連續太赫茲波成像在混凝土無損檢測中的應用

□文/高 翔 劉曉慶 戴子杰 劉偉偉

隨著我國工程建設事業的飛速發展，混凝土已經成為使用最廣泛的建筑材料之一，在基礎設施建設領域發揮著越來越重要的作用[1]。混凝土的質量檢測直接關乎人民生命財產安全和國家經濟發展；因此，如何高效準確地實現混凝土構件無損檢測，已經成為工程建設領域研究的重要課題。

當前混凝土無損檢測主要集中在以下兩部分。

1）鋼筋籠檢測。為了提高混凝土的機械強度，通常在混凝土澆筑過程中引入鋼筋籠結構，因而鋼筋的粗細、長度、缺失情況等信息的獲取十分重要。目前普遍采用電磁式探測儀檢測，包括瞬變電磁法、磁梯度法等，他們的工作原理大同小異，即探測儀向混凝土構件發射磁場，隱匿于其中的鋼筋會感應產生電磁場，其感生場的強度和梯度分布與鋼筋的外貌信息密切相關，通過測量感生電磁場，可以實現對混凝土中鋼筋的無損檢測。但由于實際施工作業現場環境惡劣復雜，很多因素都會干擾電磁信號的探測，因此基于電磁式的探測方法存在環境要求高、穩定性差等弊端[2～3]。

2）空洞檢測。混凝土澆筑和噴射作業過程中，由于振搗不足、漏漿等原因，有時在鋼筋等結構體間會形成不密實甚至是空洞區域，這些缺陷極大地降低了構件的承重能力，具有安全隱患。目前常用超聲波無損檢測技術探測混凝土中的空洞缺陷，通過測量超聲波在混凝土傳播過程中振幅、頻率、波形等參數，找出變化規律，判斷缺陷的位置與性質。但是超聲探測法在實際應用中也存在問題，例如超聲信號易受混凝土配比、骨料以及鋼筋等干擾，影響檢測精度[4～6]。

太赫茲波（Terahertz，THz）通常是指振蕩頻率介于0.1×1012～10×1012Hz 的電磁波，相應的波長范圍為0.03～3 mm[7]。太赫茲波具有較低的光子能量，以1 THz 為例（1 THz=1012Hz），其光子能量僅為 4.14 meV，約為X射線的1/1 000 000，低于大多數物體的化學鍵能，因此太赫茲波是無損檢測領域的理想光源。太赫茲波對非極性材料具有很好的透過特性，透不過去金屬等極性材料，因此被廣泛用于不透明物體的透視成像[8]。

針對上述混凝土無損檢測領域存在的兩大重難點問題，本文提出了基于連續太赫茲波成像技術的方案并將其應用于混凝土無損檢測中。相比于之前的脈沖太赫茲波成像[9～10]，連續太赫茲波成像的混凝土無損檢測系統無需使用飛秒激光器、太赫茲天線等器件，系統結構得到簡化，成本也進一步降低。

1 試驗系統搭建

基于連續太赫茲波成像的混凝土無損檢測系統見圖1。

圖1 基于連續太赫茲波成像的混凝土無損檢測系統

采用的連續太赫茲波源（S）為TeraSense 公司的雪崩二極管，中心頻率為0.1×1012Hz，線偏振態，功率約為95 mW。太赫茲波經由天線輸出后耦合到太赫茲波導管中，進行低損耗傳輸[11]；后在太赫茲波導管中放置分束比為5∶5的高阻硅半透半反鏡，透射太赫茲波信號繼續在波導管里傳輸至焦距為50 mm 的太赫茲平凸透鏡，其作用是將入射的太赫茲波匯聚于焦點位置；將待成像樣品置于此焦點位置處，攜帶樣品信息的太赫茲波信號被樣品反射后，再次耦合到太赫茲波導管中傳輸，經過半透半反鏡反射至太赫茲探測器中，與太赫茲波源相配套，連續太赫茲探測器由VDI 公司生產，其探測中心頻率為0.1×1012Hz，探測器將太赫茲波信號轉換成電壓信號，然后通過BNC線傳輸至NI高速數據采集卡，將模擬信號采集轉換成數字信號，傳輸到計算機進行數據處理。

所用的太赫茲波源、太赫茲探測器、太赫茲波導管、半透半反鏡、太赫茲透鏡和采集卡一體化集成式設計，即圖1a 中黑色虛框區域，整體固定在三維電控平移臺上。成像過程中，系統整體步進掃描，而待成像樣品保持固定不動。

值得一提的是，太赫茲波導管、聚焦透鏡以及系統的框架均由試驗室3D打印制備，波導管長度、結構和透鏡的焦距、幅面均可以根據實際情況靈活變化。

2 結果與分析

首先，用太赫茲探測器在太赫茲焦點附近作二維掃描，光斑呈高斯分布，接著取一條過高斯光斑中心的線，畫出其強度分布圖并用高斯線型擬合，其擬合優度R2為93.8%，呈較好的高斯特性，同時可以得到焦點處光斑的半高全寬為3.37 mm，接近所用太赫茲波源的波長3 mm，證明系統具有較高的成像空間分辨率。見圖2-圖4。

圖2 混凝土的太赫茲成像過程

圖3 焦點位置處的太赫茲高斯光斑

圖4 光斑黑色虛線對應的高斯強度

由于混凝土在太赫茲波段具有一定的折射率，為1.5 左右[11]；因此，需考慮太赫茲波從空氣傳輸至混凝土界面時的折射。

將透鏡以后的太赫茲光束傳播過程分解為兩個階段：

1）太赫茲波在入射到混凝土表面前，按照高斯型分布在空氣介質中傳播；

2）太赫茲波進入混凝土后，按照高斯型分布在混凝土中傳播。

將太赫茲波在空氣介質中的束腰位置記為z=0，為了獲得較高的空間分辨率，將混凝土樣品置于z=0處。

第1 階段，太赫茲波在空氣中傳輸的瑞利長度為[12]

由于太赫茲光束的腰長ω0=3.37 mm，由此可以算出任意位置處太赫茲的腰長

同樣，也可以算得任意位置處高斯型太赫茲波的曲率半徑

由式（2）和式（3）可得太赫茲在z=0 處的束腰ω（Z=0）與曲率半徑R（Z=0），以此作為第2 階段的初始條件。同理可得太赫茲波在混凝土中傳輸的瑞利長度為

由式（5）和式（6）可得太赫茲波在混凝土傳輸過程中的束腰位置，即為考慮混凝土折射率參數后的太赫茲焦點位置

所有的太赫茲波成像都進行了折射率修正。首先對混凝土中的鋼釘進行太赫茲波二維成像檢測，鋼釘A 和B 插入混凝土不同位置。其中A 釘長約38 mm，直徑9 mm；B 釘長約21 mm，直徑4 mm。成像結果表明，采用太赫茲波無損檢測技術能夠清晰呈現混凝土中鋼筋的長度、粗細信息，見圖5a。圖5b 為30 mm 厚的混凝土切塊，在其表面鉆出大小為10、6 mm的空洞，然后從其背面對混凝土進行太赫茲波成像無損檢測，可以探測到混凝土內部的空洞，見圖5c。

圖5 太赫茲波成像無損檢測

連續太赫茲波成像為混凝土無損檢測提供了一種可行的技術方案，在基礎建設領域具有廣闊的應用前景。需要說明的是，由于試驗用太赫茲波源功率較低，因此能穿透的混凝土深度有限，僅為50 mm，如果換用更高功率的太赫茲波源能進一步增加穿透深度，可以探測更大的混凝土構件；另外由于系統目前采用電控平移臺掃描成像，因此成像速度較慢，需要約3 min，可以通過引入高速二維掃描振鏡，實現快速實時檢測成像[13]。

3 結論

本文提出并搭建了一套基于連續太赫茲波成像的無損檢測系統并將其應用于混凝土中鋼筋與空洞的檢測，考慮了混凝土的折射率，對成像結果進行修正。結果表明，太赫茲波成像能清晰地呈現出混凝土構件中鋼筋和空洞的信息，為混凝土檢測提供了一種新的研究思路。

與電磁式探測儀、超聲探測儀等混凝土無損檢測技術相比，太赫茲波成像技術具有穩定性好、抗電磁干擾、可靠性高等優勢，在工程質量檢測與基礎建設領域具有極大的應用前景。