一种考虑温度补偿的寒区隧道GPR冻害识别方法及系统

本发明涉及隧道gpr冻害识别，尤其涉及一种考虑温度补偿的寒区隧道gpr冻害识别方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、探地雷达（gpr）因高效无损，已成为隧道衬砌隐蔽病害检测的主要手段，其通过发射电磁波并接收反射信号，依据介电常数差异推断空洞、富水等异常情况。然而，寒区隧道冻害检测面临特殊困难：水的介电常数远高于冰，水冰相变会引起电磁波响应的剧烈变化；且冰点以下仍存在未冻水膜，其含量随温度非线性变化，导致同一病害体在冻结与融化期呈现截然不同的雷达特征。

3、现有技术路线主要包括：（1）固定介电常数的gpr隧道病害识别；该方法采集gpr剖面、滤波增强、按经验介电常数进行深度换算，再依据强反射和图像形态圈定空洞或富水区；但未将温度作为gpr深度换算和介电反演的必要输入，导致寒区检测结果受季节和检测时段影响较大。（2）基于温度监测的冻害判断；该方法在衬砌或围岩中布设温度传感器，根据温度是否低于冻结阈值判断冻结范围；但未考虑未冻水膜、冰水混合相和冻结界面迁移对等效介电常数的影响，难以解释低温下异常区的真实含水/含冰状态。（3）gpr异常识别与人工经验修正；该方法先用gpr确定异常区，再结合现场温度、渗漏水和病害调查进行人工解释；但多频gpr数据多停留在联合观察或人工对比，缺少温度补偿后的多频差异特征提取和融合判别机制。（4）基于机器学习或图像识别的gpr病害分类；该方法对雷达图像进行目标检测、语义分割或分类识别；但若训练样本未纳入温度、冻融状态和相态信息，模型容易把温度造成的信号变化误认为病害类型变化。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种考虑温度补偿的寒区隧道gpr冻害识别方法及系统，本发明通过同步获取gpr数据与隧道温度场信息，建立温度-相态-介电参数耦合关系，对gpr传播速度、深度标定、振幅衰减和介电反演结果进行动态补偿，再基于多频雷达差异特征和温度约束识别冻融界面、冰夹层、富水区及冻胀风险区，从而提升寒区隧道隐蔽冻害识别的准确性、稳定性和工程可解释性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种考虑温度补偿的寒区隧道gpr冻害识别方法。

4、一种考虑温度补偿的寒区隧道gpr冻害识别方法，包括：

5、获取检测区域的gpr剖面数据和温度数据，并进行预处理和温度场重建；

6、基于温度数据，依据温度相关介电参数库，构建不同工况下的温度-相态-介电参数耦合模型，以计算等效介电常数；根据等效介电常数，计算不同检测介质中的gpr传播速度，进一步计算温度补偿深度，以将原始时间域gpr剖面数据转换为温度补偿深度域剖面数据，并对gpr振幅、频谱和相位属性进行温度补偿；

7、根据温度补偿深度以及温度补偿后的振幅、频谱和相位属性，构建冻害识别特征向量；基于冻害识别特征向量，采用识别模型，得到冻害类型和冻害位置；

8、评估并输出冻害位置的风险等级及处治建议。

9、进一步地，在获取检测区域的gpr剖面数据和温度数据之前，为检测区域建档，包括：以隧道里程k、环向角度α或环向弧长s、径向深度z建立三维检测坐标系；将gpr测线位置、天线频率、天线间距、采样时窗、采样间隔、检测速度、衬砌厚度、初始衬砌介电常数、隧道内空气温度、衬砌表面温度和钻孔测温点统一写入检测任务文件；检测任务文件中每条gpr道均附带时间戳t、里程k和环向位置α。

10、进一步地，所述温度-相态-介电参数耦合模型包括温度—未冻水子模型、水—冰相态分配子模型和多相介电混合子模型；

11、所述温度—未冻水子模型，采用以下公式表示：

12、

13、其中，为初始总含水量的液态水等效体积含量，为等效冻结温度，和为通过材料低温标定获得的参数；

14、所述水—冰相态分配子模型，采用以下公式表示：

15、

16、其中，为液态水等效冰含量；

17、所述多相介电混合子模型，采用以下公式表示：

18、

19、

20、其中，、、和分别为固体骨架、空气、水和冰的相对介电常数，各相体积分数之和为1；实际代入混合介质公式的是冰相体积分数。

21、进一步地，所述温度场重建包括：根据采集到的空气温度、衬砌表面温度、钻孔深部温度和历史温度数据，建立检测时刻的温度场。

22、进一步地，所述计算不同检测介质中的gpr传播速度，采用以下公式：

23、

24、其中，表示等效介电常数；c为电磁波在真空中的传播速度；

25、所述计算温度补偿深度，采用以下公式计算：

26、

27、其中，为第个时间采样点对应的温度补偿深度，为第个温度层中的gpr传播速度，为该层对应的双程旅行时增量。

28、所述冻害识别特征向量，采用以下公式表示：

29、

30、其中，和分别表示温度补偿后的等效介电常数及其空间突变程度；表示温度补偿振幅；表示温度补偿能量；表示温度补偿中心频率偏移；表示温度补偿相位；表示在温度补偿深度域内，以候选反射点为中心的邻域中满足预设深度连续性和相位连续性条件的相邻gpr道占比；表示温度补偿深度域绕射曲线参数；表示温度补偿多频能量比；表示温度补偿多频到时差；表示温度；表示温度梯度；表示未冻水体积含量；表示冰相体积分数。

31、进一步地，所述评估冻害位置的风险等级，采用以下公式计算：

32、

33、其中，为冻害位置的风险等级，为温度补偿后的含水或未冻水指标，为含冰或冰水混合指标，为冻融循环影响指标，为病害尺度指标，为结构敏感性指标，、、、、为权重；

34、所述权重满足且，各风险指标的归一化上下限和风险分级阈值由历史病害数据、标定试验、专家经验或运营管理要求确定。

35、所述冻害类型包括：冻融界面、冰夹层或冰填充空洞、富水区或含水空洞、干空洞或脱空以及冻胀风险区。

36、本发明的第二个方面提供一种考虑温度补偿的寒区隧道gpr冻害识别系统。

37、一种考虑温度补偿的寒区隧道gpr冻害识别系统，包括：

38、数据采集与预处理单元，用于获取检测区域的gpr剖面数据和温度数据，并进行预处理和温度场重建；

39、温度补偿模型单元，用于基于温度数据，依据温度相关介电参数库，构建不同工况下的温度-相态-介电参数耦合模型，以计算等效介电常数；根据等效介电常数，计算不同检测介质中的gpr传播速度，进一步计算温度补偿深度，以将原始时间域gpr剖面数据转换为温度补偿深度域剖面数据，并对gpr振幅、频谱和相位属性进行温度补偿；

40、gpr冻害识别单元，用于根据温度补偿深度以及温度补偿后的振幅、频谱和相位属性，构建冻害识别特征向量；基于冻害识别特征向量，采用识别模型，得到冻害类型和冻害位置；

41、成果输出单元，用于评估并输出冻害位置的风险等级及处治建议。

42、本发明的第三个方面提供了一种计算机设备，该设备包括：

43、处理器，适于执行计算机程序；

44、计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上述第一个方面所述的考虑温度补偿的寒区隧道gpr冻害识别方法中的步骤。

45、本发明的第四个方面提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序适于由处理器加载并执行如上述第一个方面所述的考虑温度补偿的寒区隧道gpr冻害识别方法中的步骤。

46、本发明的第五个方面提供了一种计算机程序产品或计算机程序。

47、本发明提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行如上述第一个方面所述的考虑温度补偿的寒区隧道gpr冻害识别方法中的步骤。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

49、本发明通过建立温度-相态-介电参数耦合模型，将实时温度数据作为gpr时深转换和振幅频谱补偿的定量输入，有效消除了水冰相变引起的电磁响应突变对深度定位和异常判读的干扰，解决了寒区隧道不同季节检测结果缺乏可比性的难题；同时，通过温度补偿后的多频差异特征融合识别机制，实现了冻结锋面迁移下含水/含冰状态的准确区分，克服了传统固定介电常数法在冻融环境下易产生相态误判、以及人工经验修正难以标准化的缺陷，显著提升了寒区隧道冻害检测的位置精度、类型识别准确率和风险分级可靠性。