腐蚀是指材料与其周围环境发生反应而导致的劣化过程，包括金属通过化学或电化学过程发生氧化。一个常见的例子是钢铁腐蚀，其中金属与水或氧气反应生成氧化铁，最终损坏钢铁（Yang, 2021）。腐蚀是一个全球性的重大问题，根据美国国家腐蚀工程师协会（NACE）的数据，2013年相关成本高达2.5万亿美元，占全球国内生产总值（GDP）的3.4%（NACE, 2016）。对于一些特别容易受影响的国家（如科威特），这一成本可能高达GDP的5.2%（Hou et al., 2017）。腐蚀的发展具有不可预测性，通常隐藏在管道等组件内部，因此需要特定的监测策略。钢铁腐蚀有多种原因，表现为均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀开裂和微生物腐蚀等形式，每种形式在检测和缓解方面都存在各自的问题（Harsimran, Santosh, & Rakesh, 2021）。
腐蚀监测涉及跟踪腐蚀损害的进展或评估材料周围环境的腐蚀性。与提供材料某一时刻状态的腐蚀检测不同，腐蚀监测是随时间收集数据的。目前，腐蚀监测是腐蚀缓解技术中最重要的组成部分之一（Yang, 2021）。已经设计了多种无损检测（NDE）方法来监测腐蚀，包括内部腐蚀（例如管道或油箱内的腐蚀，Hua et al., 2024）。现有的监测方法非常多样，包括超声波、声发射、导波和红外热成像（Light, 2021）。文献中提出了基于雷达的腐蚀监测方法，其中地面穿透雷达（GPR）常用于特定应用，例如监测混凝土中的钢筋（Hong et al., 2017）。
谐波雷达是一个重新兴起的概念，它依赖于谐波频率下的回波信号，即基频的倍数（Moffatt & Mains, 1975）。谐波雷达能够检测产生谐波信号回波并表现出非线性行为的物体。大多数表现出非线性行为的对象都是人造的（Hayvaci, Takak, & Yetik, 2023），这最近证明了谐波雷达在电子设备和电池检测中的应用价值（Perez, Mazzaro, Pierson, & Kotz, 2022；Arguello, Perez, Pierson, & Kotz, 2024）。电子设备和电池分别由于半导体金属结的存在而在谐波频率下重新辐射信号（Perez et al., 2022；Arguello et al., 2024）。通过探索2-2.8 GHz频段，这些有趣的现象得以观测到，从而实现了短距离检测。直到最近，谐波雷达的应用通常涉及长距离和高频场景，例如RFID检测（Maggiora, Saccani, Milanesio, & Porporato, 2019，使用X波段9.4 GHz）。
利用谐波雷达监测腐蚀的可能性源于观察到钢铁氧化产生的腐蚀产物具有类似半导体的特性（Wu, Jiang, & Roy, 2015）。虽然这一特性可以被谐波雷达用于腐蚀检测，但它也会干扰雷达对电子设备的检测（Aniktar et al., 2015）。尽管如此，几乎没有文献记录表明谐波雷达已成功用于无线环境中的腐蚀产物监测。Bereka等人（Bereka, Rudenko, Zayets, & Pastushenko, 2022）使用30-51 GHz基频提出了长距离检测的理论原理，而Perez等人（Perez et al., 2022）则提出了2-2.8 GHz短距离检测的方法。一些专利中也展示了谐波雷达在非线性金属结检测中的应用（Kwun, Burkhardt, & Fisher, 1993；Born et al., 2001）。
贡献 在本文中，我们将谐波雷达及其频谱图分类视为一种新的氧化监测系统，并做出以下贡献：
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我们展示了可以利用锈氧化物的非线性行为进行无线腐蚀监测，使用通用软件定义无线电而非专用且昂贵的雷达硬件。
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所提出的OxiMoRa方法可以通过机器学习对研究区域的氧化程度进行分类。
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所提出的2 GHz频率可以实现特定区域内锈氧化物的短距离检测，适用于多种应用场景。
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即使腐蚀产物位于薄固体层（如钢管）后面，也能被检测到，为应用带来了希望。
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我们的分类器在检测锈蚀目标时，即使在背景中也能达到最低0.9776的F1分数。该分类器能够在薄钢层后面区分锈蚀和未锈蚀的螺丝，平均F1分数为0.86。
结构 本文的结构如下：第2节介绍背景知识，涵盖氧化物的半导体特性、谐波雷达原理、信号到图像的转换以及卷积神经网络。第3节详细介绍了测试平台和提出的OxiMoRa方法，包括图像生成和分类器训练。第4节展示了锈蚀检测和分类的结果及性能指标和混淆矩阵。第5节进一步讨论了性能考虑因素和优化方案。第6节介绍了我们的方法在离线评估和高电磁干扰测试中的应用，描述了数据集划分、增强策略以及在电磁噪声和高湿度条件下的鲁棒性评估。第7节介绍了相关研究，将我们的贡献与现有文献进行对比。第8节讨论了进一步研究的挑战和方向。第9节提供了结论性意见。
