Спосіб виявлення та визначення напрямку, у тому числі і підповерхневих, тріщин в асфальтобетонному покритті

Реферат: Спосіб виявлення та визначення напрямку, у тому числі і підповерхневих, тріщин в асфальтобетонному покритті, який полягає в тому, що випромінюючо-приймальну антенну систему радіолокатора підповерхневого зондування розміщують над поверхнею дорожнього одягу та, рухаючись по дорозі, виконують радіолокаційне зондування, для чого збуджують випромінюючу антену електричним сигналом із синусоїдною часовою залежністю, формують електромагнітну хвилю в дорожньому одязі, приймають відбиту електромагнітну хвилю приймальною антеною, перетворюють прийняту електромагнітну хвилю в електричний сигнал, перетворений електричний сигнал реєструють і зберігають у цифровому вигляді в пам'яті комп'ютера і аналізують за допомогою спеціальних комп'ютерних програм. Збуджують по черзі два розташовані взаємно ортогонально лінійно поляризовані випромінювачі випромінюючої антени з поляризацією, що перемикається, випромінюють електромагнітне поле по черзі з однією, а потім з ортогональною лінійними поляризаціями, приймають відбите поле двома лінійно поляризованими приймальними антенами, напрямки поляризації яких орієнтовано під кутом 60 градусів один до одного, детектують прийняті сигнали і підсилюють їх вузькосмуговими підсилювачами змінної напруги, які завчасно налаштовують на частоту UA 121483 U (12) UA 121483 U перемикання випромінювачів, підсилені сигнали за допомогою багаторозрядних аналогоцифрових перетворювачів перетворюють у відповідні цифрові коди і за допомогою комп'ютерних програм аналізують залежність амплітуд прийнятих сигналів від напрямків поляризації випромінювачів і приймальних антен, а висновок щодо виявлення, у тому числі і під поверхневих, тріщин в асфальтобетонному покритті роблять за умов появи розбіжностей між амплітудами сигналів, прийнятих одночасно двома приймальними антенами, а напрямок тріщини визначають за різницею амплітуд цих сигналів. UA 121483 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі експлуатації автомобільних доріг з одягом нежорсткого типу і може бути використана для оцінки якості доріг з асфальтобетонним покриттям під час будівництва та експлуатації. Відомий спосіб виявлення та визначення місць знаходження, у тому числі і підповерхневих, тріщин в асфальтобетонному покритті (патент ЕР 0519045 В1 "Non-destructive materials testing apparatus and technique for use in the field" МПК7 G01N 3/30, G01N 3/06, G01N 3/02, G01N 29/12, G01N 29/04, G01N 3/04, 11.09.1996), який полягає в тому, що розміщують акустичний передавач та акустичний приймач на поверхні дороги, збуджують передавач, формують акустичну хвилю напруження в досліджуваній структурі, реєструють акустичну хвилю приймачем, перетворюють акустичну хвилю в електричний сигнал, перетворюють електричний сигнал в спектр та виявляють спектр відбиття від тріщин. Причинами, що перешкоджають застосуванню цього способу для виявлення та визначення напрямку, у тому числі і під поверхневих, тріщин в асфальтобетонному покритті, є необхідність забезпечення контакту між поверхнею досліджуваної структури та акустичними передавачем і приймачем, що вимагає залишати акустичну локаційну апаратуру нерухомою на час проведення вимірювання і не дозволяє проводити пошук тріщин під час руху локаційної апаратури, а також потреба в зондуванні ще й ділянки дороги без тріщин, в порівнянні з результатам зондування якої визначають наявність тріщини. До того ж існує велика ймовірність пропуску (не виявлення) тріщини, якщо вона розташована уздовж уявної лінії, що проходить через акустичний випромінювач та приймач, через те, що сигнали, які зареєстровано за таких умов на цілій та пошкодженій ділянках дороги, майже не відрізняються. Відомий спосіб виявлення підповерхневих дефектів, у тому числі і підповерхневих тріщин, в асфальтобетонному покритті (Diamanti N., Redman D., Giannopoulos A. A Study of GPR vertical crack responses in pavement using field data and numerical modeling // Proc. of the XIII International Conference "Ground penetrating radar" (Lecce, Italy) - 2010. - P.224-228. ISBN: 978-1-4244-4605-6, Bavusi M., Loperte A., Lapenna V., Soldovieri F. Rebars and defects detection by a GPR survey at a L'Aquila school damaged by the earthquake of April 2009 // Proc. of the XIII International Conference "Ground penetrating radar" (Lecce, Italy) - 2010. - P.245-249. ISBN: 978-1-4244-4605-6, Ahmad, N., Lorenzl, H., and Wistuba, M… Crack detection in asphalt pavements, how useful is GPR? // 6th Int. Workshop on "Advanced ground penetrating radar", (Aachen, Germany) - 2011.), який полягає в тому, що лінійно поляризовану випромінюючу антену та лінійно поляризовану приймальну антену надширокосмугового імпульсного радіолокатора підповерхневого зондування розміщують над поверхнею дорожнього одягу таким чином, щоб напрямки поляризації обох антен співпадали, збуджують випромінюючу антену надширокосмуговим імпульсом електричної напруги, формують електромагнітну хвилю в дорожньому одязі, приймають електромагнітну імпульсну хвилю приймальною антеною, перетворюють електромагнітну імпульсну хвилю в електричний сигнал, перетворений електричний сигнал реєструють і зберігають у цифровому вигляді в пам'яті комп'ютера, за допомогою комп'ютерних програм перетворюють отримані дані у зображення радіолокаційного профілю дорожнього одягу, і, базуючись на досвіді оператора радара, знаходять відгуки, які відповідають підповерхневим дефектам, у тому числі і підповерхневим тріщинам, в асфальтобетонному покритті та за місцями розташування цих відгуків на зображенні профілю визначають місця знаходження тріщин в дорожньому одязі. Причинами, що перешкоджають застосуванню цього способу для виявлення, у тому числі і підповерхневих, тріщин в асфальтобетонному покритті, є те, що за критерій, який визначає наявність дефекту в асфальтобетонному покритті, беруть його радіолокаційне зображення, яке має вигляд гіперболоподібних кривих ліній на радіолокаційному профілі дорожнього одягу. А для отримання цього зображення потрібно виконати зондування досить великої ділянки дороги, при цьому потрібно, по-перше, щоб спочатку було виконано зондування ділянки дороги, на якій немає дефектів, а по-друге, під час зондування антенна система має обов'язково перетнути область з дефектом. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб виявлення у тому числі і підповерхневих тріщин у асфальтобетонному покритті дороги (Патент України на корисну модель: № 108136 від 11.07.2016 Спосіб виявлення підповерхневих тріщин у асфальтобетонному покритті дороги під час руху діагностичної лабораторії в транспортному потоці / Батраков Д.О., Урдзік С.М., Почанін Г.П., Батракова А.Г.; заявник та патентоутримувач: Батраков Д.О., Урдзік С.М., Почанін Г.П., Батракова А.Г. - u201511193; заявл. 13.11.2015; опубл. 11.07.2016, Бюл. № 13/2016), який полягає в тому, що випромінюючо-приймальну антенну систему радіолокатора розміщують над поверхнею дорожнього одягу та, рухаючись по дорозі, збуджують випромінюючу антену, яка випромінює електромагнітне поле з круговою поляризацією сигналом із синусоїдною часовою залежністю, приймають відбите поле 1 UA 121483 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 одночасно чотирма лінійно поляризованими приймальними антенами, які розташовані на рівних відстанях від осі симетрії випромінюючої антени, розподіляючи їх рівномірно по колу з кутовим кроком 90 градусів та орієнтуючи напрямки поляризації сусідніх приймальних антен під кутом 45 градусів один до одного, після цього за допомогою комп'ютерних програм аналізують залежність амплітуд прийнятих сигналів від напрямків поляризації приймальних антен, висновок щодо існування тріщини приймають за наявністю розбіжностей між амплітудами прийнятих сигналів. Причинами, що перешкоджають застосуванню цього способу для виявлення та визначення напрямку тріщин у асфальтобетонному покритті дороги, у тому числі і підповерхневих, під час руху діагностичної лабораторії в транспортному потоці є невисока ймовірність виявлення тріщин через малу чутливість радара до слабо контрастних (наприклад, малих за шириною) тріщин в асфальтобетонному покритті. Недоліки прототипу обумовлені тим, що, по-перше, через відсутність характерних параметрів сигналу (окрім частоти несучої), які б відрізняли сигнал, що зондує, від інших існуючих навколо сигналів, сигнали, відбиті тільки підповерхневими тріщинами, важко відрізнити від інших, які не мають відношення до об'єктів пошуку, що маскує корисні сигнали і зменшує ймовірність виявлення цих тріщин та збільшує ймовірність хибної тривоги, по-друге, шумові та підсилювальні характеристики підсилювачів сталої напруги, використання яких передбачено в прототипі, є не найкращими, що обмежує потенційно можливу чутливість локатора до слабких сигналів, по-третє, для подальшої інтерпретації результатів зондування потрібно знати поточне значення кута поляризації випромінюваного сигналу (вздовж чи поперек) під час зондування, що неможливо при використанні антен із круговою поляризацією. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб виявлення та визначення напрямку, у тому числі і під поверхневих, тріщин у асфальтобетонному покритті дороги шляхом заміни поляризованого по кругу опромінювання на кероване у часі покрокове опромінювання полем з двома ортогональними лінійними поляризаціями та підсиленню корисного сигналу на частоті модуляції, яка співпадає з частотою покрокового підключення випромінювачів досягти підвищення чутливості до підповерхневих тріщин в дорожньому одязі, яке забезпечить підвищення ймовірності виявлення тріщин, а також визначення напрямку орієнтації виявлених тріщин і, при цьому, зменшення необхідної кількості приймальних антен вдвічі. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі виявлення, у тому числі і під поверхневих, тріщин у асфальтобетонному покритті дороги під час руху діагностичної лабораторії в транспортному потоці, який полягає в тому, що випромінюючо-приймальну антенну систему радіолокатора підповерхневого зондування розміщують над поверхнею дорожнього одягу та, рухаючись по дорозі, виконують радіолокаційне зондування, для чого збуджують випромінюючу антену електричним сигналом із синусоїдною часовою залежністю, формують електромагнітну хвилю в дорожньому одязі, приймають відбиту електромагнітну хвилю приймальною антеною, перетворюють прийняту електромагнітну хвилю в електричний сигнал, перетворений електричний сигнал реєструють і зберігають у цифровому вигляді в пам'яті комп'ютера і аналізують за допомогою спеціальних комп'ютерних програм, відповідно до корисної моделі збуджують по черзі два розташовані взаємно ортогонально лінійно поляризовані випромінювачі випромінюючої антени з поляризацією, що перемикається, випромінюють електромагнітне поле по черзі з однією, а потім з ортогональною лінійними поляризаціями, приймають відбите поле двома лінійно поляризованими приймальними антенами, напрямки поляризації яких орієнтовано під кутом 60 градусів один до одного, детектують прийняті сигнали і підсилюють їх вузькосмуговими підсилювачами змінної напруги, які завчасно налаштовують на частоту перемикання випромінювачів, підсилені сигнали за допомогою багаторозрядних аналого-цифрових перетворювачів перетворюють у відповідні цифрові коди і за допомогою комп'ютерних програм аналізують залежність амплітуд прийнятих сигналів від напрямків поляризації випромінювачів і приймальних антен, а висновок щодо виявлення тріщин в асфальтобетонному покритті, у тому числі і підповерхневих, роблять за умов появи розбіжностей між амплітудами сигналів, прийнятих одночасно двома приймальними антенами, а напрямок тріщини визначають за різницею амплітуд цих сигналів. Суть корисної моделі пояснюється ілюстраціями. На Фіг. 1 схематично зображено антенну систему, а на Фіг. 2 показано діаграми кутового розподілу амплітуд сигналів. Щоб забезпечити виявлення, у тому числі і підповерхневих, тріщин у асфальтобетонному покритті випромінюючу антену Т радіолокатора підповерхневого зондування з поляризацією, що перемикається, яку складають з двох таких, що збуджуються по черзі, лінійно поляризованих випромінювачів Т1 та Т2 (Фіг. 1) з напрямками поляризації (позначені стрілками), орієнтованими взаємно ортогонально один до одного, розміщують над поверхнею дорожнього одягу відповідно до корисної моделі таким чином, щоб напрямки поляризації двох лінійно поляризованих 2 UA 121483 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 приймальних антен R1 та R2, були орієнтовані під кутом 60° один до одного (+30° та -30° відносно напрямку поляризації одного з випромінювачів (Фіг.1)), збуджують елементи випромінюючої антени таким чином, щоб напрямки поляризації випромінювання створювали кути 30° та 60° (Фіг. 1), до напрямків поляризації приймальних антен, завдяки чому при опроміненні тріщини, позначеної на Фіг. 1 пунктирною лінією і орієнтованої під кутом α до одного з напрямків поляризації одного з двох випромінювачів Т 1 або Т2, в дорожньому одязі за рахунок явища деполяризації формується, в загальному випадку, еліптично поляризована дифрагована електромагнітна хвиля (Ваганов Р.Б. Каценеленбаум Б.З. Основы теории дифракции М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. (Современные физикотехнические проблемы). - 272 с.). Компоненти дифрагованої електромагнітної хвилі приймають приймальними антенами, перетворюють в електричні сигнали. Оскільки, відповідно до корисної моделі, сигнали, що зондують, відрізняються від інших не лише частотою синусоїдної несучої, а й тим, що вони мають ще й амплітудну модуляцію з частотою перемикання випромінюючих антен, ці сигнали легко відрізнити від інших, тих, що не мають відношення до радара і об'єктів пошуку. Після перетворення приймальною антеною електромагнітної хвилі, що відбита об'єктом пошуку, в електричний сигнал, його детектують, виділяючи низькочастотну обвідну, яка співпадає за часовими характеристиками із сигналом, що перемикає випромінюючі антени. Завдяки амплітудній модуляції випромінюваного сигналу і ще тому, що сигнал, який перемикає випромінювачі, є доступним для того, щоб завести його в приймач, для підвищення чутливості приймача використовується вузькосмуговий або навіть параметричний підсилювач, які за шумовими характеристиками та селективністю набагато кращі за підсилювачі сталої напруги (або сталого струму). Таким чином, чутливість радара саме до об'єктів пошуку збільшується. Для подальшої інтерпретації результатів зондування потрібно знати кут поляризації випромінюваного сигналу (вздовж чи поперек) під час прийому відбитого сигналу. Це забезпечується завдяки контрольованому почерговому випромінюванню сигналів, що зондують, за допомогою двох випромінювачів випромінюючої антени. Якщо матеріал середовища (в тому числі дорожнього покриття) є однорідним в горизонтальній площині (дефектів немає, тріщина відсутня), амплітуди сигналів в приймальних антенах є однаковими. Оскільки можливі три базові ситуації, то алгоритм обробки інформації, спрямований на виявлення та визначення напрямку, у тому числі і підповерхневих, тріщин у асфальтобетонному покритті має наступний вигляд: а) сигнали в приймальних антенах мають однакові амплітуди - тоді кут α може дорівнювати 0° або 90°. При цьому, кут α=0° якщо при випромінюванні з поляризацією Т) сигнали більші, ніж при випромінюванні з поляризацією Т 2. В іншому випадку (при умові, що амплітуди однакові) кут α=90°. б) сигнали в приймальних антенах мають різні амплітуди - тоді кут α не може дорівнювати 0° або 90°. Зрозуміло, що внаслідок симетрії конструкції антенного блока, достатньо розглянути випадок 0°α±90°. У цьому випадку висновок про напрямок тріщини (кут ) здійснюється на основі зіставлення показників прийомних та випромінюючої антен. Наприклад (Фіг. 1), якщо =30°, то при випромінюванні з поляризацією Т 1 амплітуда сигналу в R1 більша, ніж в R2. Внаслідок симетрії конструкції, якщо  = - 30°, то при випромінюванні з поляризацією Ті амплітуда сигналу в R2 більша, ніж в R1 (Фіг. 2). в) в проміжних випадках кут а має бути в межах 0°<  < 30° або 30°<   > - 30° або - 30°>  > - 90°. За цих умов висновок про напрямок тріщини (кут ) робиться на основі зіставлення показників прийомних та випромінюючої антен. Наприклад, якщо =20° (Фіг. 1), то при випромінюванні з поляризацією Т 1 амплітуда сигналу в R1 більша, ніж в R2. У той же час, при випромінюванні з поляризацією Т 2 амплітуда сигналу в R1 менша, ніж при випромінюванні з поляризацією Т1. Зрозуміло, що при =-20° ситуація буде дзеркальною, тобто амплітуда сигналу буде більшою в R2. Також вона буде більшою при випромінюванні з поляризацією Т 1, ніж при випромінюванні з поляризацією Т2. На Фіг. 2 показано результати розрахунку нормованих амплітуд сигналів в приймальних антенах при зміні напрямку тріщини - кута  (Фіг. 1) від 0 градусів до 180 градусів. Фіг. 2 показує, що не існує двох станів системи із однаковими показниками (не існує точки, де б перетиналися усі чотири графіки). Таким чином, завдяки описаному вище алгоритму обробки даних підповерхневого зондування і заходам, вжитим для підвищення чутливості радара і мінімізації впливу перешкод, ймовірність виявлення підповерхневих тріщин в асфальтобетонному покритті підвищується, а 3 UA 121483 U ймовірність хибної тривоги (прийняття висновку про наявність об'єкту, коли об'єкту насправді немає) зменшується. До того ж, кількість необхідних приймальних антен зменшується вдвічі. Крім того, знання напрямку підповерхневої тріщини дозволяє оптимально спланувати і виконати відновлювальні роботи. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 Спосіб виявлення та визначення напрямку, у тому числі і підповерхневих, тріщин в асфальтобетонному покритті, який полягає в тому, що випромінюючо-приймальну антенну систему радіолокатора підповерхневого зондування розміщують над поверхнею дорожнього одягу та, рухаючись по дорозі, виконують радіолокаційне зондування, для чого збуджують випромінюючу антену електричним сигналом із синусоїдною часовою залежністю, формують електромагнітну хвилю в дорожньому одязі, приймають відбиту електромагнітну хвилю приймальною антеною, перетворюють прийняту електромагнітну хвилю в електричний сигнал, перетворений електричний сигнал реєструють і зберігають у цифровому вигляді в пам'яті комп'ютера і аналізують за допомогою спеціальних комп'ютерних програм, який відрізняється тим, що збуджують по черзі два розташовані взаємно ортогонально лінійно поляризовані випромінювачі випромінюючої антени з поляризацією, що перемикається, випромінюють електромагнітне поле по черзі з однією, а потім з ортогональною лінійними поляризаціями, приймають відбите поле двома лінійно поляризованими приймальними антенами, напрямки поляризації яких орієнтовано під кутом 60 градусів один до одного, детектують прийняті сигнали і підсилюють їх вузькосмуговими підсилювачами змінної напруги, які завчасно налаштовують на частоту перемикання випромінювачів, підсилені сигнали за допомогою багаторозрядних аналого-цифрових перетворювачів перетворюють у відповідні цифрові коди і за допомогою комп'ютерних програм аналізують залежність амплітуд прийнятих сигналів від напрямків поляризації випромінювачів і приймальних антен, а висновок щодо виявлення, у тому числі і під поверхневих, тріщин в асфальтобетонному покритті роблять за умов появи розбіжностей між амплітудами сигналів, прийнятих одночасно двома приймальними антенами, а напрямок тріщини визначають за різницею амплітуд цих сигналів. 4 UA 121483 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5