合成孔徑算法在混凝土檢測中的應用

常俊杰, 李娟娟

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2.日本探頭株式會社, 橫濱 232-0033)

合成孔徑算法在混凝土檢測中的應用

常俊杰1,2, 李娟娟1

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2.日本探頭株式會社, 橫濱 232-0033)

針對超聲波在混凝土檢測中出現的高衰減、高散射、結構噪聲大、缺陷信號難于識別和提取的問題，采用合成孔徑聚焦成像方法對信號進行處理,提高了成像的分辨率和信噪比。用超聲波仿真軟件WAVE 3000建立混凝土數值模型，模擬了超聲波在混凝土中的傳播過程并進行成像;搭建試驗系統開展了混凝土超聲波檢測試驗并進行了成像。成像結果表明：該方法可以使混凝土異常體處超聲波的能量增強，結構噪聲信號的能量減弱，有效提高了缺陷信號的信噪比和分辨率，為混凝土的超聲檢測提供了一定的參考價值。

混凝土；超聲波檢測；合成孔徑聚焦技術；信噪比

近年來混凝土結構廣泛應用于樓房、橋梁和水利等公共設施的建設中，與人們的人身財產安全有著緊密的聯系。因此，混凝土結構施工完成以后需要對其進行檢測，并確保混凝土結構服役過程中的安全性、可靠性和耐久性。超聲波檢測具有穿透能力強、檢測厚度大等優點，在混凝土檢測中得到了廣泛應用。由于超聲波在混凝土中傳播時衰減很大，所以采用的超聲波的頻率一般在20 kHz200 kHz間[1]。但即使是低頻超聲波，其在混凝土中傳播遇到內部骨料時也會發生嚴重的散射折射而造成信號衰減，并產生結構噪聲，使得缺陷信號難以識別和提取[2]。

合成孔徑聚焦技術(Synthesis Aperture Focusing Technique，SAFT)是一種成像方法，可以用小尺寸的換能器并在較低的工作頻率下獲得很高的方位分辨率[3-5]，在超聲無損檢測中已經得到了一定的應用[6-8]。筆者采用超聲波仿真軟件WAVE 3000建立混凝土數值模型模擬超聲波在混凝土中的傳播，并搭建混凝土超聲檢測系統，進行混凝土結構的超聲檢測技術研究。最后，用合成孔徑聚焦技術對B掃描成像結果進行處理，提高了圖像的清晰度和信噪比，證明了該成像檢測技術的可行性。

1 合成孔徑聚焦超聲成像原理

1.1 合成孔徑聚焦超聲成像原理

合成孔徑聚焦技術的超聲成像原理是：如圖1所示，在一個物體內部有一個缺陷P(i,j)，P到物體表面的垂直距離為R，發射探頭固定在物體表面N1處，接收探頭從距離發射探頭x處開始以一定步進沿掃描直線移動，每移動一次接收一個缺陷反射信號并存儲;然后,根據缺陷的空間位置對接收到的缺陷信號進行延遲疊加。合成孔徑聚焦技術的優勢是可用小孔徑的換能器合成大孔徑的換能器，可在低工作頻率下對遠處的目標物做高方位分辨率的探測[9]。

圖1 合成孔徑聚焦超聲成像原理示意

1.2 SAFT算法實現

如圖1所示，一個直徑為D的換能器的半功率點波束角為:

(1)

則換能器的輻射聲束在方位向的照射區域為：

(2)

式中：λ為波長；D為換能器的直徑；R為缺陷P到探頭移動軌跡的垂直距離[10]。

發射探頭在N1處發射超聲波，在N1和N3之間的任何位置都可以接收到P點的反射回波，而其他的任何位置都接收不到P點的反射回波。如圖1所示，發射探頭固定不動，接收探頭從距離發射探頭中心x處(x應略大于探頭的直徑D)以一定步進沿直線移動同時接收反射回波。

缺陷到接收探頭的距離為r，缺陷到掃描線的垂直距離為R，缺陷到N3的距離為r，則將接收探頭在N3處接收到的缺陷信號疊加到接收探頭在N2處接收到的缺陷信號所延遲的時間為:

(3)

式中:v為超聲波的傳播速度。

因此根據成像點的空間位置，計算出成像點到發射探頭和接收探頭的距離，進而計算出相應的延遲時間，通過對不同位置處接收到的缺陷回波信號施加相應延遲后，再相加求和即可得到P點的聚焦信號，算法表達式為[11]：

(4)

式中:M為參與合成孔徑計算的A掃描信號的個數；tm為第m個A掃描信號fm(tm)的時間；Δtm為第m個A掃描信號的延遲時間；fm(tm-Δtm)為第m個經過相應延遲運算后的A掃描信號。

只有在聲程上滿足合成孔徑要求的反射信號才能疊加增強，對于結構噪聲和其他的干擾信號會減弱。

2 仿真模型及成像結果

2.1 仿真模型

圖2 混凝土仿真模型

采用超聲波仿真軟件WAVE 3000建立混凝土數值仿真模型，如圖2所示，仿真模型的長X寬X高為400 mmX200 mmX200 mm，在其上長200 mm,高100 mm處設置一個直徑為10 mm的圓形通孔作為混凝土內部的異常體。發射探頭和接收探頭的直徑為10 mm，頻率為100 kHz，激勵信號為高斯脈沖信號，底面為有限邊界條件,其余面為無限邊界條件。超聲波在混凝土中的縱波速度為3 100.25 m·s-1，混凝土的密度為2 600 kg·m-3。分別將異常體設置為空氣和鋼筋進行研究，空氣縱波速度為344 m·s-1(空氣的密度為1.24 kg·m-3)；鋼筋縱波速度5 659 m·s-1(鋼筋的密度為8 030 kg·m-3)。

如圖2所示，發射探頭固定在x=100 mm,y=0 mm,z=100 mm處。第一個接收探頭的位置為x=170 mm,y=0 mm,z=100 mm，沿x軸方向每隔1 mm設置一個接收探頭，最后一個探頭的位置為x=297 mm,y=0 mm,z=100 mm，共采集128組信號。

2.2 混凝土內部有異常體時的成像結果

混凝土內異常體為空氣時接收探頭接收到的A掃波形如圖3所示，圖中虛線框內是異常體的反射回波，實線框內是底面回波，接收探頭在7893 ms時刻接收到異常體回波，在135148 ms時刻接收到底面回波。

圖3 混凝土內異常體為空氣時的A掃波形

混凝土內異常體為空氣時的B掃描圖像如圖4(a)所示，可見B掃描圖形中異常體的深度約為100 mm,與實際深度差別約為5 mm。合成孔徑聚焦處理后的成像結果如圖4(b)所示，可見異常體的深度約為95 mm，與實際深度一致。

圖4 混凝土內異常體為空氣時的成像結果

圖5 混凝土內異常體為鋼筋時的成像結果

混凝土內異常體為鋼筋時的B掃描圖像如圖5(a)所示，可見異常體的深度約為105 mm，與實際深度的誤差為10 mm。合成孔徑聚焦處理后圖像如圖5(b)所示，可見異常體的深度約為100 mm，與實際深度還存在一定的誤差。與異常體為空氣時相比，異常體的反射回波幅值略低，這是由于鋼筋和空氣的聲阻抗不同而引起的。

2.3 成像結果分析 與B掃描圖像相比，合成孔徑聚焦處理后缺陷處的信號幅值增大，其他部分的幅值減小，并且異常體的深度更接近于缺陷的實際位置，達到了一定的聚焦效果。但是由于探頭的頻率較低，發散角大，聲束指向性不好，缺陷的反射信號在很大的范圍內能被檢測得到，從而使得缺陷在橫向的尺寸大于缺陷的實際尺寸[12]。

3 試驗及成像結果

圖6 混凝土試塊圖片

如圖6所示，混凝土試塊的尺寸為長400 mm(x)、寬200 mm(y)、高200 mm(z)。在試塊x=200 mm，y=100 mm處放置一個直徑為30 mm的PVC管作為缺陷。采用頻率為50 kHz，直徑為40 mm的平面探頭測得混凝土的聲速為3 734 m·s-1。

混凝土檢測時使用頻率為100 kHz，長寬均為10 mm的滾輪探頭。發射探頭固定在x=100 mm,y=100 mm,z=0 mm處;接收探頭從x=170 mm,y=100 mm,z=0 mm處沿x軸移動，每移動1 mm采集一次A掃描信號，共采集180組信號。第90,100,110,120個掃描位置接收到的A掃波形如圖7所示，圖中虛線框內是表面波，并且幅值很高、時域波形很長，缺陷回波和底面回波淹沒在表面波中而很難被區分出來。圖8是對接收信號進行合成孔徑聚焦處理后第90,100,110,120個掃描位置的波形，可以看出合成孔徑聚焦處理后表面波的幅值減小，缺陷回波信號幅值增大，但是由于結構噪聲太大，效果不是很明顯。

圖7 混凝土試塊不同接收位置處的A掃波形

圖8 混凝土試塊不同接收位置處合成孔徑聚焦處理后的A掃波形

圖9 混凝土試塊的B掃和SAFT處理后的圖像

試驗采集波形的B掃描成像結果如圖9(a)所示，從B掃描信號中可看出表面直達波很強，結構噪聲很大，缺陷信號很難區分出來。合成孔徑聚焦處理后的成像結果如圖9(b)所示,合成孔徑聚焦處理后表面直達波和結構噪聲減小，缺陷處信號的幅值增大，可以觀察到缺陷的存在，但是與缺陷的實際深度相差較大。

4 結論

(1) 通過有限差分軟件對超聲波在混凝土中的傳播進行了模擬，根據合成孔徑原理編寫算法對掃描信號進行了聚焦處理，成像結果準確地顯示了異常體的位置。

(2) 搭建了試驗系統進行試驗，合成孔徑聚焦處理可有效抑制結構噪聲和表面直達波的影響，但不能對缺陷的深度進行準確判斷。

(3) 試驗時采用手動方式移動探頭，會對檢測結果造成一定的影響。這種情況可通過改進試驗條件設計自動檢測裝置，選用時域較窄的探頭進行試驗來降低外部環境的影響，提高檢測效果。

[1] 李秋鋒. 混凝土結構內部異常超聲成像技術研究[D].南京：南京航空航天大學,2008.

[2] 邵志學，石立華，張琦.混凝土超聲檢測技術的研究與實現[J].振動、測試與診斷,2012，32(3):397-401.

[3] 呂曉光，王明泉，李光亞. 合成孔徑聚焦超聲成像在混凝土探傷中的應用研究[J]. 圖學學報, 2014，35(6):950-953.

[4] WENNERSTR?M E, STEPINSKI T， OLOFSSON T. An iterative synthetic aperture imaging algorithm with correction of diffraction effects[J].IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2006, 53(5): 1008-1017.

[5] JENSEN J A, NIKOLOV S, GAMMELMARK K L, et al. Synthetic aperture ultrasound imageing[J].Ultrasonic，2006，44(8)：5-15.

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[10] 孫寶申，沈建中.合成孔徑聚焦超聲成像(一)[J].應用聲學，1993，12(3)：43-48.

[11] 孫寶申，沈建中. 合成孔徑聚焦超聲成像(二)[J]. 應用聲學，1993，12(3)：39-44.

Application of Synthetic Aperture Algorithm in the Detection of Concrete

CHANG Jun-jie1,2, LI Juan-juan1

(1.Key Lab of Nondestructive Testing,Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063,China; 2.Japan probe Corporation， Yokohama 232-0033, Japan)

Aiming to solve the problems that the ultrasonic signal is characteristic of high attenuation，high scattering and high structural noise, and the flaw signal is hard to obtain and hard to be identified when detecting concrete with ultrasonic testing,this paper presents a synthesis aperture focusing technique(SAFT) to process signal aiming at enhancing the resolution ratio and SNR of the imaging. Firstly，a numerical analysis software WAVE 3000 is employed to build a three-dimensional concrete model which is used for simulating the ultrasonic propagation process inside the concrete. The experimental research is then developed on the system which is set on a large size concrete block samples. The imaging results show that the algorithm can enhance the power of ultrasonic echo signal around the defects and weaken the power of noise signal，which improves the signal SNR of the defect and shows the actual position of the defects，providing reference for concrete testing with ultrasonic.

Concrete；Ultrasonic inspection; Synthesis aperture focusing technique; Signal noise ratio

2016-09-08

國家自然科學基金資助項目(No.11464030);江西省自然科學基金資助項目(20132BAB201020)

常俊杰(1964-)，女，副教授，碩士研究生導師，主要從事固體力學以及超聲無損檢測與評價方面的研究工作。

常俊杰,E-mail:junjiechang@hotmail.com。

10.11973/wsjc201704005

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0022-04