摘要：本项目探究将红外成像无损检测技术应用到土木工程的检测中, 并采用无人机探伤的形式, 适用于在危险、恶劣的环境中进行高效、快速地实时检测;可以直接到达检测部位, 具有高度的灵活性;检测路面时无需封闭交通, 具有强大的实用性。此外, 红外成像检测法相对于超声、渗透、X射线等无损检测法, 安全无污染, 具有极大的社会和环境效益。本项目将围绕不同土木工程材料红外成像的处理与分析、红外摄像仪与无人机的封装等几个方面展开。
关键词：无人机,红外成像,无损检测,土木工程
无人机技术已经运用到了许多行业中, 我们的目的是将其引入到土木工程检测中, 打造一台基于红外热像无损检测技术的土木工程探伤无人机。传统的检测方法, 通常依靠肉眼或望远镜等工具, 存在较大的局限性, 传感器网络则有大量的检测盲区, 灵活性差;监测道路是也会出现封堵道路等问题。其中, 盲区的检测通常是人工现场观察, 这种方法不仅效率低, 难度大, 还会影响人身安全, 而采用无人机进行辅助检测, 可以在很大程度上解决这些难题。
一、优势
1、快速、直观、非接触。红外线的探测器焦距在理论上是20cm到无穷远, 红外成像检测具有具有等优点, 适合于外场、在线在役检测, 且观测面积大;2、白天黑夜皆能工作。探测器只响应红外线, 只要被测物温度处于绝对零度以上, 红外热像仪就不仅在白天能进行工作, 而且在黑夜中也可以正常进行探测工作;3、功能强大。适合于对固体表面和亚表面裂纹、锈蚀、脱粘等一类疲劳损伤的发展性缺陷的检测和监测;摄像速度1—30帧/S, 故适用静、动态目标温度变化的常规检测和跟踪探测;4、绿色、安全无污染。与超声、渗透、磁粉检测相比, 红外检测是非接触检测, 无污染;与X射线相比, 红外检测同样可以非接触、大面积检测, 同时又具有安全、单面检测的优势, 是一种安全无污染的“绿色”检测技术, 可完成超声波、X射线、涡流检测及声发射等技术无法胜任的检测任务;5、探测精度高。现代的红外热像仪的温度分辨率高达0.1℃, 所以探测温度变化的精确度很高;红外热像仪测量温度的范围在-50—2000℃, 其应用的探测领域十分广阔;
二、红外热像仪的工作原理
被测物体的某点辐射的红外线能量入射到垂直和水平的光学扫描镜上, 通过目镜聚集到红外探测器上, 把红外线能量信号转换成温度信号, 经放大镜和信号处理器, 输出反映物体表面温度场热像的电子视频信号, 在终端显示器上直接显示出来。
三、热像图的处理
3.1二值化方法
通过二值化图像, 筛选出目标区域。具体步骤如下: (1) 导入红外热像图, 利用Matlab中rgb2gray函数, 进行灰度化处理,(2) 对灰度化的图像平滑去噪, Matlab中的去噪方法有中值滤波、邻域滤波、维纳滤波及高斯滤波等, 可根据处理效果选择适当的去噪方法,(3) 人工指定裂缝处一点, 提取其灰度值作为阈值 (也可指定多处, 将各处灰度取均值作为阈值) , 将图像二值化 (白色和黑色) 。
3.2 RGB调节方法
在RGB色彩模式下对红外热像图进行3种色彩元素调节, 直至突显目标区域、便于人工筛选出裂缝为止。 (1) 导入红外热像图,(2) 分别调节R, G, B元素, 调整算法为以原图各像素点R, G, B数值 (0~256) 为基准, 按比例调整R, G, B元素, 最小值调至零, 最大值调至基准值的2倍。有直接数值输入调整和滑动条调整2种方式。
四、搭载红外热像仪的土木工程探伤无人机
(1) 优越性。1、无人机可以直接到达检测部位, 具有高度的灵活性;无需其它辅助措施, 节省费用;2、检测大厦、桥墩、桥座、桥腹等危险场所, 无需搭架或者吊篮配合人员检测, 极大地提高了安全性;3、在道路、桥梁日常巡查时, 尤其在城市中, 无需封闭道路中断交通;4、对于部分无法企及的桥腹、拉索等部位, 无人机可以抵近观察了解更多细节;5、在天气情况允许的前提下, 具备较高的及时性;6、无人机技术日渐成熟, 是飞行安全性得到了保障。
(2) 主要功能。1、搭载红外热像仪, 对检测区域进行高精度红外热成像, 并进行无线数据传输;2、自动防撞、返航、告警、防风平衡;3、与土木工程三维模型相结合形成良好的操控界面, 实现自动航线规划;4、数据智能分析, 为评估提供依据;5、自主飞行与人工遥控相结合。
(3) 系统介绍。1、无人机系统主要由无人机飞行平台、红外热像仪、避障系统、遥控设备、地面站系统以及报告处理服务器几大关键部分组。2、无人机平台、避障系统结合红外热像仪在实现安全飞行的同时可以获取高清的红外热像图数据;3、地面站系统与摇控设备组合可以实现飞行航线的规划、处理以及红外热像图数据处理;4、报告处理服务器可以根据客户需求定制各类检测报告。
(4) 本项目在土木工程中的应用前景。1、检测外墙缺陷: (1) 空鼓和剥落,(2) 裂缝,(3) 饰面粘贴质量。2、路面混凝土检测: (1) 沥青混凝土路面离析的检测和评定,(2) 混凝土路面脱空的检测:火灾损伤混凝土结构的检测和评估;冻融破坏混凝土的检测;检测碳纤维施工质量。
