RU2146047C1

RU2146047C1 - Electromagnetic flaw detection method

Info

Publication number: RU2146047C1
Application number: RU99104387A
Authority: RU
Inventors: А.Б. Орлов; К.А. Орлов; Э.А. Лутин; Л.Э. Желяева
Original assignee: Орлов Александр Борисович; Орлов Кирилл Александрович; Лутин Эмиль Аркадьевич; Желяева Лилия Эмильевна
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-02-27

Abstract

FIELD: flaw inspections in construction engineering. SUBSTANCE: method involves irradiation of part under inspection with electromagnetic signals at angle to its surface, reception of reflected electromagnetic signals, and measurement of parameters of reflected electromagnetic signals; measurement results serve as indications of flaws, if any; irradiation is made through insulating plate mounted on surface of part under inspection by means of transceiver antenna which has directivity pattern with its main lobe cosecant-shaped in one plane of one polar coordinate system and narrow directivity pattern in other plane; aperture of transceiver antenna is arranged inside insulating plate. In addition, reflected electromagnetic signals are received by first and second two-component elliptically polarizes receiving antennas whose apertures are arranged, respectively, behind and in front of transceiver antenna inside dielectric plate. EFFECT: improved accuracy, resolution, and confidence in detecting foreign metal or dielectric inclusions. 9 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к методам и технике неразрушающего контроля, например с помощью сверхвысоких частот, при одностороннем доступе к контролируемому объекту, и может найти применение для обнаружения в стенах и перекрытиях строительных сооружений инородных металлических или диэлектрических предметов искусственного и естественного происхождения, в том числе расположенных за металлической арматурой или закрепленных непосредственно на арматуре, или расположенных между прутками арматуры со стороны, противоположной направлению облучения электромагнитным сигналом, и, в частности, в стенах строительных сооружений, выполненных по технологии цельнозаливных железобетонных конструкций, а также скрытых дефектов в виде пустот и трещин, металлической арматуры, санитарно-технических коммуникаций, кабельных магистралей, электрических и телефонных проводок. The invention relates to non-destructive testing methods and techniques, for example using ultra-high frequencies, with one-way access to a controlled object, and can be used to detect foreign metal or dielectric objects of artificial and natural origin in the walls and floors of building structures, including those located behind metal reinforcement or mounted directly on the reinforcement, or located between the bars of the reinforcement from the side opposite to the direction eniya electromagnetic signal, and, in particular, within the walls of building structures made of reinforced concrete structures tselnozalivnyh technology, as well as hidden defects such as voids and cracks, metal fittings, sanitary and technical communications, cable lines, electrical and telephone wiring.

Известен способ СВЧ-дефектоскопии при одностороннем доступе к контролируемому изделию, заключающийся в том, что воздействуют на контролируемый объект поверхностной электромагнитной волной и измеряют изменение мощности этой волны при взаимодействии с дефектом на двух фиксированных частотах СВЧ-диапазона, а глубину залегания дефекта определяют аналитически по эмпирическому выражению (А.С.СССР N 1748029 A1, кл. G 01 N 22/02, 1992 г.). A known method of microwave defectoscopy with one-sided access to a controlled product, which consists in acting on a controlled object with a surface electromagnetic wave and measuring the change in the power of this wave when interacting with a defect at two fixed frequencies in the microwave range, and the depth of the defect is determined analytically by empirical expression (A.S.SSSR N 1748029 A1, class G 01 N 22/02, 1992).

Способ применим для обнаружения дефектов и глубины их залегания в проницаемой для электромагнитных волн среде, размеры которых больше длины волны и находятся в подповерхностном слое контролируемого изделия и не затененных никакими другими дефектами. The method is applicable for detecting defects and their depth in a medium permeable to electromagnetic waves, the dimensions of which are greater than the wavelength and are located in the subsurface layer of the product being monitored and not obscured by any other defects.

Наиболее близким к изобретению прототипом является способ СВЧ-дефектоскопии при одностороннем доступе к контролируемому объекту (Потапов А.И. и др. Технологический неразрушающий контроль пластмасс. Л.: Химия, 1979, с. 61-127), заключающийся в том, что контролируемый объект облучают плоской СВЧ электромагнитной волной, измеряют коэффициент отражения плоской электромагнитной волны от контролируемого объекта и по его величине определяют наличие и параметры дефекта, в том числе и координаты залегания этого дефекта. Измерения коэффициента отражения проводят в широком диапазоне частот (от 30 до 40 ГГц). В результате обработки на микропроцессорном устройстве частотной зависимости коэффициента отражения определяют глубину залегания дефекта. Closest to the invention, the prototype is a method of microwave flaw detection with one-sided access to a controlled object (Potapov A.I. et al. Technological non-destructive testing of plastics. L .: Chemistry, 1979, pp. 61-127), which consists in the fact that it is controlled the object is irradiated with a flat microwave electromagnetic wave, the reflection coefficient of a plane electromagnetic wave from the object being monitored is measured, and the magnitude of the defect is determined by its value, including the coordinates of this defect. Reflection coefficient measurements are carried out in a wide frequency range (from 30 to 40 GHz). As a result of processing the frequency dependence of the reflection coefficient on a microprocessor device, the depth of the defect is determined.

Способ применим для обнаружения дефектов, размеры которых больше длины волны. Точное определение глубины залегания дефекта возможно лишь при использовании для зондирования плоских электромагнитных волн и очень большого частотного диапазона. В реальных условиях использование неплоских волн и конечного частотного диапазона приводит к появлению значительной ошибки в определении глубины залегания дефекта и однозначности его идентификации. Кроме того, данный способ не позволяет выявлять дефекты, затененные радионепрозрачными конструктивными элементами контролируемого объекта. The method is applicable for detecting defects whose dimensions are greater than the wavelength. An exact determination of the depth of a defect is possible only when using flat electromagnetic waves and a very large frequency range for sounding. In real conditions, the use of non-planar waves and a finite frequency range leads to the appearance of a significant error in determining the depth of a defect and the uniqueness of its identification. In addition, this method does not allow to detect defects obscured by radio-opaque structural elements of the controlled object.

Технической задачей данного изобретения является обеспечение возможности обнаружения в стенах, стыков стен и перекрытиях строительных сооружений, и, в частности, с использованием арматуры или выполненных по технологии цельнозаливных железобетонных конструкций, в которых прутки арматуры расположены вертикально и горизонтально, или вертикально или горизонтально образуя ячейки квадратной или прямоугольной формы, а места пересечения арматуры либо провариваются электросваркой либо провязываются стальной монтажной проволокой, с высокой степенью точности, высокой разрешающей способностью, с высокой вероятностью, инородных металлических или диэлектрических дефектов - предметов искусственного или естественного происхождения с небольшой эффективной поверхностью рассеяния и расположенных за металлической арматурой или закрепленных непосредственно на арматуре или расположенных между прутками арматуры со стороны, противоположной направлению облучения электромагнитным сигналом, а также в строительных сооружениях, выполненных из полого кирпича. The technical task of this invention is to enable detection in walls, wall joints and ceilings of building structures, and, in particular, using reinforcement or technology made of solid-cast reinforced concrete structures in which the reinforcement bars are arranged vertically and horizontally, or vertically or horizontally forming square cells or rectangular, and the intersection of the reinforcement is either electrically welded or knit with a steel mounting wire, with a high degree of accuracy, high resolution, with high probability, of foreign metal or dielectric defects - objects of artificial or natural origin with a small effective scattering surface and located behind the metal reinforcement or mounted directly on the reinforcement or located between the reinforcing bars from the side opposite to the electromagnetic radiation direction a signal, as well as in building structures made of hollow brick.

Техническая задача достигается тем, что контролируемое изделие облучают через диэлектрическую пластину электромагнитными сигналами под углом к его поверхности, диэлектрическую пластину устанавливают на поверхности контролируемого изделия, и с помощью приемопередающей антенны, основной лепесток диаграммы направленности (ДН) которой в одной плоскости имеет косеканскую форму в полярной системе координат, а в другой - узкую ДН, при этом апертуру приемопередающей антенны размещают внутри диэлектрической пластины, принимают отраженные электромагнитные сигналы, измеряют параметры отраженных электромагнитных сигналов и по результатам измерения определяют наличие дефектов. The technical problem is achieved by the fact that the controlled product is irradiated through the dielectric plate with electromagnetic signals at an angle to its surface, the dielectric plate is mounted on the surface of the controlled product, and with the help of a transceiver antenna, the main lobe of the radiation pattern (DN) of which in one plane has a cosecano shape in polar coordinate system, and in another a narrow beam, the aperture of the transceiver antenna is placed inside the dielectric plate, the reflected e ektromagnitnye signals measured parameters and the reflected electromagnetic signals from measurements determine the presence of defects.

Облучение поверхности контролируемого изделия электромагнитным сигналом через диэлектрическую пластину сводит до минимума отражения от ее внешней поверхности и соответственно к минимальному уровню возбуждения поверхностных волн, что обеспечивает повышение разрешающей способности обнаружения дефектов. Irradiating the surface of the controlled product with an electromagnetic signal through a dielectric plate minimizes reflection from its outer surface and, accordingly, to a minimum level of excitation of surface waves, which increases the resolution of detection of defects.

Выполнение основного лепестка ДН приемопередающей антенны в одной плоскости косеканской формы, а в другой плоскости узкой (порядка единиц градусов), позволяет за счет линейного участка ДН получить одинаковое значение амплитуд отраженных электромагнитных сигналов от одинаковых дефектов, находящихся на различной глубине контролируемого изделия. В случае же дефектов с различными отражающими свойствами амплитуды отраженных электромагнитных сигналов будут зависеть от отражающих свойств дефектов, но не от глубины их расположения в строительном сооружении. Это позволяет с высокой степенью вероятности и высокой разрешающей способностью обнаруживать дефекты в строительном сооружении. Кроме того, косеканская форма ДН позволяет обнаруживать дефекты в местах стыков стен, в углах, в перекрытиях строительных сооружений. The implementation of the main lobe of the bottom beam of the transceiver antenna in one plane of the cosecane shape, and in the other plane narrow (of the order of units of degrees), allows, due to the linear section of the beam, to obtain the same value of the amplitudes of the reflected electromagnetic signals from the same defects located at different depths of the controlled product. In the case of defects with different reflective properties, the amplitudes of the reflected electromagnetic signals will depend on the reflective properties of the defects, but not on the depth of their location in the building structure. This makes it possible to detect defects in a building structure with a high degree of probability and high resolution. In addition, the Kosekan form of DN allows to detect defects at the joints of walls, in corners, in the ceilings of building structures.

Угол облучения поверхности контролируемого изделия выбирают так, чтобы линейный участок основного лепестка ДН приемопередающей антенны в плоскости, в которой он имеет косеканскую форму, был перпендикулярен поверхности контролируемого изделия, а длину линейного участка выбирают равной толщине контролируемого изделия, что позволяет с высокой разрешающей способностью обнаруживать дефекты, расположенные в одном поперечном сечении строительного сооружения на разной глубине. The angle of irradiation of the surface of the controlled product is chosen so that the linear portion of the main lobe of the bottom of the transceiver antenna in the plane in which it has a kosekane shape is perpendicular to the surface of the controlled product, and the length of the linear section is chosen equal to the thickness of the controlled product, which allows high-resolution detection of defects located in one cross section of a building at different depths.

Угол облучения поверхности контролируемого изделия выбирают так, чтобы линейный участок основного лепестка ДН приемопередающей антенны в плоскости, в которой он имеет косеканскую форму, был совмещен с поверхностью контролируемого изделия, противоположной поверхности, на которой устанавливают диэлектрическую пластину, а длину линейного участка выбирают равной толщине контролируемого изделия, что позволяет с высокой разрешающей способностью обнаруживать дефекты в углах стен, в местах стыков стен, в перекрытиях строительного сооружения. The angle of irradiation of the surface of the controlled product is chosen so that the linear portion of the main lobe of the transceiver antenna in the plane in which it has a kosekan form is aligned with the surface of the controlled product, opposite the surface on which the dielectric plate is mounted, and the length of the linear section is chosen equal to the thickness of the controlled products, which allows high-resolution detection of defects in the corners of the walls, at the joints of walls, in the ceilings of a building and I.

Облучение поверхности контролируемого изделия осуществляют последовательно электромагнитными сигналами с линейной горизонтальной поляризацией, электромагнитными сигналами с линейной вертикальной поляризацией, электромагнитными сигналами с линейной поляризацией с плоскостью, повернутой на 45^o относительно горизонтальной плоскости, и электромагнитными сигналами с линейной поляризацией с плоскостью, повернутой на 135^o относительно горизонтальной плоскости, что позволяет повысить разрешающую способность и обеспечить высокую вероятность обнаружения дефектов.The surface of the controlled product is irradiated sequentially with electromagnetic signals with linear horizontal polarization, electromagnetic signals with linear vertical polarization, electromagnetic signals with linear polarization with a plane rotated 45 ^o relative to the horizontal plane, and electromagnetic signals with linear polarization with a plane rotated 135 ^o relative horizontal plane, which allows to increase the resolution and provide a high probability defect detection feature.

Дополнительно ведут прием отраженных электромагнитных сигналов под углом к поверхности контролируемого изделия с помощью первой приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации с низким уровнем боковых лепестков, апертуру которой размещают внутри диэлектрической пластины за апертурой приемопередающей антенны, при этом ось основного лепестка ДН первой приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации располагают в одной плоскости с осью основного лепестка ДН приемопередающей антенны, перпендикулярной поверхности контролируемого изделия, так, чтобы основной лепесток ДН первой приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации был направлен на тот же участок поверхности контролируемого изделия, что и основной лепесток ДН приемопередающей антенны, и апертура приемопередающей антенны не затеняла апертуру первой приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации, и измеряют величины изменения параметров отраженных электромагнитных сигналов и сравнивают их с результатами измерения параметров отраженных электромагнитных сигналов, принятых приемопередающей антенной, а наличие дефектов определяют по результатам сравнения. Это позволяет, когда линейный участок основного лепестка ДН приемопередающей антенны в плоскости, в которой он имеет косеканскую форму, перпендикулярен поверхности контролируемого изделия, а длину линейного участка выбирают равной толщине контролируемого изделия, значительно повысить разрешающую способность и вероятность обнаружения дефектов. Additionally, reflected electromagnetic signals are received at an angle to the surface of the controlled product using the first receiving two-component elliptical polarization antenna with a low level of side lobes, the aperture of which is placed inside the dielectric plate behind the aperture of the transmitting antenna, while the axis of the main lobe of the first antenna of the first receiving two-component elliptical polarization antenna is positioned in the same plane with the axis of the main lobe of the bottom of the transceiver antenna, perpendicular to the the nature of the controlled product, so that the main lobe of the first receiving two-component elliptical polarization antenna is directed to the same surface area of the controlled product as the main lobe of the receiving transceiver antenna, and the aperture of the transceiving antenna does not obscure the aperture of the first receiving two-component elliptical polarization antenna, and measure the magnitude of the change in the parameters of the reflected electromagnetic signals and compare them with the results of measuring the parameters of the reflected electromagnet signals received by the transceiver antenna, and the presence of defects is determined by the comparison results. This allows, when the linear portion of the main lobe of the bottom beam of the transceiver antenna in the plane in which it has a cosecane shape is perpendicular to the surface of the controlled product, and the length of the linear section is chosen equal to the thickness of the controlled product, to significantly increase the resolution and probability of detection of defects.

Дополнительно ведут прием на согласованные нагрузки отраженных электромагнитных сигналов под углом к поверхности контролируемого изделия с помощью второй приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации, апертуру которой размещают внутри диэлектрической пластины перед апертурой приемопередающей антенны, при этом ось основного лепестка ДН второй приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации располагают в одной плоскости с осью основного лепестка ДН приемопередающей антенны, перпендикулярной поверхности контролируемого изделия, так, чтобы основной лепесток ДН второй приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации был направлен на тот же участок поверхности контролируемого изделия, что и основной лепесток ДН приемопередающей антенны. Это позволяет, когда линейный участок основного лепестка ДН приемопередающей антенны в плоскости, в которой он имеет косеканскую форму, перпендикулярен поверхности контролируемого изделия, а длину линейного участка выбирают равной толщине контролируемого изделия, повысить помехозащищенность, разрешающую способность и вероятность обнаружения дефектов. Additionally, the reflected electromagnetic signals are received at coordinated loads at an angle to the surface of the controlled product using a second receiving two-component elliptical polarization antenna, the aperture of which is placed inside the dielectric plate in front of the aperture of the transceiving antenna, while the axis of the main lobe of the second second receiving two-component elliptical polarization antenna is located in one planes with the axis of the main lobe of the bottom of the transceiver antenna perpendicular to the surface and the controlled product, so that the main lobe of the second receiving antenna of the two-component elliptical polarization antenna is directed to the same surface area of the controlled product as the main lobe of the receiving antenna of the transceiving antenna. This allows, when the linear portion of the main lobe of the bottom of the transceiver antenna in the plane in which it has a kosekan form, is perpendicular to the surface of the controlled product, and the length of the linear section is chosen equal to the thickness of the controlled product, to increase the noise immunity, resolution and probability of detection of defects.

Дополнительно ведут прием отраженных электромагнитных сигналов под углом к поверхности контролируемого изделия с помощью первой приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации с низким уровнем боковых лепестков, апертуру которой размещают внутри диэлектрической пластины перед апертурой приемопередающей антенны, при этом ось основного лепестка ДН первой приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации располагают в одной плоскости с осью основного лепестка ДН приемо-прередающей антенны, перпендикулярной поверхности контролируемого изделия, так, чтобы основной лепесток ДН первой приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации был направлен на тот же участок поверхности контролируемого изделия, что и основной лепесток ДН приемопередающей антенны, и измеряют величины изменения параметров отраженных электромагнитных сигналов и сравнивают их с результатами измерения параметров отраженных электромагнитных сигналов, принятых приемопередающей антенной, а наличие дефектов определяют по результатам сравнения. Это позволяет, когда линейный участок основного лепестка ДН приемопередающей антенны в плоскости, в которой он имеет косеканскую форму, был совмещен с поверхностью контролируемого изделия, противоположной поверхности, на которой устанавливают диэлектрическую пластину, а длину линейного участка выбирают равной толщине контролируемого изделия, повысить разрешающую способность и вероятность обнаружения дефектов. Additionally, reflected electromagnetic signals are received at an angle to the surface of the controlled product using the first receiving two-component elliptical polarization antenna with a low level of side lobes, the aperture of which is placed inside the dielectric plate in front of the aperture of the transceiving antenna, while the axis of the main lobe of the first receiving two-component elliptical polarization antenna is positioned in the same plane with the axis of the main lobe of the bottom beam of the receive-transmitting antenna, perpendicular the surface of the monitored product, so that the main lobe of the first receiving two-component elliptical polarization antenna is directed to the same surface area of the controlled product as the main lobe of the receiving antenna of the transceiving antenna, and measure the magnitude of the parameters of the reflected electromagnetic signals and compare them with the results of measuring the parameters of the reflected electromagnetic signals received by the transceiver antenna, and the presence of defects is determined by the comparison results. This allows, when the linear portion of the main lobe of the bottom of the transceiver antenna in the plane in which it has a kosekan form, was aligned with the surface of the controlled product, opposite to the surface on which the dielectric plate is mounted, and the length of the linear section is chosen equal to the thickness of the controlled product, to increase the resolution and the probability of detecting defects.

Дополнительно ведут прием на согласованные нагрузки отраженных электромагнитных сигналов под углом к поверхности контролируемого изделия с помощью второй приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации, апертуру которой размещают внутри диэлектрической пластины за апертурой приемопередающей антенны, при этом ось основного лепестка ДН второй приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации располагают в одной плоскости с осью основного лепестка ДН приемопередающей антенны, перпендикулярной поверхности контролируемого изделия, так, чтобы основной лепесток ДН второй приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации был направлен на тот же участок поверхности контролируемого изделия, что и основной лепесток ДН приемопередающей антенны. Это позволяет, когда линейный участок основного лепестка ДН приемопередающей антенны в плоскости, в которой он имеет косеканскую форму, был совмещен с поверхностью контролируемого изделия, противоположной поверхности, на которой устанавливают диэлектрическую пластину, а длину линейного участка выбирают равной толщине контролируемого изделия, повысить помехозащищенность, разрешающую способность и вероятность обнаружения дефектов. Additionally, the reflected electromagnetic signals are received at coordinated loads at an angle to the surface of the controlled product using the second receiving two-component elliptical polarization antenna, the aperture of which is placed inside the dielectric plate behind the aperture of the transceiving antenna, while the axis of the main lobe of the second second receiving two-component elliptical polarization antenna is located in one the plane with the axis of the main lobe of the bottom of the transceiver antenna, perpendicular to the surface ntroliruemogo products, so that the main lobe of the second receiving binary Nam elliptical polarization antenna has been directed to the same portion of the surface of the test object, and that the main lobe Nam transceiver antenna. This allows, when the linear portion of the main lobe of the bottom beam of the transceiver antenna in the plane in which it has a kosekan shape, was aligned with the surface of the controlled product, opposite to the surface on which the dielectric plate is mounted, and the length of the linear section is chosen equal to the thickness of the controlled product, to increase the noise immunity, resolution and probability of detection of defects.

Дополнительно ведут прием на согласованные нагрузки отраженных электромагнитных сигналов вспомогательными приемными двухкомпонентными антеннами эллиптической поляризации, размещенными по периметру апертур приемопередающей антенны и первой приемной двухкомпонентной антенны эллиптической поляризации. Это позволяет увеличить пространственную развязку между апертурами антенн, повысить разрешающую способность и вероятность обнаружения дефектов. Additionally, reception of the reflected electromagnetic signals to the agreed loads is carried out by auxiliary receiving two-component elliptical polarization antennas located around the perimeter of the apertures of the transceiving antenna and the first receiving two-component elliptical polarization antenna. This allows you to increase the spatial isolation between the apertures of the antennas, to increase the resolution and probability of detection of defects.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства, реализующего способ обнаружения дефектов в стенах армированных строительных сооружений; на фиг. 2 схематически представлен разрез армированного строительного сооружения с расположением диэлектрической пластины, расположением приемопередающей антенны с ориентацией линейного участка основного лепестка ДН косеканской формы перпендикулярно к поверхности контролируемого сооружения и расположением первой и второй приемных антенн с ориентацией их основных лепестков ДН; на фиг. 3 схематически представлен разрез армированного строительного сооружения с расположением диэлектрической пластины, расположением приемопередающей антенны с ориентацией линейного участка основного лепестка ДН косеканской формы параллельно к поверхности контролируемого сооружения и расположением первой и второй приемных антенн с ориентацией их основных лепестков ДН; на фиг. 4 схематически представлены варианты расположения дефектов в строительном сооружении по отношению к металлической арматуре. In FIG. 1 shows a structural electrical diagram of a device that implements a method for detecting defects in the walls of reinforced building structures; in FIG. 2 is a schematic sectional view of a reinforced building structure with the location of the dielectric plate, the location of the transceiver antenna with the orientation of the linear portion of the main lobe of the Kosekan shape DN, perpendicular to the surface of the structure under control, and the location of the first and second receiving antennas with the orientation of their main lobe of the MD; in FIG. Figure 3 schematically shows a section of a reinforced building with the location of the dielectric plate, the location of the transceiver antenna with the orientation of the linear portion of the main lobe of the Kosekan beam pattern parallel to the surface of the monitored structure, and the location of the first and second receiving antennas with the orientation of their main beam petals; in FIG. 4 schematically shows the location of defects in a building structure with respect to metal reinforcement.

Устройство содержит приемопередающую антенну 1, основной лепесток ДН которой в полярной системе координат в одной плоскости имеет косеканскую форму, в другой плоскости узкую, диэлектрическую пластину 2, первую приемную двухкомпонентную антенну 3 эллиптической поляризации, вторую приемную двухкомпонентную антенну 4 эллиптической поляризации, блок 5 формирования вида поляризации излучаемого электромагнитного сигнала, генераторный блок 6, поляризационный селектор 7 приемопередающей антенны, поляризационный приемник 8, приемный блок 9, блок 10 обработки и индикации, вспомогательную приемную двухкомпонентную антенну 11 эллиптической поляризации, поляризационный селектор 12 приемной двухкомпонентной антенны 3 эллиптической поляризации, контролируемое сооружение 13, металлическую арматуру 14, согласованную нагрузку 15, гипотетический дефект 16. The device comprises a transceiver antenna 1, the main lobe of which in the polar coordinate system in one plane has a cosecane shape, in the other plane a narrow, dielectric plate 2, the first receiving two-component antenna 3 of elliptical polarization, the second receiving two-component antenna 4 of elliptical polarization, block 5 of the form the polarization of the emitted electromagnetic signal, the generator unit 6, the polarization selector 7 of the transceiver antenna, the polarization receiver 8, the receiving unit 9, to 10 processing and indications, auxiliary receiving two-component antenna 11 of elliptical polarization, polarizing selector 12 of receiving two-component antenna 3 of elliptical polarization, controlled building 13, metal reinforcement 14, matched load 15, hypothetical defect 16.

Способ обнаружения дефектов в стенах строительных сооружений, например в железобетонных конструкциях, реализуют следующим образом. A method for detecting defects in the walls of building structures, for example in reinforced concrete structures, is implemented as follows.

Электромагнитные сигналы с генераторного блока 6 через блок 5 формирования вида поляризации излучаемого электромагнитного сигнала излучаются под углом в направлении контролируемого железобетонного сооружения 13 через диэлектрическую пластину 2 на его поверхность при помощи приемопередающей антенны 1, основной лепесток ДН которой в полярной системе координат в одной плоскости имеет косеканскую форму, а в другой плоскости узкую, порядка единиц градусов (фиг. 1). Апертуру приемопередающей антенны 1 размещают внутри диэлектрической пластины 2. Принятые приемопередающей антенной 1, отраженные от внутреннего объема контролируемого сооружения 13 электромагнитные сигналы на несущей частоте поступают в поляризационный селектор 7 приемопередающей антенны 1, где производится на несущей частоте преобразование электромагнитного сигнала на ортогональные составляющие - вертикальную и горизонтальную. Полученные ортогональные составляющие электромагнитного сигнала поступают в поляризационный приемник 8, где производится на несущей частоте измерение их параметров. С выхода поляризационного приемника 8 электромагнитные сигналы на несущей частоте поступают в приемный блок 9, где происходит обработка и преобразование в электрические сигналы, которые затем обрабатываются в блоке 9 обработки и индикации и где принимается решение о наличии отсутствии дефекта в облучаемом объеме контролируемого сооружения 13 и здесь же осуществляется визуализация конечной информации. Electromagnetic signals from the generator block 6 through the polarization type forming unit 5 of the emitted electromagnetic signal are radiated at an angle in the direction of the reinforced concrete structure 13 through the dielectric plate 2 to its surface using the transceiver antenna 1, the main lobe of which has a Koskean antenna in the polar coordinate system in one plane shape, and in another plane narrow, of the order of units of degrees (Fig. 1). The aperture of the transceiver antenna 1 is placed inside the dielectric plate 2. The electromagnetic signals at the carrier frequency received by the transceiver antenna 1 reflected from the internal volume of the monitored structure 13 are fed to the polarization selector 7 of the transceiver antenna 1, where the electromagnetic signal is converted into orthogonal components - vertical and horizontal. The obtained orthogonal components of the electromagnetic signal are fed to the polarization receiver 8, where their parameters are measured at the carrier frequency. From the output of the polarization receiver 8, the electromagnetic signals at the carrier frequency are fed to the receiving unit 9, where they are processed and converted into electrical signals, which are then processed in the processing and display unit 9 and where it is decided that there is no defect in the irradiated volume of the monitored structure 13 and here visualization of the final information is carried out.

В связи с возможной конструктивной сложностью внутренней армированной структуры исследуемой железобетонной конструкции строительного сооружения (например, провязка арматуры в месте пересечения проволокой), возможно по формам, размерам, расположению и многообразию материалов дефектов (неоднородностей) и их электродинамических характеристик, облучение поверхности контролируемого изделия осуществляют последовательно электромагнитными сигналами с линейной горизонтальной поляризацией, электромагнитными сигналами линейной с вертикальной поляризацией, электромагнитными сигналами с линейной поляризацией с плоскостью, повернутой на 45^o относительно горизонтальной плоскости, и электромагнитными сигналами с линейной поляризацией с плоскостью, повернутой на 135^o относительно горизонтальной плоскости. Для каждого вида поляризации электромагнитного сигнала, принятого приемопередающей антенной 1, производится обработка принятых отраженных электромагнитных сигналов по выше указанному алгоритму, и результирующие сигналы запоминаются. Затем результирующие сигналы сравнивают между собой и с сигналами, принятыми первой вспомогательной двухкомпонентной антенной 3, и по результатам судят о наличии или отсутствии дефекта в облучаемом объеме контролируемого изделия. Этот способ позволяет существенно повысить разрешающую способность и вероятность обнаружения дефектов.Due to the possible structural complexity of the internal reinforced structure of the studied reinforced concrete structure of the building structure (for example, reinforcement tie at the point of intersection with wire), it is possible by the shapes, sizes, location and variety of defects (inhomogeneities) materials and their electrodynamic characteristics that the surface of the controlled product is irradiated sequentially electromagnetic signals with linear horizontal polarization, electromagnetic signals linear with vertical Flax polarized electromagnetic signals with linear polarization with a plane rotated through 45 ^o relative to the horizontal plane, and the electromagnetic signals with a linear polarization plane rotated through 135 ^o relative to the horizontal plane. For each type of polarization of the electromagnetic signal received by the transceiver antenna 1, the received reflected electromagnetic signals are processed according to the above algorithm, and the resulting signals are stored. Then, the resulting signals are compared with each other and with the signals received by the first auxiliary two-component antenna 3, and the results are judged on the presence or absence of a defect in the irradiated volume of the monitored product. This method can significantly increase the resolution and probability of detection of defects.

Блок 5 формирования вида поляризации изучаемого электромагнитного сигнала для приемопередающей антенны 1 целесообразно реализовать, например, на микрополосковых излучателях с переключаемыми точками возбуждения (daniel H. Schaubert, Frederick G. Farrar, Arthur Sindoris, Scott T. Hayes. Microstrip Antennas with Freguency Agility and Polarization Diversity/ IEEE Trans, on Anten. and Propag., v. AP-29, 1981, N 1, pp. 118-123). Block 5 for generating the type of polarization of the studied electromagnetic signal for the transceiver antenna 1 is expediently implemented, for example, on microstrip emitters with switchable excitation points (daniel H. Schaubert, Frederick G. Farrar, Arthur Sindoris, Scott T. Hayes. Microstrip Antennas with Freguency Agility and Polarization Diversity / IEEE Trans, on Anten. And Propag., V. AP-29, 1981, N 1, pp. 118-123).

При расположении приемопередающей антенны 1, когда линейный участок основного лепестка диаграммы направленности (ДН) косеканской формы сориентирован перпендикулярно к поверхности контролируемого изделия 13 и длиной, равной толщине контролируемого изделия (фиг. 2), апертуру первой приемной двухкомпонентной антенны 3 эллиптической поляризации размещают внутри диэлектрической пластины 2 за апертурой приемопередающей антенны 1 и основной лепесток ДН которой направлен на ту же поверхность контролируемого изделия 13, что и основной лепесток ДН приемопередающей антенны 1 (фиг. 2). Первая приемная двухкомпонентная антенна 3 эллиптической поляризации принимает отраженные электромагнитные сигналы линейно поляризованные, которые в поляризационном селекторе 12 приемной двухкомпонентной антенны 3 эллиптической поляризации преобразуются на ортогональные составляющие - вертикальную и горизонтальную, которые поступают в поляризационный приемник 8. В поляризационном приемнике 8 осуществляется обработка на несущей частоте ортогональных составляющих отраженных электромагнитных сигналов, принятых приемопередающей антенной 1 и приемной двухкомпонентной антенной 3 эллиптической поляризации. Результирующие электромагнитные сигналы на несущей частоте поступают в приемный блок 9, где происходит обработка и преобразование в электрические сигналы, которые затем обрабатываются в блоке 9 обработки и индикации, где и принимается решение о наличии или отсутствии дефекта в облучаемом объеме контролируемого сооружения 13 и здесь же осуществляется визуализация конечной информации. With the location of the transceiver antenna 1, when the linear portion of the main lobe of the radiation pattern (DN) of the cosecane shape is oriented perpendicular to the surface of the controlled product 13 and with a length equal to the thickness of the controlled product (Fig. 2), the aperture of the first receiving two-component antenna 3 of elliptical polarization is placed inside the dielectric plate 2 behind the aperture of the transceiver antenna 1 and the main lobe of which is directed to the same surface of the controlled product 13 as the main lobe H transceiving antenna 1 (FIG. 2). The first receiving two-component elliptical polarization antenna 3 receives linearly polarized reflected electromagnetic signals, which in the polarization selector 12 of the receiving two-component elliptical polarization antenna 3 are converted into orthogonal components - vertical and horizontal, which enter the polarization receiver 8. Processing is carried out on the polarizing receiver 8 at the carrier frequency the orthogonal components of the reflected electromagnetic signals received by the transceiver ennoy 1 and the receiving antenna 3 a two elliptical polarization. The resulting electromagnetic signals at the carrier frequency are received in the receiving unit 9, where they are processed and converted into electrical signals, which are then processed in the processing and display unit 9, where the decision is made on the presence or absence of a defect in the irradiated volume of the monitored structure 13 and is carried out here visualization of the final information.

Апертуру второй приемной двухкомпонентной антенны 4 эллиптической поляризации размещают внутри диэлектрической пластины 2 перед апертурой приемопередающей антенны 1, основной лепесток ДН которой направлен на тот же участок поверхности контролируемого сооружения 13, что и основной лепесток ДН приемопередающей антенны 1 (фиг. 2), что обеспечивает прием рассеянных электромагнитных сигналов с любым видом поляризации и полное их поглощение в согласованной нагрузке 15. The aperture of the second receiving two-component elliptical polarization antenna 4 is placed inside the dielectric plate 2 in front of the aperture of the transceiver antenna 1, the main lobe of which is directed to the same surface area of the monitored structure 13 as the main lobe of the antenna of the transceiver antenna 1 (Fig. 2), which ensures reception scattered electromagnetic signals with any type of polarization and their complete absorption in a coordinated load 15.

При расположении приемопередающей антенны 1, когда линейный участок основного лепестка диаграммы направленности (ДН) косеканской формы совмещен с поверхностью контролируемого изделия 13, противоположной поверхности, на которой устанавливают диэлектрическую пластину 2, а длину линейного участка выбирают равной толщине контролируемого изделия 13 (фиг. 3), апертуру первой приемной двухкомпонентной антенны 3 эллиптической поляризации размещают внутри диэлектрической пластины 2 перед апертурой приемопередающей антенны 1 и основной лепесток ДН которой направлен на ту же поверхность контролируемого изделия 13, что и основной лепесток ДН приемопередающей антенны 1 (фиг. 2). Обработка принятого отраженного электромагнитного сигнала осуществляется по алгоритму, приведенному выше. When the transceiver antenna 1 is located, when the linear portion of the main lobe of the Kosekan radiation pattern is aligned with the surface of the controlled product 13, the opposite surface on which the dielectric plate 2 is mounted, and the length of the linear section is chosen equal to the thickness of the controlled product 13 (Fig. 3) , the aperture of the first receiving two-component elliptical polarization antenna 3 is placed inside the dielectric plate 2 in front of the aperture of the transceiver antenna 1 and the main lobe The bottom of which is directed to the same surface of the monitored product 13 as the main lobe of the bottom of the transceiver antenna 1 (Fig. 2). Processing the received reflected electromagnetic signal is carried out according to the algorithm above.

В этом случае апертуру второй приемной двухкомпонентной антенны 4 эллиптической поляризации размещают внутри диэлектрической пластины 2 за апертурой приемопередающей антенны 1, основной лепесток ДН которой направлен на тот же участок поверхности контролируемого сооружения 13, что и основной лепесток ДН приемопередающей антенны 1 (фиг. 3), что обеспечивает прием рассеянных электромагнитных сигналов с любым видом поляризации и полное их поглощение в согласованной нагрузке 15. In this case, the aperture of the second receiving two-component elliptical polarization antenna 4 is placed inside the dielectric plate 2 behind the aperture of the transceiver antenna 1, the main lobe of which is directed to the same surface area of the monitored structure 13 as the main lobe of the antenna of the transceiver antenna 1 (Fig. 3), which ensures the reception of scattered electromagnetic signals with any type of polarization and their complete absorption in a coordinated load 15.

Синтез антенн с косеканской диаграммой направленности изложен, например, в монографии (Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем (теория и методы расчета)/ М.: Сов. радио, 1974, 232 с.). The synthesis of antennas with a Kosekan radiation pattern is described, for example, in the monograph (Bahrakh L.D., Kremenetsky S.D. Synthesis of emitting systems (theory and calculation methods) / M .: Sov. Radio, 1974, 232 pp.).

Поляризационные селекторы 7 и 12 соответственно обеспечивают приемопередающей антенне 1 в режиме приема и двухкомпонентной антенне 3, эллиптической поляризации, в режиме приема отраженный электромагнитный сигнал разделять на ортогональные составляющие - вертикальную и горизонтальную, без поляризационных потерь. Структурные и электрические схема поляризационных селекторов, двухкомпонентной антенны и алгоритмы поляризационной обработки электромагнитных сигналов представлены, например, в монографии (Гусев К.Г., Филатов А.Д., Сополев А.П. Поляризационная модуляция/ М.: Сов. радио, 1974, 288 с.). The polarization selectors 7 and 12 respectively provide the transceiver antenna 1 in the receive mode and the two-component antenna 3, elliptical polarization, in the receive mode, the reflected electromagnetic signal is divided into orthogonal components - vertical and horizontal, without polarization losses. Structural and electrical diagrams of polarization selectors, a two-component antenna, and algorithms for the polarization processing of electromagnetic signals are presented, for example, in a monograph (Gusev K.G., Filatov A.D., Sopolev A.P. Polarization Modulation / M .: Sov. Radio, 1974 , 288 p.).

Приемопередающая антенна 1 и первая двухкомпонентная антенна 3 эллиптической поляризации должны иметь уровень боковых лепестков менее 40 дБ. Например, создать антенну с таким низким уровнем боковых лепестков можно, используя работу (W.T. Patton, "Low Sidelobe Antennas for Tactical Radars", IEEE 1980 Intl. Radar Cjnf., Arlington, 28-30 April 1980, pp. 243-244). The transceiver antenna 1 and the first two-component elliptical polarization antenna 3 should have a side lobe level of less than 40 dB. For example, you can create an antenna with such a low level of side lobes using the work (W.T. Patton, "Low Sidelobe Antennas for Tactical Radars", IEEE 1980 Intl. Radar Cjnf., Arlington, 28-30 April 1980, pp. 243-244).

Параметры диэлектрической пластины 2 выбирают так, чтобы ее относительная диэлектрическая проницаемость равнялась относительной диэлектрической проницаемости материала контролируемого сооружения и тангенс угла диэлектрических потерь был минимален. Так например, для бетона величина относительной диэлектрической проницаемости в диапазоне частот от 10⁵ Гц до 10¹⁰ Гц, изменяется в пределах от 10 до 4 (Подповерхностная радиолокация/ Под ред. М. И. Финкельштейна. -М.: Радио и связь, 1994. - 216 с., стр. 25, рис. 1.4.). В этом случае внешняя граница контролируемого изделия становится неотражающей, т. е. среда для распространения электромагнитных сигналов становится однородной, и весь излученный приемопередающий антенной 1 электромагнитный сигнал проходит в объем контролируемого сооружения 13 с минимальными потерями. Уровень возбуждения поверхностных волн минимален, что обеспечивает повышение чувствительности и разрешающей способности данного способа. При установке первой приемной двухкомпонентной антенны 3 эллиптической поляризации обеспечивается достаточно высокий уровень пространственной развязки апертур.The parameters of the dielectric plate 2 are chosen so that its relative dielectric constant is equal to the relative dielectric constant of the material of the controlled structure and the tangent of the dielectric loss angle is minimal. For example, for concrete, the relative permittivity in the frequency range from 10 ⁵ Hz to 10 ¹⁰ Hz, varies from 10 to 4 (subsurface radar / Ed. By M. I. Finkelshtein. -M .: Radio and communications, 1994 . - 216 p., P. 25, Fig. 1.4.). In this case, the external boundary of the monitored product becomes non-reflective, i.e., the medium for the propagation of electromagnetic signals becomes uniform, and the entire emitted transceiver antenna 1 electromagnetic signal passes into the volume of the monitored structure 13 with minimal loss. The level of excitation of surface waves is minimal, which provides an increase in the sensitivity and resolution of this method. When installing the first receiving two-component antenna 3 elliptical polarization provides a sufficiently high level of spatial isolation of the apertures.

Размещение по периметру апертур приемопередающей антенны 1 и первой приемной двухкомпонентной антенны 3 эллиптической поляризации вспомогательных приемных двухкомпонентных антенн 11 эллиптической поляризации, нагруженных на согласованные нагрузки, позволяет обеспечить режим согласованной апертуры. Это позволяет существенно увеличить пространственную развязку между апертурами приемопередающей антенны 1 и приемной двухкомпонентной антенны 3, увеличить помехозащищенность и повысить разрешающую способность обнаружения дефектов. Placing along the perimeter of the apertures of the transceiver antenna 1 and the first receiving two-component antenna 3 of elliptical polarization of the auxiliary receiving two-component antennas 11 of elliptical polarization loaded to the matched loads, it allows to ensure a consistent aperture mode. This allows you to significantly increase the spatial isolation between the apertures of the transceiver antenna 1 and the receiving two-component antenna 3, increase the noise immunity and increase the resolution of detection of defects.

Целесообразно разместить на внешней и торцевых поверхностях диэлектрической пластины 2 поглощающие электромагнитные сигналы элементы. Это позволяет обеспечить помехозащищенность поверхности исследуемого изделия, засвечиваемой основными лепестками диаграмм направленности антенн 1, от воздействия внешних промышленных и атмосферных электромагнитных помех, а также поглощение электромагнитных сигналов внутри диэлектрической пластины, образовавшихся в результате всевозможных внутренних переотражений. Это позволяет повысить точность, разрешающую способность и вероятность обнаружения дефектов. It is advisable to place absorbing electromagnetic signals on the outer and end surfaces of the dielectric plate 2. This allows you to provide noise immunity of the surface of the investigated product, illuminated by the main lobes of the radiation patterns of antennas 1, from the effects of external industrial and atmospheric electromagnetic interference, as well as the absorption of electromagnetic signals inside the dielectric plate, resulting from all kinds of internal reflections. This improves the accuracy, resolution and probability of detection of defects.

Claims

1. The method for detecting defects, which consists in the fact that the controlled product is irradiated with electromagnetic signals at an angle to its surface, receive reflected electromagnetic signals, measure the parameters of the reflected electromagnetic signals and determine the presence of defects according to the measurement results, characterized in that the irradiation is carried out through a dielectric plate, which is installed on the surface of the controlled product, and using a transceiver antenna, the main lobe of the radiation pattern of which one plane has a cosecant shape in the polar coordinate system, and in the other a narrow radiation pattern, while the aperture of the transceiver antenna is placed inside the dielectric plate.

2. The method for detecting defects according to claim 1, characterized in that the angle of irradiation of the surface of the controlled product is chosen so that the linear portion of the main lobe of the radiation pattern of the transceiver antenna in the plane in which it has a cosecant shape is perpendicular to the surface of the controlled product, and the length of the linear section is chosen equal to the thickness of the controlled product.

3. The method for detecting defects according to claim 1, characterized in that the angle of irradiation of the surface of the controlled product is chosen so that the linear portion of the main lobe of the transceiver antenna in the plane in which it has a cosecant shape is aligned with the surface of the controlled product, opposite the surface, on which a dielectric plate is mounted, and the length of the linear portion is chosen equal to the thickness of the product being monitored.

4. The method for detecting defects according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the surface of the controlled product is irradiated sequentially with electromagnetic signals with linear horizontal polarization, electromagnetic signals with linear vertical polarization, electromagnetic signals with linear polarization with a plane rotated by 45 ^o relative to the horizontal plane, and electromagnetic signals with linear polarization with a plane rotated 135 ^o relative to the horizontal plane.

5. The method for detecting defects according to claim 1 or 2, characterized in that they additionally receive reflected electromagnetic signals at an angle to the surface of the controlled product using the first receiving two-component elliptical polarization antenna with a low level of side lobes, the aperture of which is placed inside the dielectric plate behind the aperture transceiving antenna, while the axis of the main lobe of the first beam of the first receiving two-component elliptical polarization antenna is located in the same plane as the axis of the main the antenna lobe of the transceiver antenna, perpendicular to the surface of the monitored product, so that the main lobe of the antenna of the first receiving two-component elliptical polarization antenna is directed to the same surface area of the monitored product as the main lobe of the antenna of the transceiver antenna, and the aperture of the transceiver antenna does not obscure the aperture of the first two-component receiver antennas of elliptical polarization, and measure the magnitude of the change in the parameters of the reflected electromagnetic signals and compare them with the measurement results of the parameters of the reflected electromagnetic signals received by the transceiver antenna, and the presence of defects is determined by the comparison results.

6. The method for detecting defects according to claim 1, or 2, or 3, or 5, characterized in that they additionally receive reflected electromagnetic signals to the matched loads at an angle to the surface of the controlled product using a second receiving two-component elliptical polarization antenna, the aperture of which is placed inside the dielectric plate in front of the aperture of the transceiver antenna, while the axis of the main lobe of the second beam of the second receiving two-component elliptical polarization antenna is located in the same plane as the axis of the the main lobe of the bottom of the transmitting antenna, perpendicular to the surface of the monitored product, so that the main lobe of the second receiving two-component antenna of elliptical polarization is directed to the same surface area of the controlled product as the main lobe of the bottom of the transmitting antenna.

7. The method for detecting defects according to claim 1 or 3, characterized in that they additionally receive reflected electromagnetic signals at an angle to the surface of the controlled product using the first receiving two-component elliptical polarization antenna with a low level of side lobes, the aperture of which is placed inside the dielectric plate in front of the aperture transceiver antenna, while the axis of the main lobe of the first beam of the first receiving two-component antenna of elliptical polarization is located in the same plane with the axis of the bases of the first lobe of the transceiving antenna’s antenna, perpendicular to the surface of the controlled product, so that the main lobe of the first receiving two-component elliptical polarization antenna is directed to the same surface area of the controlled product as the main lobe of the receiving antenna of the transceiving antenna, and the magnitude of the change in the parameters of the reflected electromagnetic signals and compare them with the results of measuring the parameters of the reflected electromagnetic signals received by the transceiver antenna, and the presence of defects is determined by comparing the results.

8. The method for detecting defects according to claim 1 or 3, characterized in that they additionally receive reflected electromagnetic signals to the matched loads at an angle to the surface of the controlled product using a second receiving two-component elliptical polarized antenna, the aperture of which is placed inside the dielectric plate behind the aperture of the transceiving antenna while the axis of the main lobe of the bottom of the second receiving two-component elliptical polarization antenna is located in the same plane as the axis of the main lobe and the bottom of the transceiving antenna, perpendicular to the surface of the monitored product, so that the main lobe of the second receiving two-component elliptical polarization antenna is directed to the same surface area of the monitored product as the main lobe of the bottom of the transceiving antenna.

9. The method for detecting defects according to claim 1, or 2, or 3, or 5, or 6, or 8, characterized in that they additionally receive, at the matched loads, the reflected electromagnetic signals by auxiliary receiving two-component elliptical polarization antennas located around the perimeter of the transceiving antenna and a first receiving two-component elliptical polarization antenna.