本发明属于混凝土结构无损检测，具体涉及一种混凝土拱顶分层冷缝检测方法及系统。

背景技术：

1、在混凝土拱顶浇筑施工过程中，受工艺中断或环境因素影响，层间易形成冷缝缺陷，严重影响结构的整体性与安全性。目前，针对混凝土冷缝的检测技术主要包括人工敲击法、超声波检测法以及基于弹性冲击波的检测技术。然而，现有技术在实际应用中仍存在显著不足：一方面，现有检测手段多针对平面结构设计，缺乏对混凝土拱顶弧形表面的适配机制，传感器布置不规范且间距不固定，导致信号采集失真；另一方面，现有信号处理方法较为简单，仅依赖单一特征进行判断，难以有效滤除环境杂波干扰，且无法全面表征冷缝对振动信号的多维度影响，导致检测结果精度低、误判率高，难以满足混凝土拱顶分层冷缝精准检测的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，本发明的目的之一在于提供一种混凝土拱顶分层冷缝检测方法，实现对拱顶分层冷缝的精准识别与评估。

2、本发明的目的之二在于提供实现所述混凝土拱顶分层冷缝检测方法的系统。

3、本发明提供一种混凝土拱顶分层冷缝检测方法，包括：

4、在待检测混凝土拱顶的跨缝区域布置支撑基线，并在所述支撑基线的两端分别固定第一振动传感器和第二振动传感器；

5、获取所述第一振动传感器和所述第二振动传感器在无缺陷参考区域采集的参考振动信号，基于所述参考振动信号计算双通道时延均值，以进行信号时域对准校准；

6、在所述支撑基线的延长线预设位置施加激励，并同步采集经过时域对准校准后的所述第一振动传感器和所述第二振动传感器输出的目标振动信号；

7、对所述目标振动信号进行预处理、筛选以及杂波滤除处理，并基于处理后的信号分别提取频域能量差异特征、时频分布特征、结构健全性评估特征以及波形相关性特征；

8、基于所述频域能量差异特征、所述时频分布特征、所述结构健全性评估特征以及所述波形相关性特征执行多特征融合判断，确定所述待检测混凝土拱顶是否存在分层冷缝。

9、上述方案通过刚性支撑基线适配拱顶弧形结构，结合时域对准校准消除双通道信号传输差异，并从频域、时频域、结构力学性能及波形相关性四个维度提取特征进行融合判断，解决了现有技术适配性差及单一特征判断不准的问题。

10、所述在待检测混凝土拱顶的跨缝区域布置支撑基线，并在所述支撑基线的两端分别固定第一振动传感器和第二振动传感器，包括：将所述支撑基线跨越冷缝疑似区域布置于所述混凝土拱顶表面，所述支撑基线为刚性绝缘基线，并将所述第一振动传感器和所述第二振动传感器分别固定于所述刚性绝缘基线的两端，使所述第一振动传感器和所述第二振动传感器紧贴所述混凝土拱顶的弧形表面；所述基于所述参考振动信号计算双通道时延均值，以进行信号时域对准校准，包括：在所述无缺陷参考区域对所述刚性绝缘基线的中点施加激励，采集所述第一振动传感器和所述第二振动传感器输出的所述参考振动信号；计算所述参考振动信号中双通道信号的时间差，并基于多次采样的时间差计算所述双通道时延均值；在后续采集所述目标振动信号的过程中，消除所述双通道时延均值以实现双通道信号的时域对准。

11、该优选方案通过刚性绝缘基线确保传感器间距恒定并贴合拱顶曲面，利用无缺陷区域的参考信号计算并消除系统固有延时，保证了后续差分计算的基准准确性。

12、所述在所述支撑基线的延长线上距端点预设距离的位置施加激励，同步采集所述第一振动传感器和所述第二振动传感器输出的目标振动信号，并基于所述双通道时延均值对所述目标振动信号进行时域对准校准，包括：在所述刚性绝缘基线的延长线距离端点20cm至40cm处，采用橡胶敲击锤施加均匀敲击激励，每次敲击持续时间小于或等于0.5s；每次敲击后，通过振动信号采集仪同步采集所述第一振动传感器和所述第二振动传感器输出的振动回波信号，采集时间为1s至2s；重复敲击3次，获取3组平行的所述目标振动信号。

13、该优选方案规范了激励源的位置与方式，并通过多次平行采集提高数据的统计可靠性，减少偶然误差。

14、所述对所述目标振动信号进行预处理、筛选以及杂波滤除处理，并基于处理后的信号分别提取频域能量差异特征、时频分布特征、结构健全性评估特征以及波形相关性特征，包括：

15、首先对目标振动信号进行预处理，包括去直流分量以及归一化处理，得到ch1与ch2两个通道的原始功率谱图像；所述去直流分量具体为消除信号中的直流干扰，使用以下公式表示：；其中，为去直流分量后的信号；为原始的目标振动信号；n为采样点个数；为第i个采样点的时间；所述归一化处理具体为统一信号赋值范围，消除信号赋值差异的影响，使用以下公式表示：；为归一化后的信号；为去直流分量后的信号的最小值；为去直流分量后的信号的最大值；最后对归一化后的信号进行傅里叶变换，得到ch1与ch2两个通道的原始功率谱图像；

16、其次对原始功率谱图像进行筛选，具体为：通过现有软件分析原始功率谱图像，判断是否存在两次或以上的连续峰值，若超过则识别为异常数据；剔除异常数据，将剩余数据作为有效数据，若有效数据不足两组，保留当前有效数据，重新返回施加激励与采集第一与第二振动传感器信号的步骤；

17、采用均值滤波与高通滤波相结合的方式对筛选后得到的有效数据进行杂波滤除处理，均值滤波用于消除随机噪声，高通滤波（截止频率100hz）用于滤除低频干扰信号；

18、基于滤除杂波后的信号计算双通道信号的功率谱差值，以提取所述频域能量差异特征；

19、基于滤除杂波后的信号计算小波系数，生成小波变换图像，以提取所述时频分布特征；

20、基于滤除杂波后的信号计算动弹性模量、抗压强度、等效抗剪比和等效强度比，以提取所述结构健全性评估特征；

21、基于滤除杂波后的信号计算自相关函数与互相关函数，以提取所述波形相关性特征。

22、该优选方案构建了多维度的信号处理体系，通过组合滤波提升信噪比，并同步挖掘信号在频谱、时频、力学参数及相关性方面的深层信息。

23、所述基于滤除杂波后的信号计算动弹性模量、抗压强度、等效抗剪比和等效强度比，以提取所述结构健全性评估特征，包括：基于信号传播速度计算所述动弹性模量与所述抗压强度 ；基于第一通道与第二通道功率谱最大幅值的比值计算所述等效抗剪比；基于实测抗压强度与标准抗压强度计算所述等效强度比；通过以下公式计算健全性指标作为所述结构健全性评估特征：；其中，、、、分别为所述动弹性模量、所述抗压强度、所述等效抗剪比和所述等效强度比的权重系数，且。

24、该优选方案将抽象的振动信号转化为具体的混凝土力学性能指标，并通过加权融合量化结构完整性，增强了检测结果的可解释性。

25、所述基于滤除杂波后的信号，计算双通道信号的功率谱差值，以提取所述频域能量差异特征，包括：基于滤除杂波后的信号，计算双通道信号的功率谱差值，得到功率谱差值，绘制功率谱差值图像，使用以下算式计算：；其中，为功率谱差值；为ch1通道的功率谱；为ch2的功率谱；为信号频率；对功率谱差值进行归一化处理，得到归一化后的功率谱差值；然后再对归一化后的功率谱差值进行阈值滤波处理，阈值为归一化后的功率谱差值的最大值的0.3倍；将滤波后的功率谱差值图中的第一个波峰出现的时间记为，采样点数为，第一个波谷出现的时间为，采样点数为；计算时间与时间区间的均值以及与的差值作为所述频域能量差异特征；

26、该优选方案通过自适应阈值滤波突出冷缝引起的频谱异常，并利用波峰波谷的时空特征精准捕捉冷缝反射信号。

27、所述基于滤除杂波后的信号计算小波系数，生成小波变换图像，以提取所述时频分布特征，包括：先选取小波函数做完基函数，将小波函数与滤除杂波后的信号进行内积操作，计算小波系数，使用以下算式表示：；其中，为变换尺度；为平移量；为基小波函数；为小波系数；然后将小波函数向右平移，重复内积步骤，直至滤除杂波后的信号结束；调整变换尺度，重复内积步骤，得到ch1、ch2两个通道的小波变换图像，作为所述时频分布特征；

28、所述基于滤除杂波后的信号计算自相关函数与互相关函数，以提取所述波形相关性特征，包括：所述自相关函数使用以下算式表示，描述信号在不同时刻的相关程度：；其中，为自相关函数；n为信号传递周期中的采样点个数；为时间延迟；为离散化的滤除杂波后的信号；自相关系数使用以下算式表示：；为自相关系数；为时的自相关函数值；所述互相关函数使用以下算式表示，用于衡量ch1、ch2两个通道信号的相似程度：；为互相关函数；为ch1通道离散化的滤除杂波后的信号；为ch2通道离散化的滤除杂波后的信号；为ch1信号峰值与ch2信号峰值间的采样点个数对应的时间延迟；自相关系数与互相关函数作为所述波形相关性特征；

29、所述基于所述频域能量差异特征、所述时频分布特征、所述结构健全性评估特征以及所述波形相关性特征执行多特征融合判断，确定所述待检测混凝土拱顶是否存在分层冷缝，包括：设定所述频域能量差异特征、所述时频分布特征、所述结构健全性评估特征以及所述波形相关性特征各自的冷缝判断阈值；逐一验证各特征是否符合对应的冷缝异常表现；当符合所述冷缝异常表现的特征数量达到预设数量阈值时，判定所述待检测混凝土拱顶存在分层冷缝；当符合所述冷缝异常表现的特征数量小于所述预设数量阈值且大于零时，判定为疑似冷缝；当符合所述冷缝异常表现的特征数量为零时，判定为无冷缝。

30、该优选方案建立了基于多特征投票的决策机制，避免了单一指标波动导致的误判，提高了检测结果的鲁棒性。

31、所述逐一验证各特征是否符合对应的冷缝异常表现，包括：若所述频域能量差异特征包含的首个波峰与首个波谷的采样点差值超出预设的标准范围，且所述首个波峰与所述首个波谷区间的功率谱差值均值大于对应的冷缝判断阈值，则判定所述频域能量差异特征符合冷缝异常表现；若所述时频分布特征显示信号频段相较于无缺陷参考区域的信号频段降低，且在主信号之后出现两次及以上高频信号，则判定所述时频分布特征符合冷缝异常表现；若所述结构健全性评估特征包含的健全性指标低于无缺陷混凝土对应的预设标准范围，则判定所述结构健全性评估特征符合冷缝异常表现；若所述波形相关性特征包含的自相关系数在预设时间窗口内的变化幅度超过预设突变阈值，且互相关函数值低于对应的冷缝判断阈值，则判定所述波形相关性特征符合冷缝异常表现。

32、该优选方案细化了各类特征的异常判定逻辑，确保每个维度的判断均有明确的物理依据和数据支撑。

33、此外，本技术还提供了一种混凝土拱顶分层冷缝检测系统，包括硬件采集模块和软件处理模块；所述硬件采集模块包括支撑基线、第一振动传感器、第二振动传感器以及振动信号采集仪，所述第一振动传感器和所述第二振动传感器分别固定于所述支撑基线的两端，所述振动信号采集仪与所述第一振动传感器和所述第二振动传感器通信连接；所述软件处理模块包括信号处理单元、特征提取单元以及多特征融合判断单元；所述软件处理模块被配置为执行如上述方案所述的混凝土拱顶分层冷缝检测方法。

34、上述系统通过软硬件协同，实现了从信号采集到结果输出的全流程自动化与标准化。

35、所述支撑基线为刚性绝缘可调节基线，所述刚性绝缘可调节基线的标准长度为0.82m，调节范围为0.6m至1.0m；所述第一振动传感器和所述第二振动传感器均为接触式振动传感器，量程为，频率范围为10hz至10khz。

36、该优选方案进一步限定了核心硬件的物理参数，确保系统能够稳定适配不同尺寸的混凝土拱顶并精准捕捉振动信号。

37、本发明的有益效果：

38、本发明公开了一种混凝土拱顶分层冷缝检测方法及系统，具有以下有益效果：本发明通过刚性绝缘支撑基线跨越冷缝疑似区域布置，并使双振动传感器紧贴拱顶弧形表面，解决了现有技术中传感器布置随意、无法适配拱顶曲率导致信号采集失真的问题，为高精度检测奠定了物理基础。在此基础上，通过在无缺陷区域采集参考信号计算双通道时延均值并进行时域对准校准，消除了传感器及线缆传输引入的系统误差，确保了后续差分运算与特征提取的基准一致性。

39、同时，本发明方法摒弃了单一特征判断的局限，构建了包含频域能量差异、时频分布、结构健全性评估及波形相关性的多维度特征提取体系。通过均值滤波与高通滤波组合去噪，结合小波变换与功率谱差值分析，全面捕捉冷缝对振动信号在频率、时间、能量及力学性能上的综合影响。特别是引入包含动弹性模量、抗压强度等参数的健全性指标，将信号特征映射为结构力学状态，增强了检测结果的工程实用性。最终，采用多特征融合判断逻辑，仅当多个维度特征同时满足异常阈值时才判定冷缝存在，有效抑制了环境杂波与局部干扰引起的误报，显著提升了混凝土拱顶分层冷缝检测的准确率与可靠性。