CN116819529B - 一种基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法，包括：将检测装置水平放置，天线阵列平行于地面和被测墙面放置；检测装置沿垂直于线阵天线的方向按照预设的检测路径做匀速运动；主控模块控制信号源模块生成待发射信号，通过天线阵列向幕墙发射；毫米波接收采集模块采集反射回的毫米波回波信号；信号处理模块对采集到的毫米波回波信号做数字信号处理转换为透视图像。本发明能够在不损伤既有建筑幕墙的情况下，实现对大面积石材幕墙金属结构的批量化可视检测；采用毫米波作为探测手段，既能够保证对石材的穿透性又能够满足对金属挂件的检测精度要。
Description
技术领域
本发明涉及幕墙检测技术领域，具体涉及一种基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法及装置。
背景技术
装饰石材作为建筑幕墙的主要应用材料之一，石材安装的主要受力结构为石材幕墙背后的金属龙骨及特定金属挂件；当存在以下两种情况时幕墙石材脱落的风险较大：新建幕墙安装时金属挂件少装、漏装；既有幕墙安装使用时间较长后金属结构老化变形脱落；为预防幕墙石材的脱落风险，需要对石材幕墙进行定期检测，以此来分析幕墙的安全状况，及时排除安全隐患。
目前有效的检测方式主要为破坏性抽检，通过对抽取的被测位置进行钻孔或局部破拆后，利用工业内窥镜观测石材后的金属结构，比对观测结果和图纸留样后得出检测结果。
传统的检测方式因为无法直接观测到石材背后的金属结构，需要对目标进行破坏性处理；由于对被测幕墙具有破坏性，所以对需要检测的大面积幕墙只能进行抽检，抽样具备较大的随机性，无法真正实现对大面积幕墙的全面检测。
传统检测方式的效率较低，检测前的预处理和检测后对抽检位置的修复都需要耗费大量时间，而且检修过程也会存在对被测幕墙造成新的损伤的情况。
因此，现有技术存在不足，需要进一步改进。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法及装置。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
本发明提供一种基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像装置，其特征在于，包括：检测装置、水平线阵天线；
所述检测装置包括：电池组、电源转换模块、信号源模块、毫米波发射模块、毫米波接收模块、信号处理模块、主控模块；
电池组，用于供电；
电源转换模块，用于将外部输入电源转换为内部功能模块所需的线性电源；
信号源模块，用于产生具备预设特征的待发射信号；
毫米波发射模块，用于将信号源模块产生的信号进行放大并向被检测区域发射毫米波；
毫米波接收模块，用于采集从被检测区域返回的毫米波信号并转换为数字信号；
信号处理模块，用于对毫米波接收模块输出的数字信号进行有效信息提取；
主控模块，用于接收外部控制指令并控制信号处理模块、信号源模块，打包并传输信号处理结果数据；
水平线阵天线包括：天线阵列及其与之连接的开关控制器，用于毫米波信号的发射和接收；
所述主控模块与信号处理模块、信号源模块连接；所述信号处理模块与毫米波接收采集模块连接，所述信号源模块与所述毫米波发射模块连接，所述信号处理模块、信号源模块均与水平线阵天线连接。
进一步地，所述毫米波接收模块，通过在采样信号预处理中使用多通道卡尔曼滤波实现采样信号中噪声的抑制，采样多通道卡尔曼滤波算法建立状态空间模型来描述信号和噪声之间的关系，使用卡尔曼滤波器对状态进行估计，利用多个通道的信号来对输入噪声进行抑制，有效提高噪声抑制效果，包括预测阶段、更新阶段，具体如下：
预测阶段计算公式如下：
其中，
是时间步k时的状态预测值，/>是时间步k-1时的状态估计值，
Fk是状态转移矩阵，Pk|k-1是时间步k时的状态预测误差协方差矩阵，是时间步k-1时的状态估计误差协方差矩阵，Qk是过程噪声协方差矩阵；
更新阶段计算公式如下：
Pk|k＝(I-KkHk)Pk|k-1
其中，Kk是卡尔曼增益，yk是观测值，Hk是观测矩阵，Rk是观测噪声协方差矩阵，是时间步k时的状态估计值，I是单位矩阵。
进一步地，所述信号处理模块，通过优化信号处理算法，加入自适应滤波算法减少干扰，有效提高成像精度；自适应滤波采用LMS算法：
w(n+1)＝w(n)+2μe(n)x(n)，
其中w(n)是自适应滤波器的权值向量，x(n)是输入信号的向量，e(n)是期望输出信号与实际输出信号之间的误差，μ是自适应滤波器的步长因子，每当给定一个新的x(n)和d(n)，滤波器系数就更新一次；
对完成信号预处理后的信号进行基于合成孔径的成像算法处理，合成孔径成像算法主要是通过对回波IQ基频信号；
进行二维傅里叶变换和三维傅里叶逆变换，对成像区域信号按全息成像算法恢复；其数学表达式如下，
其中s(x，y，w)为毫米波信号经过目标f(x，y，z)散射后的回波信号由XY平面上的天线阵接收后和本振信号进行混频后得到的零中频信号，为目标散射的球面波信号；
基本物理意义是将二维平面孔径上不同的非聚焦相干波，通过数字聚焦原理聚焦在某个距离的成像平面上，然后通过空间反演计算，恢复出成像区域的反射和散射特性分布，即成像区域的毫米波图像。
进一步地，该成像装置还设置一搭载装置用于承载所述检测装置，对石材幕墙进行扫描；
所述主控模块还通过一无线网络传输模块与一平板电脑连接，平板电脑作为显示控制平台，操作员通过预装的配套工具软件控制成像***和获取成像结果；
该成像装置集成在一个金属外壳内，这使得整体结构紧凑同时提供良好的电磁屏蔽环境，进一步提高信号采集质量。
本发明还提供一种基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法，采用上述成像装置，该方法包括：
步骤S101，将检测装置水平放置，天线阵列平行于地面和被测墙面放置；
步骤S102，通过搭载装置托载检测装置沿垂直于天线阵列的方向按照预设的检测路径做匀速运动；
步骤S103，运动过程中主控模块控制信号源模块生成待发射信号，由毫米波发射模块通过天线阵列向幕墙发射；
步骤S104，毫米波接收采集模块采集反射回的毫米波回波信号；
步骤S105，信号处理模块对采集到的毫米波回波信号做数字信号处理转换为透视图像；
步骤S106，主控模块将透视图像和根据运动速度计算的当前图像的相对位置传输至主机(平板电脑)上；
步骤S107，检测员确认检测结果并标记问题位置。
进一步地，在步骤S102中匀速运动的速度不超过0.5m/S。
进一步地，步骤S103中所述的待发射信号工作频率为30GHz。
进一步地，步骤S105中所述的透视图像分辨率为4mm。
进一步地，步骤S105中所述的透视图像为基于合成孔径雷达成像算法处理的平面灰度图像。
进一步地，步骤S101还包括确定幕墙的被检测区域和检测路径。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
1.本发明能够在不损伤既有建筑幕墙的情况下，实现对大面积石材幕墙金属结构的批量化可视检测；
2.采用毫米波作为探测手段，既能够保证对石材的穿透性又能够满足对金属挂件的检测精度要求；使用ka波段毫米波能够穿透厚度不小于30mm的石材，最佳线分辨率可达4mm；
3.采用一体化线阵毫米波雷达设计，使得探测设备体积重量较小，易于维护部署和批量化使用；一体化设计，外部无需连接线缆即可完成检测控制和检测结果获取；
4.采用毫米波雷达作为检测手段，检测设备本身无射线辐射风险，同时由于毫米波穿透石材后能量大幅衰减对建筑物内的人体也没有电磁辐射风险；采用水平线阵做竖直方向一维运动扫描，运动过程中实时完成信号发射-采集-处理-输出；这种作业模式，使得毫米波雷达可进行建筑物幕墙的不间断连续检测，检测效率较高。
附图说明
图1是本发明的毫米波透视成像***；
图2是本发明的检测过程示意图；
图3是本发明的检测路径示意图；
图4是本发明使用本发明进行扫描成像的效果图；
图5是本发明的检测装置及水平线阵天线的立体图；
图6是本发明的流程图。
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。另外还需要说明的是，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1-6所示，本发明提供一种基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像装置，其特征在于，包括：检测装置、水平线阵天线；
所述检测装置包括：电池组、电源转换模块、信号源模块、毫米波发射模块、毫米波接收模块、信号处理模块、主控模块；
电池组，用于供电；
电源转换模块，用于将外部输入电源转换为内部功能模块所需的线性电源；
信号源模块，用于产生具备预设特征的待发射信号；
毫米波发射模块，用于将信号源模块产生的信号进行放大并向被检测区域发射毫米波；
毫米波接收模块，用于采集从被检测区域返回的毫米波信号并转换为数字信号；
信号处理模块，用于对毫米波接收模块输出的数字信号进行有效信息提取；
主控模块，用于接收外部控制指令并控制信号处理模块、信号源模块，打包并传输信号处理结果数据；
水平线阵天线包括：天线阵列及其与之连接的开关控制器，用于毫米波信号的发射和接收；
所述主控模块与信号处理模块、信号源模块连接；所述信号处理模块与毫米波接收采集模块连接，所述信号源模块与所述毫米波发射模块连接，所述信号处理模块、信号源模块均与水平线阵天线连接。
所述毫米波接收模块，通过在采样信号预处理中使用多通道卡尔曼滤波实现采样信号中噪声的抑制，采样多通道卡尔曼滤波算法建立状态空间模型来描述信号和噪声之间的关系，使用卡尔曼滤波器对状态进行估计，利用多个通道的信号来对输入噪声进行抑制，有效提高噪声抑制效果，包括预测阶段、更新阶段，具体如下：
预测阶段计算公式如下：
其中，
是时间步k时的状态预测值，/>是时间步k-1时的状态估计值，
Fk是状态转移矩阵，Pk|k-1是时间步k时的状态预测误差协方差矩阵，是时间步k-1时的状态估计误差协方差矩阵，Qk是过程噪声协方差矩阵；
更新阶段计算公式如下：
Pk|k＝(I-KkHk)Pk|k-1
其中，Hk是卡尔曼增益，yk是观测值，Hk是观测矩阵，Rk是观测噪声协方差矩阵，是时间步k时的状态估计值，I是单位矩阵。
所述信号处理模块，通过优化信号处理算法，加入自适应滤波算法减少干扰，有效提高成像精度；自适应滤波采用LMS算法：
w(n+1)＝w(n)+2μe(n)x(n)，
其中w(n)是自适应滤波器的权值向量，x(n)是输入信号的向量，e(n)是期望输出信号与实际输出信号之间的误差，μ是自适应滤波器的步长因子，每当给定一个新的x(n)和d(n)，滤波器系数就更新一次；
对完成信号预处理后的信号进行基于合成孔径的成像算法处理，合成孔径成像算法主要是通过对回波IQ基频信号；
进行二维傅里叶变换和三维傅里叶逆变换，对成像区域信号按全息成像算法恢复；其数学表达式如下，
其中s(x，y，w)为毫米波信号经过目标f(x，y，z)散射后的回波信号由XY平面上的天线阵接收后和本振信号进行混频后得到的零中频信号，为目标散射的球面波信号；
基本物理意义是将二维平面孔径上不同的非聚焦相干波，通过数字聚焦原理聚焦在某个距离的成像平面上，然后通过空间反演计算，恢复出成像区域的反射和散射特性分布，即成像区域的毫米波图像。
该成像装置还设置一搭载装置用于承载所述检测装置，对石材幕墙进行扫描；
所述主控模块还通过一无线网络传输模块与一平板电脑连接，平板电脑作为显示控制平台，操作员通过预装的配套工具软件控制成像***和获取成像结果；
该成像装置集成在一个金属外壳内，这使得整体结构紧凑同时提供良好的电磁屏蔽环境，进一步提高信号采集质量。
本发明还提供一种基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法，采用上述成像装置，该方法包括如下步骤：
1.检测人员勘察现场工况，确定建筑物石材幕墙的被测区域；
2.根据检测区域的建筑外形，准备搭载装置的运动路径；
3.安装检测装置至搭载装置并启动***，控制搭载装置运动至建筑物石材幕墙的被测区域；
4.搭载装置按照预定运动路径做匀速运动，同时开始检测；
5.主控模块根据运动速度和相对路径位置控制信号源模块生成毫米波信号；
6.毫米波发射模块对信号源模块生成的信号进行功率放大并通过天线阵列向石材发射；
7.由于毫米波对石材的穿透性和金属结构对毫米波的强反射性，毫米波接收采集模块对反射回波进行采集；
8.信号处理模块结合采集到的回波信号、运动路径、运动速度对随扫描位置变化的毫米波信号进行处理，得到整个被测区域的透视图像结果；
9.主控模块将实时的透视成像结果通过无线传输模块发送至检测人员的平板电脑；
10.检测人员根据透视成像结果做判定，对有问题的板块做标记。
通过上述操作步骤，可以在不破坏建筑物外表面的前提下实现对建筑物被测墙面的快速可视化检测。
在步骤4中匀速运动的速度不超过0.5m/S。
步骤7中所述的毫米波的频率为30GHz。
步骤8中所述的透视图像分辨率为4mm。
步骤8中所述的透视图像为基于合成孔径雷达成像算法处理的平面灰度图像。
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专利范围，凡是在本发明的发明构思下，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 (8)
1.一种基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像装置，其特征在于，包括：检测装置、水平线阵天线；
所述检测装置包括：电池组、电源转换模块、信号源模块、毫米波发射模块、毫米波接收模块、信号处理模块、主控模块；
电池组，用于供电；
电源转换模块，用于将外部输入电源转换为内部功能模块所需的线性电源；
信号源模块，用于产生具备预设特征的待发射信号；
毫米波发射模块，用于将信号源模块产生的信号进行放大并向被检测区域发射毫米波；
毫米波接收模块，用于采集从被检测区域返回的毫米波信号并转换为数字信号；
信号处理模块，用于对毫米波接收模块输出的数字信号进行有效信息提取；
主控模块，用于接收外部控制指令并控制信号处理模块、信号源模块，打包并传输信号处理结果数据；
水平线阵天线包括：天线阵列及其与之连接的开关控制器，用于毫米波信号的发射和接收；
所述主控模块与信号处理模块、信号源模块连接；所述信号处理模块与毫米波接收采集模块连接，所述信号源模块与所述毫米波发射模块连接，所述信号处理模块、信号源模块均与水平线阵天线连接；
所述毫米波接收模块，通过在采样信号预处理中使用多通道卡尔曼滤波实现采样信号中噪声的抑制，采样多通道卡尔曼滤波算法建立状态空间模型来描述信号和噪声之间的关系，使用卡尔曼滤波器对状态进行估计，利用多个通道的信号来对输入噪声进行抑制，有效提高噪声抑制效果，包括预测阶段、更新阶段，具体如下：
预测阶段计算公式如下：
其中，
是时间步k时的状态预测值，/>是时间步k-1时的状态估计值，
是状态转移矩阵，/>是时间步k时的状态预测误差协方差矩阵，/>是时间步k-1时的状态估计误差协方差矩阵，/>是过程噪声协方差矩阵；
更新阶段计算公式如下：
其中，是卡尔曼增益，/>是观测值，/>是观测矩阵，/>是观测噪声协方差矩阵，是时间步k时的状态估计值，I是单位矩阵；
所述信号处理模块，通过优化信号处理算法，加入自适应滤波算法减少干扰，有效提高成像精度；自适应滤波采用LMS算法：
w(n+1)=w(n)+2μe(n)x(n)，
其中w(n)是自适应滤波器的权值向量，x(n)是输入信号的向量，e(n)是期望输出信号与实际输出信号之间的误差，μ是自适应滤波器的步长因子，每当给定一个新的x(n)和d(n)，滤波器系数就更新一次；
对完成信号预处理后的信号进行基于合成孔径的成像算法处理，合成孔径成像算法主要是通过对回波IQ基频信号；
进行二维傅里叶变换和三维傅里叶逆变换，对成像区域信号按全息成像算法恢复；其数学表达式如下，
其中为毫米波信号经过目标/>散射后的回波信号由XY平面上的天线阵接收后和本振信号进行混频后得到的零中频信号，/>为目标散射的球面波信号；
基本物理意义是将二维平面孔径上不同的非聚焦相干波，通过数字聚焦原理聚焦在某个距离的成像平面上，然后通过空间反演计算，恢复出成像区域的反射和散射特性分布，即成像区域的毫米波图像。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像装置，其特征在于，该成像装置还设置一搭载装置用于承载所述检测装置，对石材幕墙进行扫描；
所述主控模块还通过一无线网络传输模块与一平板电脑连接，平板电脑作为显示控制平台，操作员通过预装的配套工具软件控制成像***和获取成像结果；
该成像装置集成在一个金属外壳内，这使得整体结构紧凑同时提供良好的电磁屏蔽环境，进一步提高信号采集质量。
3.一种基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法，采用权利要求1-2任一项所述的成像装置，其特征在于，该方法包括：
步骤S101，将检测装置水平放置，天线阵列平行于地面和被测墙面放置；
步骤S102，通过搭载装置托载检测装置沿垂直于天线阵列的方向按照预设的检测路径做匀速运动；
步骤S103，运动过程中主控模块控制信号源模块生成待发射信号，由毫米波发射模块通过天线阵列向幕墙发射；
步骤S104，毫米波接收采集模块采集反射回的毫米波回波信号；
步骤S105，信号处理模块对采集到的毫米波回波信号做数字信号处理转换为透视图像；
步骤S106，主控模块将透视图像和根据运动速度计算的当前图像的相对位置传输至平板电脑上；
步骤S107，检测员确认检测结果并标记问题位置。
4.根据权利要求3所述的基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法，其特征在于，在步骤S102中匀速运动的速度不超过0.5m/S。
5.根据权利要求3所述的基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法，其特征在于，步骤S103中所述的待发射信号工作频率为30GHz。
6.根据权利要求3所述的基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法，其特征在于，步骤S105中所述的透视图像分辨率为4mm。
7.根据权利要求3所述的基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法，其特征在于，步骤S105中所述的透视图像为基于合成孔径雷达成像算法处理的平面灰度图像。
8.根据权利要求3所述的基于毫米波的石材幕墙金属结构透视成像方法，其特征在于，步骤S101还包括确定幕墙的被检测区域和检测路径。
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