CN115015913A - 一种用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法，包括如下步骤：布置检测所需软硬件条件，设置毫米波雷达设备参数；通过机械运动设备实现毫米波雷达设备对既有建筑幕墙实体进行全面扫描检测；将接收到的包含幅值、相位信息的反射信号及设备定位及姿态信息通过有线或无线网络传输方式实时上传至上位机；上位机调用修正BP算法将反射回波信号转化为成像图。本发明采用毫米波，具有较好的穿透特性，实现无损检测，并且由于非电离的特性，不会对人体造成伤害；可以重建出三维层析图像，同时提高了重建图形的精度，修正了自由空间重建算法的误差，实现了对传统玻璃、石材等幕墙后的金属连接件的三维成像。

Description

一种用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法

技术领域

本发明涉及建筑幕墙无损检测技术领域，具体涉及一种用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法。

背景技术

随着建筑幕墙的不断应用，建筑幕墙的无损检测变得十分重要。为实现对常见类型的玻璃、石材、铝板等建筑幕墙结构质量进行无损检测和评价，需要对覆盖在石材、结构胶、云石胶、AB胶或玻璃后的金属连接件进行透视成像。

传统的无损检测方法主要有射线无损检测、超声无损检测、磁粉无损检测、涡流无损检测以及渗透无损检测。射线无损检测中使用的射线对人体有损伤，必须采取防护措施，并且检测周期较长，不能实时得到结果。超声无损检测无法直观的显示物件的缺陷并且难以对缺陷定性和定量，此外测试过程中还需要使用耦合剂。磁粉无损检测与涡流无损检测只能检验物体表面和近表面的缺陷以及渗透无损检测只能用于致密材料的表面开口缺陷检验，对被检表面光洁度有较高要求，都不适用需要穿透成像的建筑幕墙检测。

因此，需要提供一种新的设备解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

本发明提供一种用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法，包括如下步骤：

S1，布置检测所需软硬件条件，设置毫米波雷达设备参数；

S2，通过机械运动设备实现毫米波雷达设备对既有建筑幕墙实体进行全面扫描检测；

S3，将接收到的包含幅值、相位信息的反射信号及设备定位及姿态信息通过有线或无线网络传输方式实时上传至上位机；

S4，上位机调用修正BP算法将反射回波信号转化为成像图。

进一步的，步骤S1具体实现方式为：

所用软硬件包含毫米波雷达设备、设置雷达检测参数的软件、机械运动设备及控制定位软件，将机械运动设备与毫米波雷达设备连接，并布置在待检测的既有建筑幕墙周围，设置检测参数，完成扫描准备工作。

进一步的，步骤S2具体实现方式为：

通过机械运动设备，携带集成后的毫米波雷达设备的综合孔径天线对准待测建筑幕墙，使其按照设定平行于建筑幕墙平面的方向进行步进移动及采集，使整套设备进行平行于墙面的二维运动，实现对整片幕墙的扫描。

进一步的，步骤S3具体实现步骤为：

将毫米波天线接收的反射回波信号，设备姿态及定位数据信息通过有线或无线网络实时传输至上位机，完成既有建筑幕墙待检测部位的采集、传输工作。

进一步的，步骤S4中上位机调用修正BP算法完成反射信号的处理并转化为成像图具体过程如下：

S41、首先忽略建筑幕墙中的遮挡层，雷达回波模型则是自由空间中的回波模型：

其中(x′,y′,z′)为毫米波天线的位置，(x,y,z)为空间中散射点的位置，k＝2πf/c为毫米波信号的波数，积分中指数项表示毫米波信号在自由空间中的相位变化，o(x,y,z)为成像物体的反射率分布函数；

S42、对应于公式①，考虑两层介质的平面分层情况，其折射现象的二维分析为，z_r′为分层平面的位置，(x′,y′,z′)为毫米波天线的位置，(x₀,y₀,z₀)为散射点的位置，x_r′为毫米波信号的入射点，x_min′为未发射折射现象时的入射点，x_max′为发生折射情况的最远入射点，n1，n2分别为介质的折射率，

根据折射定律-斯奈尔定律，可得：

n₁ sin(α)＝n₂ sin(β) ②

S43、将公式②中的角度替换之后得：

通过公式③即可以求解出入射点的位置值x_r′；

或，根据经验性结论，将x_max′和x_min′的平均值作为入射点的位置值x_r′，即

S44、通过公式③、④，两层介质平面分层情况的回波公式归纳为：

S45、基于公式⑤，得出修正折射现象引起的相位变化的修正BP成像算法，考虑已知须穿透的建筑幕墙材料的介电特性情况下的，修正BP成像算法为：

公式⑥可以看出积分是关于k的逆傅里叶变换，因此可以使用傅里叶变换简化为：

进一步的，修正BP算法的实现流程为：

i.将采集的回波数据在波数域进行逆傅里叶变换，得到时空域信号；

ii.对于每个目标空间点分别并行计算，加速算法实现过程；

iii.通过公式③、④分别计算空间点与每个天线之间的光程，公式③、④对应于两层介质的平面分层情况，在已知分层介质的位置以及折射率的情况下，根据分层介质情况的不同，光程的计算也会相应的改变；

iv.根据公式⑦，最后将每个天线相应的回波数据叠加得到空间点的重建结果。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

1.采用毫米波，具有较好的穿透特性，实现无损检测，并且由于非电离的特性，不会对人体造成伤害，同时由于频率较高，也具有较高的成像分辨率，分辨率通常在毫米量级；

2.相对于传统的无损检测技术，具有穿透成像的能力，可以重建出三维层析图像，同时提高了重建图形的精度，修正了自由空间重建算法的误差，实现了对传统玻璃、石材等幕墙后的金属连接件的三维成像。

附图说明

图1是建筑幕墙的毫米波雷达近场三维成像测试结构；

图2是毫米波信号折射现象的二维示意图；

图3是修正BP算法流程图；

图4是本发明整体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1-4所示，本发明提供一种用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法，包括如下步骤：

S1，布置检测所需软硬件条件，设置毫米波雷达设备参数；

S2，通过机械运动设备实现毫米波雷达设备对既有建筑幕墙实体进行全面扫描检测；

S3，将接收到的包含幅值、相位信息的反射信号及设备定位及姿态信息通过有线或无线网络传输方式实时上传至上位机；

S4，上位机调用修正BP算法将反射回波信号转化为成像图。

步骤S1具体实现方式为：

所用软硬件包含毫米波雷达设备、设置雷达检测参数的软件、机械运动设备及控制定位软件，将机械运动设备与毫米波雷达设备连接，并布置在待检测的既有建筑幕墙周围，设置检测参数，完成扫描准备工作。

步骤S2具体实现方式为：

通过机械运动设备，携带集成后的毫米波雷达设备的综合孔径天线对准待测建筑幕墙，使其按照设定平行于建筑幕墙平面的方向进行步进移动及采集，使整套设备进行平行于墙面的二维运动，实现对整片幕墙的扫描。

步骤S3具体实现步骤为：

将毫米波天线接收的反射回波信号，惯导、GPS采集的设备姿态及定位数据信息通过有线或无线网络实时传输至上位机，完成既有建筑幕墙待检测部位的采集、传输工作。

本发明建筑幕墙的毫米波雷达近场三维成像测试结构如图1所示；

其中毫米波天线在固定的平面通过电机驱动进行扫描，使综合孔径覆盖平面区域。天线在综合孔径的不同位置，首先发送毫米波信号，信号穿透中间的建筑幕墙遮挡层，照射到遮挡层后的物体上，再经过物体表面的散射，最后穿透遮挡层重新被天线接收，毫米波天线采集不同位置处的空间散射回波信号，获取物体不同角度的信息，最后通过图形重建算法重建出目标的表面散射率分布。

为了分析算法的重建过程，首先需要定量给出系统的正向模型—雷达回波模型。

首先忽略建筑幕墙中的遮挡层，雷达回波模型则是自由空间中的回波模型：

其中(x′,y′,z′)为毫米波天线的位置，(x,y,z)为空间中散射点的位置，k＝2πf/c为毫米波信号的波数，积分中指数项表示毫米波信号在自由空间中的相位变化，o(x,y,z)为成像物体的反射率分布函数，也就是我们的目标函数。

对于建模幕墙三维成像的雷达回波模型，则必须将建筑幕墙的外部遮挡层考虑进去，自由空间的电磁波分析不再适用，对应于公式①，遮挡物的主要影响在于折射现象改变了毫米波信号的相位变化，为了研究毫米波信号的相位变化则需要计算出毫米波发射到接收的完整光程，因此考虑两层介质的平面分层情况，见图2毫米波信号折射现象的二维示意图；

因为折射现象中，入射光与折射光处于同一平面，因此折射现象的分析可以简化为二维分析，图2中的z_r′为分层平面的位置，(x′,y′,z′)为毫米波天线的位置，(x₀,y₀,z₀)为散射点的位置，x_r′为毫米波信号的入射点，x_min′为未发射折射现象时的入射点，x_max′为发生折射情况的最远入射点，n1，n2分别为介质的折射率。

根据折射定律—斯奈尔定律，可得

n₁ sin(α)＝n₂ sin(β) ②

将公式②中的角度替换之后得：

通过公式③即可以求解出入射点的位置，但是公式③为四维方程，不仅求解困难，还会有四个解，难以在实践中使用，根据经验性结论，入射点位置值x_r′可以近似为x_max′和x_min′的平均，这里我们将入射点位置值x_r′确定为x_max′和x_min′的平均值，即

通过公式③、④，两层介质平面分层情况的回波公式归纳为：

基于公式⑤，我们就可以得出修正折射现象引起的相位变化的修正BP成像算法，考虑已知须穿透的石材、玻璃、胶等幕墙材料的介电特性情况下的，修正BP成像算法为：

公式⑥可以看出是积分是关于k的逆傅里叶变换，因此可以使用傅里叶变换简化为：

其中s(x′,y′,2r)为s(x′,y′,k)的逆傅里叶变换：

s(x′,y′,2r)＝IFFT_k(s(x′,y′,k)) #⑧

修正BP算法的实现流程图见图3，具体的算法实现流程为：i.将采集的回波数据在波数域进行逆傅里叶变换，得到时空域信号s(x′,y′,2r)；

ii.对于每个目标空间点(x,y,z)分别并行计算，加速算法实现过程；

iii.通过公式③、④分别计算空间点与每个天线之间的光程，公式③、④对应于两层介质的平面分层情况，在已知分层介质的位置以及折射率的情况下，根据分层介质情况的不同，光程的计算也会相应的改变；

iv.根据公式⑦，最后将每个天线相应的回波数据叠加得到空间点(x,y,z)的重建结果。

具体操作方式：

步骤①所用软硬件包含毫米波雷达设备、设置雷达检测参数的软件、机械运动设备及控制定位软件，将机械设备与毫米波雷达设备连接，并布置在待检测的既有建筑幕墙周围，设置合理的检测参数，完成扫描准备工作。

从楼顶通过吊篮、擦窗机等类似吊装设施连接固定扫描架，并将毫米波天线，定位惯导及GPS，无线传输模块及工控机等检测所需软件件布置到位，设置合理的检测参数，如频率、功率、方位角、步进间距、扫描速度等必要参数。

步骤②通过定制的机械设备，携带集成后的毫米波雷达设备的综合孔径天线对准待测幕墙，使其按照设定平行于幕墙平面的方向进行步进移动及采集，携带成像设备进行平行于墙面的二维运动，实现对整片幕墙的扫描。

通过擦窗机与工控机之间的触发信号控制擦窗机携带扫描架实现上下机械，工控机收到擦窗机到位的触发信号后控制毫米波天线沿扫描架匀速运动，同时毫米波天线内部通过电扫描方式实现小范围的上下数据采集，完成后反馈擦窗机触发信号，实现上升下降控制，以此实现整个平行于幕墙平面的方向的步进移动及采集，实现对整片幕墙的全数扫描。

步骤③将毫米波天线接收的反射回波信号，惯导、GPS等采集的设备姿态及定位等数据信息通过有线或无线网络实时传输至上位机，完成既有建筑幕墙待检测部位的采集、传输工作。

无线传输模块及工控机智能识别检测进度，实施将检测、姿态及定位等数据传输至上位机。

步骤④上位机调用下文所述修正BP算法的步骤完成反射信号的处理并转化为成像图。

值得注意的是本发明所描述实例仅为一种可行情况，无论应用单体天线或其他形式长度的线阵天线，通过直接携载运动、步进运动、无人机搭载或固定式等方案扩展出来的未脱离现有原理的其他检测办法均属于保护范围。

通过对最终的测试结果的分析，可以看出22GHz-28GHz与28GHz-32GHz频段的毫米波可以穿透花岗石等材料进行透视成像，同时在22GHz-28GHz增大功率后明显取得较好改善，而77GHz-81GHz频段的毫米波虽然对花岗石的穿透性相对较差，但其对玻璃幕墙及铝板幕墙穿透密封胶检测不可见部位的金属连接件有较好的效果。通过增大雷达功率、降低接收噪声系数，成像效果将会有很大的提升。

本发明通过包含8-46GHz材料特性测试，选出了穿透特性最佳的波谷，通过8-46GHz内选定频段及77-81GHz频段内成像结果对比及增大功率的成像结果分析，结合工程化及推广方面的工艺成熟度、可生产性、复杂度及成本，确定22-28GHz为石材幕墙最佳成像频率，77-81GHz为玻璃幕墙的最佳成像频率，但所选最佳频段及周边频段通过增加功率亦可取得较好结果，且随着频段增大，分辨率及成像效果也会有显著提升，本发明考虑到实用性问题未进行全面的成像测试，但任何在100GHz以内不完全符合发明所选频段，如24-28GHz、34-38GHz等通过增大功率或类似原理实现穿透的毫米波成像检测既有建筑幕墙的均认为侵害本发明有效权益。

本发明的原理如下：

采用毫米波，具有较好的穿透特性，实现无损检测，利用扫描数据和修正BP算法重建出三维层析图像，同时提高重建图形的精度，修正了自由空间重建算法的误差，实现了对传统玻璃、石材等幕墙后的金属连接件的三维成像。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的申请范围，凡是在本发明的申请构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，布置检测所需软硬件条件，设置毫米波雷达设备参数；

S2，通过机械运动设备实现毫米波雷达设备对既有建筑幕墙实体进行全面扫描检测；

S3，将接收到的包含幅值、相位信息的反射信号及设备定位及姿态信息通过有线或无线网络传输方式实时上传至上位机；

S4，上位机调用修正BP算法将反射回波信号转化为成像图。

2.根据权利要求1所述的用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法，其特征在于，步骤S1具体实现方式为：

所用软硬件包含毫米波雷达设备、设置雷达检测参数的软件、机械运动设备及控制定位软件，将机械运动设备与毫米波雷达设备连接，并布置在待检测的既有建筑幕墙周围，设置检测参数，完成扫描准备工作。

3.根据权利要求1所述的用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法，其特征在于，步骤S2具体实现方式为：

通过机械运动设备，携带集成后的毫米波雷达设备的综合孔径天线对准待测建筑幕墙，使其按照设定平行于建筑幕墙平面的方向进行步进移动及采集，使整套设备进行平行于墙面的二维运动，实现对整片幕墙的扫描。

4.根据权利要求1所述的用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法，其特征在于，步骤S3具体实现步骤为：

将毫米波天线接收的反射回波信号，设备姿态及定位数据信息通过有线或无线网络实时传输至上位机，完成既有建筑幕墙待检测部位的采集、传输工作。

5.根据权利要求1所述的用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法，其特征在于，步骤S4中上位机调用修正BP算法完成反射信号的处理并转化为成像图具体过程如下：

S41、首先忽略建筑幕墙中的遮挡层，雷达回波模型则是自由空间中的回波模型：

其中(x′,y′,z′)为毫米波天线的位置，(x,y,z)为空间中散射点的位置，k＝2πf/c为毫米波信号的波数，积分中指数项表示毫米波信号在自由空间中的相位变化，o(x,y,z)为成像物体的反射率分布函数；

S42、对应于公式①，考虑两层介质的平面分层情况，其折射现象的二维分析为，z_r′为分层平面的位置，(x′,y′,z′)为毫米波天线的位置，(x₀,y₀,z₀)为散射点的位置，x_r′为毫米波信号的入射点，x_min′为未发射折射现象时的入射点，x_max′为发生折射情况的最远入射点，n1，n2分别为介质的折射率，

根据折射定律-斯奈尔定律，可得：

n₁sin(α)＝n₂sin(β)

②

S43、将公式②中的角度替换之后得：

通过公式③即可以求解出入射点的位置值x_r′；

或，根据经验性结论，将x_max′和x_min′的平均值作为入射点的位置值x_r′，即

S44、通过公式③、④，两层介质平面分层情况的回波公式归纳为：

S45、基于公式⑤，得出修正折射现象引起的相位变化的修正BP成像算法，考虑已知须穿透的建筑幕墙材料的介电特性情况下的，修正BP成像算法为：

公式⑥可以看出积分是关于k的逆傅里叶变换，因此可以使用傅里叶变换简化为：

其中s(x′,y′,2r)为s(x′,y′,k)的逆傅里叶变换：

s(x′,y′,2r)＝IFFT_k(s(x′,y′,k))#⑧。

6.根据权利要求5所述的一种用于建筑幕墙检测的毫米波近场高精度三维成像方法，其特征在于，修正BP算法的实现流程为：

i.将采集的回波数据在波数域进行逆傅里叶变换，得到时空域信号；

ii.对于每个目标空间点分别并行计算，加速算法实现过程；

iii.通过公式③、④分别计算空间点与每个天线之间的光程，公式③、④对应于两层介质的平面分层情况，在已知分层介质的位置以及折射率的情况下，根据分层介质情况的不同，光程的计算也会相应的改变；

iv.根据公式⑦，最后将每个天线相应的回波数据叠加得到空间点的重建结果。

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