高性能混凝土透视雷达

项目简介

本项目自主研制手持式、一体化的混凝土透视雷达，并开发配套的三维成像软件，实现混凝土内部结构的三维成像。项目研制的混凝土透视雷达具备两项基本功能：(1)探测混凝土内部钢筋位置、数量、及保护层厚度；(2)探测混凝土内部缺陷和其他埋藏物。

需求分析

我国混凝土的年产量为20亿立方米，建筑用钢材料为4000万吨，占世界首位。据保守估计，混凝土透视雷达的国内市场容量约1000台/年，以美国SIR-3000 的40W RMB/台销售价格为例作估算，市场总销售额约40亿/年。与磁感应探测法相比，混凝土透视雷达技术具有如下独特优势：(1)不仅可以探测钢筋等金属埋藏物，还可探测空洞/裂缝、塑料管等非金属埋藏物; (2)可实现双层及多层钢筋的探测; (3)探测深度深，可用于隧道衬砌检测；(4)无需预知混凝土内埋钢筋直径等数据; (5)扫描速度快，利于大面积检测。

目前国内用于混凝土结构透视的成像雷达依赖国外进口(销售价格约为30-40 W RMB/台)，缺乏我国自主研发的产品。项目团队前期已研制了雷达样机，并开发了配套的数据采集软件和成像软件；基本技术参数与国外同类产品一致，多项技术性能指标达国际先进水平，满足我国的混凝土钢筋雷达检测法的行业标准。项目团队前期研制的混凝土结构透视雷达已经开始技术成果转化，目前已有多家国内研发/销售单位与本项目组签订购买意向书，并达成进一步合作开发的意向。

项目目标

本团队计划通过本项目的支持，在18个月的时间内实现已有原理样机和成像软件的升级和优化，完成最终产品样机的研制，并达到商品化和产业化标准。

本项目研制的混凝土透视雷达产品的平均成本为1-2W RMB/台，产品的市场销售价格为15-20W RMB/台，未来3-5年内产品的销售规模为100台/年。

项目研发的混凝土透视雷达经改装扩展，还可应用于生命信号探测、路基(公路、铁路、机场跑道，等)质量检测、城市地下管线探测等应用领域。

研发内容

1、雷达硬件，包括天线、发射机、接收机、主控和显示模块；

2、上位机软件，用于在检测过程中实时数字显示测量结果（钢筋位置，间距，保护层厚度），并显示断面钢筋位置的三维图像；

3、后处理软件，具备频谱分析，滤波，偏移处理，增益控制，背景消除，叠加，希尔伯特变换，时深变换，数学运算，数据编辑，文件操作等功能。

性能指标

分辨率水平分辨率：100mm

探测深度 <30mm

测距轮测试精度 ±0.2mm

扫描速度优于20cm /s

连续扫描长度 10m

测量误差保护层厚度检测允许误差为±1mm

钢筋间距测量允许误差为±3mm

发射脉冲幅度 >10V

采样点数 1024（可调）

时窗 3 ~ 50ns（可调）

使用温度 -10°C至50°C

续航能力 4h以上

天线类型屏蔽天线

动态范围 120 dB

供电方式锂电池

ADC分辨率 12 bit

功耗 <5 W

研究进展

（1）项目组已经初步研制了多个脉冲发射机，其中技术指标均达到国内领先水平：例如，用于表层目标探测的脉宽400-500 ps、幅度大于5 V的脉冲发射机；用于浅层目标探测的脉宽500-700 ps、幅度大于15 V的脉冲发射机；用于深层目标探测的脉宽5 ns、幅度大于1 kV的脉冲发射机。根据不同的应用需求，我们已经研制了一系列不同频率、不同形式的天线，具备驻波系数小、增益大、方向性强等优点，例如，1.7 GHz天线的相对带宽为100%，天线增益8 dB。天线的中心频率从400 M-3 G，从而能够应用于不同的探测深度。天线形式包括bowtie天线、vivaldi天线、阿基米德螺旋天线、等角螺旋天线和喇叭天线，等。不同形式的天线具有不同的时域响应特性和耦合特性，因此可以根据不同的使用场景匹配不同形式的天线，比如手推时需要选择介质耦合天线（bowtie天线、螺旋天线）而车载时需要选择空气耦合天线（喇叭天线）。

（2）项目课题组已经利用可编程逻辑器件（FPGA）、延时芯片、ARM、模数转换芯片ADC和采样保持器（T/H）自主研制了一套可以实现混合采样的主控和接收系统

（3）项目组已经将系统的主控、发射、接收、天线等模块组合起来，在实验室内进行了闭环连调实验，取得了很好的实验结果。但由于经费的限制，目前项目组只组装了一套简易的样机，如下图所示。该样机在野外实验中也取得了不错的效果，但还存在很多亟待解决的问题，比如系统的连接电缆和接头带来了很大的噪声、结构不够结实等。

（4）项目组已经分别基于Microsoft Visual C++ 软件开发平台和嵌入式Qt软件开发平台分别开发了相应探地雷达软件系统