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混凝土雷达在结构无损检测的应用研究 王正成，韩亮，侯胜利 （1、中国地质大学 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室，北京 100083，2、欧美大地仪器设备中 国有限公司，北京 100062） 摘要：混凝土雷达是用于建筑结构无损检测的一门新技术，理论上满足麦克斯韦方程和波动方程，具有分 辨率高，可单面采集，测深大，数据处理简单，结果直观等特点。随着雷达技术水平的发展，混凝土雷达 逐渐从探地雷达系统中独立出来，形成了专门用于混凝土结构检测的一套系统。本文结合 CX 系列混凝土 雷达阐述了其理论和方法的可行性。 关键词：混凝土雷达，无损检测，分辨率，反射系数 引言 用于混凝土结构无损检测的雷达，我们称之为混凝土雷达，它是探地雷达在混凝土结构 检测中的具体应用。混凝土雷达工作时，发射机向混凝土内或地下发射高频带脉冲电磁波， 经存在电性差异的界面或目标体反射后返回测量表面并由接收机接收。电磁波在介质中传播 时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质和几何形态而变化，对接收的信号 进行分析处理，可判断混凝土的钢筋、层厚和缺陷位置。当目标体为面反射体时，雷达图像 上显示的是与反射界面相一致的一条曲线，当目标体为点反射体时，其雷达图像上显示的是 一个抛物线，或称之为双曲线的一支。与其它无损检测技术相比，混凝土雷达具有单面检测， 分辨率高，测深大，工作效率高，数据处理简单，结果直观等优点。混凝土雷达的应用范围 包括定位钢筋位置及间距，混凝土内金属及非金属管线或电缆，测量楼板结构层及装饰层厚 度，空心砖填筑质量，古建筑墙体剥离层，暗梁的位置等。虽然混凝土雷达的应用十分广泛， 但是在解决钢筋直径，裂缝深度，密集钢筋定位等问题上还存在相当大的难度，因此，我们 应科学客观的看待混凝土雷达的功能和能力，其应用领域也有待我们进一步开发。 1、工作原理 混凝土雷达采用高频电磁波进行测量，图 1 所示的单道波 形就是经过目标体反射的电磁波图形，在模拟信号向数字信号 转换过程中，根据信号振幅大小和正负的不同，使用黑白或彩 色进行填充，得到二维的扫描图。最终得到的雷达剖面图就是 由多个这样的扫描图排列组成的。根据电磁波传播理论，高频 电磁波在介质中的传播服从麦克斯韦方程组。 即 ∂B E ∇× − ∂t ∂D ∇×H j + （1） ∂t ∇•B 0 D ∇• ρ 3 2 式中ρ 为电荷密度（C/m ）；J 为电流密度（A/m ）；E 为电场 强度（V/m ）；D 为电位移（C/m2 ）；B 为磁感应强度（T ）；H 为 图 1、单道波形窗口 磁场强度（A/m ）。 麦克斯韦方程组描述了电磁场的运动学规律和动力学规律。其中 E 、B 、D 和 H 这四矢 量称为场量，是在问题中需要求解的；J 和ρ 中一个为矢量，一个为标量，均称为源量，一 般在求解问题中是给定的。例如在利用时间域有限差分（FDTD ）方法求解中，在已知的边 界条件下，给定发射源的类型和大小等。要充分地确定电磁场的各场量，求解上述方程的四 个参数是不够的，必须补进媒质的本构关系。所谓的本构关系是场量与场量之间的关系，决 定于电磁场所在介质中的性质。介质由分子或原子组成，在电场和磁场作用下，会产生极化 和磁化现象。由于介质的多样性，本构关系也相当复杂。最简单的介质是均匀、线性和各向 同性介质，其本构关系为 J σE D εE （2 ） B μH 式中，ε 为介电常数（F/m ）；μ为导磁率（H/m ）；σ 为电导率（S/m），均为标量常量，也 是反映介质电性质的参数。麦克斯韦方程组描述了场随时间变化的一组耦合的电场和磁场。 输入一个电场时，变化的电场产生变化的磁场。电场和磁场相互激励的结果是电磁场在介质 中传播。探地雷达利用天线产生电磁场能量在介质中传播，根据麦克斯韦方程，以及上述的 本构关系。可以写成如下形式 ∂ ∇×∇×