一种基于匹配追踪和小波变换的管片隐伏裂缝识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于匹配追踪和小波变换的管片隐伏裂缝识别方法，采用正交匹配追踪与小波变换相结合的技术处理盾构隧道衬砌隐伏含水微裂缝地质雷达检测信号，该技术可精准有效地弱化强阻抗界面的影响，增强目标检测对象微弱反射信号，从而达到准确检测与识别盾构隧道衬砌隐伏质量缺陷的目的。首先依据稀疏表示理论，提出层位及子波约束匹配追踪的表面强反射及异常强反射剥离方法，结合匹配追踪算法和强反射形成机理，选取了与强反射信号特征相适应的稀疏字典，并对每道信号进行两次匹配分解，使得淹没于强反射中的微弱目标体反射信号得到较好的展示。其次，选择与信号相匹配的小波基函数和合适的小波变换尺度，采用连续小波变换的方法对图像剖面再次处理与增强，使隐伏含水微裂缝信号得到了有效凸显。

Identification method of segment hidden cracks based on matching pursuit and wavelet transform

The invention discloses a segment concealed crack identification method based on matching pursuit and wavelet transform. The detection signal of shield tunnel lining concealed water-bearing micro-crack is processed by combining orthogonal matching pursuit with wavelet transform. The technique can accurately and effectively weaken the influence of strong impedance interface and enhance target detection. In order to detect and identify the hidden quality defect of shield tunnel lining accurately, the weak reflection signal of the measured object is obtained. Firstly, based on the sparse representation theory, a method of strong reflection and abnormal strong reflection stripping is proposed. Combining with the matching pursuit algorithm and strong reflection formation mechanism, a sparse dictionary adapted to the characteristics of strong reflection signals is selected, and each signal is decomposed twice to make it submerged in strong reflection. The reflected signal of weak target reflected in reflection is well displayed. Secondly, the wavelet basis function matching with the signal and the appropriate wavelet transform scale are selected, and the image section is processed and enhanced by the continuous wavelet transform method, so that the hidden water-bearing micro-crack signal is effectively highlighted.

【技术实现步骤摘要】
一种基于匹配追踪和小波变换的管片隐伏裂缝识别方法
本专利技术涉及盾构隧道衬砌结构无损检测领域，尤其涉及一种基于匹配追踪和小波变换的管片隐伏裂缝识别方法。
技术介绍
盾构法隧道施工以其对周围环境影响小、对复杂地层和地质水文条件差的地层适应性强、施工不受风雨的影响、安全快速等特点，在我国基础设施建设中越来越受青睐，同时伴随可供选择的盾构机类型和盾构施工方法的不断向前进步以及盾构设备质量的提高和成本的下降，盾构法逐渐成为地下铁道建设中的主流施工方法。盾构隧道主要由衬砌结构组成，盾构法进行隧道的修建普遍采用预制装配式衬砌，此装配式衬砌也通常称作管片。管片作为盾构隧道支撑体系的结构，是隧道结构的重要组成部分，管片质量直接关系到隧道的整体质量安全。然而，受设计因素、施工工艺、循环载荷及所处运营环境的影响，盾构隧道在施工期或服役期普遍存在不同程度的衬砌开裂与渗漏水等病害。特别是衬砌结构产生隐伏裂缝时，带来的后果更为严重和难以处理，衬砌结构隐伏裂缝具有隐蔽、不易察觉和不易检测等特点，可能导致工程留下永久性的质量缺陷。当隐伏含水裂缝相互贯穿或是扩展出露时，对隧道工程的影响是巨大的。质量问题重点在于预控，防患于未然，及时发现并有效识别衬砌结构隐伏质量缺陷对维护隧道工程的安全性和稳定性具有重要的工程意义。近年来，不少学者在衬砌混凝土中裂缝的检测与识别方面做了许多有意义的工作，涌现出了不少有价值的成果，如李尧，李术才，刘斌，等.钻孔雷达探测地下不良地质体的正演模拟及其复信号分析[J].岩土力学，2017，38（01）:300-308.石建勋.连拱隧道渗漏水病害机理与防治技术研究[D].重庆大学，2012，等等。李尧针对溶洞、裂隙等典型不良地质体无水和含水的情况分别建立了数值模型，利用地质雷达正演软件GprMax对数值模型进行了正演模拟，并使用复信号分析技术对正演结果进行了分析。文中仅仅对正演模拟信号作希尔伯特变换，并未进行实际的含溶洞或裂缝模型的探测和实际信号的处理分析，因实际模型或现场条件的复杂性，有必要获得实际的缺陷检测信号并作分析。石建勋通过模型试验，探讨了裂隙中七种不同含水填充物对探地雷达探测信号的影响，并利用MATLAB编程及小波分析实现对探地雷达数据的转换和对图谱特征的可视化。文中探测的是可见裂缝且裂缝宽度为10cm，已不是普通意义下的微小裂纹。由相关文献可知盾构隧道衬砌管片裂缝宽度对隧道健康影响程度分为四个等级，当裂缝宽度W<0.2mm，该裂缝为基本病害，对隧道造成轻微影响；当裂缝宽度0.2mm≤W<0.3mm，为较小病害；裂缝宽度0.3mm≤W<0.5mm，为较大病害；当裂缝宽度W≥0.5mm，裂缝会对盾构隧道健康造成严重影响，仅检测并识别对盾构隧道健康运营造成严重影响的裂缝病害。当地铁隧道管片内部出现开裂时，裂缝内一般充有水，水的冲击作用会加速管片的开裂进而可能导致管片出现贯通的可见裂缝，相对于充填空气的裂缝，当裂缝内充填水时带来的问题更为严重，因此，本专利技术针对的是盾构隧道衬砌中宽度W=0.5mm隐伏含水微裂缝的检测与识别问题。
技术实现思路
本专利技术针对盾构隧道衬砌中隐伏含水裂缝的检测与识别问题，提出了一种基于正交匹配追踪和小波变换的地质雷达检测信号分析方法。为了解决管片中隐伏含水微裂缝的识别与定位问题，本专利技术通过下述技术方案得以解决：提供一种基于正交匹配追踪和小波变换的管片隐伏裂缝识别方法，包括如下步骤：S1、含微裂缝的混凝土模型的浇筑与混凝土中电磁波波速测定。S2、含隐伏充水微裂缝的制作：在S1中浇筑完成的混凝土模型微裂缝中注水，形成含水隐伏微裂缝。S3、获取地质雷达无损检测原始图像：在S2中的含隐伏充水微裂缝的混凝土模型厚度方向看不见裂缝的一面采用地质雷达进行含缺陷混凝土的检测，获得地质雷达无损检测原始图像，地质雷达天线主频为1600MHZ，测量方式为轮测。S4、获取强反射干扰的主频。S5、获取稀疏字典D。S6、设置地质雷达信号采集道数ns。S7、稀疏表示系数计算。S8、内积极大化搜索。S9、获得强反射干扰图像y。S10、去除强反射干扰。S11、重复步骤S4～S10进行第二次强反射干扰处理。S12、对步骤S11中经2次去强反射干扰处理后的图像进行小波变换分析，步骤如下：（1）选择衰减较快、波形与被分析信号有较好相似性的函数作为小波基函数。（2）求取能最大程度地表现信号中突变成分的小波变换尺度，根据所选择的小波变换基函数和小波变换尺度对图像进行连续小波变换并取模。（3）得到目标体异常反射明显的结果图像。进一步地，所述步骤S1中、含微裂缝的混凝土模型的浇筑：制作含隐伏裂缝的混凝土模型以模拟含缺陷盾构隧道管片。电磁波波速测定：使用大型起吊机通过模型侧边的把手将混凝土模型立起来，采用地质雷达在混凝土模型厚度方向进行电磁波波速标定。进一步地，所述步骤S2中、隐伏充水微裂缝的制作：采用密封胶将裂缝出口表面密封，仅在上部留一5cm长缺口，并使用注射仪器向裂缝内注水，待水从裂缝上部缺口流出时，表明裂缝密封区域已注满水，停止注水。进一步地，所述步骤S4获取强反射干扰的主频中：利用Hilbert变换求取强反射干扰的主频，选用Ricker子波作为匹配子波，设置Ricker子波的主频与强反射主频一致，且Ricker子波采样点数和采样间隔均与地质采集信号一致。进一步地，所述步骤S5：编制褶积矩阵MATLAB程序，将步骤S4中单道Ricker子波扩充成褶积矩阵，即得到稀疏字典D。进一步地，所述步骤S6：设置地质雷达信号采集道数ns=1，总道数为Ns。进一步地，所述步骤S7：计算单道信号ns与字典D中所有原子的内积系数。进一步地，所述步骤S8：内积极大化搜索：，记录原子下标与系数。进一步地，所述步骤S9：设置地质雷达道数ns=ns+1，若ns>Ns，停止计算，得到强反射干扰图像y。更进一步地，步骤S12中需进行2次去强反射干扰处理，且进行小波变换处理时，需选择与被分析信号有良好相似性的小波函数和能表现信号中突变成分的小波变换尺度。与现有技术相比本专利技术由于采用了以上技术方案，在盾构隧道衬砌结构无损检测领域做出了巨大的突破，具有如下的有益效果：1、采用地质雷达对含隐伏充水微裂缝的混凝土进行检测，得到原始地质雷达检测图像，从原始图像中难以分辨出混凝土内部缺陷即隐伏微裂缝的存在，利用正交匹配追踪和小波变换进行图像处理后，目标体异常反射信号得到明显增强，基于正交匹配追踪算法和小波变换的信号处理方法可有效提高图像的分辨率，可以实现对低信噪比的检测信号进行分析并识别出弱小的检测目标。2、采用基于正交匹配追踪算法和小波变换的信号处理技术可大大提高地质雷达的检测范围，并提高地质雷达的精确度和检测能力，具有重要的实际应用价值。3、本专利技术一种基于匹配追踪和小波变换的管片隐伏裂缝识别方法提出了一种分析和识别微小隐伏病害的理论分析方法，解决了盾构隧道中极不易察觉、不易检测的隐伏含水微裂缝的识别和定位问题，在盾构隧道衬砌中隐伏质量缺陷的检测与识别方面做出了重大突破，本专利技术所述方法对于保障盾构隧道的安全运营具有重大意义。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的应用效果和实施过程，下面将对技术描述过程中所使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于匹配追踪和小波变换的管片隐伏裂缝识别方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、含微裂缝的混凝土模型的浇筑与电磁波波速测定；S2、含隐伏充水微裂缝的制作：在S1中浇筑完成的混凝土模型微裂缝中注水，形成含水隐伏微裂缝；S3、获取地质雷达无损检测原始图像：在S2中的含隐伏充水微裂缝的混凝土模型厚度方向看不见裂缝的一面采用地质雷达进行含缺陷混凝土的检测，获得地质雷达无损检测原始图像，地质雷达天线主频为1600MHZ，测量方式为轮测；S4、获取强反射干扰的主频；S5、获取稀疏字典D；S6、设置地质雷达信号采集道数ns；S7、稀疏表示系数计算；S8、内积极大化搜索；S9、获得强反射干扰图像y；S10、去除强反射干扰

【技术特征摘要】
1.一种基于匹配追踪和小波变换的管片隐伏裂缝识别方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、含微裂缝的混凝土模型的浇筑与电磁波波速测定；S2、含隐伏充水微裂缝的制作：在S1中浇筑完成的混凝土模型微裂缝中注水，形成含水隐伏微裂缝；S3、获取地质雷达无损检测原始图像：在S2中的含隐伏充水微裂缝的混凝土模型厚度方向看不见裂缝的一面采用地质雷达进行含缺陷混凝土的检测，获得地质雷达无损检测原始图像，地质雷达天线主频为1600MHZ，测量方式为轮测；S4、获取强反射干扰的主频；S5、获取稀疏字典D；S6、设置地质雷达信号采集道数ns；S7、稀疏表示系数计算；S8、内积极大化搜索；S9、获得强反射干扰图像y；S10、去除强反射干扰；S11、重复步骤S4～S10进行第二次强反射干扰处理；S12、对步骤S11中经2次去强反射干扰处理后的图像进行小波变换分析，步骤如下：（1）选择衰减较快、波形与被分析信号有较好相似性的函数作为小波基函数；（2）求取能最大程度地表现信号中突变成分的小波变换尺度，根据所选择的小波变换基函数和小波变换尺度对图像进行连续小波变换并取模；（3）得到目标体异常反射明显的结果图像。2.根据权利要求1所述基于匹配追踪和小波变换的管片隐伏裂缝识别方法，其特征在于：所述步骤S1中、含微裂缝的混凝土模型的浇筑：制作含隐伏裂缝的混凝土模型以模拟含缺陷盾构隧道管片；电磁波波速测定：使用大型起吊机通过模型侧边的把手将混凝土模型立起来，采用地质雷达在混凝土模型厚度方向进行电磁波波速标定。3.根据权利要求2所述基于匹配追踪和小波变换的管片隐伏裂缝识别方法，其特征在于，所述步骤S2中、隐伏充水微裂缝的制作：采用密封胶将裂缝出口表面密封，仅...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌同华，张亮，余彬，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43