[0001] 本发明属于隧道隐蔽缺陷探测技术领域，尤其涉及一种基于双频复合三维阵列雷达的隧道隐蔽缺陷探测系统。

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

[0003] 隧道作为埋置于地层中的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式，也因公路、铁路、水工、矿山等基础设施建设对平面线形、纵坡的严格要求而广泛应用。与地面结构物不同，隧道和周围地层相接触的衬砌结构不仅承受地层压力、结构自重、地震、爆炸等动静荷载，还兼具防止地层风化、崩塌、防水、防潮等保护作用。然而，随着服役时间延长，在环境、地质、荷载等多因素耦合作用下，隧道衬砌与周围地层接触面出现不同程度的材料劣化、结构分离甚至脱空等病害。隧道结构隐蔽缺陷如果不能得到及时有效的探测整治，将会给人员和财物带来不可估量的损失及伤害。

[0004] 迄今为止，隧道隐蔽缺陷的探测以地质雷达法、声波法为主。其中，雷达检测方法是采用探地雷达对隧道衬砌及背后一定范围内的地层进行扫描和检测，从而获取隧道内部和背后缺陷状况的有效手段；但常用的探地雷达装备本身就存在探测精度与深度相互制约的问题，应用于隧道隐蔽缺陷探测更是受到衬砌结构内部密集分布的钢筋网影响，传回的缺陷部位信号强度大打折扣，难以辨识和分析。

[0035] 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，本发明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。

[0036] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0037] 常用的探地雷达装备本身就存在探测精度与深度相互制约的问题，应用于隧道隐蔽缺陷探测更是受到衬砌结构内部密集分布的钢筋网影响，传回的缺陷部位信号强度大打折扣，难以辨识和分析。

[0038] 基于此，针对隧道衬砌结构内部(裂缝、不密实、钢筋锈蚀)和背后(脱空、含水通道)广泛分布、形式多样的隐蔽缺陷，考虑材料介电常数范围和复杂的隧道环境，分析电磁波的路径损耗，本发明通过优选天线频率、改善阵列设计、增强耦合方式等手段，形成衬砌背后不同深度范围隐蔽缺陷有效探测的双频复合三维阵列雷达系统，实现隧道隐蔽缺陷探测精度和深度同步提升。

[0039] 实施例一

[0040] 本公开的一种实施例中提供了一种基于双频复合三维阵列雷达的隧道隐蔽缺陷探测系统，搭载于隧道病害检测台车上，包括显控终端、隧道雷达主机和双频阵列天线；

[0041] 所述双频阵列天线安装在检测台车的支撑伸缩臂上，由各自独立且紧邻放置的多个阵列模块组成，每个阵列模块包括高频发射天线及对应的高频接收天线、中频发射天线及对应的中频接收天线；

[0042] 检测台车探测过程中，隧道雷达主机根据显控终端的控制参数产生整个雷达的工作时序，控制各个阵列模块不同频率的发射天线依次发射信号，而采集所有接收天线的回波信号；基于预处理后的回波信号，显控终端进行隧道隐蔽缺陷的识别。

[0043] 作为一种实施例，一种基于双频复合三维阵列雷达的隧道隐蔽缺陷探测系统的具体实施方式如下：

[0044] 如图1所示，该系统由显控终端、双频阵列天线、隧道雷达主机三部分组成。

[0045] 显控终端内安装采集显控软件，采集显控软件负责对双频阵列天线和隧道雷达主机进行控制；雷达主机连接双频阵列天线，在特定工作参数下开展隧道隐蔽缺陷雷达探测工作；用户可通过软件界面设置隧道雷达主机工作参数，控制雷达主机工作时序，通过千兆网络将隧道雷达主机的采集数据传输回显控终端，并进行成像处理与目标体识别，展示给用户。

[0046] 处理过程中可快速切换显示深度及雷达信息，并可实时展示存储位置、系统时间、工作模式、存储剩余空间、工作状态等信息。数据保存为工程化管理模式，保存原始数据，记录方式为各信息分别生成专属文件，以雷达道号为同步信息。

[0047] 双频阵列天线由多个相同的阵列模块各自独立且紧邻放置，可组合安装到支撑伸缩臂上，使不同阵列与隧道面垂直。每个阵列模块由两种频率天线组成：中频400MHz天线和高频800MHz天线。单个阵列模块宽28cm，长1.2m，上下两侧天线为2个中频400MHz发射天线和2个中频400MHz接收天线对称放置，中间为4个高频800MHz发射天线和4个高频800MHz接收天线交错排列。

[0048] 隧道雷达主机根据显控终端的控制参数控制整个雷达的工作时序，产生发射触发信号，并采集所有接收天线的回波信号，打包上传至显控终端。

[0049] 在显控终端上，通过零点调节、F I R滤波、背景消除、道间均衡等数据预处理操作，标注目标体，结合集成于显控终端的异常识别算法，进行隧道隐蔽缺陷的快速识别。

[0050] 根据上述方案，隧道雷达主机与双频阵列天线安装到一起，组成单个阵列天线模块。如图2所示，每个隧道雷达主机包含供电与外设单元、双频多路采控卡、多路步进与脉冲形成单元，相互配合控制阵列天线的发射和接收。

[0051] 供电与外设单元主要将直流电进行转化，转接外设接口电平至适合雷达主机及双频天线各单元的电平，保证雷达系统正常工作。

[0052] 双频多路采控卡负责实现双路高频天线和单路中频天线的回波信号实时采集功能和工作时序控制功能。

[0053] 多路步进与脉冲形成单元负责延时控制，形成发射天线需要的发射触发脉冲，每个阵列天线模块对应两个高频和一个中频三路。

[0054] 本实施例中，每个阵列模块均含有网络控制模块，分配不同的IP地址，显控终端通过综合线缆实现对每个阵列模块的控制；回波信号实时采集功能和工作时序控制功能的具体为：

[0055] 每个阵列模块均有两个与外部连接的航空插头，一个为输入端，一个为输出端。与显控终端直接连接的模块被定义为阵列模块1，阵列模块1的输出端通过综合线缆连接到阵列模块2，阵列模块2的输出端再通过综合线缆连接到阵列模块3。依次接收双频多路采控卡的时序控制指令，从而实现显控终端对不同模块的时序控制。采集接收的雷达信号通过综合线缆全部传送到显控终端，通过对不同时刻发射天线位置的控制分别提取出不同频率、不同测线的雷达数据，从而完成不同测线的检测。

[0056] 系统通电后，三个阵列天线模块均处于通电待机状态，等待上位机(即显控终端)的工作参数配置，主要包括扫速、采样点数、叠加次数及工作模式。

[0057] 进一步地，上位机通过网络配置三个模块的工作参数完成后，所有模块中雷达主机上的采集板卡设置工作寄存器参数，等待开始工作指令。

[0058] 进一步地，开始工作后，阵列模块1的采集板卡根据工作模式选择触发脉冲是内部连续脉冲还是外部测距仪同步脉冲；然后，产生一道同步控制脉冲，控制两个不同频率的天线采集，确保三个模块协同完成一道数据采集；本实施例中，所有脉冲均指发射信号的方式，在发射器中产生短时高功率的脉冲信号，遇到目标物体后被反射回来，接收器将反射信号接收放大处理，得到目标物体的距离和速度等信息。

[0059] 进一步地，阵列模块外围的发射天线所发出信号可以由相邻阵列模块外围接收天线进行接收，这里的外围表示单个阵列模块上下左右4个边界处的雷达天线，也可以表述为外侧、边界处、外圈、轮廓处；如图1所示，阵列模块1中每个独立三角形分别表示1个雷达天线，红色表示发射天线，蓝色表示接收天线，大三角形表示中频天线，小三角形表示高频天线；阵列模块1通过同步控制指令获取3条高频测线和1条中频测线数据，阵列模块2通过同步控制指令获取4条高频测线(包含阵列模块2左侧高频接收天线与阵列模块1右侧高频发射天线组成的1条测线)和2条中频测线(包含阵列模块2上方中频发射天线与阵列模块1下方中频接收天线组成的1条测线)数据，模块3通过同步控制信号获取4条高频测线和2条中频测线数据。

[0060] 进一步地，在一道数据采集过程中，两个频率天线的叠加次数由工作重频和扫速参数计算得出。阵列模块1的采集板卡根据叠加次数循环控制天线发射和接收，雷达天线按照“先高频，后中频”顺序依次采集，高频天线采用“一发两收”机制，三个阵列天线模块获取11条测线数据，中频天线获取5条测线数据。每道数据采集过程中，多次重复采集的数据叠加平均后通过网络上传至上位机，上位机根据不同模块采集卡的IP地址和端口号区分不同测线数据，最终汇集成完整的一道数据。

[0061] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。