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马尾松木材空洞开裂残损的雷达检测成像初探

陈勇平 高甜 李德山 郭文静

陈勇平, 高甜, 李德山, 郭文静. 马尾松木材空洞开裂残损的雷达检测成像初探[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 112-118. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160313
引用本文: 陈勇平, 高甜, 李德山, 郭文静. 马尾松木材空洞开裂残损的雷达检测成像初探[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 112-118. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160313
CHEN Yong-ping, GAO Tian, LI De-shan, GUO Wen-jing. Preliminary study on radar detection and imaging of cavities and cracks of Pinus massoniana[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(3): 112-118. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160313
Citation: CHEN Yong-ping, GAO Tian, LI De-shan, GUO Wen-jing. Preliminary study on radar detection and imaging of cavities and cracks of Pinus massoniana[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(3): 112-118. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160313

马尾松木材空洞开裂残损的雷达检测成像初探

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160313
基金项目: 

故宫博物院科研课题 KT2015-06

国家自然科学基金项目 31570711

详细信息
    作者简介:

    陈勇平,博士,副研究员。主要研究方向:木材无损检测,单板类材料加工利用。Email:chenyp@caf.ac.cn  地址:100091  北京市海淀区香山路东小府1号中国林业科学研究院木材工业研究所

    通讯作者:

    郭文静,博士生导师,研究员。主要研究方向:木基复合材料。Email:guowj@caf.ac.cn。地址:同上

  • 中图分类号: S781.5; TN958

Preliminary study on radar detection and imaging of cavities and cracks of Pinus massoniana

  • 摘要: 本研究以木结构古建筑常用的马尾松木材为研究对象,采取人工模拟的方法在马尾松木段端部制作中心空洞及外缘开裂的残损,通过开展残损木材的雷达探测及成像影响因素研究,给出不同残损在雷达检测下的表现形态,实现木材内部空洞和外缘开裂残损的快速识别及表征。研究结果表明:利用雷达无损检测技术可以实现木材内部空洞和外缘开裂残损的快速检出,而对残损大小的评估,雷达检测面积与实际残损面积存在偏差;当雷达探测到木材内部空洞时,其交界面会出现强烈的黑-白-黑形态图像,对应的反射波形为谷-峰-谷;当雷达探测到木材外缘开裂等凹陷特征时,其图像上会出现不同于正常背景的纵向干扰条纹;木材外缘开裂并不严重影响内部空洞残损的检出,木材表面存在贴合紧密的树皮或保护性地仗对内部残损的识别也无明显影响;木材含水率对雷达检测结果影响较为显著,在其他条件一定时,木材含水率越高,其雷达检测残损面积越小;雷达检测结果受含水率等因素影响,其残损的检测边界可能会产生一定的偏移,因此,在实际检测中应根据雷达检测图像进行深度方向的延伸分析。通过本研究可知:雷达无损检测技术可以实现木材空洞和开裂残损的快速检出,但对于残损的定量评估有待于进一步研究。
  • 图  1  木段残损模拟加工

    Figure  1.  Fabrication of cavity and crack damages in wood columns

    图  2  树木雷达检测设备及测试方法

    Figure  2.  Tree radar unit and testing method

    图  3  健康及残损木材的雷达检测结果

    Figure  3.  Testing results of the healthy and damaged wood columns by TRU

    图  4  木材开裂残损的雷达波检测结果

    Figure  4.  Testing results of the crack damages in wood columns by TRU

    图  5  外缘开裂木材内部空洞残损的雷达波检测结果

    Figure  5.  Testing results of the cavity damage in wood columns with external cracks by TRU

    图  6  木材内部空洞残损的雷达波检测结果

    Figure  6.  Testing results of the cavity damages in wood columns by TRU

    图  7  不同含水率下木材内部空洞残损的雷达波检测结果

    Figure  7.  Testing results of the cavity damages in wood columns with different moisture contents by TRU

    图  8  不同含水率下木材内部空洞残损的雷达波成像结果

    Figure  8.  Imaging results of the cavity damages in wood columns with different moisture contents by TRU

    表  1  不同含水率木材空洞残损面积的雷达测算与统计(1#木段)

    Table  1.   Calculation and statistics of the cavity areas in wood columns with different moisture contents by TRU

    %
    序号
    No.
    含水率
    Moisture content
    实际残损百分比
    Percentage of actual damage area
    雷达预测残损百分比
    Percentage of damage area determined by TRU
    相对误差
    Relative error
    110011.963.5470.40
    22011.965.1756.77
    31211.966.1848.33
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-09-29
  • 修回日期:  2016-12-12
  • 刊出日期:  2017-03-01

马尾松木材空洞开裂残损的雷达检测成像初探

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160313
    基金项目:

    故宫博物院科研课题 KT2015-06

    国家自然科学基金项目 31570711

    作者简介:

    陈勇平,博士,副研究员。主要研究方向:木材无损检测,单板类材料加工利用。Email:chenyp@caf.ac.cn  地址:100091  北京市海淀区香山路东小府1号中国林业科学研究院木材工业研究所

    通讯作者: 郭文静,博士生导师,研究员。主要研究方向:木基复合材料。Email:guowj@caf.ac.cn。地址:同上
  • 中图分类号: S781.5; TN958

摘要: 本研究以木结构古建筑常用的马尾松木材为研究对象,采取人工模拟的方法在马尾松木段端部制作中心空洞及外缘开裂的残损,通过开展残损木材的雷达探测及成像影响因素研究,给出不同残损在雷达检测下的表现形态,实现木材内部空洞和外缘开裂残损的快速识别及表征。研究结果表明:利用雷达无损检测技术可以实现木材内部空洞和外缘开裂残损的快速检出,而对残损大小的评估,雷达检测面积与实际残损面积存在偏差;当雷达探测到木材内部空洞时,其交界面会出现强烈的黑-白-黑形态图像,对应的反射波形为谷-峰-谷;当雷达探测到木材外缘开裂等凹陷特征时,其图像上会出现不同于正常背景的纵向干扰条纹;木材外缘开裂并不严重影响内部空洞残损的检出,木材表面存在贴合紧密的树皮或保护性地仗对内部残损的识别也无明显影响;木材含水率对雷达检测结果影响较为显著,在其他条件一定时,木材含水率越高,其雷达检测残损面积越小;雷达检测结果受含水率等因素影响,其残损的检测边界可能会产生一定的偏移,因此,在实际检测中应根据雷达检测图像进行深度方向的延伸分析。通过本研究可知:雷达无损检测技术可以实现木材空洞和开裂残损的快速检出,但对于残损的定量评估有待于进一步研究。

English Abstract

陈勇平, 高甜, 李德山, 郭文静. 马尾松木材空洞开裂残损的雷达检测成像初探[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 112-118. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160313
引用本文: 陈勇平, 高甜, 李德山, 郭文静. 马尾松木材空洞开裂残损的雷达检测成像初探[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 112-118. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160313
CHEN Yong-ping, GAO Tian, LI De-shan, GUO Wen-jing. Preliminary study on radar detection and imaging of cavities and cracks of Pinus massoniana[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(3): 112-118. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160313
Citation: CHEN Yong-ping, GAO Tian, LI De-shan, GUO Wen-jing. Preliminary study on radar detection and imaging of cavities and cracks of Pinus massoniana[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(3): 112-118. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160313
  • 阻力仪和应力波检测技术是目前活立木及古建筑木构件无损探伤较为常用的方法,通过阻力仪探测或应力波断层扫描可以识别并判定木材内部残损体量[1-4],两种方法结合使用更能提高检测精度[1, 5]。但在实际应用中,部分木结构建筑由于其特殊性要求对所检测对象进行完全非侵入式的扫描,既不能应用阻力仪微型探针刺探木材内部也不能在木柱表面悬挂铁钉进行应力波断层扫描。为了满足此类检测的需求,我们尝试了一种新型的无损检测方法—雷达检测法并开展了相关研究。

    雷达探测起源于1904年,是利用高频电磁波确定介质内部分布规律的一种物理方法,早期主要应用于探测地下目标物[6]。此项技术前期应用并不广泛,直至20世纪70年代商业化探地雷达系统问世,才促进了此项技术的发展与应用,目前其适用范围已覆盖考古、地质勘探、无损检测、工程建筑物调查等诸多领域[7-9]。雷达探测在林学领域主要应用于植物根系探测研究[10-13],也有部分学者通过雷达扫描进行活立木腐朽状况的无损评估[14]及木材内部缺陷检测。利用雷达进行木材内部缺陷检测最早见于制材工业,通过缺陷的定位合理避开缺陷从而规划制材工艺以提高出材率[15-17]。在古建筑木材内部残损检测方面,鲜有科学研究或工程应用的文献报道,仅个别学者论证了探地雷达在木材无损检测应用中的可行性[18]。鉴于此,本研究以古建筑营造及修缮常用的马尾松木材为研究对象,采取人工模拟的方法制作中心空洞及外缘开裂残损,利用雷达对其进行探测并对残损的雷达检测图像开展分析,提出木材残损在雷达检测方法下的表现形态;通过开展雷达成像影响因素研究,分析雷达检测残损面积与实际残损的差异并探讨其产生的原因。

    • 马尾松(Pinus massoniana)木材采集于湖南省攸县黄丰桥国有林场,树龄50年,胸径51.5 cm,树高约22 m。

      马尾松原木伐倒后,自树根位置80 cm起按每段长约80 cm逐个截取木段,以模拟短柱;木段经挑选后编号,同时标记起始检测点,不同编号木段用于不同的残损模拟或对照试验。取1#木段,直径约50 cm,在木段的两端分别加工圆形空洞,其中一端加工圆形空洞如图 1a,空洞直径约为木段直径的1/3,空洞深度约为20 cm,在其含水率为100%、20%和12%时,利用雷达检测设备分别进行扫描,用于开展木材含水率对内部空洞残损识别的影响研究;另一端加工空洞直径约为木段直径的1/2,空洞深度约为20 cm,在其含水率为100%时利用雷达检测设备进行扫描,用于开展不同大小空洞残损的雷达检测研究。取3#木段,直径约48 cm,在木段的两端分别加工圆形空洞,两端模拟空洞直径分别约为木段直径的1/4和1/8,空洞深度约为20 cm,在其含水率为100%时利用雷达检测设备分别进行扫描,同样用于开展不同大小空洞残损的雷达检测研究。取6#木段,木段直径约42 cm,加工开裂残损如图 1b,模拟开裂宽3 cm深12 cm,同时在6#木段另一端加工两条开裂残损,模拟开裂分别为宽1 cm深4 cm以及宽2 cm深8 cm,在其含水率为100%时,进行雷达扫描,用于雷达检测中外缘开裂的表现形态分析。取7#木段,木段直径约40 cm,作为健康对照材,在其含水率为100%时,进行雷达扫描,作为残损分析的基础对照数据。此外,图 1c试材为前期采集的旧木段,编号为N12#,木段直径约36 cm,模拟空洞直径约为木段直径的1/3,含水率约12%,根据研究需要加工开裂残损,用于分析开裂残损对内部空洞识别的影响。

      图  1  木段残损模拟加工

      Figure 1.  Fabrication of cavity and crack damages in wood columns

    • 树木雷达检测木材内部残损是利用高频电磁波确定介质内部分布规律的一种物理方法,主要通过接收发射的电磁波的反射信息实现目标体的探测。由于木材内部空洞与木材本身具有不同的介电性、导磁性等物理特性,因而对电磁波有不同的波阻抗,进入木材的电磁波在穿过木材内部空洞时,由于界面两侧的波阻抗不同,电磁波在介质的界面上会发生反射,反射的电磁波脉冲其强度与波形将随所通过介质的介电性能而变化,因此,从接收到的雷达反射回波波形资料,可以推断木材内部残损情况。

      试验仪器采用美国TRU(Tree Radar Unit)树木雷达检测系统,主要参数设置为:频率900 mHz,最大扫描直径4.2 m,深度分辨率1.9 mm,数据采集间隔5 mm。

      TRU树木雷达检测系统主要包括操控系统和检测装置两个部分,其中检测装置是封装了雷达天线的组件,测试时将雷达检测装置贴合于木段外表面,如图 2b,从标记的起始检测点开始推动该雷达检测装置匀速绕木段一周,直至回到该起始检测点。其试验程序主要分以下几步:选定测试位置并测定该位置木段直径;标记测试起始和终止点;进行雷达操控系统和检测装置的连接;根据木段直径选择合理的测试基准;开始测试并采集雷达回波数据存入图 2a设备附带的存储器中;导出并分析雷达检测数据。为避免测试过程中雷达检测装置因贴合不稳从而产生干扰特征,在测试完成前应确保雷达检测装置始终与待测木段保持紧密贴合,如果存在无法避免的凹陷、凸起等难以紧密贴合的检测区域,应注明位置以便在图像分析时进行残损规避。

      图  2  树木雷达检测设备及测试方法

      Figure 2.  Tree radar unit and testing method

    • 7#健康试材和1#空洞残损试材的雷达检测图像分别见图 3a3b图 3a中,左侧为某一检测点的波形图,右侧为综合所有检测点得出的检测图像,其横坐标为雷达天线从检测点开始沿着木段周长方向的移动距离即检测长度,纵坐标为探测深度。为了描述图 3b残损木材的检测结果,本文将检测图像划分为3部分:第一部分为雷达波从空气中进入木材产生的图像,该段区域为表层区域,此段区域宽度并非对应的木材横截面上表层厚度,而是雷达波从空气中进入木材表面引起的特征图像的表征,一般来说表层区域在0~10 cm之间;第二部分为过渡区域,位于表层区域和分析区域之间;第三部分为分析区域,其起始点根据实际情况进行划定,终止点为检测目标半径。

      图  3  健康及残损木材的雷达检测结果

      Figure 3.  Testing results of the healthy and damaged wood columns by TRU

      图 3a可以看出:从雷达装置发射的电磁波,穿过空气介质(空气介电常数较低约为1)进入木材介质(因含水率不同,木材介电常数在2~30之间),即电磁波由低介电常数介质进入高介电常数介质[19-20],其交界面产生了强烈的反射,对应的反射波形为峰-谷-峰,雷达检测图像中表现的特征形态为白-黑-白。同理可知:在木材内部存在空洞时,雷达波则由高介电常数介质进入低介电常数介质,其交界面对应的反射波形应为谷-峰-谷,雷达检测图像中表现的特征形态为黑-白-黑。该推论与具有空洞残损木材的实际检测结果一致,如图 3b所示。因为木材内部存在空洞,该雷达检测图像分析区域出现了明显的特征形态黑-白-黑,对应的反射波形为谷-峰-谷,空洞残损被明显识别。

    • 6#开裂残损试材的雷达检测图像见图 4。雷达检测过程中,如果探测到木材表面存在开裂等凹陷特征时,会使得雷达天线暂时失去反馈信号,在雷达图像上表现为一条不同于背景的纵向干扰条纹。如果存在多条开裂,将会出现多条纵向条纹。图 1b所示具有单条开裂残损的木材(即6#试材)的雷达检测图像见图 4a,从图 4a可以看出:雷达检测图像中出现了一条纵向干扰条纹,对应图 1b中的一条开裂。而图 1b试材的另一端加工有两条外缘开裂残损,其雷达检测图像图 4b出现了两条纵向干扰条纹。计算实际开裂处到起始检测点的圆周长度,其结果近似雷达检测图像中开裂位置与起始检测点的距离,外缘开裂在雷达检测图像中有比较明显的表现形态。

      图  4  木材开裂残损的雷达波检测结果

      Figure 4.  Testing results of the crack damages in wood columns by TRU

    • 通过木结构古建筑残损信息的调查可知,开裂是木柱破坏的通病[21],内部存在空洞及腐朽的古建筑木柱往往其外部伴生有外缘开裂。为此,本研究开展了雷达检测外缘开裂对木材内部残损识别的影响研究。取图 1c试材进行雷达扫描,结果如图 5。从图 5中可以看出,由于外缘开裂的存在,该雷达检测图像出现了多条纵向干扰条纹,这与开裂特征的表现形态一致;同时,外缘开裂也使得空洞残损的局部边界产生了一定偏移,但开裂的存在并没有影响内部空洞残损的检出。

      图  5  外缘开裂木材内部空洞残损的雷达波检测结果

      Figure 5.  Testing results of the cavity damage in wood columns with external cracks by TRU

    • 在古建筑木柱的实际检测时发现:木柱表层一般都存在地仗和油饰层。为了验证木柱表层介质的存在对检测结果产生的影响,本文对图 1a试材在树皮存在及去除条件下的空洞残损进行检测,其中图 6a为树皮存在条件下的检测结果,图 6b为树皮去除条件下的检测结果。

      图  6  木材内部空洞残损的雷达波检测结果

      Figure 6.  Testing results of the cavity damages in wood columns by TRU

      图 6中可以看出:树皮存在与否对检测结果影响不大,两种条件下木材内部残损均被准确识别,且其雷达图像较为相似,这是由于表层树皮一般都较薄,表层介质与内层介质之间的界面反射特征形态被空气介质与表层介质之间的界面反射特征形态所掩盖。但从图 6b也可以看出:去除树皮后马尾松木材的雷达检测图像中出现了一些干扰特征,这主要是因为去除树皮后木材水分散失加快,导致其部分区域出现了开裂。

    • 介质的介电性能是影响雷达波传播速度及交界面反射强弱的主要因素,由于水的介电常数为81[20],绝干木材仅为2左右,所以木材含水率是影响雷达检测结果的重要因素。为此本研究对图 1a具有空洞残损的试材进行了跟踪测试,即分别在含水率100%、20%和12%时对其进行雷达扫描(图 7)。

      图  7  不同含水率下木材内部空洞残损的雷达波检测结果

      Figure 7.  Testing results of the cavity damages in wood columns with different moisture contents by TRU

      图 7可以看出:3种含水率条件下木材内部空洞均被准确识别。由雷达测试数据,即图 7a7b7c放大后左边数值条对应的数据可以看到:图 7a残损边界离表层起始点约18 cm,残损边界大多距表层18~23 cm;图 7b残损边界离表层起始点约17 cm,残损边界大多距表层17~18 cm;图 7c残损边界离表层起始点约16 cm,残损边界大多距表层16~17 cm。图 7a所对应到的空洞预估面积小于其他两者,图 7b所对应的空洞残损略小于图 7c,不同含水率条件下同一空洞残损雷达检测结果存在差异。

      不同含水率下同一空洞残损检测差异主要是因为随着木材含水率的增加木材介电常数增大,而介电常数的变化又影响了雷达波在木材中的传播速度。雷达波在介质中的传播速度(V, m/s)可以简化为:$V=\frac{\text{c}}{\sqrt{\varepsilon }}$,其中c为雷达波在真空的传播速度(m/s);ε为介质的介电常数[21]。因为是同一空洞残损,故图 7a7b7c的检测对象残损边界是一样的,当含水率为100%时,其实际介电常数较大,雷达波在该介质中传播较慢,所以探测到边界时其回波时间较长,3种含水率条件下回波时间长短为100%>20%>12%。但树木雷达在实际检测过程中,按固定的介电常数计算传播速度,所以3种含水率条件下,系统均默认传播速度为同一固定值;当传播速度一定时,回波时间越长,则表明残损边界离表层距离越远,从而造成了空洞残损检测图像变小,使得检测结果产生了偏差。通过接收的雷达回波图像,进一步进行残损评估(图 8)。以图 7a生成8a为例,成像说明如下:图 7a为雷达检测图像,左上方坐标交界处为坐标0点,其横向为检测对象圆周的展开,纵向为检测深度,系统每隔5 mm在横向坐标轴进行一次标记并计算残损出现的深度,此后将图 7a标记的检测位置及残损深度的数据顺时针移植到图 8a的圆周上,并进行内部所有残损起始点的连接,就得到了图 8a的残损轮廓图。图 8b8c同理生成。

      图  8  不同含水率下木材内部空洞残损的雷达波成像结果

      Figure 8.  Imaging results of the cavity damages in wood columns with different moisture contents by TRU

      图 8的雷达检测结果可以看出空洞残损面积大小依次为:图 8c(含水率12%)>图 8b(含水率20%)>图 8a(含水率100%)。将试件的原始照片及上述残损图形导入Autocad软件,分别勾勒并计算残损轮廓及外轮廓所围成的面积,统计分析结果见表 1

      表 1  不同含水率木材空洞残损面积的雷达测算与统计(1#木段)

      Table 1.  Calculation and statistics of the cavity areas in wood columns with different moisture contents by TRU

      %
      序号
      No.
      含水率
      Moisture content
      实际残损百分比
      Percentage of actual damage area
      雷达预测残损百分比
      Percentage of damage area determined by TRU
      相对误差
      Relative error
      110011.963.5470.40
      22011.965.1756.77
      31211.966.1848.33

      表 1可以看出:空洞实际残损百分比为11.96%,而在含水率为100%、20%、12%时雷达检测残损百分比分别为3.54%、5.17%和6.18%,检测残损面积均低于实际残损面积。木材为非均质材料,由实质木材、水、空隙等组成,其内部介电常数处于变化状态,根据电磁波传播理论, 当一个物体非均质,它内部的介电常数处于一个变化状态时,电磁波会不断地产生发射和折射,电磁波的传播速度会变慢,因而在判定交界面时产生了一定的偏移造成检测残损面积小于实际残损面积。鉴于含水率对雷达检测结果影响较大,为评估其影响程度,本研究补充了不同大小空洞残损的雷达检测试验,对含水率为100%的3组马尾松木材(空洞直径分别约为木材直径的1/2、1/4、1/8)进行了雷达检测。空洞直径约为木材直径1/2、1/4的具有较大空洞残损的木材,其雷达检测残损百分比分别为11.08%和1.81%,通过雷达检测图像可以快速判定出残损;对于空洞直径约为木材直径1/8的具有较小空洞残损的木材,通过雷达检测深度方向的延伸分析可以定性判定出残损的存在,但因其残损检测位置向下产生了偏移,导致雷达检测图像正常的分析区域内残损难以定量。

    • 利用雷达无损检测技术可以实现木材内部空洞和外缘开裂残损的快速检出,在残损大小的评估方面,由于木材自身构造以及含水率等因素的影响,雷达检测面积与实际残损面积存在偏差,有待进一步研究。

      1) 雷达无损检测技术可以实现马尾松木材内部空洞和外缘开裂的快速识别。雷达检测系统在探测到木材内部空洞时,其交界面会产生强反射并在雷达图像上表现为明显的黑-白-黑形态,对应反射波形为谷-峰-谷;雷达检测系统在探测到木材表面开裂等凹陷特征时,其图像上会出现不同于正常背景的纵向干扰条纹。

      2) 马尾松木材外缘开裂并不严重影响内部空洞残损的检出;木材表面存在贴合紧密的树皮或保护性地仗对内部残损的识别也无明显影响。

      3) 木材含水率对雷达检测结果影响较为显著,在其他因素一定时,木材含水率越高(12%~100%),雷达检测残损面积就越小;雷达检测结果受木材自身构造以及含水率等因素影响,其内部空洞残损的检测边界可能会产生一定的偏移。

      4) 雷达检测残损面积与实际残损面积存在一定的偏差,因此在后续的工作中,应着手研究雷达检测残损面积与木材介电常数等特性之间的关系,找出树种、含水率等因素对残损检测的影响规律并确定偏差的修正方法,从而提高检测精度。

参考文献 (22)

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