ES2971685T3 - Sondeo de una estructura de hormigón por medio de ondas electromagnéticas - Google Patents

Abstract

Para sondear con precisión una estructura de hormigón, un generador de señales de sonda (4) genera una serie de señales de sonda con frecuencias portadoras definidas y se acoplan a la estructura por medio de una antena (5). Las señales de eco que regresan son procesadas por un receptor de señales de eco (6). El procesamiento incluye detección de fase y amplitud en un multiplicador (38), escalado específico de frecuencia en una unidad de escala (43), sustitución de las fases y amplitudes medidas en una interpolación. unidad (44), y la generación de datos en el dominio del tiempo en un módulo de transformación de Fourier (46). El dispositivo es robusto contra el ruido de RF, preciso y de bajo consumo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sondeo de una estructura de hormigón por medio de ondas electromagnéticas

CAMPO TÉCNICO

La invención se refiere a un método para sondear una estructura de hormigón en donde se envía una onda electromagnética a la estructura, se recibe un eco de la onda procedente de la estructura y se obtienen características internas de la estructura a partir del eco.

La invención también se refiere a un dispositivo para realizar dicho método.

ANTECEDENTES

Es conocido que es posible sondear la estructura del hormigón por medio de ondas electromagnéticas. Para ello, se envía un breve impulso electromagnético a la estructura y se recibe su eco. La estructura puede deducirse entonces de la amplitud y del retardo de los picos en el eco.

Este tipo de análisis requiere un hardware complejo capaz de muestrear los ecos de retorno con una alta resolución temporal. Este tipo de hardware necesita realizar un muestreo de alta frecuencia del eco y, por tanto, tiene un elevado consumo de energía. Además, hay que procesar señales en un amplio margen de frecuencias, lo que hace que la tecnología sea sensible a las interferencias con señales de comunicación por radio, tales como las señales WiFi.

El documento EP 1310792 A2 describe un dispositivo de inspección no destructiva que incluye una sección de transmisión, una sección de recepción y una unidad de procesamiento. La sección de transmisión irradia una señal de ondas electromagnéticas hacia un objetivo de inspección. La sección de recepción recibe una señal de onda electromagnética reflejada procedente del objetivo de inspección para generar una señal de onda recibida. La unidad de procesamiento genera una señal de onda reflejada fundamental que se prevé que se recibirá desde cada punto de reflexión del objetivo de inspección, y determina la existencia o inexistencia de cualquier defecto en el objetivo de inspección y los detalles del defecto, si existe, basándose en una coincidencia de patrón entre una forma de onda de la señal de onda recibida y una forma de onda de una combinación lineal de señales de onda reflejadas fundamentales.

El documento GB 1591678 A se refiere a un método de examen de una construcción mural para detectar deficiencias estructurales, tales como grietas internas. El método incluye examinar la construcción de la pared por medio de una fuente de radiación cuya radiación se dirige a la construcción de la pared. El grado en que estas señales son atenuadas por la construcción de la pared es una medida del estado de la construcción de la pared. La fuente de radiación es un transmisor de R. F. que se desplaza a lo largo de la construcción de la pared según un patrón predeterminado y está provisto de una antena de varilla cuya punta está en contacto con la construcción de la pared para transmitir una señal de onda portadora a través de la construcción de la pared; al otro lado de la construcción de la pared, la punta de la antena de un medidor de intensidad de campo provisto con una antena de varilla se desplaza a través de la construcción de la pared con la punta de su antena igualmente en contacto con la construcción de la pared según el mismo patrón que el transmisor, de tal forma que el eje de la antena del medidor de intensidad de campo se encuentra prácticamente en la extensión del eje de la antena transmisora con el fin de transmitir la señal de onda portadora a través de la parte de construcción de la pared dispuesta entre las dos puntas de antena a la antena del medidor de intensidad de campo. A continuación, se determina la diferencia entre la energía transmitida y la energía recibida.

El documento EP1739423A2 presenta un sistema de supervisión que utiliza ondas sonoras y/o ultrasónicas que se emiten a una estructura que se está supervisando desde uno o más dispositivos de supervisión, y las ondas de eco desde el interior y la superficie de la estructura se reciben en uno o más dispositivos de supervisión en lugares de importancia para la estabilidad y la utilidad operativa de la estructura. Las señales recibidas a partir de las ondas de eco se procesan de modo que el ruido operativo se elimine en gran medida o se reduzca a un nivel aceptable y, a continuación, se recogen y almacenan o archivan; las señales recién recibidas y procesadas también se comparan con las señales de archivo existentes y se decide para cada señal nueva si es representativa de la estructura sin cambios o representativa de la estructura después de que se haya producido un cambio estructural importante. Los resultados de las decisiones en los lugares de interés se combinan para obtener un riesgo graduado para la estructura en su conjunto, así como para identificar lugares específicos de cambio estructural importante. Se notifica a un operador cuando se alcanza un umbral de riesgo, lo que permite iniciar acciones de respuesta, por ejemplo, procedimientos de seguridad y/o procedimientos de reparación.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Por lo tanto, un objeto general de la invención es proporcionar un método y un dispositivo de este tipo con un bajo consumo de energía.

Este objeto se consigue por medio del método y del dispositivo según las reivindicaciones independientes.

En consecuencia, el método para sondear una estructura de hormigón comprende las siguientes etapas:

- Envío, por medio de una antena, de una onda electromagnética a la estructura.

- Recepción, por medio de la antena, de un eco de la onda electromagnética procedente de la estructura.

- Deducir características internas de dicha estructura a partir del eco.

Además, la etapa de enviar la onda electromagnética a la estructura comprende, a su vez, la etapa de enviar posteriormente una pluralidad de señales de sonda electromagnéticas de diferentes frecuencias a la estructura. Dicho de otro modo, se genera una serie de señales de sonda electromagnética de diferentes frecuencias una tras otra, y cada una de ellas se envía a la estructura que se va a sondear.

La etapa de recepción del eco comprende, a su vez, la etapa de recepción de una señal de eco para cada una de dichas señales de sonda y la determinación de la amplitud y la fase para cada una de las señales de eco. Dicho de otro modo, para cada señal de sonda, se determina la amplitud y la fase de la señal de retorno, por ejemplo, por medio de la determinación de las partes real e imaginaria de la amplitud compleja de la misma.

La etapa de obtención de las características internas consiste en utilizar la amplitud y el desplazamiento de fase de dichas señales de eco.

Esta técnica se basa en la idea de que los impulsos del sistema convencional también pueden sustituirse por una serie de señales de sonda (más largas), cuyas frecuencias difieren entre sí. Por lo tanto, la medición se realiza, en cierto sentido, en el dominio de la frecuencia. Los datos del dominio de la frecuencia pueden analizarse con frecuencias de muestreo más bajas, lo que reduce los requisitos de potencia de la tecnología.

El dispositivo reivindicado para realizar la invención comprende:

- Una antena: La antena se utiliza para acoplar la onda electromagnética en la estructura de hormigón y para captar su eco.

- Un generador de señales de sonda para generar la onda electromagnética que se enviará a dicha estructura. - Un receptor de señal de eco para procesar el eco desde dicha estructura.

- Una unidad de control para controlar el generador de señales de sonda y el receptor de señal de eco. La unidad de control está adaptada y estructurada para realizar el método según la presente invención.

De manera ventajosa, las señales de sonda comprenden, cada una, una señal portadora modulada por una señal de modulación. La frecuencia de la señal portadora es de al menos 100 MHz y la frecuencia de la señal de modulación no es superior a 10 MHz. Las señales de sonda individuales difieren en la frecuencia de sus señales portadoras, es decir, la frecuencia de la señal portadora varía entre las señales de sonda subsiguientes.

A continuación, las señales de eco se demodulan a la frecuencia de la señal portadora, es decir, se extrae la señal modulada para cada señal de eco por medio de demodulación.

Lo que antecede tiene la ventaja de que la señal demodulada no es una señal de CC, lo que la hace más sólida frente a la deriva y el ruido 1/f.

De manera ventajosa, la frecuencia de la señal de modulación es de al menos 0,5 MHz, porque el ruido 1/f es bajo a dichas frecuencias y porque las señales de diafonía están fuera del espectro analizado.

En otra forma de realización ventajosa, la frecuencia de la señal de modulación es la misma para todas las señales de sonda. Lo que antecede simplifica la generación y la demodulación de las señales.

El dispositivo comprende de manera ventajosa:

- Un modulador analógico para modular una señal portadora con una señal de modulación con el fin de generar las señales de sonda. La frecuencia de la señal portadora es de al menos 100 MHz y la frecuencia de la señal de modulación no es superior a 10 MHz. Las distintas señales de sonda difieren en la frecuencia de sus señales portadoras.

- Un demodulador analógico para demodular las señales de eco a la frecuencia de la señal portadora. La señal demodulada de este modo se denomina "señal de eco demodulada". De manera ventajosa, el demodulador comprende un multiplicador para multiplicar las señales de eco con una señal que tenga la frecuencia de la señal portadora.

Al realizar la modulación y la demodulación en circuitos analógicos, se puede reducir aún más el consumo de energía y la frecuencia de reloj de los circuitos digitales.

De manera ventajosa, la señal de eco demodulada se alimenta a un convertidor analógico-digital para convertirla en valores digitales. El dispositivo incluye, además, un procesador de señales para procesar digitalmente estos valores digitales. Lo que antecede se basa en el entendimiento de que la frecuencia de la señal demodulada es suficientemente baja para un procesamiento digital eficiente, preciso y de bajo consumo.

El método comprende, de manera ventajosa, la etapa adicional de determinar un conjunto de amplitudes y fases de las distintas señales de eco, que pueden utilizarse para un análisis posterior. Cada amplitud y fase de este conjunto describe la amplitud y fase de una frecuencia de las señales de sonda.

La amplitud y la fase pueden determinarse explícitamente (por ejemplo, en voltios y radianes), o en forma de un parámetro a partir del cual pueden calcularse la amplitud y la fase explícitas (tal como un valor complejo cuyo valor absoluto es proporcional a la amplitud y cuya fase describe la fase de la señal), respectivamente.

El método comprende, además, la etapa de filtrar de manera individual la amplitud y/o la fase de cada señal de eco. En este contexto, el filtrado implica una asignación de la amplitud o de la fase a un nuevo valor filtrado. Y filtrar "individualmente" implica que esta asignación depende de la frecuencia de la señal de sonda correspondiente que dio lugar a la señal de eco dada.

En concreto, la fase puede desplazarse por medio de un desplazamiento de fase y/o la amplitud puede escalarse por medio de un factor de escala, en donde el desplazamiento de fase y el factor de escala dependen de la frecuencia de la señal de sonda correspondiente (es decir, de la señal de eco que tenía la amplitud y/o fase dadas). Este filtrado individual tiene varias aplicaciones:

a) En una primera aplicación, este filtrado puede utilizarse para compensar la medición de la respuesta en frecuencia de los componentes del dispositivo. En este caso, la invención comprende las etapas de:

- proporcionar datos de calibración descriptivos de la respuesta en frecuencia del dispositivo utilizado para realizar el método, y

- utilizar estos datos de calibración en dicha etapa de filtrado para compensar la respuesta en frecuencia. b) En una segunda aplicación, el filtrado puede utilizarse para ponderar los datos correspondientes a las frecuencias individuales de la señal de sonda antes de aplicarles la transformación de Fourier. Lo que antecede permite generar una señal de respuesta simulada en el dominio temporal para una señal de sonda simulada arbitraria en el dominio temporal. La ponderación también puede utilizarse para mejorar la atenuación de la banda de parada. En este caso, la invención comprende las etapas de:

- proporcionar una serie de amplitudes y fases de Fourier descriptivas de transformaciones de Fourier de una señal de sonda de dominio temporal deseada, y

- utilizar dichas amplitudes y fases de Fourier en dicha etapa de filtrado para generar una señal de respuesta simulada de dominio temporal.

En otra forma de realización ventajosa, la invención comprende la etapa de sustituir un subconjunto del conjunto de amplitudes y fases por amplitudes y/o fases estimadas. Lo que antecede permite eliminar componentes de frecuencia individuales de la señal recibida, en particular, los componentes sometidos a fuerte ruido. Lo que antecede es especialmente útil para suprimir las frecuencias típicas de WiFi. Por tanto, de manera ventajosa, al menos parte del subconjunto de amplitudes y fases sustituidas son descriptivas de señales de sonda que tienen frecuencias comprendidas entre 2,4 y 2,4835 GHz y/o entre 5,15 y 5,35 GHz y/o entre 5,47 y 5,725 GHz.

De manera ventajosa, el método comprende la etapa de calcular las amplitudes y/o fases estimadas por medio de interpolación y/o extrapolación a partir de amplitudes y fases que no forman parte de dicho subconjunto.

En otra forma de realización ventajosa, el método comprende las siguientes etapas:

- Proporcionar un conjunto de amplitudes de señal de sonda dependientes de la frecuencia descriptiva de las amplitudes de señal de dichas señales de sonda. En este contexto, el término "dependiente de la frecuencia" implica que no todas las señales de sonda, en las distintas frecuencias, tienen la misma amplitud.

- Utilización de dichas amplitudes de señal de sonda para controlar individualmente las amplitudes de señal de las señales de sonda.

De este modo, es posible variar las amplitudes de las señales de sonda individuales en función de su frecuencia. Lo que antecede permite reducir el ruido espectral en las frecuencias en las que los requisitos legales o técnicos implican que las emisiones deben ser bajas.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL DIBUJO

La invención se comprenderá mejor y otros objetos distintos de los expuestos con anterioridad se harán evidentes cuando se considere la siguiente descripción detallada de la misma. Esta descripción hace referencia al dibujo adjunto, que muestra un diagrama de circuito de bloques de un dispositivo para sondear electromagnéticamente una estructura de hormigón.

FORMAS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Descripción general:

El dispositivo de la Figura 1 comprende una primera sección 1 de circuitos de procesamiento digital y una segunda sección 2 de circuitos de procesamiento analógico.

La primera sección 1 está formada, de manera ventajosa, por un circuito FPGA o alguna otra tecnología de circuitos que permita poner en práctica la lógica secuencial.

El dispositivo comprende, además, una unidad de control 3, que puede ponerse en práctica, al menos parcialmente, como parte de la primera sección 1 y/o como un dispositivo digital independiente, tal como un microprocesador. Las partes más importantes del dispositivo aquí descrito son:

- Un generador de señales de sonda 4 adaptado y estructurado para generar una onda electromagnética que se enviará a la estructura que se va a sondear.

- Una antena 5 para acoplar la onda electromagnética a la estructura y recibir un eco de la misma.

- Un receptor de señal de eco 6 adaptado y estructurado para procesar el eco.

La función y el diseño de estas piezas se describen con más detalle en las secciones siguientes.

Generador de señales de sonda:

El generador de señales de sonda 4 comprende una fuente de señales de modulación 10. Se pone en práctica, de manera ventajosa, como un oscilador digital en la primera sección 1. Genera una serie de valores de señal de modulación m, que se representan, de manera ventajosa, como una serie temporal de números complejos

m -el(últ,(1) en donde W1se denomina la frecuencia de modulación. De manera ventajosa, esta frecuencia no es superior a 10 MHz, en particular, no superior a 5 MHz, para que los valores de la señal de modulación sean fáciles de procesar en circuitos digitales de baja potencia. Por otra parte, W1es de manera ventajosa mayor que 0,5 MHz para estar en un margen en donde el ruido 1/f de la sección analógica 2 sea bajo y las señales de diafonía queden fuera del espectro analizado. En una forma de realización ventajosa, la frecuencia de modulación W1es de 2 MHz.

La serie de valoresmpuede, como quedará claro para el experto en esta técnica, representarse, por ejemplo, como una serie de las partes real e imaginaria de los valores complejos, o como una serie de valores de amplitud y fase. Los valores de la señal de modulaciónmse alimentan a un escalador 11. Este último genera una serie de valores de señal de modulación escaladosm’

m' = G((ú2)-m,(2) en donde G(w2) son factores de escala que varían una frecuencia portadora W2. Los factores de escala G(w2) definen las amplitudes de las señales de sonda y permiten que estas amplitudes varíen para distintas frecuencias portadoras W2. La función desempeñada por la frecuencia portadora W2se describirá con más detalle a continuación.

El escalado dependiente de la frecuencia portadora conseguido por el escalador 11 permite reducir la amplitud de las señales de sonda para aquellas frecuencias portadoras en las que las emisiones espectrales del dispositivo deben ser bajas.

El escalador 11 es opcional. Si se omite, tenemosm’ = m(de manera opcional escalado con un valor constante).

Los valores escalados de la señal de modulaciónm'se introducen en un convertidor analógico-digital 12 que, por ejemplo, genera señales analógicas que representan la parte real e imaginaria de m.

Las señales del convertidor 12 se introducen en un modulador 14, en donde se mezclan con una portadoracque tiene la frecuencia portadora02para generar una señal de sondapque comprende una señal portadora modulada por la señal de modulación.

La portadoraces generada por un oscilador analógico 16, cuya frecuencia02puede ser controlada por la unidad de control 3.

De manera ventajosa, el oscilador analógico 16 forma parte de un sintetizador de frecuencia programable 17, en particular el VCO de dicho sintetizador. Un ejemplo de circuito adecuado es, por ejemplo, el ADF4351 de Analog Devices, Inc.

Tal como ya se ha mencionado con anterioridad, la frecuencia portadora02es, de manera ventajosa, de al menos 100 MHz. La unidad de control 3 la varía en el tiempo para generar una secuencia deNseñales de sonda electromagnéticas conNfrecuencias diferentes012.1---02.N.

El modulador 14 es, de manera ventajosa, un mezclador IQ (modulador IQ) que comprende un multiplicador de modulación 18 para multiplicar la portadoracpor valores desplazados en fase adecuados de los valores de la señal de modulación analógica m.

Tal como ya se ha mencionado, la señal de sondapgenerada por el modulador 14, es básicamente la señal portadoracmodulada por la señal de modulación (de frecuencia más baja) m.

La señal de sondapse envía a través de un filtro de señal de sonda 20 para cortar las frecuencias armónicas de la frecuencia portadora02. De manera ventajosa, el filtro de señal de sonda 18 es un filtro de paso bajo programable cuya frecuencia de corte puede ajustarse por medio de la unidad de control 3.

La señal de sonda del filtro pasa por un primer conmutador 22, desde donde puede enviarse de manera selectiva a la antena 5 o a un segundo conmutador 23. El primer y el segundo conmutador 22, 23 se utilizan para calibrar el dispositivo. Lo que antecede se describirá con más detalle en la sección Calibración del dispositivo, más adelante. Antena:

La antena 5 utiliza, de manera ventajosa, un diseño cargado de placas, por ejemplo, con dos discos circulares 24, 26, uno para enviar la onda electromagnética a la estructura de hormigón que se va a muestrear, y otro para recibir su eco. En lugar de un par de discos circulares, puede utilizarse un diseño de dipolo cruzado en pajarita (también denominado como bow tie) o cualquier otro diseño adecuado de antena de banda ancha.

Entre los elementos de antena y el generador de señales de sonda 4, en el lado de entrada, y entre los elementos de antena y el receptor de señal de eco 6, en el lado de salida, puede haber circuitos de adaptación 28, 30, para adaptar impedancias y/o niveles de señal.

Receptor de señal de eco:

Antes de entrar en el receptor de señal de eco 6, las señales de eco pasan por el segundo conmutador 23.

A continuación, la señal de eco pasa a un demodulador 30, que forma parte del receptor de señal de eco 6. De manera ventajosa, el demodulador 30 es un circuito analógico para poder procesar señales de alta frecuencia con bajo consumo de energía.

El demodulador 30 comprende, preferentemente, un demodulador-multiplicador 32, en donde la señal de eco se multiplica por la portadoracdel oscilador 16 para demodularla y generar una señal de eco demoduladad.

La señal de eco demoduladadse hace pasar, de manera ventajosa, a través de un filtro analógico de señal de eco 34 adaptado para suprimir al menos las señales por encima de la frecuencia de modulación01, pero no las señales a la frecuencia de modulación01. El filtro de señal de eco 34 puede ser un filtro de paso bajo o de pasa banda. Sin embargo, se prefiere utilizar un filtro de paso bajo por su tiempo de asentamiento más rápido, que permite utilizar pulsos de sonda más cortos.

Tras el filtro de señal 34, la señal de eco demoduladades básicamente una señal alterna a la frecuencia de modulación om Su amplitud dependerá de la intensidad con que la señal de sonda haya sido reflejada por la estructura de hormigón, y su fase será descriptiva del desplazamiento de fase entre la señal de sonda y la señal de eco.

Además de los componentes mostrados en la Figura 1, los circuitos analógicos del receptor de señal de eco 6 pueden comprender amplificadores y filtros analógicos adecuados.

La señal de eco demoduladadse introduce entonces en un convertidor analógico-digital 36 y entra en la parte puesta en práctica digitalmente del receptor de señal de eco 6, que forma un procesador de señal para procesar digitalmente la señal de eco demoduladad.

Este procesador de señales comprende un multiplicador 38 para multiplicar la señal de eco demoduladadpor la señal de modulaciónm, con el fin de determinar la amplitud y la fase de la señal de eco demoduladada la frecuencia W1de la señal de modulación m. Esta amplitud A y esta fase0dependen directamente del desplazamiento de fase de la señal de eco con respecto a la señal de sonda y de la intensidad de reflexión de la señal de eco. Sin embargo, también dependen de las propiedades inherentes al circuito analógico por el que han pasado las señales, y pueden verse afectadas por el ruido. De ahí que se lleven a cabo otras etapas para procesar la amplitud y la fase A, 0.

En una etapa siguiente, los valores de amplitud y fase se hacen pasar a través de un filtro de paso bajo 40. De manera ventajosa, este filtro integra los valores de amplitud y fase a lo largo de al menos el 50% y/o no más del 90% de la longitud de una única señal de sonda. Para señales de sonda de una duración de 2 ps, el filtro de paso bajo 40 puede integrar (es decir, promediar) las señales a lo largo de un intervalo de tiempo de, por ejemplo, 1,5 ps.

La amplitud y la fase A,0promediadas a la salida del filtro de paso bajo 40 pueden reducirse, si es necesario, a un valor por señal de sonda.

La amplitud y la fase A,0difieren entre las señales de sonda subsiguientes en función de la frecuencia portadora W2.n de las señales de sonda. Por lo tanto, en lo sucesivo, se indican por medio de un índice n, es decir, An, 0n, siendon= 1...Nque representa el índice de la señal de sonda.

Las amplitudes y fases An, 0n de las señales de sonda individuales se someten a una unidad de filtrado selectiva en frecuencia 42, que está adaptada y estructurada para filtrar individualmente la amplitud y/o la fase de la señal de eco de cada señal de sonda. Dicho de otro modo, la unidad de filtrado 42 corrige la amplitud y la fase para cada una de las frecuencias W2.n (con n = 1...N)de las señales de sonda.

En la forma de realización de la Figura 1, la unidad de filtrado 42 realiza dos operaciones de filtrado.

En una primera etapa, en una unidad de escalado 43, cada amplitud y/o fase es objeto de escalado y/o desplazamiento. Al expresar las amplitudes y las fases como números complejos

z„<= y iJ l- e i« \ (3)>la escala y el desplazamiento pueden realizarse por medio de una multiplicación

siendo Z'n la amplitud y la fase corregidas, an la corrección de amplitud de la señal de sonda de frecuencia W2,n y bn la corrección de fase de la señal de sonda de frecuencia W2,n. El desplazamiento de fase bn y el factor de escala an son funciones de la frecuencia W2,n de las respectivas señales de sonda y eco.

La corrección de la Ecuación (4) es especialmente ventajosa para compensar las propiedades del dispositivo, tal como se describirá más adelante en la sección Calibración del dispositivo.

En una etapa siguiente, las amplitudes y las fases pueden alimentarse de manera opcional a una unidad de interpolación 44. Esta unidad de interpolación está adaptada y estructurada para sustituir un subconjunto de dicho conjunto de amplitudes y fases An, 0n por amplitudes y/o fases estimadas.

Tal como ya se ha descrito, la finalidad de la unidad de interpolación 44 es ignorar las frecuencias individuales W2,n. Por ejemplo, si una de estas frecuencias, por ejemplo, W2,k, cae en una banda utilizada para la comunicación WiFi, especialmente para la comunicación WiFi utilizada actualmente por el dispositivo, puede conllevar un nivel importante de ruido y de señales espurias. En este caso, lo mejor es sustituir las respectivas amplitudes y fases Ak, 0k por valores estimados A'k,0\.En un caso sencillo, sik> 1 yk<Ny si las frecuencias Wn están espaciadas de manera uniforme, se puede utilizar, por ejemplo, una interpolación lineal

A 'k — i A k l+ ^k-i)/2 ,(5a)

<P'k = (<Pk+l+<Pk-1)/2,(5b)

Parak = 1ok =N, puede aplicarse la extrapolación lineal. Como alternativa a la utilización de la interpolación o extrapolación lineal, pueden utilizarse métodos de interpolación más sofisticados, por ejemplo, basados en polinomios de orden superior, splines (elementos de croquis) o técnicas de ajuste de curvas. En otra alternativa, la unidad de interpolación 44 puede poner a cero una ponderación de las señales en dichas frecuencias individuales W2,n, en una técnica similar a la que se utiliza para los filtros de muesca.

En términos más generales, las amplitudes y/o fases estimadas A 'k, 0'k se calculan por medio de interpolación y/o extrapolación a partir de las amplitudes y fases que no forman parte del subconjunto a sustituir.

Actualmente, el conjunto de amplitudes y fases An, 0n procesado por la unidad de escalado 43 y/o la unidad de interpolación 44 puede utilizarse para obtener información sobre la estructura de hormigón que se ha sondeado. Las técnicas para hacerlo son conocidas por el experto en esta técnica.

Sin embargo, de manera ventajosa, las amplitudes y fases An, 0n, que describen la reflectividad de la estructura muestreada en el dominio de la frecuencia, se transforman en primer lugar en una señal de respuesta en el dominio temporal sometiéndolas a una transformada de Fourier. Lo que antecede se debe a que muchas de las herramientas utilizadas para procesar datos de reflexión de muestras de hormigón se basan en el análisis de datos en el dominio temporal, es decir, en el análisis de la amplitud del eco de un pulso corto enviado a la estructura (análisis A-scan). Esta etapa puede ser realizada por un módulo de transformación de Fourier 46. Comprende una unidad de filtro espectral 48 y una unidad de transformación de Fourier inversa 50.

La unidad de filtro espectral 48 escala las amplitudes An reduciendo el peso de los componentes espectrales bajos y altos. Lo que antecede puede llevarse a cabo en una unidad similar a la unidad de escalado 43, es decir, cada componente espectral de las fases An, 0n puede multiplicarse por valores de escalado complejos Sn.

Por ejemplo, Sn puede definirse como sigue:

Esta función describe una ventana ponderada. Por ejemplo, puede utilizarse una ventana Harn de una ventana Tukey. En este caso, Sn es de valor real y se aplica tanto a la parte real como a la imaginaria de los valores complejos de amplitud-fase.

El propósito de la unidad de filtro espectral 48 es escalar las amplitudes espectrales (y, de manera opcional, desplazar las fases) de tal manera que representen la transformada de Fourier de una ondícula corta tal y como la generan los dispositivos convencionales de sondeo de impulsos. La ponderación también puede utilizarse para mejorar la atenuación de la banda de parada.

En una siguiente etapa, las amplitudes y fases An, 0n escaladas en la unidad de filtro espectral 48 se someten a una transformada de Fourier inversa en la unidad de transformada de Fourier inversa 50. Lo que antecede genera una serie temporal ei de un eco tal y como se devolvería al enviar la ondícula utilizada para calcular los valores de escala Sn a la estructura de hormigón.

La serie temporal ei resultante y/o las amplitudes y fases An, 0n procesadas por la unidad de escalado 43 y/o la unidad de interpolación 44 pueden almacenarse luego en una memoria intermedia 52, que puede ser objeto de lectura mediante una interfaz 54.

El dispositivo de la Figura 1 puede incluir, además, una interfaz WiFi 56 para la comunicación inalámbrica, en particular para la comunicación inalámbrica basada en al menos una de las normas IEEE 802.11. Gracias a la interpolación/extrapolación selectiva de componentes de frecuencia proporcionada por la unidad de interpolación 44, el funcionamiento de la interfaz WiFi 56 no interfiere en las mediciones.

La interfaz WiFi 56 puede ser utilizada, por ejemplo, por dispositivos externos para acceder a los datos a través de la interfaz 54 y/o para comunicarse con la unidad de control 3.

Funcionamiento:

Tal como ya se ha mencionado, la unidad de control 3 hace funcionar el dispositivo para generar una serie de señales de sonda electromagnéticas con frecuencias portadoras W2.1... W2.N, cada una de ellas modulada con la frecuencia de modulación W1.

De manera ventajosa, el númeroNde señales de sonda diferentes es suficientemente grande para obtener una buena resolución y alcance, por ejemplo,N >190, en particularN >380.

Las frecuencias portadoras W2.n abarcan, de manera ventajosa, un margen espectral superior a 3,8 GHz.

Por ejemplo, el margen espectral de las frecuencias portadoras W2.n se extiende entre 200 MHz y 4 GHz.

De manera ventajosa, las frecuencias portadoras W2.n están espaciadas uniformemente a lo largo de su margen espectral, por ejemplo, en etapas de 10, 20 o 40 MHz. En una forma de realización especialmente ventajosa, el usuario puede seleccionar la anchura de la etapa para encontrar el equilibrio deseado entre resolución (alcance) y velocidad de medición.

De manera ventajosa, la duración de cada pulso de la sonda es de al menos un período de la frecuencia de modulación. Teniendo en cuenta que los distintos filtros necesitan cierto tiempo para asentarse, lo mejor es que sea superior a 2 veces el período de la frecuencia de modulación, por ejemplo, que sea igual a 3 veces este período. Para una frecuencia de modulación W1= 2 MHz, la duración de cada pulso es, por ejemplo, de 2 gs (lo que equivale a 4 veces el periodo).

Para cada pulso de sonda n, la unidad de control 3 establece los siguientes parámetros:

- La frecuencia W2.n del oscilador 16.

- El valor G(w2.n) que debe utilizar el escalador 11.

- La frecuencia de corte del filtro de señal de sonda 20, de forma que sea superior a W2.n pero inferior a 2-W2.n.

- La corrección de amplitud an y la corrección de fase bn a utilizar en la unidad de escalado 43.

- Los ajustes de la unidad de interpolación 44. Estos ajustes pueden derivarse de información invariable y constante, por ejemplo, basándose en el conocimiento de qué bandas de frecuencia están sujetas a un fuerte ruido de señal. De manera alternativa, el dispositivo puede medir o determinar dinámicamente el ruido de radiofrecuencia circundante, por ejemplo, escaneándolo con un receptor de radio y/o deduciendo las bandas de frecuencia ruidosas a partir del funcionamiento actual de la interfaz WiFi 56. En función de este ruido de RF medido o determinado, los ajustes de la unidad de interpolación 44 pueden adaptarse a las condiciones de funcionamiento actuales.

Una vez completados todos losNimpulsos de la sonda, el módulo de transformación de Fourier 46 puede calcular la señal en el dominio temporal y almacenarla en la memoria intermedia 52, junto con las amplitudes y fases An, 0n.

Calibración del dispositivo:

Tal como se ha mencionado, la unidad de escalado 43 puede utilizarse para compensar las propiedades del dispositivo. En particular, los componentes de la sección analógica 2 del presente dispositivo, tal como el filtro de señal de sonda 20, el filtro de señal de eco 34 y los diversos amplificadores (no mostrados) introducirán retardos de fase, así como variaciones de ganancia que dependen de la frecuencia portadora W2.n.

Si, por ejemplo, estos efectos causan un desplazamiento de fase Sn y una ganancia qn a la frecuencia portadora W2.n, el filtro de señal de sonda 20 puede ajustarse para corregir las amplitudes y fases An, 0n en la Ecuación (4) utilizando an = 1/qn y bn = -0n.

Dicho de otro modo, el desplazamiento de fase Sn y la ganancia qn son datos de calibración que describen la respuesta en frecuencia del dispositivo, y pueden utilizarse para filtrar las amplitudes y fases An, 0n.

Los parámetros de calibración pueden derivarse de consideraciones teóricas y/o de mediciones en dispositivos de muestra. Sin embargo, de manera ventajosa, el dispositivo puede estar provisto con medios propios para determinar los datos de calibración de forma dinámica y repetitiva. Lo que antecede permite compensar los efectos de deriva debidos al envejecimiento del dispositivo y a la variación de las condiciones ambientales.

En la forma de realización de la Figura 1, el dispositivo está provisto con una unidad de calibración que comprende los conmutadores primero y segundo 22, 23 para puentear la antena 5. La Figura 1 muestra estos conmutadores y la unidad de calibración. La Figura 1 muestra estos conmutadores en su posición de medición. Sin embargo, la unidad de control 3 puede desplazarlos a una posición de calibración, en cuyo caso las señales de sonda eluden la antena 5 y se envían a través de una línea de derivación 60 directamente al receptor de señal de eco 6.

Con el fin de calibrar el dispositivo, la unidad de control 3 coloca los conmutadores 22, 23 en sus posiciones de calibración, y luego hace que el generador de señales de sonda 4 genere una serie deNimpulsos de sonda con frecuencias portadoras W2,1... W2,n igual que durante una medición normal, pero fija an y bn de la unidad de escala 43 a valores constantes, por ejemplo, 1 y 0, respectivamente. Lo que antecede permite al dispositivo medir los datos de calibración 5n y qn. De manera opcional, estos últimos pueden someterse a una corrección adicional, definida en fábrica, de la respuesta en frecuencia de la antena 5 y sus circuitos de adaptación 28, 30.

Notas:

Tal como ya se ha mencionado con anterioridad, la primera sección digital 1 del presente dispositivo es, de manera ventajosa, un circuito FPGA. De manera ventajosa, contiene los componentes utilizados para generar la señal de modulación a la frecuenciaW1,es decir, la fuente de señal de modulación 10 y (si está presente) el escalador 11. También comprende el multiplicador 38, que permite realizar una detección de fase muy sensible y precisa de las señales de eco. El circuito FPGA puede comprender, además, los componentes del receptor de señales 6 que procesan las fases y amplitudes An, 0n del multiplicador 38.

Los circuitos que procesan las señales en las frecuencias portadoras W2.n, por otra parte, son de manera ventajosa circuitos analógicos, en particular los multiplicadores 18, 32, el oscilador 16 y los filtros 20, 34.

En resumen, el dispositivo aquí mostrado es capaz de sondear con precisión una estructura de hormigón con un bajo consumo de energía. Para ello, genera una serie de señales de sonda con frecuencias portadoras definidas por medio del generador de señales de sonda 4. Las señales de sonda se acoplan a la estructura de hormigón por medio de una antena 5. Las señales de eco devueltas se procesan por medio de un receptor de señal de eco 6. El procesamiento incluye la detección de fase y amplitud en un multiplicador 38, el escalado específico de frecuencia en una unidad de escalado 43, la sustitución de las fases y amplitudes medidas en una unidad de interpolación 44 y la generación de datos en el dominio temporal en un módulo de transformación de Fourier 46. Su diseño hace que el dispositivo sea resistente frente al ruido de RF y preciso, y su arquitectura permita puestas en práctica con bajo consumo de energía.

Aunque actualmente se muestran y describen formas de realización preferidas de la invención, debe entenderse claramente que la invención no se limita a las mismas, sino que puede realizarse y ponerse en práctica de diversas formas dentro del ámbito de las reivindicaciones siguientes.

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un método para sondear una estructura de hormigón, comprendiendo dicho método las etapas de

enviar una onda electromagnética a dicha estructura por medio de una antena (5),

recibir un eco de dicha onda electromagnética desde dicha estructura por medio de dicha antena (5), deducir características internas de dicha estructura a partir de dicho eco,

en donde:

en donde dicha etapa de envío de la onda electromagnética a dicha estructura comprende una etapa de envío posterior de una pluralidad de señales de sonda electromagnéticas de diferentes frecuencias a dicha estructura, en donde dicha etapa de recepción de dicho eco comprende una etapa de recepción de una señal de eco para cada una de dichas señales de sonda y la determinación de una amplitud y una fase (An, 0n) para cada una de dichas señales de eco,

en donde dicha etapa de derivación de las características internas comprende una etapa de derivación de las características internas utilizando dicha amplitud y fase (An, 0n) de dichas señales de eco, y comprendiendo el método, además, una etapa de filtrado individual de la amplitud y/o fase (An, 0n) de cada señal de eco para cada señal de sonda.

2. El método según la reivindicación 1, en donde dichas señales de sonda se generan por medio de un oscilador analógico (16) de frecuencia ajustable,

en particular, dichos ecos se demodulan en un demodulador-multiplicador analógico (30), en donde se multiplican por una señal procedente de dicho oscilador analógico (16).

3. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

dichas señales de sonda comprenden, cada una, una señal portadora (c) modulada por una señal de modulación (m), en donde una frecuencia (o2.n) de dicha señal portadora (c) es de al menos 100 MHz y una frecuencia( 01) de dicha señal de modulación (m) no es superior a 10 MHz, y en donde las señales de sonda difieren en la frecuencia de sus señales portadoras (c), y

dichas señales de eco se demodulan a la frecuencia (o2.n) de la señal portadora (c),

en particular, cuando la frecuencia( 01) de dicha señal de modulación (m) es superior a 0,5 MHz y/o inferior a 5 MHz, y/o

en particular en donde la frecuencia( 01) de la señal de modulación (m) es la misma para todas dichas señales de sonda.

4. El método según la reivindicación 3, en donde dichas señales de eco se demodulan en un demodulador analógico (30), en particular en un multiplicador (32) en donde se multiplican por una señal que tiene la frecuencia de la señal portadora (c), con el fin de generar una señal demodulada (d), en donde dicha señal demodulada (d) se convierte a valores digitales y se procesa de forma digital.

5. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

en donde la fase (0n) se desplaza por medio de un desplazamiento de fase (bn) y/o la amplitud (An) se escala por medio de un factor de escala (an), en donde el desplazamiento de fase (bn) y el factor de escala (an) dependen de la frecuencia (o2.n) de la señal de sonda correspondiente.

6. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende las etapas de:

proporcionar datos de calibración (5n y qn) descriptivos de una respuesta en frecuencia de un dispositivo utilizado para realizar el método, y

utilizar dichos datos de calibración (5n y qn) en dicha etapa de filtrado para compensar dicha respuesta en frecuencia, y

en particular, medir dichos datos de calibración (5n y qn) por medio de la derivación de dicha antena (5) y del funcionamiento de dicho dispositivo para medir dichos datos de calibración (5n y qn).

7. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la etapa de someter dicho conjunto de amplitudes y fases (An, 0n) a una transformada de Fourier para calcular una señal de respuesta simulada en el dominio temporal.

8. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende las etapas de:

- proporcionar una serie de amplitudes y fases de Fourier descriptivas de las transformadas de Fourier de una señal de sonda deseada en el dominio temporal, y

- utilizar dichas amplitudes y fases de Fourier en dicha etapa de filtrado para generar la señal de respuesta simulada en el dominio temporal.

9. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende, además, la etapa de sustituir un subconjunto de dicho conjunto de amplitudes y fases (An, 0n) por amplitudes y/o fases estimadas,

y, en particular, en donde al menos parte del subconjunto de amplitudes y fases son descriptivas de señales de sonda que tienen frecuencias (W2.n) entre 2,4 y 2,5 GHz y/o entre 3,5 y 3,7 GHz y/o entre 4,94 y 5,99 GHz y/o entre 5,25 y 5,35 GHz y/o entre 5,47 y 5,73 GHz, y

en particular, que comprende la etapa de calcular dichas amplitudes y/o fases estimadas por medio de interpolación y/o extrapolación a partir de amplitudes y fases (An, 0n) que no forman parte de dicho subconjunto.

10. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende las etapas de:

proporcionar un conjunto de amplitudes de señal de sonda dependientes de la frecuencia (G(oi2,n)) descriptivo de las amplitudes de señal de dichas señales de sonda, y

utilizar dichas amplitudes de señal de sonda (G(w2,n)) para controlar individualmente las amplitudes de señal de dichas señales de sonda.

11. Un dispositivo para realizar el método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende:

una antena (5),

un generador de señales de sonda (4) para generar las señales de sonda electromagnéticas que se enviarán a dicha estructura a través de dicha antena (5),

un receptor de señal de eco (6) para procesar dichas señales de eco recibidas desde dicha estructura a través de dicha antena (5),

una unidad de control (3) para controlar dicho generador de señales de sonda (4) y dicho receptor de señal de eco (6),

en donde dicha unidad de control (3) está adaptada y estructurada para realizar el método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

12. El dispositivo según la reivindicación 11 comprende, además, un oscilador analógico (16) de frecuencia ajustable para generar dichas señales de sonda, y

en particular, un demodulador-multiplicador analógico (32) para multiplicar las señales de eco por una señal procedente de dicho oscilador analógico (16).

13. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12 que comprende, además:

un modulador analógico (18) para modular una señal portadora (c) con una señal de modulación (m) con el fin de generar dichas señales de sonda, en donde una frecuencia (W2.n) de dicha señal portadora (c) es de al menos 100 MHz y una frecuencia (W1) de dicha señal de modulación (m) no es superior a 10 MHz, y en donde las señales de sonda difieren en la frecuencia de sus señales portadoras (c), y

un demodulador analógico (30), para demodular dichas señales de eco a la frecuencia (W2.n) de la señal portadora (c) con el fin de generar una señal de eco demodulada (d), y en particular en donde dicho demodulador (30) comprende un multiplicador (32) para multiplicar dichas señales de eco con una señal que tiene la frecuencia (W2.n) de la señal portadora (c), y

en particular, un convertidor analógico-digital (36) para convertir dicha señal de eco demodulada (d) en valores digitales y un procesador de señales (38, 40 ...) para procesar digitalmente dicha señal de eco demodulada (d).

14. El dispositivo según la reivindicación 13, que comprende, además, un multiplicador (38) para multiplicar dicha señal de eco demodulada (d) con dicha señal de modulación (m) con el fin de determinar una amplitud y una fase (An, 0n) de dicha señal de eco demodulada (d) en las frecuencias (w2.n) de la señal de modulación (m).

15. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 13 o 14 que comprende, además, un filtro analógico de señal de eco (34) que procesa una señal procedente de dicho demodulador analógico (30) y está adaptado para suprimir al menos las señales por encima de la frecuencia (W1) de dicha señal de modulación (m), pero no las señales a la frecuencia (W1) de dicha señal de modulación (m).

16. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, que comprende, además:

una unidad de escala (43) para corregir las amplitudes y fases medidas (An, 0n) de dichas señales de eco por medio de un desplazamiento de fase (bn) y/o un factor de escala (an), en donde los desplazamientos de fase (bn) y los factores de escala (an) son una función de la frecuencia (W2.n) de la señal de eco respectiva, y una unidad de calibración (22, 23) para puentear dicha antena (5),

en donde dicha unidad de control (3) está estructurada y adaptada para medir datos de calibración (5n y qn) descriptivos de su respuesta en frecuencia y utilizarlos para determinar el desplazamiento de fase (bn) y los factores de escala (an).

17. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16 que comprende, además, una interfaz WiFi (56) para la comunicación inalámbrica.