一种滚轮式干耦合阵列超声路面病害检测系统及病害识别方法

本发明属于道路潜伏病害无损检测，尤其涉及一种滚轮式干耦合阵列超声路面病害检测系统及病害识别方法。

背景技术：

1、道路施工和道路运维过程对路基安全至关重要，然而由于建筑物回填、施工扰动、管道破损的存在，在道路下发常产生局部不密实、空洞体等问题，易引发道路路面脱空塌陷，为城市化高标准、快速发展的要求埋下隐患，冻土冻融的突出病害，给人身安全和经济财产等方面带来损失，降低了施工进度。因此对道路下方的潜伏病害进行无损检测对保证道路安全高效运维的重要手段，而利用超声波对病害进行检测具有免受钢筋等电磁场干扰、成本低的优势，具有广阔的实际应用前景。此外巧妙利用滚轮转动将阵列超声探测变为网状可以提高对于道路脱空、塌陷等灾害的探测深度和病害识别精度，进一步的对道路损伤等级确定和精准化的病害治理提供科学依据。

2、道路下方潜伏病害检测方法主要包括基于高密度电法、瞬态面波法、地质雷达法和超声波法等。例如面波法多以圆形阵列的观测形式获取地下的横波速度反演结果，采用面波作为探测的有效信号，成像结果易受频散曲线提取精度和反演结果的多解性的影响；地质雷达方法受到尤其在遇到钢筋、线缆等低电导率介质时，易造成回波被压制，有效信号难以提取，影响病害的识别和判识。而这几类检测方法普遍存在精准性不足、易受周围环境干扰、工作效率不高且病害类型的识别的判识不准确的问题，导致道路下方潜伏病害检测易出现漏检和误检的现象，使道路维护人员错过病害治理最佳黄金时间，提高了道路维护的成本，为道路安全运维和生命财产安全等方面埋下严重隐患。

3、超声波探测技术具有成像精度较高、可解译性好的优势，适合道路下方潜伏病害检测任务。尤其是道路下方为表层富水环境，电磁波、高密度电法电流分布在低阻的表层位置，深层部位信号穿透能力不足，超声波探测具有更好的适用性。目前常用的道路病害检测超声探测多采用单通道发射，双通道接收，通过对接收探头的手动移动实现多通道信号的采集，对于大范围每个测点布设的准备时间较长，且病害的解译基于原始的观测数据，复杂介质定位误差较大、成像精度不足，易造成病害的遗漏和错误解译等问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种滚轮式干耦合阵列超声路面病害检测系统及病害识别方法，通过将阵列式超声探头安装在滚轮上，利用纵、横的双向扫描局部加密算法提高病害探测精度、通过滚轮转动快速的病害检测提高检测效率。

2、一方面为实现上述目的，本发明提供了一种滚轮式干耦合阵列超声路面病害检测系统，包括：探测准备模块、信号采集模块、数据处理模块和数据成像及解译模块；

3、所述探测准备模块，用于获取滚轮旋转角度；

4、所述信号采集模块，用于根据确定后的滚轮旋转角度采集路面病害信号数据；

5、所述数据处理模块，用于对所述路面病害信号数据进行数据重组和去噪处理，获得去噪后的信号数据；

6、所述数据成像及解译模块，用于对所述去噪后的信号数据中数据异常的位置进行局部加密，获得成像数据，将所述成像数据与典型病害案例库成像数据进行对比，获得病害的快速解译。

7、进一步的，获取滚轮旋转角度的过程包括：

8、根据探测面的大小与宽度确定可拼接滑轴7的个数以及干耦合探头9的疏密并将其通过多芯屏蔽传输线缆6与设备连接；根据设备上的gps定位4将检测系统移动到风险段落位置，多线程激光雷达5获取地表起伏点云图；液压连杆13伸出，直至接触压力传感器15达到阈值，将可拼接滑轴7放置于待检测路面，直至滚轴轴向阵列均接触地表，记录干耦合探头9接触地面时的滚轮旋转角度。

9、进一步的，根据确定后的滚轮旋转角度采集路面病害信号数据的过程包括：

10、采集模块2产生激励波形，电源3提供激励能量使干耦合探头9激励高压脉冲信号，探头将电能转化为机械能从而实现信号的激励，每次触发所有探头接收，直至最后一个探头触发的信号被数据接收，并保存单测线数据至处理主机1；可拼接滚轴7转动至下一旋转角度处的干耦合探头9阵列，当下一排干耦合探头9接触时，继续进行信号采集，并将采集信号保存于多测线数据体。

11、进一步的，对所述路面病害信号数据进行数据重组的过程包括：

12、将观测获得的四维数据根据其转动后的地表投影不同，划分为沿滚轴的横向测线和纵向测线，其中纵向测线为滚轴滚动时某一阵列接收到的数据；横向测线为通过抽取纵向测线上不同偏移距数据形成自激自收的数据。

13、进一步的，对所述去噪后的信号数据中数据异常的位置进行局部加密，获得成像数据的过程包括：以纵、横向测线交叉点代表相同位置地质信息，以该点作为标志点进行地质结构约束，由于纵向测线采用类似地质雷达的共偏移距观测形式，能够实现隐蔽病害的粗略快速定位并对该位置进行成像网格加密，再利用纵、横向测线的联合扫描叠加获得成像数据。

14、另一方面为实现上述目的，本发明还提供了一种滚轮式干耦合阵列超声路面病害识别方法，包括：

15、获取滚轮旋转角度；

16、根据确定后的滚轮旋转角度采集路面病害信号数据；

17、对所述路面病害信号数据进行数据重组和去噪处理，获得去噪后的信号数据；

18、对所述去噪后的信号数据中数据异常的位置进行局部加密，获得成像数据，将所述成像数据与典型病害案例库成像数据进行对比，获得病害的快速解译。

19、进一步的，获取滚轮旋转角度的方法包括：

20、根据探测面的大小与宽度确定可拼接滑轴的个数以及干耦合探头的疏密并将其通过多芯屏蔽传输线缆与设备连接；根据设备上的gps定位将检测系统移动到风险段落位置，多线程激光雷达获取地表起伏点云图；液压连杆伸出，直至接触压力传感器达到阈值，将可拼接滑轴放置于待检测路面，直至滚轴轴向阵列均接触地表，记录干耦合探头接触地面时的滚轮旋转角度。

21、进一步的，根据确定后的滚轮旋转角度采集路面病害信号数据的方法包括：

22、采集模块产生激励波形，电源提供激励能量使干耦合探头激励高压脉冲信号，探头将电能转化为机械能从而实现信号的激励，每次触发所有探头接收，直至最后一个探头触发的信号被数据接收，并保存单测线数据至处理主机；可拼接滚轴转动至下一旋转角度处的干耦合探头阵列，当下一排干耦合探头接触时，继续进行信号采集，并将采集信号保存于多测线数据体。

23、进一步的，对所述路面病害信号数据进行数据重组的方法包括：

24、将观测获得的四维数据根据其转动后的地表投影不同，划分为沿滚轴的横向测线和纵向测线，其中纵向测线为滚轴滚动时某一阵列接收到的数据；横向测线为通过抽取纵向测线上不同偏移距数据形成自激自收的数据。

25、进一步的，对所述去噪后的信号数据中数据异常的位置进行局部加密，获得成像数据的方法包括：以纵、横向测线交叉点代表相同位置地质信息，以该点作为标志点进行地质结构约束，由于纵向测线采用类似地质雷达的共偏移距观测形式，能够实现隐蔽病害的粗略快速定位并对该位置进行成像网格加密，再利用纵、横向测线的联合扫描叠加获得成像数据。

26、本发明技术效果：本发明公开了一种滚轮式干耦合阵列超声路面病害检测系统及病害识别方法，利用滚轮装置形成了由一维滚动数据重构为纵、横向联络的二维网状观测系统，科学合理的提高了超声探测的工作效率。通过横纵向双方位测线联合的形式进行约束成像，提高成像精度。具体而言，横向测线获取的共偏移距剖面能够较快速的判定病害的初步位置，利用局部加密的成像网格提高纵向测线上的成像精度，仅需要局部网格加密的基础上，能够较好的获取成像精度，降低了计算内存和成像时间，有利于实现病害的实时化成像与识别。