一种楼宇外墙缺陷超声检测方法及系统

本发明涉及超声无损检测，具体为一种楼宇外墙缺陷超声检测方法及系统。

背景技术：

1、现代高层楼宇广泛采用多介质层复合结构作为外墙体系，通常包含金属外饰面板、隔热保温基体以及混凝土承重基材等构造。在长期的自然环境侵蚀、风载荷循环作用以及材料自然老化的影响下，这些多介质复合界面处极易萌生脱黏、空鼓以及层间剥离等隐蔽性病害。这些结构缺陷不仅严重削弱了建筑外墙的防水与保温隔热性能，更直接危及外墙结构的整体稳定性，极易引发饰面层大面积脱落乃至坠落事故，给城市公共空间带来严重的公共安全威胁。因此，开展针对楼宇外墙复杂层级结构的非破坏性精准检测技术研究，对于保障建筑生命周期安全以及提升城市运维管理水平具有重大的社会应用价值。

2、现有的超声波检测方法在面对楼宇外墙多介质复合构造时面临显著的技术瓶颈。由于金属面板与软质保温材料以及硬质混凝土之间存在巨大的声阻抗错配，超声波在穿透不同介质层时会发生强烈的相界面散射与能量剧烈衰减。传统设备统一发射的单频或宽频超声波，在极薄的表面坚硬介质中会激发出高强度的多次反射混响拖尾波，这些浅层高频震荡波束在时间域上与深层介质反射回来的微弱低频回波发生严重交叠。常规的信号处理算法无法有效解耦这种频带混叠且能量差异极大的多径干扰信号，同时，现有的缺陷评估模型仅依赖纯粹的数据拟合，其输出结果经常与实际声波在不同介质中的物理衰减规律相悖，导致对深处界面脱黏等缺陷的漏检率居高不下，且无法实现缺陷空间尺度的精确量化评估。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种楼宇外墙缺陷超声检测方法及系统，解决了上述背景技术的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种楼宇外墙缺陷超声检测方法，包括以下步骤：s1、获取楼宇外墙多介质层的密度参数与弹性模量参数构建频变声学耦合方程，解析超声波在多介质层中的传播相速度与能量衰减系数，调用传播相速度与能量衰减系数构建界面回波时延参考矩阵；s2、通过界面回波时延参考矩阵解析浅层介质的多次反射振荡周期与深层介质的声波渡越时间，按照多次反射振荡周期与声波渡越时间配置探头脉冲延迟触发时序，向待测外墙发射多频超声脉冲序列并采集多频混合回波信号；s3、将多频混合回波信号分解为多频带特征段，通过互相关分析法对多频带特征段进行频散时延补偿，根据界面回波时延参考矩阵构建具有先验时间窗约束属性的匹配字典，将频散时延补偿后的多频带特征段输入独立成分分析与匹配追踪联合算法，结合匹配字典解耦分离出单层界面反射特征序列；s4、将单层界面反射特征序列重组输入预设深度学习网络提取时空畸变特征，通过传播相速度与能量衰减系数构建预设深度学习网络演化损失的声学衰减边界约束项，根据声学衰减边界约束项更新预设深度学习网络的节点权重，反演输出楼宇外墙多介质层的缺陷量化尺寸与空间位置坐标。

3、进一步地，获取楼宇外墙多介质层的密度参数与弹性模量参数构建频变声学耦合方程，解析超声波在多介质层中的传播相速度与能量衰减系数的具体过程如下：获取楼宇外墙多介质层中表层金属面板、中层保温基体以及底层混凝土基材的密度参数、弹性模量参数与泊松比参数；融合密度参数、弹性模量参数与泊松比参数推导传递矩阵与声学波动边界连续性条件，构建表征相邻介质层间应力与位移连续状态的频变声学耦合方程；将预设超声检测频段的频率变量输入频变声学耦合方程进行频散特征根求解，提取复数波数的实部参量转化为超声波的传播相速度，提取复数波数的虚部参量转化为超声波的能量衰减系数。

4、进一步地，调用传播相速度与能量衰减系数构建界面回波时延参考矩阵的具体过程如下：提取楼宇外墙多介质层中各单层介质的标称厚度量，将标称厚度量与对应介质层级的传播相速度进行空间域至时间域的尺度映射，提取超声波接触不同声阻抗层间界面产生反射波的理论到达时间节点；结合能量衰减系数设定理论到达时间节点处的振幅权重界限，重组多介质层不同深度的理论到达时间节点与振幅权重界限生成界面回波时延参考矩阵。

5、进一步地，通过界面回波时延参考矩阵解析浅层介质的多次反射振荡周期与深层介质的声波渡越时间的具体过程如下：从界面回波时延参考矩阵中提取浅层介质中表层金属面板上下边界对应的首波时间节点与次级反射时间节点；根据首波时间节点与次级反射时间节点的时间轴跨度解析浅层介质内形成的多次反射振荡周期；检索界面回波时延参考矩阵中对应深层介质中底层混凝土基材界面的末端反射时间节点，提取超声波贯穿表层金属面板与中层保温基体到达底层混凝土基材的声波渡越时间。

6、进一步地，按照多次反射振荡周期与声波渡越时间配置探头脉冲延迟触发时序，向待测外墙发射多频超声脉冲序列并采集多频混合回波信号的具体过程如下：提取多频超声脉冲序列中的低频超声段配置为穿透探测主脉冲，提取高频超声段与中频超声段配置为浅表探测副脉冲；将多次反射振荡周期配置为穿透探测主脉冲与浅表探测副脉冲之间的初级避让延迟量，将声波渡越时间配置为连续探测循环周期的次级扫描复位延迟量，重组生成探头脉冲延迟触发时序；按照探头脉冲延迟触发时序驱动超声探头阵列错峰激发穿透探测主脉冲与浅表探测副脉冲，同步开启多通道数据采集模块捕获携带各层界面声学阻抗响应的多频混合回波信号。

7、进一步地，将多频混合回波信号分解为多频带特征段，通过互相关分析法对多频带特征段进行频散时延补偿，根据界面回波时延参考矩阵构建具有先验时间窗约束属性的匹配字典的具体过程如下：将多频混合回波信号按预设中心频率映射至高频、中频与低频数字通带，重构生成具有独立频谱包络的高频回波特征段、中频回波特征段与低频回波特征段作为多频带特征段；提取高频回波特征段、中频回波特征段与低频回波特征段的包络峰值坐标，运用互相关分析法提取相邻频带包络峰值坐标之间的时间相位偏移参量，依照时间相位偏移参量对中频回波特征段与低频回波特征段执行相位对齐，输出频散时延补偿后的多频带特征段；提取界面回波时延参考矩阵中表征各层级界面的绝对反射时间轴，截取绝对反射时间轴对应的时域波形演化区间配置为先验时间窗约束属性，融合先验时间窗约束属性与超声基函数构建具有先验时间窗约束属性的匹配字典。

8、进一步地，将频散时延补偿后的多频带特征段输入独立成分分析与匹配追踪联合算法，结合匹配字典解耦分离出单层界面反射特征序列的具体过程如下：将频散时延补偿后的多频带特征段映射至多维观测矩阵，运用独立成分分析算法提取多维观测矩阵内的统计独立分量，重构包含多重界面反射波束的混合盲源矩阵；将匹配字典作为稀疏基导入匹配追踪联合算法，依据匹配字典中的先验时间窗约束属性划定混合盲源矩阵的局部内积搜索空间；在局部内积搜索空间内循环迭代提取混合盲源矩阵与匹配字典产生极大内积投影的衰减振荡原子特征参量，组合各层级界面的衰减振荡原子解耦分离出单层界面反射特征序列。

9、进一步地，将单层界面反射特征序列重组输入预设深度学习网络提取时空畸变特征，通过传播相速度与能量衰减系数构建预设深度学习网络演化损失的声学衰减边界约束项的具体过程如下：提取单层界面反射特征序列的时域振幅张量与频域能量张量，组合时域振幅张量与频域能量张量构建多维时序特征图谱，将多维时序特征图谱重组输入预设深度学习网络；驱动预设深度学习网络内的卷积池化层抓取多维时序特征图谱的空间形貌波形轮廓，驱动长短期记忆层捕捉波形轮廓在多频段下的演化规律，生成表征外墙内部缺陷的时空畸变特征；调用传播相速度与能量衰减系数设定超声波群在特定传播深度下的理论能量阈值下界，转化理论能量阈值下界为预设深度学习网络演化损失的声学衰减边界约束项。

10、进一步地，根据声学衰减边界约束项更新预设深度学习网络的节点权重，反演输出楼宇外墙多介质层的缺陷量化尺寸与空间位置坐标的具体过程如下：抓取预设深度学习网络前向传播输出的预测能量衰减梯度，调用声学衰减边界约束项对比预测能量衰减梯度与声学衰减边界约束项生成惩罚残差；将惩罚残差融入预设深度学习网络的全局梯度反向传播链路，依照梯度下降机制更新预设深度学习网络各层神经元的节点权重与偏置参数；驱动节点权重更新后的预设深度学习网络映射时空畸变特征至空间坐标系，解析缺陷三维拓扑形态包围盒，反演输出楼宇外墙多介质层的缺陷量化尺寸与空间位置坐标。

11、一种楼宇外墙缺陷超声检测系统，用于执行上述的一种楼宇外墙缺陷超声检测方法，包括：参数解析模块，用于获取楼宇外墙多介质层的密度参数与弹性模量参数构建频变声学耦合方程，解析超声波在多介质层中的传播相速度与能量衰减系数，调用传播相速度与能量衰减系数构建界面回波时延参考矩阵；信号采集模块，用于通过界面回波时延参考矩阵解析浅层介质的多次反射振荡周期与深层介质的声波渡越时间，按照多次反射振荡周期与声波渡越时间配置探头脉冲延迟触发时序，向待测外墙发射多频超声脉冲序列并采集多频混合回波信号；特征解耦模块，用于将多频混合回波信号分解为多频带特征段，通过互相关分析法对多频带特征段进行频散时延补偿，根据界面回波时延参考矩阵构建具有先验时间窗约束属性的匹配字典，将频散时延补偿后的多频带特征段输入独立成分分析与匹配追踪联合算法，结合匹配字典解耦分离出单层界面反射特征序列；缺陷反演模块，用于将单层界面反射特征序列重组输入预设深度学习网络提取时空畸变特征，通过传播相速度与能量衰减系数构建预设深度学习网络演化损失的声学衰减边界约束项，根据声学衰减边界约束项更新预设深度学习网络的节点权重，反演输出楼宇外墙多介质层的缺陷量化尺寸与空间位置坐标。

12、本发明具有以下有益效果：

13、（1）一种楼宇外墙缺陷超声检测方法，通过获取多介质层的密度与弹性模量参数构建频变声学耦合方程，预先解析出超声波的传播相速度与能量衰减系数并生成界面回波时延参考矩阵，随后依据该矩阵解析出的浅层多次反射振荡周期与深层声波渡越时间，精准配置探头脉冲延迟触发时序。这种错时错峰发射多频超声脉冲序列的方式，从物理信号的发射源头主动避开了浅层强反射混响信号对深层弱回波信号的掩盖干扰，克服了现有方法中盲目统一激发导致的信号严重重叠失真问题，大幅提升了对多介质层深部结构的声波穿透探测能力与原始回波信号质量。

14、（2）一种楼宇外墙缺陷超声检测系统，对采集的多频混合回波信号进行频散时延补偿后，将界面回波时延参考矩阵转化为先验时间窗约束属性构建匹配字典，结合独立成分分析与匹配追踪联合算法精准解耦分离出单层界面反射特征序列，随后在深度学习网络提取时空畸变特征的过程中，强制调用传播相速度与能量衰减系数构建声学衰减边界约束项来更新节点权重。该方法不仅实现了复杂混叠超声信号的逐层高纯度物理剥离，还将声波传播与衰减的自然物理规律作为惩罚机制嵌入了神经网络架构之中，解决了常规算法模型脱离物理常识导致评估结果泛化性差的问题，极大提高了外墙多介质层缺陷三维空间定位与尺寸量化反演的精确度。

15、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。