基于雷達(dá)、CNN無人機(jī)技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)的無損檢測

肖 姜 袁瑞鵬 薛 梅 郜明珠 叢吳崎 王嘯宇

(1.揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225000；2.南通大學(xué) 江蘇 南通 226000；3.江蘇海洋大學(xué) 江蘇 淮安 223001)

一、無損檢測的意義

由于橋梁工程的工程量巨大、施工線超級長和工程投資特別大等特點(diǎn)，在施工過程中工程質(zhì)量會(huì)受到諸多因素的影響，任何一個(gè)施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)任何問題，都將會(huì)對項(xiàng)目結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生致命性的影響，正因如此加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全管理與檢測是目前至關(guān)重要的。

為了提高橋梁工程的質(zhì)量，在大型項(xiàng)目結(jié)構(gòu)檢測過程中使用無損檢測技術(shù)有利于施工原材料充分利用以及及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中的不足之處以備查漏補(bǔ)缺之用，并有效推廣項(xiàng)目結(jié)構(gòu)新的施工材料、新的施工技術(shù)以及新的施工工藝，準(zhǔn)確評估工程質(zhì)量。經(jīng)實(shí)踐證明，若在工程實(shí)踐中沒有做好質(zhì)量檢測相關(guān)工作，就會(huì)給工程項(xiàng)目埋下質(zhì)量性的安全隱患，從而影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全以及影響人們?nèi)粘Ｉ睢?/p>

二、雷達(dá)的處理數(shù)據(jù)的方法

雷達(dá)處理數(shù)據(jù)的方法:增益處理、去除零漂、道均衡、帶通濾波等是相對來說比較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法。我們也可以通過分析處理反射波的極性、信號強(qiáng)度、波動(dòng)時(shí)間等信息，再通過二維濾波、偏移歸位、反褶積等方法對相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。電磁反射波的時(shí)間、振幅和極性也可以通過發(fā)射波來進(jìn)行判斷；區(qū)分不同的物質(zhì)界面，可以通過分析各介質(zhì)之間內(nèi)部反射波的低頻率；同樣，通過分析同相軸的時(shí)間、形態(tài)、強(qiáng)弱、方向等相關(guān)數(shù)據(jù)也可以獲得部分信息。

三、橋梁無損檢測的方法

隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)無損檢測領(lǐng)域中的發(fā)展，迎來了檢測機(jī)制的突破和評估方法的變革，促使著橋梁結(jié)構(gòu)無損檢測朝著系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化和人工智能化方向發(fā)展，現(xiàn)如今橋梁無損檢測的方法主要有以下三種。

(一)聲發(fā)射法檢測

在一定荷載作用下，橋梁工程中的混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形，混凝土本身的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著的變化，當(dāng)出現(xiàn)裂紋、斷裂之后往往都會(huì)通過波的形式來釋放自身的能量。技術(shù)人員在利用聲發(fā)射法對橋梁工程進(jìn)行檢測的時(shí)候，將聲發(fā)射器直接放在需要檢測的部位上，通過在檢測不同位置收集到的聲波時(shí)間差就可以非常清楚的知道裂縫或者斷裂出現(xiàn)的位置信息。然后再運(yùn)用聲波發(fā)射器對問題位置進(jìn)行深度檢測。深度檢測基于深度學(xué)習(xí)(Deep Learning)方法的檢測手法，更加有利于提高檢測效率與檢測質(zhì)量。

(二)CNN無人機(jī)檢測技術(shù)

在傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)檢測中，人工望遠(yuǎn)鏡是使用最多的一種檢測儀器，但是對于一些大型的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的檢測，使用人工望遠(yuǎn)鏡檢測明顯不太現(xiàn)實(shí)。因此，利用全新研發(fā)的加載傳感器裝置的CNN無人機(jī)檢測技術(shù)之后，通過優(yōu)化導(dǎo)航技術(shù)，可以保證無人機(jī)在距離地面的小范圍區(qū)間內(nèi)飛行。加上通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Convolutional Neural Network，CNN)，先導(dǎo)入數(shù)據(jù)樣本(裂縫)，產(chǎn)生訓(xùn)練樣本，然后建立訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，接下來進(jìn)行仿真測試，最后進(jìn)行性能評價(jià)分析(如誤差分析)，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。最后在高級精度識別的基礎(chǔ)上自動(dòng)識別裂縫，自動(dòng)繪畫出大型項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的損傷情況，如裂縫的大小、裂縫的走勢，讓大型項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的損傷一目了然，真正做到了機(jī)器智能化。

(三)雷達(dá)檢測技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行工程質(zhì)量檢測能夠快速精確測定缺陷區(qū)的形狀、大小和深度；節(jié)省勞動(dòng)力、操作方便簡單、速度迅速；能在大范圍內(nèi)進(jìn)行大型項(xiàng)目結(jié)構(gòu)檢測；不受周圍其他環(huán)境的影響。

探地雷達(dá)檢測技術(shù)原理：在日常生活中，我們可以通過雷達(dá)的發(fā)射天線將頻率為10～1000MHz的高頻電磁波以脈沖的一種形式定向地送入到地下，接下來雷達(dá)波在遇到如空洞或鋼筋等本身存在電性差異的一些地下目標(biāo)體的時(shí)候，原本在地下介質(zhì)中照常傳播的電磁波將會(huì)發(fā)生反射，電磁波反射后回到地面以后從而被接收天線所接收。反射到達(dá)地面的雷達(dá)波被接收天線接收了以后，我們可以通過對接收到的反射回地面雷達(dá)波進(jìn)行相關(guān)的處理和分析，然后進(jìn)一步根據(jù)接收到的雷達(dá)波的波形、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等相關(guān)參數(shù)來進(jìn)行推斷出地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性以及幾何形態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣的話就可以完成對地下隱蔽目標(biāo)物的一個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)的探測。

但是由于探地雷達(dá)技術(shù)的價(jià)格比較昂貴、對檢測人員要求較高，盡管在道路以及橋梁的結(jié)構(gòu)檢測方面有廣闊前景，這項(xiàng)技術(shù)還是有待進(jìn)一步推廣研究。

四、無損檢測技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

(一)超聲波技術(shù)的應(yīng)用

橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)在萬有引力的作用下長期承受著巨大負(fù)荷，這樣會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)疲勞等現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)的疲勞會(huì)不斷累計(jì)，到達(dá)一定程度時(shí)，橋梁就會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大的破壞從而失效。超聲波的頻率較高，其頻率的傳輸在某種程度上很靠近波的傳播定律。與地下結(jié)構(gòu)層探測類似，超聲波的工作原理主要是通過用一些物件敲擊橋梁表面從而產(chǎn)生低頻應(yīng)力波，通過一些傳輸?shù)慕橘|(zhì)傳播到橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，如果遇到橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部交界或者斷裂面，應(yīng)力波就會(huì)反射回到檢測設(shè)備。

(二)探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

對于一些大型項(xiàng)目結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測時(shí)，探地雷達(dá)技術(shù)不易受到外界環(huán)境的干擾，相對來說比較穩(wěn)定，并且操作相對來說較簡單，檢測速度較快，需要用到的設(shè)備也輕巧易攜帶。所以如今很多公路的密實(shí)性、厚度和橋梁的無損傷檢測都會(huì)用到探地雷達(dá)檢測技術(shù)。如今可以在夜間運(yùn)行的探地雷達(dá)車已經(jīng)研發(fā)成功，可以更加準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，也在一定程度上提高了檢測的效率和質(zhì)量，給橋梁檢修工作提供了更加準(zhǔn)確可靠的分析數(shù)據(jù)，發(fā)展前景十分廣闊，也成為了我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)創(chuàng)新新技術(shù)。

(三)光纖傳感檢測技術(shù)的應(yīng)用

隨著橋梁工程建設(shè)的形式及規(guī)模不斷擴(kuò)大，僅借助超聲波檢測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)橋梁的全部檢測工作根本無法滿足項(xiàng)目結(jié)構(gòu)檢測的需求。目前，新型無損檢測技術(shù)備受歡迎。從技術(shù)層面來看，光纖在使用的過程當(dāng)中，能夠針對不同的物理量產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。這方面的特征，被充分地使用到了光纖傳感檢測技術(shù)當(dāng)中。例如，在實(shí)際的檢測工作中，可以將檢測儀收集到的光信號，通過轉(zhuǎn)換外界物理量的這種形式，可以保證處于信號搜集狀態(tài)，來充分了解道路橋梁檢測的各項(xiàng)內(nèi)容。