本技术涉及磁测量领域，特别涉及一种基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法。
背景技术：
1、混凝土是土木工程和建筑施工中最常用的材料之一。为了提高混凝土结构的承载能力和抗裂性能，通常在混凝土内部配置钢筋予以加固。钢筋的直径、数量和分布位置等参数直接影响混凝土结构的力学性能和耐久性。因此，准确测量混凝土内部钢筋的参数对于评估既有混凝土结构的安全性、指导混凝土结构的养护维修以及事故侦察等具有重要意义。
2、目前，混凝土内钢筋测量主要采用基于电磁感应的无损检测方法，如涡流法、脉冲感应法和磁记忆法等。这些方法通过测量钢筋磁化后产生的二次磁场分布，反演得到钢筋的位置和直径等信息。但是，受混凝土复杂介电属性、钢筋磁化机理、环境干扰等因素的影响，现有方法存在测量盲区、精度不高、抗干扰能力差等不足。尽管已有一些方案提出基于磁化效应测量混凝土内钢筋，但是测量精度不高。
3、在相关技术中，比如中国专利文献cn114459331a中提供了一种基于磁化效应的混凝土内钢筋埋深及直径测量方法，包括：以铁磁物质在外磁场作用下的磁化效应为理论基础，首先分别计算了圆柱形永磁体原磁场与钢筋磁化磁场的空间磁场理论值，从而得到在钢筋影响下的空间磁场强度叠加值，其次利用仿真软件建立精细化模型进行分析计算，验证理论计算结果并得到钢筋参数与检测值之间的关系，最后根据最小平方误差式对仿真值进行拟合，利用拟合函数式反演钢筋参数。但是该方案仅考虑了圆柱形永磁体激励下钢筋的磁化效应，建立了简化的理论模型。但实际混凝土内部钢筋分布复杂，导致理论计算值与实际值存在较大偏差，影响测量精度。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的混凝土内钢筋测量精度低的问题，本技术提供了一种基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，通过远近场区域划分、混合磁场分布建模和高维非线性磁场测量值与钢筋参数关系拟合等，提高了混凝土钢筋测量精度。
2、技术方案，本技术的目的通过以下技术方案实现。
3、本技术提供一种基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，包括：s1，利用布置在待测混凝土构件表面的磁传感器阵列，在多个预设位置处采集磁场数据；s2，对采集的磁场数据进行预处理；根据预处理后的磁场数据，将待测混凝土构件划分为第一区域和第二区域；其中，第一区域表示远场区域；第二区域表示近场区域；具体的，磁偶极子建模计算效率高但精度相对较低，而有限元建模精度高但计算量大。在距离钢筋较远的区域采用磁偶极子建模，而在钢筋附近的关键区域采用有限元建模。通过合理划分计算区域，在保证精度的同时提高计算效率。
4、s3，在第一区域，基于钢筋的位置范围和方向，建立磁偶极子模型，通过叠加各磁偶极子的磁场贡献，计算第一区域的磁场分布；s4，在第二场区域，基于待测混凝土构件的几何信息和材料属性，建立有限元模型，并对钢筋预设范围区域进行网格划分，通过求解麦克斯韦方程组，计算第二区域的磁场分布；s5，在第一区域和第二区域的交界面处，设置磁场连续性条件，建立磁偶极子模型和有限元模型之间的耦合关系，通过迭代求解，得到待测混凝土内钢筋测量的混合磁场分布模型；s6，根据混合磁场分布模型，结合钢筋参数，通过数值拟合方法获取磁场测量值与钢筋参数之间的高维非线性关系；其中，钢筋参数包含钢筋直径；高维非线性函数的自变量为钢筋参数，因变量为磁场测量值；s7，基于待测混凝土构件的设计图纸和施工记录，获取钢筋的先验分布信息，先验分布信息包含钢筋埋深和直径；根据高维非线性关系，建立磁场测量值的似然函数；利用贝叶斯定理计算钢筋参数的后验概率分布，并通过对后验概率分布的统计分析，得到钢筋参数的最优估计值和置信区间，作为钢筋测量值输出。其中，传统的反演方法通常基于确定性优化，得到一个确定的参数估计值。而贝叶斯反演方法将参数看作随机变量，通过贝叶斯定理，结合先验知识和测量数据，估计参数的后验概率分布。这样，不仅可以得到参数的最优估计值，还可以评估参数估计的不确定性。通过对后验分布的分析，可以确定参数估计的置信区间，为测量结果的可靠性提供定量依据。
5、贝叶斯反演具体的，根据待测混凝土构件的设计图纸和施工记录，获取钢筋的先验分布信息，先验分布信息包括钢筋埋深h和直径d的概率分布p(h,d)；其中，钢筋埋深h和直径d服从正态分布或均匀分布；根据得到的磁场测量值b(x，y，z)与钢筋参数d、χ、σ之间的高维非线性关系f(d,χ,σ)，建立磁场测量值的似然函数p(b(x,y,z)|d,χ,σ)；其中，磁场测量值b(x，y，z)服从均值为f(d,χ,σ)、方差为的正态分布；将钢筋埋深h和直径d的先验分布p(h,d)与磁场测量值b(x，y，z)的似然函数p(b(x,y,z)|d,χ,σ)代入贝叶斯定理，计算钢筋参数h、d、χ、σ的联合后验概率分布：p(h,d,χ,σ|b(x,y,z))∝p(b(x,y,z)|d,χ,σ)×p(h,d)。对钢筋参数h、d、χ、σ的联合后验概率分布p(h,d,χ,σ|b(x,y,z))进行数值积分，计算钢筋埋深h和直径d的边缘后验分布：
6、p(h|b(x,y,z))＝∫∫∫p(h,d,χ,σ|b(x,y,z))dddχdσ；
7、p(d|b(x,y,z))＝∫∫∫p(h,d,χ,σ|b(x,y,z))dhdχdσ。对钢筋埋深h和直径d的边缘后验分布p(h|b(x,y,z))和p(d|b(x,y,z))进行统计分析，得到钢筋埋深h和直径d的最大后验估计值(hmap，dmap)、后验均值(hmean，dmean)以及置信区间[hmin，hmax]和[dmin，dmax]；将钢筋埋深h和直径d的最大后验估计值(hmap，dmap)、后验均值(hmean，dmean)以及置信区间[hmin，hmax]和[dmin，dmax]作为钢筋参数的估计结果输出，完成基于磁化效应的混凝土内钢筋测量。
8、本发明利用磁偶极子模型和有限元模型的混合磁场分布模拟方法，建立了磁场测量值与钢筋参数之间的高维非线性关系，并结合贝叶斯估计理论，实现了钢筋埋深和直径等关键参数的高精度测量。相比现有的单一模型方法，该发明采用区域划分和模型耦合技术，在保证近场精度的同时降低了计算复杂度，利用测量信息和先验知识对参数进行概率估计，克服了传统点估计方法的不确定性和测量精度。
9、进一步的，s2，对采集的磁场数据进行预处理；根据预处理后的磁场数据，将待测混凝土构件划分为第一区域和第二区域；其中，第一区域表示远场区域；第二区域表示近场区域，包括：s21，采用小波变换对采集的磁场数据进行去噪处理；s22，采用最大最小值归一化方法对去噪处理后的磁场数据进行归一化处理；s23，对归一化后的磁场数据进行特征提取，提取磁场数据的梯度幅值和方向，得到磁场特征数据；s24，根据磁场特征数据中的梯度幅值大小，将梯度幅值大于阈值的区域划分为第二区域，反之为第一区域。
10、进一步的，对归一化后的磁场数据进行特征提取，提取磁场数据的梯度、方向等特征参数，得到磁场特征数据，包括：s231，通过改进的sobel算子计算归一化后的磁场数据在三维空间中的梯度向量，获得梯度幅值gmag和梯度方向gdir；其中，梯度幅值gmag根据磁场数据bx、by、bz在三个正交方向x、y、z上的偏导数计算得到，梯度方向gdir由偏导数构成的单位向量表示；s232.通过反距离加权插值对梯度幅值gmag进行空间插值，得到待测混凝土构件表面各个位置处的梯度幅值分布gmag(x,y,z)；s233.通过欧拉角变换对梯度方向gdir进行空间角度变换，将局部坐标系(x',y',z')下的梯度方向gdir(x',y',z')转换为全局坐标系(x,y,z)下的方向角度θ(x,y,z)和得到待测混凝土构件表面各个位置处的磁场方向分布；s234.根据梯度幅值分布gmag(x,y,z)和磁场方向分布θ(x,y,z)、构建磁场特征数据，用于后续的区域划分。
11、进一步的，通过改进的sobel算子计算归一化后的磁场数据在三维空间中的梯度向量，获得梯度幅值gmag和梯度方向gdir，包括：在三维空间中，根据磁场数据bx、by、bz分别建立x，y，z三个正交方向上的磁导率μx、μy、μz与磁场数据的乘积μxbx、μyby、μzbz；其中，bx、by、bz表示磁场数据在x，y，z三个方向的分量；磁导率μx、μy、μz根据待测混凝土构件的材料特性和环境条件预先确定或实时测量得到；采用改进的sobel算子，通过引入磁导率作为权重，分别计算乘积μxbx、μyby、μzbz在x，y，z三个正交方向上的偏导数根据偏导数计算梯度幅值gmag和梯度方向gdir；将计算得到的梯度幅值gmag(i,j,k)和梯度方向gdir(i,j,k)作为归一化后磁场数据在空间坐标(i,j,k)处的梯度特征，用于后续的空间插值和角度变换。
12、进一步的，改进的sobel算子的计算公式如下：
13、
14、其中，i、j、k分别表示x、y、z方向上的空间坐标索引；
15、进一步的，根据偏导数计算梯度幅值gmag和梯度方向gdir：
16、
17、进一步的，s3，在第一区域，基于钢筋的位置范围和方向，建立磁偶极子模型，通过叠加各磁偶极子的磁场贡献，计算第一区域的磁场分布，包括：根据钢筋的先验位置范围，在第一区域沿钢筋轴向在混凝土表面布置多个磁偶极子；优选地，根据混凝土构件的设计图纸和施工经验，在第一区域内，钢筋位置(x,y,z)和磁矩方向(mx,my,mz)服从一定的概率分布，如均匀分布、正态分布等，根据先验信息确定概率分布的参数；采用蒙特卡洛方法等随机采样技术，从上述概率分布中抽取一定数量的样本，生成磁偶极子的位置(xi,yi,zi)和磁矩方向(mxi,myi,mzi)，其中i为磁偶极子的编号；将生成的磁偶极子样本作为初始布置，代入磁偶极子模型中，计算第一区域内的磁场分布。其中，磁偶极子的位置和磁矩方向通过引入先验概率分布和随机采样的方法生成，同时，通过多次随机采样和计算，可以得到第一区域内磁场分布的统计特性，为后续的钢筋参数估计提供更丰富的信息。
18、采用空间磁场叠加原理，将各个磁偶极子在空间坐标(x,y,z)处产生的磁场强度hdp(x,y,z)叠加，得到磁偶极子模型下第一区域内任意位置处的磁场分布h1(x,y,z)；其中，单个磁偶极子在位置(x,y,z)处产生的磁场强度hdp(x,y,z)采用磁偶极子的解析表达式计算。
19、进一步的，s4，在第二场区域，基于待测混凝土构件的几何信息和材料属性，建立有限元模型，并对钢筋预设范围区域进行网格划分，通过求解麦克斯韦方程组，计算第二区域的磁场分布，包括：根据待测混凝土构件包含尺寸、形状和钢筋保护层厚度的几何信息，建立第二区域的三维几何模型；根据混凝土和钢筋的电磁参数，设置第二区域的材料属性，电磁参数包含磁导率和电导率；对第二区域的几何模型进行网格划分，生成有限元网络；在有限元网格的单元和节点上，离散麦克斯韦方程组，建立控制磁场分布的偏微分方程；结合第二区域的几何边界，采用有限元方法求解离散后的偏微分方程，得到第二区域内节点处的磁矢量位a(x,y,z)；根据磁矢量位a(x,y,z)与磁场强度h(x,y,z)的关系式h(x,y,z)＝▽a(x,y,z)，计算得到有限元模型下第二区域内任意位置处的磁场分布h2(x,y,z)。
20、进一步的，s5，在第一区域和第二区域的交界面处，设置磁场连续性条件，建立磁偶极子模型和有限元模型之间的耦合关系，通过迭代求解，得到待测混凝土内钢筋测量的混合磁场分布模型，包括：在第一区域与第二区域的交界面γ12上，建立磁场强度的连续性条件，连续性条件为两个区域的磁场强度在交界面处连续且相等：
21、h1(x,y,z)|γ12＝h2(x,y,z)|γ12，在第一区域与第二区域的交界面γ12上，建立磁场的旋度界面条件，旋度界面条件为两个区域交界面法向上的磁场强度旋度连续：n×[▽×h1(x,y,z)]|γ12＝n×[▽×h2(x,y,z)]|γ12，其中，n为交界面γ12的单位法向量；将磁偶极子模型计算的第一区域磁场分布h1(x,y,z)作为有限元模型的第二区域边界条件，将有限元模型计算的第二区域磁场分布h2(x,y,z)作为磁偶极子模型的源项，通过迭代求解磁偶极子模型和有限元模型，使磁场强度h(x,y,z)在两个区域内部和交界面处满足麦克斯韦方程组和连续性条件；当迭代计算收敛时，结合磁偶极子模型和有限元模型得到的磁场分布h(x,y,z)，作为待测混凝土内钢筋测量的混合磁场分布模型。
22、进一步的，s6，根据混合磁场分布模型，结合钢筋参数，通过数值拟合方法获取磁场测量值与钢筋参数之间的高维非线性关系；其中，钢筋参数包含钢筋直径；高维非线性函数的自变量为钢筋参数，因变量为磁场测量值，包括：根据先验信息中钢筋直径和钢号等级，确定钢筋直径d的取值范围[dmin,dmax]和离散水平δd，生成一系列离散的直径值{dj|dj＝dmin+j×δd,j＝0,1,.....,m}；其中，m为直径离散级数；根据钢筋的材料属性和加工工艺，确定钢筋的磁化率χ和电导率σ的取值范围和离散水平，生成一系列离散的电磁参数组合{(χk,σk)|k＝1,2,......,k}；其中，k为电磁参数组合的数量；采用正交试验设计方法，将离散的钢筋直径值{dj}和电磁参数组合{(χk,σk)}进行组合，生成一系列钢筋参数样本{(dj,χk,σk)|j＝0,1,......,m；k＝1,2,.....,k}。
23、将钢筋参数样本{(dj,χk,σk)}作为输入，代入混合磁场分布模型，通过数值仿真计算得到空间坐标(x,y,z)处对应的磁场测量值bjk(x,y,z)，建立钢筋参数样本与磁场测量值样本之间的映射关系；以钢筋直径d、磁化率χ和电导率σ为自变量，以对应的磁场测量值b(x,y,z)为因变量，采用支持向量机回归方法，通过训练样本数据
24、{(dj,χk,σk,bjk(x,y,z))}拟合磁场测量值与钢筋参数之间的高维非线性函数关系：b(x,y,z)＝f(d,χ,σ)+ε，其中，f(d,χ,σ)为待拟合的高维非线性函数；ε为拟合误差；采用k折交叉验证方法，将样本数据划分为k个子集，轮流将每个子集作为验证集，其余子集作为训练集，对支持向量机模型进行训练和验证，优化模型超参数，评估拟合精度；选择验证精度最高的支持向量机模型作为最优模型，得到磁场测量值与钢筋直径、磁化率、电导率之间的高维非线性关系b(x，y，z)＝f(d，χ，σ)，用于后续的钢筋参数估计。
25、相比于现有技术，本技术的优点在于：
26、通过对采集的磁场数据进行小波变换去噪、归一化处理以及梯度特征提取，提高了磁场数据的信噪比和特征表征能力；根据梯度幅值阈值将混凝土划分为远场区域和近场区域，实现了测量区域的自适应划分，提高了建模和计算效率。
27、在远场区域基于磁偶极子模型，通过磁场叠加原理计算远场磁场分布，降低了建模复杂度；在近场区域基于有限元模型，通过求解麦克斯韦方程组计算近场磁场分布，提高了建模精度。远近场区域划分结合两种模型的优势，兼顾了计算效率和精度。
28、在远近场交界面引入磁场连续性条件，建立了磁偶极子模型与有限元模型间的耦合关系；通过迭代求解磁场分布，得到了混凝土内部统一的混合磁场分布模型，实现了远近场磁场的无缝耦合，保证了磁场分布的连续性和准确性。
29、引入钢筋直径、磁化率、电导率等关键参数，通过正交试验设计生成参数样本；利用数值仿真和支持向量机回归方法，拟合得到了磁场测量值与钢筋参数间的高维非线性函数映射关系，建立了磁场测量值到钢筋参数的映射模型，为钢筋参数的定量估计提供了基础。
30、利用钢筋埋设的先验分布信息，结合磁场测量值似然函数，基于贝叶斯定理计算钢筋参数的后验概率分布；通过对后验分布的统计分析，得到了钢筋直径等参数的最优估计及其不确定性，实现了钢筋参数的概率推理。
1.一种基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，包括：
2.根据权利要求1所述的基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，其特征在于：
7.根据权利要求1至6任一所述的基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，其特征在于：
9.根据权利要求8所述的基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，其特征在于：
10.根据权利要求9所述的基于磁化效应的混凝土内钢筋测量方法，其特征在于：
