CN111751392A - 一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，利用水平和垂直两个正交极化通道的钢筋反射信号强度之比定性评估钢筋锈蚀情况，具体包括下述步骤：将所述双极化探地雷达沿垂直于钢筋走向的测线对混凝土结构中钢筋进行扫描，采集两种正交极化通道钢筋反射信号；利用高阶自动对焦算法获取混凝土内电磁波传播速度；对反射信号进行绕射叠加偏移，获得准确的钢筋反射振幅；计算水平和垂直两个极化通道中钢筋反射信号的振幅比，采用评估标准对钢筋锈蚀情况进行定性评估。本发明可在钢筋混凝土结构出现表面裂缝前对其内部钢筋的早期锈蚀程度进行评估，所用设备便携、易于操作，实际应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于工程检测的技术领域，涉及混凝土中钢筋锈蚀检测方法，尤其涉及一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法。
背景技术
混凝土结构中钢筋锈蚀检测是一项具有挑战性的研究，众多的科学技术致力于解决这个问题。目前的钢筋锈蚀检测方法，多以半电池电位法作为混凝土内钢筋锈蚀的检测方法，这种方法检测效率低、准确率不高且不能够对处于早期阶段钢筋锈蚀状况准确判断。
探地雷达是一种新型的无损检测技术，由于其具有实时成像、高精度、高分辨率等特点，已经发展成为钢筋混凝土结构无损检测重要的技术手段。中国专利CN102768176A公开了一种应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，方法为利用透地雷达电磁波物理特性，因此可由透地雷达电磁反射波所激发的钢筋界面反射电压与钢筋界面对应特征电流的差异所造成的电压与电流改变量，因此，可以利用此电压与电流改变量来解析判定钢筋混凝土构件内的腐蚀程度。但是该方法计算电压与电流改变量的过程中，由于检测数据单一且存在各种干扰，实际的检测数据不能真正的反应钢筋的锈蚀程度，因此如何克服现有技术中的缺陷，提供一种更加精确的检测方法，是本领域技术人员的研发方向之一。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，通过不同极化方向的天线组合对目标进行测量，以获取多极化分量的雷达数据，检测数据更加精确。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，利用水平和垂直两个正交极化通道的钢筋反射信号强度之比定性评估钢筋锈蚀情况，具体包括下述步骤：
将所述双极化探地雷达沿垂直于钢筋走向的测线对混凝土结构中钢筋进行扫描，采集两种正交极化通道钢筋反射信号；
利用高阶自动对焦算法获取混凝土内电磁波传播速度；
对反射信号进行绕射叠加偏移，获得准确的钢筋反射振幅；
计算水平和垂直两个极化通道中钢筋反射信号的振幅比，采用评估标准对钢筋锈蚀情况进行定性评估。
作为优选的技术方案，所述双极化探地雷达包括水平极化通道发射天线、水平极化通道接收天线、垂直极化通道发射天线和垂直极化通道接收天线，其中水平极化通道发射天线、水平极化通道接收天线沿钢筋的横向方向相对设置在混凝土的表面，垂直极化通道发射天线、垂直极化通道接收天线沿钢筋的径向方向相对设置在混凝土的表面。
作为优选的技术方案，还包括零时刻的选定，把采集数据中直达波信号的第一个正峰值对应的时间设为零时刻。
作为优选的技术方案，所述高阶自动对焦算法的公式为：
式中k介质的相对介电常数，m表示雷达采样道数，n表示雷达采样点数，sij代表在第i道测线第j个采样点记录的雷达信号值，
和
分别为图像中所有道记录信号数值的平均值和方差，M为自动对焦指标。
作为优选的技术方案，求解混凝土相对介电常数k在6～15范围内的M值，其中最大M值对应的相对介电常数为最优解，然后根据下式求得绕射叠加偏移所需的波速；
式中，v为电磁波在介质中的波速，c为电磁波在真空中的传播速度，即为光速c＝3.0×108m/sεr为介质的相对介电常数。
作为优选的技术方案，所述绕射叠加偏移通过下述方式计算：
式中，Ain为偏移前的探地雷达灰度图幅值，A为偏移后的探地雷达灰度图幅值，ti是第i道反射信号的采样时间，z表示图像中像素的垂直位置，xi为探地雷达发射天线的水平位置，x0为收发天线的间距，x表示成像点对应的水平位置，v是电磁波在混凝土中的传播速度。
作为优选的技术方案，所述获得准确的钢筋反射振幅，是在偏移处理的基础上，得到钢筋准确位置，并从雷达灰度图中提取钢筋反射振幅。
作为优选的技术方案，所述振幅比的计算方法为：
使用双极化探地雷达数据中的两个通道记录的钢筋反射振幅值，通过振幅比RA来量化钢筋锈蚀情况，由此给出公式如下：
其中，AHH是记录的探地雷达在HH水平极化通道下的钢筋反射振幅值，AVV是记录的探地雷达在VV垂直极化通道下的钢筋反射振幅值。
作为优选的技术方案，在采用评估标准对钢筋锈蚀情况进行定性评估的步骤中，所述评估标准为：
在满足以下评估对象及雷达要求下，通过评估标准判断钢筋锈蚀：
(1)评估对象要求：
(101)钢筋混凝土结构；
(102)钢筋保护层厚小于6cm；
(103)单层或双层钢筋网；
(2)用于检测的雷达要求：
(201)能够采集两种极化通道的雷达信号：水平极化HH，垂直极化VV；
(202)雷达中心频率不小于1.6GHz；
(3)相对反射振幅RA评估标准：
(301)当RA≥2时，钢筋状况良好；
(302)当1.7＜RA＜2时，钢筋早期锈蚀；
(303)当RA≤1.7时，钢筋严重锈蚀。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明通过采集两种正交极化通道的钢筋反射信号，利用高阶自动对焦算法获取混凝土内电磁波的传播速度，并对反射信号进行绕射叠加偏移，获得准确的钢筋反射振幅，基于双极化通道下的钢筋反射振幅计算得到振幅比，并与参考振幅比进行比较，来进一步判断为锈蚀情况严重性；可在钢筋混凝土结构出现表面裂缝前对其内部钢筋的早期锈蚀程度进行评估。本发明创新性的提出使用双极化探地雷达检测钢筋锈蚀，并且通过双极化通道的钢筋反射振幅比判断锈蚀，比传统的电化学原理锈蚀检测方法准确率更高，效率更高，适用范围更广，实际应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明双极化探地雷达系统检测示意图；
图2为本发明基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法的流程图；
图3(a)、图3(b)分别为本发明水平极化和垂直极化钢筋反射信号绕射叠加偏移效果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，为本发明的双极化探地雷达系统检测示意图，该检测系统主要是通过水平和垂直方向的双极化天线来进行检测，包括水平极化通道发射天线1、水平极化通道接收天线2、垂直极化通道发射天线3和垂直极化通道接收天线4，待测的钢筋5位于混凝土6中，测线方向为垂直于钢筋走向，钢筋5与测线方向垂直；其中水平极化通道发射天线1、水平极化通道接收天线2沿钢筋的横向方向相对设置在混凝土的表面，垂直极化通道发射天线3、垂直极化通道接收天线4沿钢筋的径向方向相对设置在混凝土的表面；检测时，将所述双极化探地雷达沿垂直于钢筋走向的测线对混凝土结构中钢筋进行扫描，采集两种正交极化通道钢筋反射信号。
利用双极化探地雷达对结构内钢筋锈蚀状况快速、准确地识别与评估，根据评估结果采取相应的措施进行修复，对保证结构在生命周期内的耐久性与安全性，减少经济损失具有重大意义。极化是电磁波的矢量特性，极化信号在进行滤波、增强和抗干扰方面有着极大的优势。通过不同极化方向的天线组合对目标进行测量，以获取多极化分量的雷达数据，这种方式易于操作，同时获得丰富的目标信息。通过分析记录的电磁波在钢筋混凝土结构中的反射振幅，从而可判断锈蚀情况。
如图2所示，本实施例一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，包括下述步骤：
步骤1：将所述双极化探地雷达沿垂直于钢筋走向的测线对混凝土结构中钢筋进行扫描，采集两种正交极化通道钢筋反射信号；
步骤2：利用高阶自动对焦算法获取混凝土内电磁波传播速度；
步骤3：进一步对反射信号进行绕射叠加偏移，获得准确的钢筋反射振幅；
步骤4：计算水平和垂直两个极化通道中钢筋反射信号的振幅比，采用评估标准即可对钢筋锈蚀情况进行定性评估。
与现有技术相比，本实施例提出一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，能够对结构内钢筋锈蚀状况快速、准确地识别与评估。并结合设计和规范要求及时对发生锈蚀钢筋混凝土结构进行维护，保证其在生命周期内的安全性和耐久性。
更为具体的，在本实施例的步骤1中，利用双极化探地雷达在混凝土表面采集包含钢筋双曲线反射目标的雷达剖面，并对两个极化通道数据进行零时校正、减背景、带通滤波预处理。
由于存在传输线延迟等因素的影响，零时刻不是对应地表的起始时间，因此把数据中直达波信号的第一个正峰值对应的时间设为零时刻。雷达系统及外界环境的干扰下，会有杂波、噪声对雷达信号造成影响，需要进行减背景、带通滤波处理，获得较准确的钢筋反射信号。
更为具体的，在本实施例的步骤2中，利用高阶自动对焦获取电磁波在混凝土中的准确波速，其计算公式如下：
式中k介质的相对介电常数，m表示雷达采样道数，n表示雷达采样点数，sij代表在第i道测线第j个采样点记录的雷达信号值，
和
分别为图像中所有道记录信号数值的平均值和方差，M为自动对焦指标。
求解混凝土相对介电常数k在6～15范围内的M值，其中最大M值对应的相对介电常数为最优解。之后根据下式(2)可求得绕射叠加偏移所需的波速。
式中，v为电磁波在介质中的波速，c为电磁波在真空中的传播速度(即为光速c＝3.0×108m/s)εr为介质的相对介电常数。
更为具体的，在步骤3中，采用绕射叠加偏移法将钢筋反射能量汇集在钢筋反射双曲线顶点，便于后期读取钢筋振幅值，所述绕射叠加偏移计算公式如下：
式中，Ain为偏移前的探地雷达灰度图幅值，A为偏移后的探地雷达灰度图幅值。ti是第i道反射信号的采样时间，z表示图像中像素的垂直位置，xi为探地雷达发射天线的水平位置，x0为收发天线的间距，x表示成像点对应的水平位置，v是电磁波在混凝土中的传播速度。图3(a)和图3(b)为本发明钢筋反射信号绕射叠加偏移效果图，通过效果图，可以清晰看到探地雷达灰度图幅值。
更为具体的，在步骤3中，钢筋双极化通道的反射振幅值是在偏移处理基础上，得到钢筋准确位置，并从雷达灰度图中提取钢筋反射振幅。
更进一步的，在步骤4中，使用双极化探地雷达数据中的两个通道记录的钢筋反射振幅值，通过振幅比(RA)来量化钢筋锈蚀情况所述相对振幅计算公式如下：
其中：AHH是记录的探地雷达在HH水平极化通道下的钢筋反射振幅值，AVV是记录的探地雷达在VV垂直极化通道下的钢筋反射振幅值。
更进一步的，在步骤4中，在满足以下评估对象及雷达要求下，通过评估标准判断钢筋锈蚀：
(1)评估对象要求：
(101)钢筋混凝土结构；
(102)钢筋保护层厚小于6cm；
(103)单层或双层钢筋网。
(2)用于检测的雷达要求：
(201)能够采集两种极化通道的雷达信号：水平极化HH，垂直极化VV；
(202)雷达中心频率不小于1.6GHz。
(3)相对反射振幅(RA)评估标准：
(301)当RA≥2时，钢筋状况良好；
(302)当1.7＜RA＜2时，钢筋早期锈蚀；
(303)当RA≤1.7时，钢筋严重锈蚀。
采用本实施例的技术方案后，可在钢筋混凝土结构表面出现裂缝前对其内部钢筋的早期锈蚀程度进行评估。基于双极化下的钢筋反射振幅，计算得到相对振幅比，并根据此振幅比值与参考值进行比较，来进一步判断为锈蚀情况严重性。本发现创新性的提出使用双极化探地雷达检测钢筋锈蚀，并且计算雷达记录双极化通道下振幅比对锈蚀情况分析，比传统的电化学原理锈蚀检测方法准确率更高，效率更高，适用范围更广，实际应用前景广阔。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，其特征在于，利用水平和垂直两个正交极化通道的钢筋反射信号强度之比定性评估钢筋锈蚀情况，具体包括下述步骤：
将所述双极化探地雷达沿垂直于钢筋走向的测线对混凝土结构中钢筋进行扫描，采集两种正交极化通道钢筋反射信号；
利用高阶自动对焦算法获取混凝土内电磁波传播速度；
对反射信号进行绕射叠加偏移，获得准确的钢筋反射振幅；
计算水平和垂直两个极化通道中钢筋反射信号的振幅比，采用评估标准对钢筋锈蚀情况进行定性评估。
2.根据权利要求1所述一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，其特征在于，所述双极化探地雷达包括水平极化通道发射天线、水平极化通道接收天线、垂直极化通道发射天线和垂直极化通道接收天线，其中水平极化通道发射天线、水平极化通道接收天线沿钢筋的横向方向相对设置在混凝土的表面，垂直极化通道发射天线、垂直极化通道接收天线沿钢筋的径向方向相对设置在混凝土的表面。
3.根据权利要求1所述一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，其特征在于，还包括零时刻的选定，把采集数据中直达波信号的第一个正峰值对应的时间设为零时刻。
4.根据权利要求1所述一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，其特征在于，所述高阶自动对焦算法的公式为：
式中k介质的相对介电常数，m表示雷达采样道数，n表示雷达采样点数，sij代表在第i道测线第j个采样点记录的雷达信号值，
和
分别为图像中所有道记录信号数值的平均值和方差，M为自动对焦指标。
5.根据权利要求4所述一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，其特征在于，求解混凝土相对介电常数k在6～15范围内的M值，其中最大M值对应的相对介电常数为最优解，然后根据下式求得绕射叠加偏移所需的波速；
式中，v为电磁波在介质中的波速，c为电磁波在真空中的传播速度，即为光速c＝3.0×108m/sεr为介质的相对介电常数。
6.根据权利要求1所述一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，其特征在于，所述绕射叠加偏移通过下述方式计算：
式中，Ain为偏移前的探地雷达灰度图幅值，A为偏移后的探地雷达灰度图幅值，ti是第i道反射信号的采样时间，z表示图像中像素的垂直位置，xi为探地雷达发射天线的水平位置，x0为收发天线的间距，x表示成像点对应的水平位置，v是电磁波在混凝土中的传播速度。
7.根据权利要求6所述一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，其特征在于，所述获得准确的钢筋反射振幅，是在偏移处理的基础上，得到钢筋准确位置，并从雷达灰度图中提取钢筋反射振幅。
8.根据权利要求1所述一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，其特征在于，所述振幅比的计算方法为：
使用双极化探地雷达数据中的两个通道记录的钢筋反射振幅值，通过振幅比RA来量化钢筋锈蚀情况，由此给出公式如下：
其中，AHH是记录的探地雷达在HH水平极化通道下的钢筋反射振幅值，AVV是记录的探地雷达在VV垂直极化通道下的钢筋反射振幅值。
9.根据权利要求1所述一种基于双极化探地雷达的钢筋锈蚀检测方法，其特征在于，在采用评估标准对钢筋锈蚀情况进行定性评估的步骤中，所述评估标准为：
在满足以下评估对象及雷达要求下，通过评估标准判断钢筋锈蚀：
(1)评估对象要求：
(101)钢筋混凝土结构；
(102)钢筋保护层厚小于6cm；
(103)单层或双层钢筋网；
(2)用于检测的雷达要求：
(201)能够采集两种极化通道的雷达信号：水平极化HH，垂直极化VV；
(202)雷达中心频率不小于1.6GHz；
(3)相对反射振幅RA评估标准：
(301)当RA≥2时，钢筋状况良好；
(302)当1.7＜RA＜2时，钢筋早期锈蚀；
(303)当RA≤1.7时，钢筋严重锈蚀。
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