馬尾松木材內部空洞的雷達檢測與定量評估*

陳勇平 高 甜 李德山 郭文靜

(1.中國林業科學研究院木材工業研究所 北京 100091； 2.故宮博物院 北京 100009)

馬尾松木材內部空洞的雷達檢測與定量評估*

陳勇平1高 甜2李德山2郭文靜1

(1.中國林業科學研究院木材工業研究所 北京 100091； 2.故宮博物院 北京 100009)

【目的】 研究快速有效的古建筑木柱內部空洞殘損評測方法，科學確定木柱內部空洞的存在位置及大小。【方法】 以古建筑木構件常用的馬尾松木材為研究對象，采取人工模擬方法在木段端部制作不同大小、不同位置和不同形狀的空洞殘損，利用雷達無損檢測技術探測空洞殘損，通過分析木材內部殘損在雷達檢測方法下的表現形態，實現木材內部空洞的快速識別和表征。【結果】 雷達無損檢測技術可以對木材內部殘損進行快速判別，雷達波在木材中探測到空洞時，其交界面會產生強烈反射，對應反射波形為谷-峰-谷，同時檢測圖像中出現黑-白-黑的特征形態； 根據雷達檢測圖像可以對木材內部殘損面積進行大致評估，但依據雷達檢測結果生成的殘損面積與實際殘損面積存在一定偏差； 雷達檢測方法對木材內部殘損形狀的預估難度較大，若不經過其他處理難以準確識別三角形、四邊形、圓形等各種形狀的空洞殘損； 邊緣位置空洞殘損雷達檢測圖像與中心位置空洞殘損雷達檢測圖像明顯不同，中心位置空洞殘損其交界面在雷達檢測圖像中波動較為平緩，邊緣位置空洞殘損其交界面在雷達檢測圖像中波動較大，利用雷達檢測方法能正確區分邊緣或中心空洞殘損。【結論】 雷達無損檢測技術是一種基于雷達回波探測目標物的檢測方法，該技術應用于木材內部殘損評估，可以實現內部空洞殘損的快速檢出，并可預估殘損的存在位置及大小。

馬尾松； 木柱； 空洞殘損； 無損檢測； 雷達； 古建筑

中國有著五千年文明史，既是世界上文物古建筑最多的國家，也是木結構古建筑最多的國家。然而作為木結構建筑最主要承重件的木構件，由于生物材料特性,很容易發生腐朽并產生空洞(Ridout， 2000； 陳允適， 2007)，尤其在空氣潮濕時，腐朽的速度更快。承重木構件材質狀況是決定木結構整體安全的重要指標，而承重木柱是承重木構件中至為重要的部分。我國古建筑用承重木柱多為大徑級木材，且木柱表面多有地仗或油飾層，內部出現腐朽和空洞僅靠外部的刺探或敲擊無法及時察覺，所以，研究快速有效的古建筑木柱內部殘損評測方法，科學確定木柱內部殘損的存在位置及大小，對木結構古建筑的保護及修繕設計具有重要意義。

對古建筑木柱內部殘損進行檢測，最重要的原則是不能對檢測對象造成力學損傷，即要做到無損。以往木材內部殘損的評估中，所應用的無損檢測方法主要有阻力儀檢測法(Rinn， 1994； Marcin， 2009； Brandon， 2014； 張富文等， 2016)和應力波檢測法(Bucur， 2003； Nicolottietal.， 2003； 陳方翔等； 2015)。但由于部分古建筑的特殊性，既不能應用阻力儀微型探針刺探木柱內部，也不能在木柱表面懸掛鐵釘進行應力波斷層掃描，故本文引入了一種完全非侵入式新型無損檢測方法——雷達檢測法。該技術在林業領域主要應用于植物根系探測(Kiraetal.， 2014； 崔喜紅等， 2011)，在木材特別是古建筑木材內部殘損檢測方面僅部分學者開展了一些探索性研究，如活立木的健康評價(Butnoretal.， 2009)及木材內部缺陷的檢出(Sandeepetal.， 2008； Udayaetal.， 2011； 邸向輝等， 2013)等。鑒于此，本文以古建筑木構件常用的馬尾松木材為研究對象，采取人工模擬方法在木段端部制作不同大小、不同位置和不同形狀的空洞殘損，利用雷達無損檢測技術探測空間殘損，以期通過分析木材內部殘損在雷達檢測方法下的表現形態，實現古建筑木柱內部空洞的快速檢出以及位置和大小的識別。

1 材料與方法

1.1試驗材料

馬尾松(Pinusmassoniana)木材采自湖南省攸縣黃豐橋國有林場。采集地海拔440 m，造林年度為1966年，樹齡50年，胸徑51.5 cm，樹高約22 m。

1.2試材加工

馬尾松原木伐倒后，自樹根位置80 cm起按每段長約80 cm截取木段，以模擬短柱； 截斷后的木段經挑選分別編號為1#、2#、3#、4#…15#，同時標記起始檢測點。取1#-4#木段分別加工制作不同大小(圖1a、b和c)、不同形狀(圖1b、d和e)和不同位置(圖1c和f)的空洞，其中1#木段直徑約50 cm，2#木段直徑約46 cm，3#木段直徑約48 cm，4#木段直徑約44 cm，空洞深度約20 cm。取7#木段作為測試用健康對照材，木段直徑約40 cm。其余木段用于其他殘損模擬或對照試驗，如5#木段加工成邊緣具有不規則空洞的殘損材，6#木段加工成具有外緣開裂的殘損材，8#木段為健康對照材，9#、10#木段為腐朽試驗用材，11#、12#、13#、14#、15#木段為試驗備用材。試材含水率約為100%。

1.3試驗儀器

采用美國TRU樹木雷達檢測系統，主要參數設置為：頻率900 MHz，最大掃描直徑4.2 m，深度分辨率1.9 mm，數據采集間隔5 mm。

1.4測試方法

TRU樹木雷達檢測系統主要包括雷達操控系統和雷達檢測裝置2部分，其中雷達檢測裝置為封裝了雷達天線的組件。測試開始前先進行準備工作，主要分以下幾步：選定測試位置并測量該位置木段直徑；標記測試起始和終止點；連接雷達操控系統和雷達檢測裝置；根據木段直徑選擇合理的測試基準。選定測試基準并校準無誤后便可開始測試，測試時將雷達檢測裝置貼合于待測木段上(圖2a)，從標記的起始檢測點開始推動該雷達檢測裝置勻速繞木柱一周，回到起始檢測點時測試完成，整個過程的測試數據將被自動采集并存入如圖2b設備附帶的存儲器中。為避免測試過程中雷達檢測裝置因貼合不穩而產生干擾，在測試完成前應確保雷達檢測裝置始終與待測木段保持緊密貼合； 如果存在無法避免的凹陷、凸起等難以緊密貼合的檢測區域，應予以位置注明，以便在圖像分析時進行殘損規避。

圖1 木段內部空洞殘損模擬加工Fig.1 Fabrication of internal cavity damages in wood columnsa.空洞直徑約為木材直徑1/2 The ratio of cavity to wood diameter is about one half；b.空洞直徑約為木材直徑1/3 The ratio of cavity to wood diameter is about one third；c.空洞直徑約為木材直徑1/4 The ratio of cavity to wood diameter is about one quarter；d.中心三角形空洞 Triangular cavity at the center；e.中心四邊形空洞 Quadrangular cavity at the center；f.邊緣圓形空洞 Circular cavity at the edge.

圖2 樹木雷達檢測設備及測試方法Fig.2 Tree radar unit (TRU) and testing methoda.雷達檢測裝置 Detector of the TRU; b.雷達操控系統 Operating system of the TRU.

2 結果與分析

2.1空洞殘損的存在識別

在開展木材內部空洞殘損大小和位置識別前，需要進行健康木材和殘損木材的雷達測試圖像對比分析，找出木材空洞殘損在雷達檢測方法下的表現形態，從而以此為基礎進行木材內部殘損的定量評估。據此，對7#健康木材和1#空洞殘損木材進行雷達掃描，結果如圖3所示。

通過健康木材(圖3a)和空洞殘損木材(圖3b)的雷達檢測結果對比分析可知，當木材內部存在空洞殘損時，雷達檢測圖像的非表層區域會出現黑-白-黑的異常特征形態，該特征形態對應的反射波形為谷-峰-谷。這是因為木材內部空洞與木材本身具有不同的介電性、導磁性等物理特性，對電磁波具有不同的波阻抗，進入木材的電磁波在穿過內部空洞時，由于界面兩側的波阻抗不同，電磁波在介質的界面上會發生強反射，從而引起反射波形和檢測圖像的變化。根據此特征，可以判定木材內部是否存在空洞殘損，進一步分析檢測圖像殘損邊界可以實現殘損大小和位置表征。此外，無論是健康木材還是空洞殘損木材，其檢測圖像的表層區域(一般該區域深度在0～10 cm之間)均會出現白-黑-白的特征形態，這是因為檢測裝置發出的雷達波從空氣中進入木材時，介質的介電性能變化在木材表面(空氣和木材的交界面)產生強反射所導致。

2.2空洞殘損的面積評估

由上述可知，通過分析雷達波反射波形和檢測圖像可以判定木材內部空洞殘損是否存在，但在實際應用中殘損的面積往往更被關注和重視，為此本文進一步開展了雷達檢測下的殘損面積評估。將圖1a、b和c對應的不同大小空洞殘損試材進行雷達掃描，結果如圖4所示。

圖3 健康及殘損木材的雷達檢測結果Fig.3 Testing result of the healthy and damaged wood columns by TRUa.健康木材 Healthy wood column；b.殘損木材 Damaged wood column.

從圖4可以看出，試材的空洞殘損均被準確識別，但由于空洞大小不一樣，不同試材其殘損邊界檢測結果距表層的距離略有不同。經統計，圖4a殘損邊界距表層起始值約14 cm，殘損邊界距表層距離大多在14～18 cm之間；圖4b殘損邊界距表層起始值約18 cm，殘損邊界距表層距離大多在18～23 cm之間；圖4c殘損邊界距表層起始值約19 cm，殘損邊界距表層距離大多在19～23 cm之間。顯而易見，在3組試材直徑相近的情況下，殘損邊界越接近表層，殘損越嚴重，故圖4a所對應的空洞殘損大于其他二者。圖4b和圖4c所對應的殘損邊界與表層的距離雖接近，但因圖4b所對應的試材直徑略大，故圖4b所對應的空洞殘損大于圖4c。為獲得更為準確的內部殘損邊界，根據接收的雷達回波強度設定合理的殘損判定閾值，進一步進行殘損評估。從圖5可以看出，通過設定的閾值在指定區域找出超出閾值位置并進行標記，可使內部殘損邊界(紅色曲線)在木材圓周展開方向上得以明顯顯示。

圖4 中心位置具圓形空洞的木材雷達檢測結果Fig.4 Testing result of the wood columns with circular cavity at the center by TRUa.空洞直徑約為木材直徑1/2 The ratio of cavity to wood diameter is about one half；b.空洞直徑約為木材直徑1/3 The ratio of cavity to wood diameter is about one third；c.空洞直徑約為木材直徑1/4 The ratio of cavity to wood diameter is about one quarter.

為了更直觀地表示殘損大小，結合試材直徑進行殘損的面積成像如圖6所示。以圖5a生成圖6a為例成像說明如下:圖5a為雷達檢測圖像，左上方交界處為坐標0點，其橫向為檢測對象圓周的展開，縱向為檢測深度，系統每隔5 mm在橫向坐標軸進行1次標記并計算殘損出現的深度，此后將圖5a標記的檢測位置和殘損深度的數據順時針移植到圖6a的圓周上，并進行內部所有殘損起始點的連接，即可得到圖6a的殘損輪廓。圖6b和圖6c同理生成。

從圖6可以看出，空洞殘損的雷達檢測結果為圖6a(對應圖1a)gt; 圖6b(對應圖1b)gt; 圖6c(對應圖1c)，雷達預測殘損面積大小的趨勢與實際木材殘損結果一致。將試材原始圖像及上述殘損圖像導入AutoCAD軟件，分別勾勒并計算殘損輪廓及外輪廓所圍成的面積，經統計分析結果見表1。

從表1可以看出，3種圓形空洞實際殘損百分比分別為27.23%、11.96%和6.34%，而雷達測算殘損百分比分別為11.08%、3.54%和1.81%，雷達測算殘損面積低于實際殘損面積。這是因為在進行殘損分析時，本文將木材介電常數和磁導率固定為一個數值，但實際上木材介質組成(木材、水、空隙)比較復雜，處于非均質狀態，故木材內部介電常數也處于變化狀態，根據電磁波傳播理論，當介質中的磁導率和介電常數不同時，電磁波傳播速度會變慢，從而在一定程度上加大了電磁波的衰減并延長了探測到交界面時的回波走時，因此在判定交界面時產生了一定的偏移，造成預估殘損面積小于實際殘損面積。此外，雷達預測的殘損百分比為未經修正的原始數據，該數據受木材含水率等因素影響較大，通過對圖1b試件的含水率變化跟蹤測試可知，木材含水率從100%變化至12%，雷達測算殘損百分比由3.54%變化為6.18%，檢測相對誤差從70.40%減少至48.33%。

圖5 中心位置具圓形空洞的木材殘損邊界雷達判定Fig.5 Determination of the damage boundary of the wood columns with circular cavity at the center by TRUa.空洞直徑約為木材直徑1/2 The ratio of cavity to wood diameter is about one half；b.空洞直徑約為木材直徑1/3 The ratio of cavity to wood diameter is about one third；c.空洞直徑約為木材直徑1/4 The ratio of cavity to wood diameter is about one quarter.

圖6 中心位置具圓形空洞的木材雷達成像結果Fig.6 Imaging result of the wood columns with circular cavity at the center by TRUa.空洞直徑約為木材直徑1/2 The ratio of cavity to wood diameter is about one half；b.空洞直徑約為木材直徑1/3 The ratio of cavity to wood diameter is about one third；c.空洞直徑約為木材直徑1/4 The ratio of cavity to wood diameter is about one quarter.

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2.3空洞殘損的形狀和位置確定

圖1d所示殘損木材(中心位置具三角形空洞)的雷達檢測結果見圖7，圖1e所示殘損木材(中心位置具四邊形空洞)的檢測結果見圖8，圖1f所示殘損木材(邊緣位置具圓形空洞)的檢測結果見圖9。

從圖7和圖8可以看出，中心位置具四邊形空洞殘損木材的雷達檢測殘損面積大于三角形空洞殘損木材，這與實際情況一致。但從雷達成像結果上看，雷達檢測對空洞殘損的形狀預估誤差較大，若不經過其他處理分析難以準確地識別三角形、四邊形以及圓形等空洞。

綜合上述結果不難看出，邊緣位置具空洞殘損木材的雷達檢測圖像與中心位置具空洞殘損木材的雷達檢測圖像存在明顯不同，中心位置具空洞殘損時其交界面在雷達檢測圖像中波動較為平緩(圖7、圖8及圖4c)，邊緣位置具空洞殘損時其交界面在雷達檢測圖像中表現為遠、近交替的形態，波動較大(圖9)。這是因為邊緣位置空洞的外側殘損邊界距表層距離較短，表現為近，內側殘損邊界距表層距離較長，表現為遠。同樣，將上述殘損圖像分別進行面積測算和統計，結果見表2。從表2可以看出，雷達預測空洞殘損面積與實際空洞殘損面積同樣存在偏差，有待進一步研究修正。

圖7 中心位置具三角形空洞的木材雷達檢測結果Fig.7 Testing result of the wood columns with triangular cavity at the center by TRU

圖8 中心位置具四邊形空洞的木材雷達檢測結果Fig.8 Testing result of the wood columns with quadrangular cavity at the center by TRU

圖9 邊緣位置具圓形空洞的木材雷達檢測結果Fig.9 Testing result of the wood columns with circular cavity at the edge by TRU

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3 結論

1) 雷達無損檢測技術可以對馬尾松木材內部空洞殘損進行快速判別，雷達在探測到木材內部空洞時，其交界面會產生強烈反射并在雷達檢測圖像中表現出較明顯的黑-白-黑特征形態，對應反射波形為谷-峰-谷。

2) 根據雷達檢測圖像可以對內部空洞殘損面積進行大致評估，但依據雷達檢測圖像生成的殘損面積與實際殘損面積存在一定偏差。

3) 利用雷達檢測方法預估木材內部空洞的形狀難度較大，若不經過其他處理難以準確識別三角形、四邊形、圓形等空洞殘損。

4) 木材邊緣位置空洞殘損雷達檢測圖像與中心位置空洞殘損雷達檢測圖像明顯不同，中心位置空洞殘損其交界面在雷達檢測圖像中波動較為平緩，邊緣位置空洞殘損其交界面在雷達檢測圖像中波動較大，利用雷達檢測方法，能正確區分邊緣或中心空洞殘損。

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(責任編輯 石紅青)

DetectionandQuantitativeEvaluationofInternalCavityofPinusmassonianaWoodbyRadarTestingTechnology

Chen Yongping1Gao Tian2Li Deshan2Guo Wenjing1

(1.ResearchInstituteofWoodIndustry,CAFBeijing100091; 2.ThePalaceMuseumBeijing100009)

【Objective】 A method for rapid and effective detection of internal cavity damages of wooden columns was explored to precisely determine the position and size of the internal cavity inside the columns.【Method】Pinusmassonianawhich are commonly used wood species in wooden members of ancient timber buildings were studied, and cavities with different shapes, sizes and positions were artificially made at the end of the wood columns to simulate the internal damages. Radar nondestructive testing technology was adopted to detect the cavities. By analysis of the specific patterns of the radar waves, rapid identification and characterization of the internal cavity damages of the wood columns can be realized.【Result】 The result indicate that the radar nondestructive testing technology can be used to detect the internal damages of the wood columns rapidly. Once cavities inside the columns are detected, strong reflection will appear on the boundary presenting a reflection waveform of valley-peak-valley and meanwhile, the black-white-black especial patterns will appear on the radar image. The internal damage area inside the wood columns can be assessed roughly based on the radar image, though there is a discrepancy between the detected damage area by the radar and the actual damage area. It should be noted that the radar wave based method is difficult in retrieving the specific shape of the internal damages inside the columns. Without further data processing and analysis, it is difficult to identify various shapes of cavity damages such as triangle, quadrangle and circle. The radar image of the cavity damage at the edge of the wood columns differs remarkably from that in the center. The former is featured with a high fluctuation while the latter with a mild fluctuation. Thus, the cavity damages at the edge can be distinguished from those in the center based on this radar wave method.【Conclusion】 Radar nondestructive testing technology is based on radar echo for target detection. This technology can be used to detect the internal cavity damages of timbers rapidly and estimate the position and size of the damages inside the timber.

Pinusmassoniana； wooden column； cavity damage； nondestructive testing； radar； ancient timber building

10.11707/j.1001-7488.20171015

2016-07-28；

2016-09-22。

國家自然科學基金項目(31570711)； 故宮博物院科研課題(KT2015-06)。

*郭文靜為通訊作者。

S781.5

A

1001-7488(2017)10-0139-07