基于激光雷達(dá)的水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)方法

韓友春，金叢成

(江蘇禹衡工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 鹽城 224000)

水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)指的是具備資質(zhì)的檢測(cè)單位對(duì)水利工程的施工質(zhì)量、材料、產(chǎn)品等進(jìn)行檢驗(yàn)、度量，同時(shí)比較材料應(yīng)用效果，確定水利工程質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)[1]。由此可見(jiàn)，水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)是保障與維護(hù)水利工程質(zhì)量安全的基本。

質(zhì)量安全檢測(cè)是保障水利工程應(yīng)用功能正常使用的根本保證，例如交通運(yùn)輸功能、農(nóng)田灌溉功能、防洪排澇功能等[2]。在本質(zhì)上來(lái)看，質(zhì)量安全檢測(cè)對(duì)一個(gè)國(guó)家的社會(huì)建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。在水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)過(guò)程中，堤防質(zhì)量安全檢測(cè)方法主要包含人工探視、地質(zhì)鉆探等，混凝土質(zhì)量安全檢測(cè)方法主要包含鉆芯法、回彈法與超聲波法等。

現(xiàn)有水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)方法中，主要采用鉆芯法檢測(cè)水利工程質(zhì)量安全，該方法具備較高的探測(cè)精度，但也具備著一定的破壞性，并不具備連續(xù)性，導(dǎo)致現(xiàn)有方法存在檢測(cè)離散度較大、全面性參數(shù)較小的缺陷，為此提出基于激光雷達(dá)的水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)方法。激光雷達(dá)指的是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)[3]。激光雷達(dá)是一種機(jī)械設(shè)施，具備分辨率高、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)、低空探測(cè)性能耗、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)，另外，激光雷達(dá)不會(huì)對(duì)水利工程造成損壞與影響，并可以全面的、準(zhǔn)確的、連續(xù)的、高效的檢測(cè)水利工程質(zhì)量安全。此研究引入激光雷達(dá)機(jī)械設(shè)施，希望改善現(xiàn)有方法存在的缺陷，提升水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)的性能。

1 水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)方法研究

1.1 激光雷達(dá)測(cè)線(xiàn)與天線(xiàn)布置

為了精確的檢測(cè)水利工程質(zhì)量安全，引入激光雷達(dá)機(jī)械設(shè)施，首要的任務(wù)就是合理布置激光雷達(dá)測(cè)線(xiàn)與天線(xiàn)，具體布置過(guò)程如下所示。

依據(jù)水利工程質(zhì)量安全相關(guān)規(guī)定，采用網(wǎng)格式布設(shè)激光雷達(dá)測(cè)線(xiàn)，具體情況如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)測(cè)線(xiàn)布置示意圖

如圖1所示，激光雷達(dá)測(cè)線(xiàn)橫向六條，間距為10 m；縱向4條，間距范圍為0.5～2 m。

采用美國(guó)GSSI SIR-30E雷達(dá)作為此研究激光雷達(dá)，其天線(xiàn)中心頻率包含40 MHz、100 MHz與200 MHz，每根天線(xiàn)布測(cè)上述激光雷達(dá)測(cè)線(xiàn)，共計(jì)10條檢測(cè)斷面[4]。依據(jù)水利工程實(shí)際情況，設(shè)置間距為1m加密檢測(cè)水利工程質(zhì)量安全，總計(jì)檢測(cè)天線(xiàn)長(zhǎng)度約為1500 m。激光雷達(dá)天線(xiàn)配置情況如表1所示。

表1 激光雷達(dá)天線(xiàn)配置表

上述過(guò)程完成了激光雷達(dá)測(cè)線(xiàn)與天線(xiàn)的布置，為下述水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)做準(zhǔn)備。

1.2 激光雷達(dá)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

激光雷達(dá)檢測(cè)參數(shù)直接影響著激光雷達(dá)檢測(cè)的效果，其檢測(cè)參數(shù)包括天線(xiàn)中心頻率、時(shí)窗、采樣率與測(cè)點(diǎn)間距，具體參數(shù)設(shè)置過(guò)程如下所示。

天線(xiàn)中心頻率[5]主要由檢測(cè)目標(biāo)深度、尺寸等因素來(lái)決定，計(jì)算公式為

(1)

式中：f表示的是天線(xiàn)中心頻率，單位為MHz；x表示的是空間分辨率，單位為m，實(shí)質(zhì)上是激光雷達(dá)檢測(cè)物質(zhì)尺寸最小值；εr表示的是相對(duì)介電常數(shù)。

當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)εr一致時(shí)，不同檢測(cè)深度對(duì)應(yīng)著不同的天線(xiàn)中心頻率需求，具體如表2所示。

表2 深度對(duì)應(yīng)天線(xiàn)中心頻率一纜表

時(shí)窗[6]計(jì)算公式為

(2)

式中：W表示的是數(shù)據(jù)采集時(shí)窗；dmax表示的是檢測(cè)深度最大值；V表示的是電磁波速度。

常規(guī)情況下，在激光雷達(dá)使用過(guò)程中，通過(guò)會(huì)將時(shí)窗增加30%，以此來(lái)保證檢測(cè)速度與深度含有一定的余量[7]。不同介質(zhì)對(duì)應(yīng)著不同的時(shí)窗需求，具體情況如表3所示。

表3 不同介質(zhì)對(duì)應(yīng)時(shí)窗一纜表

采樣率[8]由天線(xiàn)中心頻率決定，計(jì)算公式為

(3)

式中：ζt表示的是采樣率。

由式(3)可以看出，不同天線(xiàn)中心頻率對(duì)應(yīng)著不同的最大間隔采樣時(shí)間，具體數(shù)值如表4所示。

表4 不同天線(xiàn)中心頻率對(duì)應(yīng)最大間隔采樣時(shí)間一纜表

測(cè)點(diǎn)間距[9]由天線(xiàn)中心頻率與介質(zhì)介電特征共同決定，計(jì)算公式為

(4)

式中：c表示的是測(cè)點(diǎn)間距計(jì)算常數(shù)，此研究中取值為75/4。

1.3 激光雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

以上述布置的激光雷達(dá)測(cè)線(xiàn)與天線(xiàn)以及設(shè)置的激光雷達(dá)檢測(cè)參數(shù)為基礎(chǔ)，確定激光雷達(dá)作業(yè)方程，獲取水利工程檢測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。

激光雷達(dá)作業(yè)方程[10]表達(dá)式為

(5)

式中：PR表示的是接收天線(xiàn)頻率；PT表示的是發(fā)射天線(xiàn)頻率；GT表示的是天線(xiàn)發(fā)射的增益數(shù)值[11]；GR表示的是天線(xiàn)接收的增益數(shù)值；λ表示的是激光雷達(dá)子波在介質(zhì)中傳播長(zhǎng)度；g表示的是障礙物在激光雷達(dá)波面上發(fā)射的截面因素；α表示的是介質(zhì)傳送的衰減系數(shù)；R表示的是障礙物與雷達(dá)天線(xiàn)的距離[12]。

若激光雷達(dá)與接收天線(xiàn)配合默契，則雷達(dá)信號(hào)有效部分與噪聲[13]比例關(guān)系表達(dá)式為

(6)

式中：S與N分別表示的是雷達(dá)信號(hào)有效部分與噪聲；N0表示的是噪聲周?chē)h(huán)境背景功率密度，計(jì)算公式為N0=2KB·T0·FN；KB表示的是波爾茨曼常數(shù)，取值為1.38×10-15J/k；T0表示的是溫度；FN表示的是噪音系數(shù)[14]；GM表示的是常數(shù)，取值為1。

依據(jù)公式(5)獲取水利工程檢測(cè)數(shù)據(jù)，其處理程序如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理程序圖

如圖2所示，水利工程檢測(cè)數(shù)據(jù)處理子程序較多，由于篇幅的限制，此研究針對(duì)濾波處理與振幅恢復(fù)處理進(jìn)行詳細(xì)分析。

濾波處理中，最關(guān)鍵的就是濾波參數(shù)的選取，具體選取規(guī)則如表5所示。

表5 濾波參數(shù)選取規(guī)則表

振幅恢復(fù)處理表達(dá)式為

A0=Ateβt

(7)

式中：A0表示的是反射波真振幅；A表示的是激光雷達(dá)的實(shí)際反射波振幅；t表示的是雙程走時(shí)時(shí)間；β表示的是吸收系數(shù)[15]。

1.4 激光雷達(dá)圖像精細(xì)化變換

以上述獲取的激光雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為了能夠精確的凸顯雷達(dá)圖像特征，此研究利用K-L變換算法精細(xì)化變換激光雷達(dá)圖像[16]。

假設(shè)原始激光雷達(dá)圖像矩陣為XN×M，其協(xié)方差矩陣表達(dá)式為

CX=E{[X-E(X)][X-E(X)]T}

(8)

式中：E(X)表示的是X的數(shù)學(xué)期望。

求解公式(8)特征向量矩陣，表達(dá)式為

(9)

通過(guò)K-L變換算法正交轉(zhuǎn)換雷達(dá)圖像，轉(zhuǎn)換公式為

YN×M=AN×NTXN×M

(10)

通過(guò)上述過(guò)程完成了激光雷達(dá)圖像的精細(xì)化變換，為水利工程質(zhì)量安全判斷提供依據(jù)。

1.5 水利工程質(zhì)量安全判斷

以獲取的精細(xì)化激光雷達(dá)圖像為基礎(chǔ)，獲取激光雷達(dá)特征分布圖，橫軸為特征值序號(hào)，縱軸為特征值，依據(jù)激光雷達(dá)特征分布圖判斷水利工程質(zhì)量安全狀況。

常見(jiàn)地質(zhì)波形特征如表6所示。

如表6所示，若反射波波形時(shí)斷時(shí)續(xù)，同相軸不規(guī)整，表明混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量較差；若雷達(dá)圖像中存在異常反射，則表明混凝土、隧道圍巖之間形成了空氣層，稱(chēng)為脫空現(xiàn)象；若雷達(dá)圖像中，反射強(qiáng)度較弱，則表示水利工程中襯砌較為松散[17]。

表6 常見(jiàn)地質(zhì)波形特征表

綜上所述，實(shí)現(xiàn)了水利工程質(zhì)量安全的檢測(cè)，為水利工程的建設(shè)與發(fā)展提供更加有效的幫助。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

為了驗(yàn)證提出方法的性能，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，首要任務(wù)是選取實(shí)驗(yàn)對(duì)象。選取某市二級(jí)排污河道水利工程作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其水流量為25 m3/s，是全市排水量的60%以上，承擔(dān)著排污的功能。

二級(jí)排污河道水利工程是該市關(guān)鍵排水河道，關(guān)系著居民的財(cái)產(chǎn)與生命安全，由此可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象質(zhì)量安全的重要程度。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象水利工程利用臨時(shí)圍堰、堤防全開(kāi)挖方式進(jìn)行，待水利工程完工后，拆除臨時(shí)圍堰，恢復(fù)堤防功能。為了保障堤防質(zhì)量安全，利用激光雷達(dá)對(duì)其質(zhì)量安全進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下所示。

2.2 激光雷達(dá)檢測(cè)準(zhǔn)備

在仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，需要到水利工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)勘查，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象、尺寸、深度、交通狀況、工作環(huán)境等進(jìn)行記錄。依據(jù)上述勘查信息，結(jié)合收集的相關(guān)資料，選取適當(dāng)?shù)奶炀€(xiàn)中心頻率，合理布置激光雷達(dá)的測(cè)線(xiàn)與天線(xiàn)。

激光雷達(dá)機(jī)械設(shè)施連接示意圖如圖3所示。

圖3 激光雷達(dá)機(jī)械設(shè)施連接示意圖

激光雷達(dá)檢測(cè)方式主要包含反射、共中心點(diǎn)、寬角與透射四種方式，依據(jù)此研究需求，選取反射檢測(cè)方式，示意圖如圖4所示。

圖4 激光雷達(dá)反射檢測(cè)方式示意圖

另外，需要對(duì)激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行一定的保護(hù)。例如不折疊電纜繞圈、不重壓雷達(dá)電纜、不磨損激光雷達(dá)電纜線(xiàn)等。

上述過(guò)程完成了激光雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)備，為仿真實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供依撐。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)上述選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象、準(zhǔn)備的激光雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)離散度與全面性參數(shù)反映方法性能，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過(guò)程如下所示。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到檢測(cè)離散度數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 檢測(cè)離散度數(shù)據(jù)表

如表7數(shù)據(jù)顯示，提出方法的檢測(cè)離散度參數(shù)范圍為4.85～5.48，現(xiàn)有方法平均數(shù)值范圍為9.45～12.03，通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，提出方法檢測(cè)離散度參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有方法平均數(shù)值。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到檢測(cè)全面性參數(shù)數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 檢測(cè)全面性參數(shù)數(shù)據(jù)表

如表8數(shù)據(jù)顯示，提出方法的檢測(cè)全面性參數(shù)范圍為8.45～9.45，現(xiàn)有方法平均數(shù)值范圍為4.26～6.45，通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，提出方法檢測(cè)全面性參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有方法平均數(shù)值。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：與現(xiàn)有方法平均數(shù)值相比較，提出方法檢測(cè)離散度更小，全面性參數(shù)更大，充分說(shuō)明提出方法水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)性能更佳。

3 結(jié)語(yǔ)

此研究將激光雷達(dá)引入到水利工程質(zhì)量安全檢測(cè)方法設(shè)計(jì)中，極大的降低了方法檢測(cè)離散度，提升了方法檢測(cè)全面性參數(shù)，為水利工程質(zhì)量安全提供了更加精確的檢測(cè)方法，為水利工程發(fā)展以及功能應(yīng)用助力，適合大力推廣使用。