基于微带阵列天线的混凝土杆塔内部钢筋腐蚀检测方法

本发明涉及微带阵列天线领域，特别是基于微带阵列天线的混凝土杆塔内部钢筋腐蚀检测方法。

背景技术：

1、混凝土杆塔作为电力系统的基础部分，其耐久性一直是全世界关注的问题，混凝土杆塔常见问题包括混凝土碳化，钢筋腐蚀，冻融破坏等，尤其是钢筋腐蚀，在桥梁工程、道路工程等工程场所十分常见，而一旦出现钢筋腐蚀，会严重影响建筑的稳定性和安全性。因此对于混凝土杆塔内部钢筋的腐蚀检测意义十分重大。

2、钢筋常见的腐蚀机制主要为化学腐蚀和电化学腐蚀，原因主要是长期暴露在空气中或由于过量的湿度等。而针对钢筋腐蚀，如今的检测方法主要有电化学法，脉冲涡流法，红外热成像法，声发射法等，这些方法虽然已被证实可用，但均存在一定的局限性，脉冲涡流法的检测深度不够，其他方法易受环境影响，且电化学法容易加快钢筋的腐蚀，而微波检测技术以其无接触，功耗低，误差小，等优点已经应用于许多领域，例如食品检测，生物检测等，但是在混凝土杆塔的钢筋腐蚀检测领域还未得到充分应用。

3、在微波检测技术中，微波信号需要发射装置来让电能转化成电磁波发射出去，因此，需要设计一款合适的天线，使微波信号能够穿过混凝土达到金属层，并且能够检测出钢筋腐蚀前后的区别。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供基于微带阵列天线的混凝土杆塔内部钢筋腐蚀检测方法，适用于混凝土钢筋腐蚀现场检测。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、基于微带阵列天线的混凝土杆塔内部钢筋腐蚀检测方法，包括以下步骤：

4、步骤1：确定微带阵列天线的工作频率；

5、步骤2：设计单元微带天线；

6、步骤3：对单元微带天线的性能表现参数进行分析；

7、步骤4：构建1×8微带阵列天线；采用微带线与主馈线相连的并馈方式来进一步提高单个微带天线传输效率和增益；通过切比雪夫综合法再次降低阵列天线的副瓣并提高主瓣；

8、步骤5：分析微带阵列天线的性能参数；

9、步骤6：仿真分析微带阵列天线的检测效果。

10、还包括步骤7：将微带阵列天线固定，进行钢筋腐蚀检测实验。

11、还包括步骤8：移动微带阵列天线，进行钢筋腐蚀检测实验。

12、还包括步骤9：以传统喇叭天线为参照，进行钢筋腐蚀对比检测实验。

13、步骤1中，根据检测频率与缺陷关系的公式

ka≈1；其中，

k=2

π/λ，

λ为波长，

a为所能检测缺陷的最小尺寸，综合腐蚀钢筋的缺陷尺寸，与所能检测的缺陷随微带阵列天线发射频率的变化规律，确定了最终的检测频率为6 ghz。

14、步骤2中，单元微带天线的介质基板为微玻纤增强的聚四氟乙烯，辐射贴片为铜，接地板为微氯化聚乙烯。

15、步骤2中，单元微带天线的尺寸计算按下式（1）-（5）要求计算

16、微带线宽度：

17、

18、式中：

h是基板厚度，z为馈线的特性阻抗，

εr是介电常数，

t是微带线厚度；

19、贴片宽度：

20、

21、式中：

c为光速，

f0为设计的工作频率。

22、有效介电常数：

23、

24、等效辐射缝隙长度:

25、

26、贴片长度：

27、

28、单元微带天线结构简单、成本低廉，具有低剖面、易集成的优点，但增益较低，因此为提高天线的性能，并考虑所检测杆塔的大小，故本文设计了1×8的微带阵列天线。

29、本天线与对比文献（cn201911278090）在尺寸与材料上存在差异。尺寸方面，两者用统一的计算公式，但本天线中心频率设定为6 ghz，相较于对比文献天线的24 ghz，设计频段的显著不同，直接决定了物理尺寸的差异化。材料方面，对比文献采用陶瓷介质基板，本天线选用了rogers rt5880，以获取更优的微波性能。

30、步骤4中，利用切比雪夫综合法计算过程如下：

31、（1）、首先确定阵元的空间位置，设阵元数

n=2

m，

m为阵元对的数目。

32、阵列采用中心对称排布，第 m 组对称阵元的坐标位置为：±(2

m-1)

d/2，m为从阵列中心向外的“组序号”，

m=1,2…

m，

d为阵元间间距。

33、第n个阵元的位置为：

34、；

35、式中：表示第n个阵元的位置。

36、阵因子

af(ψ)计算如下：

37、；

38、式中：im为第m组阵元的电流幅度，

ψ表示第m组对称阵元与其相邻阵元之间的总相位差，

ψ=kdcosθ+β，

k=2

π/λ，

k表示自由空间中的波数，

θ为阵列轴线和辐射方向的夹角，

β为相邻阵元相位差；

39、（2）、利用切比雪夫多项式进行优化，来降低副瓣而使信号更集中于主瓣，切比雪夫多项式如下：

40、；

41、；

42、式中：表示阶数为(2

m-1)的第一类切比雪夫多项式，是切比雪夫多项式的自变量，是切比雪夫多项式在自变量为cos

ψ时的展开形式。

43、（3）、设定主瓣和副瓣比值，计算主瓣最大值

x0和副瓣电平，当主瓣最大值为

u=0或

u=u0时，此处，u为角度变量，x为多项式变量，

x0是固定设计常数而非角度变量，

x0表达式如下：

44、；

45、式中：

r为主瓣最大值与副瓣电平的比值；u0表示主瓣最大值在角度域中对应的位置；

46、电流幅度

im为：

47、；

48、其中，

p=0,1,…,

m，

p为累加变量，

x0表示由设计副瓣电平决定的一个固定常数。

49、步骤6中，按照实际内外径、高度等参数构建未腐蚀状态的混凝土杆塔模型和腐蚀状态的混凝土杆塔模型，对比传统喇叭天线与微带阵列天线在检测腐蚀前后两种状态的效果。

50、步骤7中，将微带阵列天线置于混凝土杆塔模型的中间高度位置进行检测，记录不同频率下的

s11参数，分析腐蚀状态的混凝土杆塔模型与未腐蚀状态的混凝土杆塔模型的参数变化规律，在检测过程中，天线发射电磁波穿过混凝土杆塔，抵达钢筋后反射回天线，这个过程会影响天线的等效阻抗，电流分布等，而钢筋腐蚀前后其介电常数等参数均会发生变化，因此影响钢筋对电磁波的反射能力，从而发生频率偏移现象，由此初步验证天线对腐蚀状态的检测能力。

51、步骤8中，沿着杆塔高度方向以一个固定的步长移动天线，以这种方式分别检测钢筋腐蚀前后的混凝土杆塔，由于钢筋腐蚀前后的参数变化，所得到的

s11曲线会出现差异，通过对比结果定位腐蚀区域。

52、本发明提供基于微带阵列天线的混凝土杆塔内部钢筋腐蚀检测方法，具有以下技术效果：

53、1）、6ghz宽频带1×8微带阵列天线，采用嵌入式馈电结构，结合切比雪夫进行优化，实现副瓣抑制和方向性系数的最优平衡，辐射效率约为88%。

54、2）、通过精准控制阵列单元辐射贴片的长度比例，实现-30db副瓣电平抑制的切比雪夫幅度分布(t1:t2:t3:t4=1:0.81:0.52:0.26)，显著提升天线方向性与抗干扰能力，提高腐蚀检测的精准度。

55、3）、通过固定扫频和移动扫描两种

56、不同方法，更加灵敏精确的识别出对混凝土杆塔中腐蚀区域与未腐蚀区域所测得信号的差异，同时用传统喇叭天线进行检测，通过对比两种不同天线所测得信号的差异，来验证微带阵列天线相比于传统喇叭天线检测效果更好。

57、4）、建立仿真模型并确定检测流程，确定杆塔模型参数、天线放置方式、天线移动检测步长等，确保根据检测数据能够确定腐蚀层位置。

58、5）、天线结构设计，通过设计标准与科学计算确定微带阵列天线的结构，材料和频率等，使所设计天线更针对于杆塔混凝土内部钢筋腐蚀检测。

59、6）、构建微带阵列天线与传统喇叭天线的对比检测，通过检测数据对比，验证微带阵列天线的效果更好。

60、7）、本技术与对比文献（cn201911278090）的区别在于馈电架构与介质基板材料。对比文件采用串联馈电网络，其结构虽简洁，但存在带宽受限、相位误差逐级累积及设计灵活性不足等缺陷。而本技术采用串并联混合馈电网络，便于实现天线方向图低副瓣，同时有效提升了系统的整体可靠性与工作带宽。采用切比雪夫综合法控制各阵元电流幅度使天线方向图主瓣方向性明显，旁瓣较低。介质基板采用rt5880相较于cn201911278090中的陶瓷介质基板，具有极低的介质损耗和随频率变化稳定介电常数，具有效率高和相位失真率低的特点。

61、由于不同检测对象对微带天线的形状和大小要求有很大不同，相较于cn201911278090中所设计的天线，本文是针对钢筋混凝土杆塔，设计了一款具有发射与接收功能的微带阵列天线，经验证该天线能够有效检测钢筋腐蚀。