4-1 實驗內容
4-1-1 實驗計畫
本實驗主要是利用瑞典(RAMAC/GPR)系統且天線探頭為 1 GHz 之透地雷達儀器來量測單一介質之純混凝土試體與雙重介質之內含 鋼筋(#3、#6 和#10)的混凝土試體，取得雷達訊號剖面圖，以此雷達 訊號剖面圖作為有限元素法分析單一介質之純混凝土模型與雙重介 質之內含鋼筋(#3、#6 和#10)混凝土模型的模擬結果的比較。因此，
對於透地雷達實驗，分為二部份進行：
(1).以透地雷達量測純混凝土試體，並取得所量測之雷達訊號剖 面圖，由雷達訊號剖面圖擷取純混凝土之電磁波反射訊號，與有限元 素電磁模擬之純混凝土電磁波反射訊號，進行電磁波反射訊號之分析 比較。
(2).以透地雷達量測內含鋼筋(#3、#6 和#10)混凝土試體，並取得 所量測之雷達訊號剖面圖，由雷達訊號剖面圖擷取內含鋼筋(#3、#6 和#10)混凝土之電磁波反射訊號，與有限元素電磁模擬之內含鋼筋 (#3、#6 和#10)混凝土電磁波反射訊號，進行電磁波反射訊號之分析 比較。。
4-1-2 實驗儀器配備
本實驗使用瑞典(RAMAC/GPR)系統且天線探頭為1 GHz的透地
雷達儀器來進行實驗。而透地雷達儀器主要由六個部份組成，分別為 透地雷達主機、探頭天線、測距輪、連接線、透地雷達專屬電池及筆 記型電腦，如圖4-1所示，才可以進行施測。
(1).透地雷達主機：為控制天線和處理數據的中心。當電腦設定好透 地雷達設定參數後，就會將訊息傳至給主機，主機會依照操作者所做 的設定，來對天線下達指令，而接收到的數據，主機會將數據做整理 迭代，最後傳回電腦，顯示於螢幕上供操作者分析。
(2).探頭天線：用來對待測物進行探測。將電磁波訊號做發射至所要 待測目標，再接收不同介質所反射的能量，將得到的探測資料，傳回 主機。而天線部分有激發端和接收端，兩者之間的間距為10cm，且 置於遮罩式的盒子內，所以屬於遮罩式的天線，其可以減少外在環境 所引起的訊號干擾。此外，此類型的天線在施測上較為的方便和快速。
(3).測距輪：主要是量測在探測時所走的水平距離。
(4).連接線：主要是連接透地雷達主機和電腦。將所探測的資料，傳 輸到電腦上以供分析。
(5).透地雷達專屬電池：提供系統主機、探頭天線等的工作電源。
(6).筆記型電腦：用於採集數據、資料分析及文件輸出等，提供系統 參數設定，發出數據採集和處理命令，最後儲存數據和處理資料等工 作。
(a).探頭天線 (b).筆記型電腦
(c).透地雷達主機 (d).透地雷達專屬電池
(e).測距輪 (f).連接線 圖4-1實驗儀器配備
4-1-3實驗試體
本實驗所使用的試體是尺寸大小為30*15*15
cm
3之純混凝土試體 和尺寸大小為15*15*15cm
3且保護層厚度為5.6cm含鋼筋(#3、#6和#10) 之混凝土試體，來進行透地雷達量測。如圖4-2所示。圖4-2純混凝土和混凝土內含鋼筋(#3、#6和#10)之試體圖
4-1-4 實驗規劃設計
本實驗利用上述實驗試體進行透地雷達量測。在量測時，為了避 免雷達波因地面反射造成的干擾，使接收訊號有所影響，因此將實驗 試體置放於長 130cm ×寬 15cm ×高 60cm 的混凝土塊，以進行透地雷 達量測，天線由左至右移動。其透地雷達施測方式如圖 4-3 所示。
圖 4-3 透地雷達施測方式示意圖 施測方向
60 cm
130cm cm
純混凝土
含#3 鋼筋 含#6 鋼筋 含#10 鋼筋 5.6cm 5.6cm 5.6cm
實驗試體(純混凝土、
含鋼筋(#10、#6、#3))
在施測過程中，必須先將透地雷達所需參數輸入至軟體做設定，
才可進行透地雷達量測。本實驗透地雷達所設定參數如表 4-1。
表 4-1 實驗參數設定
參數項目 參數設定值
天線頻率(Hz) 1 GHz
取樣頻率(Hz) 12710 MHz
取樣點數 512
時間視窗(ns) 40 ns
疊代次數 Auto
取樣間距(m) 0.002
4-2 有限元素分析流程
本文是以有限元素法進行數值模擬分析，模擬透地雷達將電磁場 入射至單一介質之純混凝土模型和雙重介質之內含鋼筋(#3、#6 和#10) 之混凝土模型下，所得到不同的電磁波反射訊號。在此，分為單一訊 號模擬和疊代訊號模擬二部份進行。
在模擬的過程中，先依照實際環境的狀況建立模型，再加入材料 參數、載重和邊界等條件，以進行電磁波模擬。而對於有限元素分析 的流程，如圖 4-4 所示：
圖 4-4 有限元素分析流程圖
4-2-1 建立物理環境
在分析電磁問題前，對於建立物理環境，首要的就是了解問題是 屬於哪一種類型，而針對問題類型選用合適的元素，因為每個元素皆 會有不同的限制、假定條件及可以輸出的結果。由於本文研究是以 ANSYS 軟體來模擬透地雷達對單一介質之純混凝土模型和雙重介質 之內含鋼筋(#3、#6 和#10)混凝土模型的電磁波反射訊號，因此元素 採用高頻電磁單元，以 HF119、HF120 為主。其這兩種元素皆是使用 在 3D 的模型中， HF119 元素形狀屬於三角錐形，而 HF120 元素形 狀屬於四邊形，在節點數上，HF119 的節點數為 10 個節點，而 HF120
建立物理環境
建立實際幾何模型
分配區域屬性和模型網格
施加邊界條件
施加載重或激發源
開始模擬計算
後處理
有 20 個節點數，如圖 4-5 所示。對於兩個元素之自由度(也就是未知 數)皆為 Ax。在兩個元素可以給的材料屬性：電性參數(導磁率、導電 率和介電常數)，在本文研究中只設定導磁率、導電率和介電常數。
對於兩元素可以施加的表面荷载：波導型式之表面載重、阻抗型式之 表面載重、有限邊界及等效源表面施加的麥克斯威爾截面；體荷载部 份可以施加：溫度、電流密度、磁場、電場和波導型式，在本文研究 中是施加面波導型式的荷載。
圖 4-5 高頻電磁單元元素
在模擬過程中，所輸入的參數值皆為公制單位，若是想用其它單 位，在輸入參數前，就必須先做單位換算，否則得到的結果會有問題。
在本文研究中，皆採用公製單位(MKS 制)。
由於本文研究所模擬的是純混凝土模型及內含鋼筋(#3、#6 和#10) 之混凝土模型，因此在建立物理環境時，必須先將材料性質做設定，
而表 4-2 為模擬時所設定的各材料之電性參數。
Y
Z
X
HF119 HF120
表 4-2 模擬時所設定的各材料之電性參數 材料 相對介電常數
( F m )
相對導磁率
( H m )
導電率
( S m )
阻抗
( Ω m )
空氣 1 1 -- --
混凝土 4 1 0.0055 181.82
鐵 1 4000 1.03
×
107 9.70874E-084-2-2 建立幾何模型
在本文研究中，建立 120*15*15
cm
3尺寸的模型來對單一介質純混 凝土和雙重介質內含鋼筋(#3、#6 和#10)且保護層厚度為 5.6cm 的混 凝土進行數值模擬。單一介質純混凝土之模型，如圖 4-6 所示。雙重 介質內含鋼筋(#3、#6 和#10)且保護層厚度為 5.6cm 的混凝土模型，如圖 4-7 所示。天線部份尺寸的設計，是依照透地雷達實際外觀尺寸 建立，尺寸為 24*15*15
cm
3。圖 4-6 純混凝土模型示意圖
圖 4-7 內含鋼筋(#3、#6 和#10)混凝土模型示意圖
4-2-3 分配屬性和模型網格
當前述物理環境和幾何模型完成後，依照實際環境的情形，將模 型中各部份區域給予所屬的材料電性參數，在天線部份給空氣的材 料，施測的部份給混凝土的材料，在鋼筋的部份給鐵的材料，如圖 4-8 所示。
圖 4-8 材料屬性分配圖 空氣材料屬性 混凝土材料屬性
鐵材料屬性
再進行網格化，而網格化是將所建立的實體模型，依照所給的條 件(如頻率、波長等)，對實體模型做切割，將之細分成無數小的元素，
而產生節點，如圖 4-9 所示。ANSYS 是以有限元素法為理論基礎，
而有限元素法利用元素上的節點來做計算。因此，實體模型經由網格 化之後，就可以利用有限元素觀念做分析。在此要注意的是網格劃分 必須達到一定的精度，以使離散的有限網格模擬連續材料分佈時帶來 的誤差足夠小。通常，一個波長的長度最少要有 10 個單元來模擬。
圖 4-9 ANSYS 模擬之網格化圖
4-2-4 施加邊界條件
為了要更近似電磁波傳遞情形和物理現象，在所建立的模型周圍 的面上，加入所需的邊界條件，使得電磁波能夠被所設定的邊界條件 吸收衰減，不會產生多餘的反射波，以干擾想要得到的反射訊號。在 本文研究中對於電磁場所給予的邊界條件有 2 種：完全導電體
(PEC)、完全匹配層(PML)。對於 PML 邊界條件是施加在所建立模型
的周圍；PEC 的邊界條件是施加在 PML 的邊界條件的面上，如圖 4-10 所示。
圖 4-10 施加邊界條件示意圖
在使用邊界條件時，可以依照不同的電磁問題，給予合適的邊界 條件。也有該注意之地方。對於 PEC 邊界條件：當模型為對稱時，
可用 PEC 條件來施加對稱性邊界條件。對於 PML 邊界條件：在施加 時，PML 區域的材料特性要設置與相鄰的材料一致；在同一個模型 中可以存在多個 PML 層區域；在 PML 區域中，不能施加激勵源，否 則會出現錯誤；當在給予 PML 邊界條件時，PML 區域的厚度最小為
4
1 波長；若想要獲得較好的精度，對於 PML 區域，最好能夠劃分成 更多層；在待測物與 PML 層之間，要施加緩衝單元層。
4-2-5 施加載重或激發源
在 ANSYS 電磁分析中，有提供幾種可用的激發源型式：波導型 式、體面線點之電流密度、平面波、表面磁場及電場。對於本文研究
所施加的 PML 邊界 條件
施加 PEC 的邊界 條件
是採用波導型式。而波導型式有四種：同軸波導、矩形波導、圓形及 平行板波導，對於本文研究是採用矩形型式波導。對於矩形型式波 導，其只能應用橫電波(
TE
mn)和橫磁波(TM
mn)這兩種電磁波形式，施 加在激發和接收端的面上，如圖 4-11 所示。圖 4-11 激發源與試體之間示意圖
4-2-6 後處理程序
將上述之模型、實際環境條件參數、激發源和邊界條件設定完成 後，開始進行有限元素模擬電磁波對純混凝土和內含鋼筋(#3、#6、
#10)之混凝土模型做散射分析。而散射分析完為電磁波反射訊號之頻 域下結果，將此頻域結果利用反傅利葉轉換轉換為時域之電磁波反射 訊號波譜圖。利用有限元素模擬之時域電磁波反射訊號波譜圖與實際 透地雷達量測之電磁波反射訊號，比較其兩者間差異和波傳行為。
激發和接收 端部分