测剖面上同步移动，从而获取隧道衬砌病害的瞬变电磁数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明以瞬变电磁法为理论基础，与雷达探测技术相结合，在探测方法上弥补地质雷达在探测深度上的不足，并结合了地质雷达和瞬变电磁仪二者优点，基于瞬变电磁法原理和地质雷达的现场采集模式，客服地面瞬变电磁定点测量效率低的问题，实现快速移动扫描式探测。

（2）本发明雷达主机与软件操作系统为无线数据传输，所有仪器设备均可由单人进行操作，设备轻便，节省人力物力，采集数据可进行现场处理，快速实时查看隧道衬砌病害并标定可能存在衬砌病害部位便于后续进行处理。

（3）本发明的探测天线体积较小、可适应隧道衬砌的各项探测工作，针对不同隧道衬砌部位、不同隧道衬砌测线均可灵活应用，同时操作简便、安全性好、数据上传质量高。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中雷达主机示意图；

图3为本发明中探测天线示意图；

图4为本发明中探测天线与测量轮连接部件示意图；

图5为本发明的系统流程示意图；

图中编号：1-雷达主机；2-探测天线；3-采集pc；4-供电按钮；5-接收指示灯；6-wifi指示灯；7-发射指示灯；8-电源按钮；9-雷达天线；10-探测圆盘；11-圆盘把手；12-手持杆；13-测量轮；14-连接件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如图1，欠阻尼天线瞬变电磁雷达探测隧道衬砌病害的方法包括雷达主机1、探测天线2、采集pc3。

所述探测系统中的发射天线与接收天线为中心回线式布置方式，由感应接收线圈放在发射回线的中心组成，发射回线与接收线圈在探测剖面上同步移动，从而获取隧道衬砌病害的瞬变电磁数据。雷达天线在工作状态时，瞬变电磁的探测深度与发射磁矩、覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中由于传播而消耗。由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，较低频部分传播到深处。传播速度和传播深度的基本求解公式为：

（传播深度）

（传播速度）

雷达天线处于工作状态时，应时刻注意接收指示灯5的显示情况，数据传输过程中接收指示灯5会随着探测天线的前进闪烁红光，若闪烁绿光或不闪烁，则表示操作人员应注意探测天线与雷达天线的连接是否存在问题。

探测天线在贴紧隧道衬砌壁的移动过程中，应注意防止测量轮空转情况，导致探测数据与实际距离不能准确对应，对衬砌存在病害部位在现场进行标定造成影响。

所述操作软件为采集处理一体式软件usep系统，对数据的处理可呈现二维与三维图像显示，在二维图中可查看波形图、密度图、等值线图等使衬砌病害更加直观清晰。

所述操作软件对数据采用视电阻率处理模式，视电阻率等于相同瞬变电磁系统和测量装置下，在同一时刻产生与测量值相同瞬变场响应的均匀导电半空间的电阻率。对于隧道衬砌探测数据的处理采用负阶跃响应等式迭代计算全程视电阻率。

所述操作软件对数据进行处理后，根据下述原则判别衬砌病害类型，确定病害严重程度并对其进行定位，具体参考的示例原则为：

(1)雷达图像整体背景呈低阻色显示，则围岩含水率较高；雷达图像整体背景呈高阻色显示，则围岩含水率较低；

(2)雷达图像中隧道衬砌与围岩的界面明显，衬砌厚度在图像经过处理后容易推断，在不满足标准衬砌厚度处易于标定；

(3)衬砌背后空洞图像以低阻色为整体背景，空洞或脱空区域为高阻色显示，同时空洞区域对应的衬砌厚度会有明显变化；

(4)衬砌背后的金属图像以高阻色为整体背景，雷达图像上会出现较强的波形变化，钢筋图像呈现为小波纹形式，钢拱架图像呈现为等间距的低阻条状；

(5)衬砌背后的富水区域显示为低阻色且图像呈不规律显示。

所述操作软件的处理图像进一步可导入sufer系统中进行量化并抽取各点电阻率数值，生成随衬砌厚度变化的数值图像进行深度分析。

上述系统具有如下使用方法：

a.将雷达主机1与雷达天线9连接，通过连接部件将测量轮13与探测天线2组装，将测量轮电缆和发射接收电缆连接到雷达主机1，连接完成。

b.打开主机电源按钮8，接收指示灯5闪烁，wifi指示灯6闪烁，发射指示灯7闪烁。

c.在采集pc中的wifi选项寻找usep-ter-xxx，连接wifi，打开usep软件。接收指示灯5、wifi指示灯6、发射指示灯7均显示连接状态。

d.在采集pc中选择电磁采集模式，设置发射机与接收机参数。

e.参数设置完成，打开供电电源按钮4，技术人员经手持杆12移动探测天线，对隧道衬砌进行扫描，测量轮13触发，主机接收指示灯5按设定的频率闪烁，主机接收机开始数据采集，并将数据实时上传到采集pc3的操作软件。

f.利用操作软件对接收到的数据进行实时分析处理，对处理结果有异常衬砌部位进行喷涂标记。

g.在探测天线2探测移动过程中，应注意探测天线2和测量轮13与隧道衬砌壁的贴紧情况。注意观察接收指示灯5和操作软件数据的实时传输情况。

h.对操作软件接收到的衬砌探测数据进行浅层视电阻率处理，通过调节密度图的显示范围，可以查看完整的隧道衬砌质量情况。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。