本實用新型屬于土木工程中的隧道檢測領(lǐng)域，涉及隧道襯砌缺陷檢測，具體是一種基于貼壁式檢測車的隧道襯砌缺陷探地雷達檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，綜合國力的日益增強，交通建設(shè)得到迅速的發(fā)展，而我國山地眾多，工程建設(shè)中經(jīng)常需要修建大量的隧道，在長時間使用后，隧道襯砌會出現(xiàn)裂縫、空洞等常見的病害，如果不采取有效的對策，將嚴重影響隧道的通行安全。目前，國內(nèi)對隧道襯砌裂縫的檢測主要依靠人工檢測，一般需要有著豐富經(jīng)驗的技術(shù)人員來實施，效率低且可靠度差，技術(shù)人員之間的檢測結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)不一致的情況。特別是在對隧道頂部進行檢測時，一般要利用升降臺幫助技術(shù)人員進行近距離觀察，從而需要封閉交通，不僅費時費力而且安全性差。

近年來出現(xiàn)了運用檢測車對隧道進行自動檢測的方法，但檢測車的價格十分昂貴，普及十分困難；檢測車上裝載的攝像頭離襯砌還有一定的距離，得到的圖像只能分辨出開度較大的裂縫(一般大于0.2mm)，還無法做到和人工檢測同樣的近距離觀測，對襯砌內(nèi)部的裂縫則無法有效探測。

總的來說，目前的隧道襯砌檢測技術(shù)還十分落后，急需研發(fā)價格低、效率高、精度高、不影響交通的隧道襯砌檢測設(shè)備和方法。

探地雷達是近年來發(fā)展起來的檢測新技術(shù)，以其高精度、高效率、高分辨率、靈活輕便等優(yōu)點，受到工程技術(shù)人員的青睞。在隧道檢測中，探地雷達探測技術(shù)較傳統(tǒng)檢測技術(shù)能更好的檢測出隧道襯砌中的空洞等缺陷。現(xiàn)有的雷達探測技術(shù)一般需要通過人工方式將探頭附于襯砌表面，對隧道頂部的探測則需要升降臺作業(yè)，效率低且安全性差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有隧道襯砌檢測方法需要封閉交通且成本高、精度低的不足，本實用新型提供了一種無需封閉交通、成本較低、精度較高的基于貼壁式檢測車的隧道襯砌缺陷探地雷達檢測系統(tǒng)。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于貼壁式檢測車的隧道襯砌缺陷探地雷達檢測系統(tǒng)，所述雷達檢測系統(tǒng)包括：

用于附在隧道襯砌表面，并按設(shè)定路徑移動的貼壁式檢測車；

用于對檢測車進行導航的GPS/INS組合導航模塊；

用于與地面工作站雙向通信，接受工作站的指令信號，并把定位信號、檢測信號傳給工作站的車載通信及傳輸模塊；

用于控制檢測車移動的運動控制器；

用于探測襯砌背面空洞的探地雷達模塊；

用于對貼壁式檢測車導航路徑進行設(shè)計和控制，并能接收、分析和顯示檢測車傳回的檢測數(shù)據(jù)的地面工作站；

所述GPS/INS組合導航模塊、車載通信及傳輸模塊、運動控制器和探地雷達模塊均安裝在所述貼壁式檢測車上。

進一步，所述貼壁式檢測車包括旋翼、臺架和車輪，所述車輛安裝在臺架底部，所述臺架頂部安裝所述旋翼，所述臺架上放置所述GPS/INS組合導航模塊、車載通信及傳輸模塊、運動控制器和探地雷達模塊。

再進一步，所述車輪與臺架的連接處有轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

更進一步，所述的GPS/INS組合導航模塊由GPS和INS耦合實現(xiàn)組合導航定位，內(nèi)部封裝GPS模塊和IMU模塊，能在隧道內(nèi)無信號的環(huán)境下進行自主導航，在接受到GPS信號時進行誤差分析和調(diào)整。

所述探地雷達模塊，向襯砌發(fā)射和接收電磁波，記錄波的雙程走時，把雷達檢測數(shù)據(jù)傳給通信及傳輸模塊。

所述探地雷達模塊包括發(fā)射機、發(fā)射天線、接收機、接收天線、控制單元、光纜、天線支架和滑行器；所述天線支架用來固定發(fā)射天線和接收天線，所述發(fā)射天線和接收天線通過光纜分別與發(fā)射機和接收機連接；所述發(fā)射機發(fā)射高幅值的脈沖波并將脈沖波送入發(fā)射天線；所述發(fā)射天線將該脈沖變換和放大，向襯砌內(nèi)發(fā)射高頻寬帶短脈沖的電磁波；所述接收天線接收反射波并記錄反射波的時間；所述接收機把接收天線接收到的信號通過光纜傳輸給控制單元，所述控制單元通過光纜連接并控制發(fā)射機和接收機，并將接收到的檢測數(shù)據(jù)傳送給通信及傳輸模塊。

本實用新型的技術(shù)構(gòu)思為：近幾年來，無人機因其成本低，效費比好，機動性能好，使用方便等特點在各個工程領(lǐng)域中得到了廣泛運用。隨著雷達探測儀器向著小型化發(fā)展，將探地雷達安裝在小型移動裝置上進行快速探測已成為可能。本實用新型擬基于無人機進行創(chuàng)新性的優(yōu)化改造，結(jié)合小型探地雷達，為隧道檢測提供一種新方法。

本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在：

1)基于貼壁式檢測車的隧道襯砌缺陷探地雷達檢測系統(tǒng)，在檢測時無需封閉隧道，不影響正常的交通。

2)采用GPS/INS組合導航，隧道出入口有GPS信號處，利用GPS導航修正INS導航誤差，實現(xiàn)隧道內(nèi)的自主巡航。

3)檢測時檢測車通過輪子緊貼隧道表面，能增加檢測的平穩(wěn)度，提高檢測精度。

4)利用探地雷達檢測裝置對隧道襯砌內(nèi)部的空洞等缺陷進行檢測，能發(fā)現(xiàn)潛在的危險因素，探測深度達到50cm。

5)探地雷達的檢測信息包含坐標信息，通過后期處理可以得到整個隧道襯砌的內(nèi)部缺陷分布圖。

附圖說明

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型的下部仰視圖。

圖3是本實用新型的正視圖。

圖4是本實用新型的上部俯視圖。

圖5是本實用新型的側(cè)視圖。

圖6是本實用新型的慣性導航結(jié)構(gòu)圖。

圖7是本實用新型的探地雷達模塊示意圖

圖8是本實用新型的系統(tǒng)示意圖。

圖1-5及圖8中，1-旋翼；2-臺架；3-車輪；4-懸臂；5-伺服電機；6-旋翼保護罩；7-轉(zhuǎn)向裝置；8-GPS/INS(全球定位系統(tǒng)/慣性導航系統(tǒng))組合導航模塊；9-運動控制器；10-通信及傳輸模塊；11-探地雷達模塊；12-電池；13-地面工作站；14-電腦；15-移動式電源；16-信號收發(fā)器；圖7中，17-發(fā)射機；18-發(fā)射天線；19-接收機；20-接收天線；21-控制單元；22-光纜；23-天線支架；24-滑行器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。

參照圖1～圖8，一種基于貼壁式檢測車的隧道襯砌缺陷探地雷達檢測系統(tǒng)，包括能夠吸附在隧道襯砌表面，并按設(shè)定路徑移動的貼壁式檢測車；用于對檢測車進行導航的GPS/INS組合導航模塊；車載通信及傳輸模塊；控制檢測車移動的運動控制器；探測襯砌背面空洞的探地雷達模塊；能夠?qū)N壁式檢測車導航路徑進行設(shè)計和控制，并能接收、分析和顯示檢測車傳回的檢測數(shù)據(jù)的地面工作站。

所述的貼壁式檢測車包括旋翼、臺架和車輪，所述臺架上放置探測襯砌背面空洞的探地雷達模塊和控制設(shè)備。

所述的貼壁式檢測車采用旋翼提供反向推力，讓檢測車緊貼于襯砌表面。所述旋翼可偏轉(zhuǎn)方向，從而提供前進、后退及轉(zhuǎn)向的動力。

所述的貼壁式檢測車的車輪與臺架的連接處有轉(zhuǎn)向機構(gòu)，可靈活的實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

所述的GPS/INS組合導航模塊由GPS和INS耦合實現(xiàn)組合導航定位，內(nèi)部封裝GPS模塊和IMU模塊，能在隧道內(nèi)無信號的環(huán)境下進行自主導航，并能在接受到GPS信號時進行誤差分析和調(diào)整。

所述的通信及傳輸模塊與地面工作站雙向通信，接受工作站的指令信號，并把定位信號、檢測信號傳給工作站。

所述的運動控制器通過通信及傳輸模塊接受地面工作站的指令后，通過電機控制檢測車的運動。

所述的探地雷達模塊，其特征在于：向襯砌發(fā)射和接收電磁波，記錄波的雙程走時，把雷達檢測數(shù)據(jù)傳給通信及傳輸模塊。

如圖1-5所示，所述貼壁式檢測車包括旋翼(1)、臺架(2)和車輪(3)。為了減輕車體的重量，加大有效載重，旋翼(1)、臺架(2)和車輪(3)均采用碳纖維復合材料。懸臂(4)上安裝伺服電機(5)并與臺架(2)相連接；伺服電機(5)將電信號轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；旋翼(1)產(chǎn)生垂直于墻面的反向推力使檢測車吸附在檢測面上；旋翼(1)可轉(zhuǎn)動一定角度，推動檢測車前后左右移動；四個旋翼(1)的轉(zhuǎn)速保持一致，能使檢測車勻速地運動；旋翼保護罩(6)能夠保護旋翼(1)免受損傷。臺架(2)上能安裝檢測裝置和控制裝置。車輪(3)與臺架(2)的連接處有轉(zhuǎn)向裝置(7)。所述轉(zhuǎn)向裝置(7)，包括轉(zhuǎn)向傳動軸、齒輪和齒條；轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向傳動軸帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪與齒條嚙合，帶動齒條左右直線運動，可以推動車輪(3)左右轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。本實例選擇的是四旋翼結(jié)構(gòu)，在實際使用中可根據(jù)具體重量和尺寸選擇合適的旋翼結(jié)構(gòu)，例如六旋翼結(jié)構(gòu)。

所述的GPS/INS組合導航模塊(8)，包括GPS模塊和IMU模塊。GPS模塊是一個集成電路，能接受衛(wèi)星的定位信號，定位出檢測車的位置；IMU慣性測量模塊是由三個陀螺和三個加速度計組成的參數(shù)解算系統(tǒng)，基于陀螺的輸出值，可以得到檢測車在導航坐標系中的位置，同時基于加速度計的輸出值，可以解算出車體的速度和位置。在本實施方案中，選用加拿大NovAtel公司生產(chǎn)的SPAN-IGM-A1組合導航模塊控制導航。

所述的通信及傳輸模塊(10)，包括編碼模塊和高頻發(fā)射接受模塊。能與地面工作站(15)雙向通信，接受工作站的指令信號，并把定位信號、檢測信號傳給工作站(15)。

所述的運動控制器(9)，由一塊單機片組成。是控制伺服電機(5)運行的專用控制器，能夠控制伺服電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速從而達到控制檢測車移動的目的。

所述的探地雷達模塊(11)，如圖7所示，由發(fā)射機(17)、發(fā)射天線(18)、接收機(19)、接收天線(20)、控制單元(21)、光纜(22)、天線支架(23)、滑行器(24)構(gòu)成；滑行器(24)由平的摩擦系數(shù)很低的塑料墊組成，并帶加固裝置，能很好地適應起伏地形下的操作；天線支架(23)用來固定發(fā)射天線(18)和接收天線(20)；發(fā)射天線(18)和接收天線(20)通過光纜(22)分別與發(fā)射機(17)和接收機(19)連接；發(fā)射機(17)發(fā)射高幅值的脈沖波并將脈沖波送入發(fā)射天線(18)；發(fā)射天線(18)將該脈沖變換和放大，向襯砌內(nèi)發(fā)射高頻寬帶短脈沖的電磁波；電磁波遇到襯砌混凝土與圍巖界面或者空洞的邊界時有部分返回；接收天線(20)接收反射波并記錄反射波的時間；接收機(19)把接收天線(20)接收到的信號通過光纜(22)傳輸給控制單元(21)；控制單元(21)是數(shù)據(jù)采集的管理器，控制單元(21)通過光纜(22)連接并控制發(fā)射機(17)和接收機(19)；控制單元(21)將接收到的檢測數(shù)據(jù)傳送給通信及傳輸模塊(10)，由通信及傳輸模塊(10)將檢測信號傳給地面工作站(13)進行分析處理。本實施案例選用瑞典MALA公司的RAMAC/GPR雷達，可探測襯砌內(nèi)部50cm范圍內(nèi)的缺陷。

伺服電機(5)、通信及傳輸模塊(10)、GPS/INS組合導航模塊(8)、探地雷達模塊(11)的供電均由電池(12)提供。檢測車的電量情況受到地面工作站(13)的監(jiān)控，當電池(12)的電量不足以維持檢測車貼壁行進時，地面工作站(13)發(fā)出信號，運動控制器(9)會控制檢測車從隧道表面移動到地面，防止摔落。

如圖8所示，所述的地面工作站(13)，包括電腦(14)、移動式電源(15)和信號收發(fā)器(16)。信號收發(fā)器(16)能夠接受探地雷達模塊(11)的檢測數(shù)據(jù)，并能能夠發(fā)射導航檢測指令，控制檢測車的檢測路徑；電腦(14)能夠儲存檢測數(shù)據(jù)，方便后期分析處理；電腦內(nèi)的數(shù)據(jù)處理軟件能對接收的檢測數(shù)據(jù)進行處理，生成直觀的雷達波檢測圖；對雷達波檢測圖進行分析可得到襯砌背面缺陷；移動式電源(15)可以為電腦(14)、信號收發(fā)器(16)提供電力，在檢測車電池缺電時可對電池充電。