探地雷達(dá)在林木無損檢測應(yīng)用初探

摘要闡述了林木無損檢測的主要原理和研究現(xiàn)狀，介紹了探地雷達(dá)的工作原理、應(yīng)用情況和主要特點，探討了將探地雷達(dá)應(yīng)用在無損檢測中的研究難點和方向。

關(guān)鍵詞探地雷達(dá)；林木無損檢測；綜述

中圖分類號S223.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2015）05-345-03

A Preliminary Study on the Application of GPR in Nondestructive Tests for Wood

GU Wei-hong1， MIN Kun-long1， ZHOU Xiu-Ming2 （1.Northeast Forestry University， Haerbin， Heilongjiang 150040；2.Heilongjiang Vocational Institute of Ecologicail Engineering，Haerbin，Heilongjiang 150025）

Abstract The main principles and research status of nondestructive tests for wood were elaborated， working principle， application and the main features were introduced. The difficulties and the direction of the application of GPR in Nondestructive Tests for Wood were discussed.

Key words GPR； Nondestructive Tests for Wood； Review

作者簡介顧偉宏（1982- ），女，黑龍江富錦人，工程師，在讀博士，從事自動檢測與控制研究。

收稿日期2014-12-26

無損檢測作為一種檢測手段具有不破壞測試件性狀的優(yōu)點，在森林資源日益短缺的今天，將無損檢測應(yīng)用于林木檢測可以將林木的保護(hù)、調(diào)查和使用最大化、最優(yōu)化。目前探地雷達(dá)主要應(yīng)用于地下目標(biāo)的探測，應(yīng)用于地表以上物體的檢測還有待進(jìn)一步開發(fā)。

1林木無損檢測簡述

無損檢測又稱非破壞性技術(shù)檢測，是指不破壞被測試件原有的形狀、物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)等，采用合適的檢驗手段，實現(xiàn)對木材性能、性質(zhì)進(jìn)行檢測和評估的方法。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，把電子計算機和射線等技術(shù)，與木材的特殊性質(zhì)相結(jié)合而進(jìn)行的非破壞性檢驗的技術(shù)手段，被稱之為木材無損檢測。木材具有多孔性、層次性、各向異性等諸多特殊性質(zhì)使得木材無損檢測與其他材料相比具有特殊的困難。木材無損檢測始于20世紀(jì)60年代后期，在歐美、日本等國家興起，近幾十年多種研究方法被借鑒到木材無損檢測上，發(fā)展非常迅速。用這項技術(shù)可以將原木劃分等級或者對一些木制品進(jìn)行一定范圍的質(zhì)量評估，也可以對木材生長情況進(jìn)行檢測[1]。

20世紀(jì)70年代末我國開始利用X射線技術(shù)進(jìn)行木材無損檢測研究，20世紀(jì)80年代后期，嘗試?yán)枚喾N技術(shù)手段對木材及木制品物理力學(xué)性質(zhì)、木材生長特性等進(jìn)行無損檢測的研究。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國木材無損檢測項目的應(yīng)用雖已有幾十種，但與國際同類項目相比還有一定差距，有待于對新方法的不斷探索和突破[2]。

1.1無損檢測技術(shù)的類型

1.1.1聲應(yīng)力波檢測。

目前聲應(yīng)力波的應(yīng)用比較普遍，聲應(yīng)力波就是對沖擊波產(chǎn)生的回饋信息進(jìn)行加工和分析。檢測原理是利用聲波會在被測物體表面產(chǎn)生沖擊，但各個部位反射回來的信息是不同的，根據(jù)反射回來的聲音速度以及回饋的波譜，分析被檢測物體各個部位可能存在的缺陷。

1.1.2超聲波檢測。木材超聲波檢測指超聲波產(chǎn)生聲脈沖，使聲脈沖進(jìn)入到木材及其制品中并經(jīng)過不斷地穿透、反射、衰減，然后利用傳感器收集，得到不同信號參數(shù)再經(jīng)過處理后，達(dá)到預(yù)測木材及其制品的性質(zhì)的方法。與聲應(yīng)力波檢測不同的是超聲波檢測使用的頻率一般在20 kHz以上。

1.1.3其他無損檢測技術(shù)。

聲應(yīng)力波、超聲波這2種技術(shù)的主要特點是操作程序簡單、成本低。在特殊的檢測條件下，電學(xué)方法、X射線技術(shù)、γ射線技術(shù)等也是常使用的檢測技術(shù)，其中X射線技術(shù)主要應(yīng)用在立年輪的檢測，實現(xiàn)對林區(qū)現(xiàn)場立年輪的無損檢測，可以根據(jù)具體的實際情況選擇合理的檢測技術(shù)[3]。

1.2無損檢測的應(yīng)用無損檢測技術(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.2.1木材含水率檢測。決定木制品內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵因素主要就是木材含水率，對古建筑木構(gòu)件更是尤為重要。當(dāng)木構(gòu)件含水率過高，古建筑木構(gòu)件發(fā)生病蟲害的可能性會大大增加。

1.2.2樹木保護(hù)。古樹名木是珍貴的自然資源，也是重要的文化遺產(chǎn)，為加強古樹名木的保護(hù)，需要在不破壞其生長的條件下進(jìn)行內(nèi)部缺陷和病蟲害的檢測，這就需要應(yīng)用無損檢測技術(shù)，這已經(jīng)是發(fā)達(dá)國家對城市樹木進(jìn)行保護(hù)必須采用的重要技術(shù)。

1.2.3木結(jié)構(gòu)部件現(xiàn)場檢測。在對一些木結(jié)構(gòu)的古建筑進(jìn)行維修和保護(hù)的時候，不能破壞原有木構(gòu)件，就需要對構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場的無損檢測，檢測木構(gòu)件的強度和缺陷情況，確定木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，對古建筑的維護(hù)方案提供可靠的參考。

1.2.4木材加工業(yè)。將無損檢測應(yīng)用于木材加工中，可以顯著地提高木材加工的自動化水平和生產(chǎn)效率，并在生產(chǎn)的同時監(jiān)測木材加工質(zhì)量，為產(chǎn)品品質(zhì)提供有力保證[4]。

2探地雷達(dá)簡介

探地雷達(dá)又被稱為表層穿透雷達(dá)，是利用電磁波探測地下目標(biāo)形狀位置的一種新技術(shù)。探地雷達(dá)有一個發(fā)射電磁波的天線與一個接收電磁波的天線。發(fā)射電磁波的天線發(fā)出電磁波，當(dāng)電磁波遇到地下探測目標(biāo)時由于探測目標(biāo)與土壤的介電常數(shù)不同從而在分界面發(fā)生電磁波的反射和散射，被發(fā)射和散射的電磁波被探地雷達(dá)的接收天線所接收。探地雷達(dá)通過對接收的電磁波的處理實現(xiàn)對地下探測目標(biāo)的反演，如確定地下目標(biāo)的位置、形狀以及識別目標(biāo)的介電特性等，最終起到對地下目標(biāo)的探測作用。若探地雷達(dá)所使用的發(fā)射電磁波的發(fā)射天線和接收電磁波的接收天線與地面的夾角比較小時，大部分的反射電磁波都將與地面保持垂直關(guān)系。所以在探地雷達(dá)所接收到的反射電磁波的變化可以真實地表示地下探測目標(biāo)的具體分布情況。探地雷達(dá)所發(fā)出的電磁波頻率較高，從而在土壤中主要表現(xiàn)為位移電流的形式。所有電磁波在傳輸?shù)倪^程中發(fā)生頻散較小，而且傳輸速度主要根據(jù)傳輸介質(zhì)的介電常數(shù)不同而不同。這種電磁波的傳輸特性與由于地震引起的彈性波的傳輸特性十分相似，而且它們的波動方程表達(dá)形式也非常相似，從而應(yīng)用于地震波處理的方法可以作為探地雷達(dá)信號處理的參考資料。隨著科技的不斷發(fā)展以及人們對地下探測研究的不斷深入，人們對地下探測的要求也在不斷提高，這使得探地雷達(dá)的應(yīng)用范圍也在不斷拓展，探測的精度也在不斷提高，探測深度也在進(jìn)一步加深[5]。

目前人們對利用探地雷達(dá)進(jìn)行淺地層的目標(biāo)的探測研究十分重視，并將該項研究列為我國建設(shè)安全中的一個非常重要的領(lǐng)域。因為利用探地雷達(dá)進(jìn)行地下目標(biāo)探測具有不破壞地表結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，同時探地雷達(dá)探測目標(biāo)的反演成像技術(shù)也在不斷的提高，使得探地雷達(dá)更加實用。目前進(jìn)行淺地層目標(biāo)探測行業(yè)中，探地雷達(dá)的無損探測技術(shù)具有非常廣闊的發(fā)展前景和推廣價值[6]。根據(jù)不同的分類方法，探地雷達(dá)可以分為很多類。按照探地雷達(dá)的回波信號采集方法的不同可以分為地表式探地雷達(dá)和鉆孔式探地雷達(dá)等；若按照探地雷達(dá)的操作方法的不同又可以分為手提式探地雷達(dá)、車載式探地雷達(dá)與機載式探地雷達(dá)等。由探地雷達(dá)分類可以看出不同的應(yīng)用場所應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)奶降乩走_(dá)進(jìn)行探測。探地雷達(dá)的性能主要依據(jù)其調(diào)制的方式，調(diào)制方式的好壞則可以決定探地雷達(dá)的探測深度、探測精度及其工作時抗干擾的能力。調(diào)制方式的不同還影響著探地雷達(dá)的設(shè)計費用和探地雷達(dá)自身的體積。從探地雷達(dá)的探測原理出發(fā)，當(dāng)2個探地雷達(dá)的工作頻帶一致，則這2個探地雷達(dá)探測效果應(yīng)該相同，可以獲得同樣的探測深度，并與探測深度獲得同樣的探測目標(biāo)的信息。但是同樣的工作頻帶卻可以通過不同的方法和手段實現(xiàn)。

2.1探地雷達(dá)的分類目前常見的探地雷達(dá)主要有沖激脈沖形式的探地雷達(dá)、線性調(diào)頻形式的探地雷達(dá)、步進(jìn)變頻形式的探地雷達(dá)、噪聲信號探地雷達(dá)等。

2.1.1沖激脈沖形式的探地雷達(dá)。沖激脈沖探地雷達(dá)主要應(yīng)用于對淺地層的目標(biāo)探測，由于探地雷達(dá)通常對探測深度與探測精度要求較高，所以其使用探測信號為一種具有寬帶特性的沖激脈沖，這使得沖激脈沖探地雷具有探測處理速度快，設(shè)備體積較小的特點[7-9]。沖激脈沖探地雷達(dá)通過發(fā)射天線向地下發(fā)出沖激脈沖，然后使用一定采集方法收集地下探測目標(biāo)的回波信號，該回波信號中帶有了探測目標(biāo)的很多信息。通過該回波信號可以完成探測目標(biāo)的反演與重構(gòu)。沖激脈沖在地下傳輸衰減速度較為嚴(yán)重，這使得沖激脈沖探地雷達(dá)的探測深度受到了一定的限制。

2.1.2線性調(diào)頻形式的探地雷達(dá)。線性調(diào)頻形式的探地雷達(dá)根據(jù)探測現(xiàn)場的土壤的介電常數(shù)及對電磁波的衰減特性和探測目標(biāo)對電磁波的響應(yīng)設(shè)置雷達(dá)的工作參數(shù)。線性調(diào)頻形式的探地雷達(dá)的優(yōu)勢在于其探測的精度較高，而且發(fā)射信號的頻譜可以調(diào)整；但是線性調(diào)頻形式的探地雷達(dá)的設(shè)計費用較高，而且體積較大，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計較為困難[10-11]。線性調(diào)頻形式的探地雷達(dá)主要用于對淺地層目標(biāo)進(jìn)行探測，如公路質(zhì)量檢測等。

2.1.3步進(jìn)變頻形式的探地雷達(dá)。步進(jìn)變頻形式的探地雷達(dá)通過發(fā)射天線向地下發(fā)射具有一定時間間隔的多個頻率信號，接收天線通常采用孔徑形式的天線。接收天線接收地下的回波信號，然后對回波信號的相位值和回波信號的幅度值進(jìn)行處理[12-16]。由于步進(jìn)變頻形式的探地雷達(dá)發(fā)射的信號具有的特性，使發(fā)射天線設(shè)計較為簡單，但是發(fā)射天線的工作頻率需要由具體探測現(xiàn)場的土壤的介電常數(shù)等特性決定。

2.1.4噪聲信號探地雷達(dá)。噪聲信號探地雷達(dá)通過發(fā)射天線發(fā)射一定的噪聲信號，然后根據(jù)噪聲信號探地雷達(dá)接收天線接收的信號和受到時延的發(fā)射信號的關(guān)系，最后得到地下探測目標(biāo)的具體位置等。

2.2探地雷達(dá)的應(yīng)用

作為一種目標(biāo)探測手段，探地雷達(dá)具有許多特點和優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應(yīng)用，目前主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面[17]：

（1）軍事方面。構(gòu)建工事之前的地質(zhì)勘測，探測埋藏于地下的地雷、軍械或地下工事等。目前主要應(yīng)用于淺層地雷的探測研究，特別是探測金屬地雷是研究熱點。

（2）城建方面。探測水泥管線、金屬管線及塑料管線的走向和位置；探測建筑物內(nèi)部鋼筋的分布；檢測隧道和橋梁的建筑質(zhì)量等。

（3）交通方面。在勘察設(shè)計階段，探地雷達(dá)可用于探測地質(zhì)情況（如斷層、滑坡及基面）；在公路的施工建設(shè)階段，探地雷達(dá)可用于監(jiān)測，在隧道的施工建設(shè)階段，探地雷達(dá)可以用于提前探測可能遇到的斷層和溶洞等；在工程完成后的試運行時期，探地雷達(dá)可以實時監(jiān)測路基壓實度、厚度和含水量等參數(shù)。可以說探地雷達(dá)的應(yīng)用貫穿于公路建設(shè)的全程[18]。

（4）地質(zhì)勘探方面。探地雷達(dá)可以應(yīng)用于查找和探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下礦藏、巖層、地下水及空洞等目標(biāo)[19]。

（5）考古方面。探地雷達(dá)主要應(yīng)用于探測古遺址、古墓和古代地下埋藏物，另外還應(yīng)用于檢測古建筑物結(jié)構(gòu)及墻體等。

（6）安保方面。主要應(yīng)用于查找地下非法作坊、被掩埋的物證及監(jiān)獄暗道等。

（7）石油方面。主要應(yīng)用于查找地下石油管線的漏點、查明石油產(chǎn)品的污染范圍，確定石油副產(chǎn)品對地下水和土壤污染情況等。

（8）水利方面。主要應(yīng)用探地雷達(dá)床面測繪及檢測江、河、湖泊等大壩所存在的隱患等。

3探地雷達(dá)在林木無損檢測中的應(yīng)用嘗試

探地雷達(dá)具有分辨率高，檢測速度快，結(jié)果直觀，使用方便等諸多優(yōu)點。電磁波在林木的不同狀態(tài)下，如腐朽、空洞等界面，會發(fā)生損耗、反射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以在波形上得到體現(xiàn)。這些都說明利用探地雷達(dá)對林木進(jìn)行無損檢測是可行的。探地雷達(dá)的檢測手段是相對成熟的，但在林木無損檢測中探地雷達(dá)和相應(yīng)的圖像處理算法還比較少，有待人們進(jìn)一步深入研究，開發(fā)手持、低能耗的現(xiàn)場檢測設(shè)備將是今后研究的重點。

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43卷5期顧偉宏等探地雷達(dá)在林木無損檢測應(yīng)用初探

責(zé)任編輯徐麗華責(zé)任校對李巖