Георадар: обзор решения для неразрушающего контроля бетонных конструкций

Осипов Михаил, Кравцов Константин

Радиовидение – современный неразрушающий метод испытаний материалов, который позволяет обнаруживать и оценивать дефекты. Данный метод основан на использовании эффекта отражения и рассеяния радиоволн на границе раздела двух сред с разными электромагнитными свойствами. Технологии радиовидения активно используются в авиации, медицине, металлургии и строительстве. Компания «ПЛАНАР» – отечественный разработчик электронного оборудования – разработала прототип устройства «ГЕОРАДАР» на базе компактного векторного анализатора цепей, который позволяет значительно оптимизировать время и ресурсы при испытаниях бетонных конструкций.

602 0 0

печатать Статья в PDF (6 МБ)

Введение

Ключевую роль неразрушающий контроль играет в строительстве и ремонте зданий и сооружений. Использование георадара для контроля бетонных конструкций позволяет эффективно решать ряд проблем, связанных с их состоянием и надёжностью.

Обнаружение скрытых дефектов без разрушений: одной из основных проблем при работе с бетоном является то, что многие дефекты (трещины, включения, коррозия арматуры) могут быть невидимыми. Георадар позволяет выявить эти проблемы, что позволяет принимать меры по их устранению до того, как они достигнут критического уровня.
Экономия ресурсов: использование георадара позволяет более точно определить объём ремонтных работ. Это существенно оптимизирует процесс ремонта и позволяет сократить затраты на ресурсы и время.
Повышение безопасности: георадар помогает выявить потенциальные опасности, связанные с дефектами бетона. Это особенно важно в случае инфраструктурных объектов, таких как мосты и тоннели, где безопасность играет критическую роль.
Оценка бетонных конструкций: при приобретении нового жилья георадар помогает оценить состояние бетонных конструкций.

В течение короткого времени инженеры компании «ПЛАНАР» создали макет георадара, разработали программное обеспечение (ПО) и приступили к его испытаниям (рис. 1).
Рис. 1. Тестовый стенд, состоящий из георадара (прототип), подключённого ноутбука с предустановленным ПО и экспериментального бетонного блока

В макете используется технология непрерывного излучения со ступенчато изменяемой частотой [2], что позволяет получить изображение бетона в двухмерных или трёхмерных измерениях с высоким пространственным разрешением на глубину до 80 см.

Для обработки и визуализации результатов исследования георадар подключается к ноутбуку по USB и работает с программным обеспечением RadioVision на операционной системе Windows.

Конструкция макета георадара

Конструктивно георадар представляет собой электронное устройство, оснащённое блоком антенн, радиомодулем RIM5055 VNA для формирования и приёма радиосигналов.

Георадар работает от аккумуляторной батареи, которая обеспечивает непрерывную работу в течение 3 часов. Аккумулятор имеет индикатор уровня заряда. По периметру георадара размещены лазерные направляющие (рис. 2).
Рис. 2. Конструкция георадара

Конструкция георадара обеспечивает необходимое расстояние от блока измерения до поверхности (0,8 см), а также надёжное сцепление с поверхностью сканируемого объекта для достижения лучшей точности измерения.

Корпус спроектирован с учётом требуемого температурного режима работы. Для этого был проведён тепловой расчёт модели (рис. 3).
Рис. 3. Тепловой расчёт модели георадара

Дизайн макета предполагает модульность для использования нескольких типов антенн. В дальнейшем размеры макета георадара будут уменьшены в 1,5–2 раза.

Програмное обеспечение

Для анализа и визуализации данных, полученных с помощью Георадара, разработано программное обеспечение под названием RadioVision (рис. 4).
Рис. 4. Программное обеспечение RadioVision

На данный момент оно поддерживается операционной системой Windows. Программное обеспечение позволяет проводить измерения в двух режимах сканирования: линейный и площадной [3].

Линейный режим сканирования (B-cкан) позволяет получать изображения поперечного среза исследуемой среды (рис. 5).
Рис. 5. Работа ПО RadioVision в линейном режиме сканирования

Площадной режим сканирования (С-скан) позволяет получать изображения продольного среза исследуемой среды, а также формировать трёхмерные изображения (рис. 6).
Рис. 6. Работа ПО RadioVision в площадном режиме сканирования

По полученному изображению можно точно определить местоположение объектов и их размеры. Для удобства визуального восприятия имеется возможность отметить объекты тегами, которые содержат информацию о типе объекта, координатах (рис. 7).
Рис. 7. Применение тегов в ПО RadioVision

В программном обеспечении для улучшения качества изображения применяются следующие функциональные возможности [4, 5].

Коррекция нулевого зазора (или нулевого отсчёта) позволяет уточнить начальные параметры измерения.
Настройка шага сканирования позволяет выбирать оптимальный интервал для сбора данных.
Применение линейных и нелинейных методов фильтрации позволяет улучшить качество и читаемость данных.
Настройка контрастности изображения помогает выделить детали и особенности структуры объекта.

Результаты сканирования могут быть сохранены для последующего анализа и сравнения результатов.

Результаты испытаний георадара

В процессе разработки георадара был проведён ряд экспериментов, в частности, сканирование плиты-перекрытия на определение арматуры (рис. 8, 9).
Рис. 8. Экспериментальный образец бетона
Рис. 9. Визуализация результатов испытаний георадара

В результате линейного и площадного сканирования плиты-перекрытия офисного помещения обнаружена арматура, которую используют для армирования бетонных перекрытий.

Дополнительно проводились эксперименты на бетонных образцах с арматурой разного диаметра и материала (рис. 10, 11).
Рис. 10. Экспериментальные испытания бетонного образца с арматурой разного диаметра
Рис. 11. 3D-изображение, синтезированное в результате обработки данных, полученных при обмере тестового бетонного блока

Компания «ПЛАНАР» продолжает работу над улучшением георадара и в скором времени планирует расширить его возможности для сканирования больших объектов и создания трёхмерной визуализации структуры. На данный момент инженеры разрабатывают фильтры и миграционные алгоритмы для обеспечения эффективного площадного сканирования.

Заключение

Подводя итог, с уверенностью хочется сказать, что георадар – это мощный инструмент для неразрушающего контроля бетонных конструкций, который обеспечивает высокую точность и достоверность полученных данных. Его применение позволяет экономить время и ресурсы, а также повышает качество и безопасность строительства и ремонтных работ.

Литература

Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / под ред. А.Ю. Гринева. М.: Радиотехника, 2005. 416 с.
Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли // Институт радиофизики и электроники имени А.Я. Усикова НАН Украины.
Smitha N., Ullas Bharadwaj D.R., Abilash S. et al. Kirchhoff and F-K migration to focus ground penetrating radar images. Geo-Engineering 7, 4 (2016).
Lindell David B. et al. «Wave-based non-line-of-sight imaging using fast f-k migration» ACM Transactions on Graphics (TOG) 38 (2019): 1–13.
Rucka M., Wojtczak E., Zielińska M. Interpolation methods in GPR tomographic imaging of linear and volume anomalies for cultural heritage diagnostics.