合成孔徑聚焦超聲成像在混凝土探傷中的應用研究

呂曉光， 王明泉， 李光亞

（1.中北大學動態測試技術重點實驗室，山西 太原 030051；2. 中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

合成孔徑聚焦超聲成像在混凝土探傷中的應用研究

呂曉光1,2， 王明泉1,2， 李光亞1,2

（1.中北大學動態測試技術重點實驗室，山西 太原 030051；2. 中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

針對超聲波在混凝土檢測中分辨率低、成像質量差等問題，提出了采用合成孔徑聚焦技術對檢測聲波信號進行成像處理的方法。通過超聲波仿真軟件WAVE 2000建立混凝土缺陷模型，結合混凝土超聲探測的方式和特點，采用MATLAB軟件編寫相適應的合成孔徑算法及GUI界面。結果表明，在混凝土超聲探傷中，此方法確實有效地提高了成像質量。

混凝土；超聲波；合成孔徑；探傷；仿真

混凝土是工程建筑中非常重要的結構材料，對保證工程建筑的可靠性、安全性至關重要，因此，對混凝土結構材料進行無損檢測就顯得尤為必要。由于超聲波檢測方法具有穿透能力強，適應性強，設備簡單，操作方便，檢測成本低廉等特點，在工程無損檢測上得到了廣泛應用。近十年來，超聲檢測技術發展迅速，已廣泛應用到建筑、水電、鐵道等工程中[1]。超聲波檢測儀已成為混凝土無損檢測的必備裝置[2]。由于混凝土是非均勻各向異性的復合材料，并具有多孔性和黏彈塑性，超聲波在傳播過程中會產生復雜的反射、折射與透射等現象，能量衰減會很大，接收到的信號會摻雜結構噪聲、邊界面的反射和缺陷目標的反射等，這就使得信噪比非常的低[3]，若采用單探頭A掃描的方式很難從接收信號中判斷缺陷，且橫向分辨率比較低。

為了解決上述問題，且不增加硬件系統的復雜度，本文采用軟件計算的方法，利用合成孔徑聚焦技術(synthetic aperture focusing technique, SAFT)[4-6]來提高橫向分辨率，從而提高檢測效果。SAFT起先用在雷達信號的處理中，隨著合成孔徑雷達成像技術(synthetic aperture radar, SAR)的開發，而后才被應用到聲納及超聲成像中。SAFT成像已經在醫學超聲圖像的處理與重建中得到了廣泛地應用，然而在混凝土超聲檢測中卻應用的很少，本文旨在探究SAFT成像技術在混凝土探傷中應用的可行性。

1 合成孔徑聚焦超聲成像原理

SAFT的基本原理如圖1所示。假設探測區域內有一個目標反射點Q(i, j)，其與掃描方向線的垂直距離（深度）為R，一收發共置的超聲學探頭（本文以下仿真均采用此類探頭）沿掃描直線移動，探頭的直徑為d，每隔距離l發射一個聲波，同時接收目標反射點的回波信號并加以儲存。根據各成像點的空間位置，對接收到的回波信號做適當的時延后再合成得到逐點聚焦的圖像，這就是SAFT超聲成像技術。SAFT超聲成像其實是一種超聲后處理方法[7]，它能將小孔徑成像合成為大孔徑成像，從而提高了圖像的分辨率。

圖1 SAFT原理圖

2 SAFT算法的實現

2.1 SAFT重建公式

探頭在圖1中的±N位置時，聲束剛好包含Q(i, j)點，即在-N到+N之間的所有位置處探頭都能接收到 Q(i, j)點的回波信號，而以外的其他位置，探頭不能接收 Q(i, j)點的回波信號，所以合成孔徑后的綜合孔徑長度dm也就是-N到+N的距離。由于超聲波在不同路徑的傳播衰減情況不同，即探頭的發射聲束垂直于目標反射點時，接收到的回波信號能量最大，越遠離反射點，能量越小。在延時疊加運算時，如果是缺陷點的反射信號，則延時疊加后，回波可以同時達到輸出端，幅值增強，有規律性。對于非缺陷點的信號幅值會比較弱，無規律性[8]。在成像處理中，以每一個像素點作為基準點（缺陷點），接收信號關于基準點延遲疊加完成重建。

根據SAFT算法原理，對目標反射點Q(i, j)進行重建，由各個孔徑到反射點的位置的不同，引入適當的延時，這樣就會使不同位置接收到的回波信號同時進行疊加運算，從而得到聚焦以后的圖像。SAFT重建公式如下：

式中，2N+1為SAFT運算時參與運算的探頭位置的個數。fi(ti- Δti)為經過相應延時運算以后的第i個A掃描信號。

2.2 綜合孔徑長度計算

對于一個直徑為 d，工作波長為λ的探頭，其半功率波束角為：

由中心探頭到反射點 Q(i, j)的垂直距離為 R，可求得該探頭在反射點處橫向可分辨的距離長度dm為：

由圖1可知，dm即為合成孔徑后的綜合孔徑長度。由于合成孔徑時其各等效基元間的相位差是由發射和接收的“雙程”差引起的，相位差就大了一倍，即合成孔徑后的半功率波束角為：

于是SAFT后橫向分辨率的距離長度為：

值得注意的是合成孔徑的綜合長度 dm會隨著深度 R的增加而增大[9]。由式(3)可知，若 dm達到極限，即在綜合孔徑長度和超聲波在介質中的波長都一定的條件下，聚焦的有效深度R會隨著探頭直徑d的減小而減小，這樣就不利于深處點的聚焦。另外受加工工藝的限制，探頭直徑難以做的很小。發射電壓也受到一定限制，直徑越小，發射聲信號能量就越小，同時，接收靈敏度越低，這都會減小探測的深度。綜上可知，并不是探頭直徑越小越好，所以在實際應用時應綜合考慮，保證足夠的橫向分辨率的同時，探頭直徑應盡量大些。

由圖1可知，根據探頭的移動間隔l結合式(3)可求得參與運算的探頭位置的個數：

由式(6)可知，在超聲波長λ和探頭晶片的直徑d已知的條件下，參與合成孔徑運算的數目n只與掃描方向的移動間隔l和深度信息R有關。某一反射點Q(i, j)處的深度信息R可以由探頭在距離向的采樣間隔長度df來確定。

由式(6)和式(7)得：

式中，c為超聲波在介質中的傳播速度， fs為探頭的的工作頻率。由于參與運算的波束個數n應該為奇數，而由式(8)計算出來的通常又不是整數，所以算法實現上將其進行四舍五入，化為相離最近的奇數。

2.3 延遲時間的計算

在SAFT成像時，要想得到每個A掃描的延遲時間，就必須先求得各聲波在發射和接收過程中傳播距離的差值。距離中垂線位置m個間隔處的探頭到反射點Q(i, j)的雙程距離為：

則探頭在位置m時，相對于合成孔徑中心位置的聲程差為：

聯合式(9)和式(10)可求得參與運算的所有A掃描信號回波的延遲時間：

2.4 SAFT算法實現流程

(1) 讀取超聲檢測存儲的各A掃描信號數據；

(2) 從第一行數據開始，由式(7)向下依次計算每一點處的R，再由式(8)求得相應的數目n，n四舍五入取最近的奇數；

(3) 采用式(10)和式(11)計算探頭在不同掃描位置時的聲程差及延遲時間；

(4) 采用式(1)對回波信號重建成像。

3 模型仿真與結果處理

由于實驗條件的限制，采用了商用超聲波仿真軟件WAVE 2000建立混凝土的缺陷模型，它是在超聲檢測方面被廣泛應用的專業仿真軟件之一。建立的混凝土缺陷模型如圖2所示。混凝土模塊的寬為160 mm，高為200 mm，在混凝土模塊高度為100 mm處，設置兩個直徑為20 mm的圓形空洞缺陷。采用收發共置的探頭，探頭直徑設為10 mm，探測頻率設為200 kHz，邊界條件均設為無邊界，擬定超聲波在混凝土中的平均傳播速度為3100 m/s，則直接調用軟件的混凝土模塊，密度為2600 kg/m3，拉梅系數24990 MPa，配置相應的聲能衰減，其具體參數設置如圖3所示。探頭每移動5 mm記錄一次A掃描信號，并將記錄數據以文本的形式保存在計算機中。

圖2 混凝土模型

圖3 混凝土參數

結合以上仿真得到的數據，采用MATLAB編寫SAFT算法，為了便于數據操作和成像效果的顯示，編制了圖形用戶界面(graphical user interface, GUI)。直接原始數據的B掃描成像和經過SAFT處理后的成像結果如圖 4所示。圖 4的結果是截取WAVE 2000保存的TXT數據中的一部分。

雖然SAFT應用比較廣泛，但在混凝土結構中，由于其有效的聚焦深度范圍比較小（圖4中合成孔徑最大長度為120 mm左右時，實際可聚焦的深度僅為46 mm左右），在聚焦極限附近成像時還可能會存在很大的偏差，尤其是在靠近邊緣的部分，而且聚焦效果會隨著深度的加深而變差，并且可能出現很強的偽影[10]。然而，在混凝土實際檢測中，檢測深度都是在幾十厘米以上，這樣就要求在橫向采樣大量的數據以滿足聚焦深度的要求，否則可能會使有效聚焦深度以外的數據得不到有效的聚焦，從而影響檢測的結果，這極大地限制了SAFT在混凝土超聲檢測中的應用。

基于以上考慮，使用單探頭進行混凝土檢測時，在有效聚焦深度以內采用原SAFT方法，超出有效聚焦深度后，以當前像素點為中心，以左右可獲得的較少的孔徑數目為半徑，進行延時疊加運算。這樣既充分利用了采集到的有效數據，又在一定程度上提高了 SAFT的深度。仿真處理結果如圖4所示，在深度為100 mm左右處的缺陷也能達到比較好的聚焦效果。圖5是SAFT處理前后的網格圖顯示，可以看出能量主要集中在缺陷處附近，而非缺陷附近得到了改善，但可以看出在邊緣附近SAFT處理后效果不是很好，這是由于邊緣處采集數據不足造成的，擴展橫向采集的數據便可改善邊緣處缺陷的檢測效果。

圖4 SAFT處理前后比較

圖5 處理前后比較

重新建立的混凝土缺陷模型，將其缺陷間距縮小到50 mm，探頭每移動10 mm記錄一次A掃描信號，仿真處理結果如圖6所示，直接成像時兩缺陷處幾乎相連，很可能造成誤判，而經過SAFT處理后成像就能很好地區分開來，提高了檢測的橫向分辨率。圖7是SAFT處理前后的網格圖，可以很直觀地觀察缺陷回波能量的分布狀態，SAFT處理后的缺陷回波能量明顯比處理前更集中，這樣缺陷定位就會更加準確。

圖6 SAFT處理前后比較

圖7 處理前后比較

4 結 論

本文針對混凝土超聲檢測的特點及存在的問題，采用SAFT成像處理技術，通過仿真軟件建立混凝土缺陷模型，找到了在收發共置的單探頭檢測條件下，適用于混凝土超聲檢測的SAFT方法。仿真結果表明，此方法確實有效地提高了混凝土超聲探測的橫向分辨率及成像的質量。

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Application of Synthetic Aperture Focusing Technique in Ultrasonic Detection of Concrete

Lv Xiaoguang1,2, Wang Mingquan1,2, Li Guangya1,2
(1. Key Laboratories of the Dynamic Testing Technology, North University of China, Taiyuan Shanxi 030051, China; 2. School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan Shanxi 030051, China)

Synthetic aperture focusing technique is proposed to focus on the problem of low resolution and poor image quality in ultrasonic detection of concrete. The model of defect in concrete is established by WAVE 2000. Combining with the methods and characteristics of ultrasonic detection in concrete, MATLAB is used to write synthetic aperture algorithm and the GUI interface. The results indicate that the method is indeed effective in improving image quality of defect detection in concrete.

concrete; ultrasonic; synthetic aperture; detection; simulation

TB 553

A

2095-302X(2014)06-0946-04

2014-04-03；定稿日期：2014-06-12

國家自然科學基金資助項目(61171177)；山西省青年科技研究基金資助項目(2012021011-1)

呂曉光(1988-)，男，河北石家莊人，碩士研究生。主要研究方向為信號與信息處理。E-mail：251278939@qq.com