基于超聲橫波的混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)成像技術(shù)

(上海勘察設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200093;上海巖土與地下空間綜合測(cè)試工程技術(shù)研究中心，上海 200093)

混凝土是房屋、橋梁、樁基等建筑結(jié)構(gòu)工程中的主要材料，其質(zhì)量直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)物的安全。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)是結(jié)構(gòu)健康管理中的重點(diǎn)方向。超聲波具有穿透能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、檢測(cè)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)勢(shì)，在建筑、水利水電等行業(yè)的混凝土無(wú)損檢測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用[1-3]。

超聲波在混凝土介質(zhì)中傳播，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的反射、透射、折射等現(xiàn)象，檢測(cè)效果很大程度上依賴(lài)于超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)的成像結(jié)果。近年來(lái)，新的超聲換能器、陣列技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的引入，帶動(dòng)了超聲成像技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。其中，超聲橫波反射法利用橫波不能在流體中傳播的特征，與超聲縱波法相比，其檢測(cè)效果對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的反應(yīng)更為敏感。常見(jiàn)的應(yīng)用包括厚度測(cè)定、裂紋定位以及內(nèi)置組件定位和非均質(zhì)性的表征[4-6]。目前，對(duì)于超聲橫波反射法檢測(cè)數(shù)據(jù)的成像通常采用合成孔徑聚焦技術(shù)(SAFT)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)際案例研究等方面對(duì)SAFT在混凝土超聲檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討[7-11]，表明SAFT能獲得高分辨率的檢測(cè)圖像。但往往在實(shí)際檢測(cè)中，由于混凝土介質(zhì)的非均質(zhì)性和復(fù)雜性，超聲波速估計(jì)的不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致信號(hào)不能被聚焦到真實(shí)位置，從而降低SAFT成像的質(zhì)量。同時(shí),超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)中會(huì)存在大量隨機(jī)反射干擾信號(hào)，若未對(duì)噪聲進(jìn)行有效壓制，將會(huì)影響SAFT成像的分辨率。

在油氣地震勘探領(lǐng)域，學(xué)者開(kāi)發(fā)了各種成熟的地震數(shù)據(jù)處理方法，將傳感器記錄的來(lái)自地下介質(zhì)的地震波信號(hào)通過(guò)振幅補(bǔ)償、濾波去噪、多次疊加、偏移成像等處理技術(shù)歸位到地下的真實(shí)位置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下介質(zhì)的成像。由于超聲波和地震波在固體介質(zhì)中具有相似的傳播特征，故可將成熟的地震波數(shù)據(jù)處理成像技術(shù)應(yīng)用于超聲波數(shù)據(jù)處理成像中，改進(jìn)混凝土超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)的成像效果。

筆者對(duì)商用陣列式超聲橫波檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)和儀器內(nèi)置的合成孔徑成像結(jié)果進(jìn)行了分析，然后基于地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)建立了一套適用于超聲橫波檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)成像處理流程，并結(jié)合實(shí)際模型案例對(duì)所提方法的成像效果和儀器內(nèi)置SAFT的成像效果進(jìn)行了比對(duì)。

1 超聲橫波檢測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)

研究對(duì)象為進(jìn)口的超聲橫波斷層掃描成像儀器，該儀器由12排換能器陣列和一個(gè)控制單元組成，換能器既可作為信號(hào)發(fā)射裝置，發(fā)射超聲橫波，也可作為接收裝置，接收超聲橫波。探頭內(nèi)的控制單元激活一排換能器作為信號(hào)發(fā)射端，而其他排的換能器作為信號(hào)接收端。圖1(a)為第一排換能器發(fā)射信號(hào)，其他換能器接收信號(hào)的過(guò)程示意。此后，下一排換能器發(fā)射信號(hào)，其右側(cè)的換能器接收信號(hào)。此過(guò)程循環(huán)重復(fù)，直至前11排換能器都已經(jīng)激發(fā)過(guò)信號(hào)為止。整個(gè)信號(hào)傳播與接收過(guò)程如圖1(b),1(c)所示。可見(jiàn)，超聲橫波檢測(cè)儀一次采集過(guò)程中，隨著各排的依次激發(fā)，接收信號(hào)的換能器個(gè)數(shù)逐漸減少，這種單邊觀(guān)測(cè)的方式對(duì)反射界面并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)均勻多次覆蓋(即對(duì)地下同一反射點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀(guān)測(cè))，不利于壓制隨機(jī)干擾和增強(qiáng)反射能量。因此，文章基于超聲橫波檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)特點(diǎn)，依據(jù)地震中炮檢互易定理，構(gòu)建均勻多次覆蓋觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，再對(duì)構(gòu)建的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、疊加、偏移成像等處理。

圖1 超聲橫波檢測(cè)儀信號(hào)傳播與接收過(guò)程

2 炮檢互易定理

在地震勘探中，炮檢互易定理定義了炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)互換時(shí)激發(fā)和接收的關(guān)系，其意義是：當(dāng)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的位置、方向互換時(shí)，得到的地震道信號(hào)記錄是不變的[12]。其中共炮點(diǎn)道集和共檢波點(diǎn)道集拼合法原理如圖2所示。

超聲橫波檢測(cè)儀12排換能器之間均構(gòu)成了單向波場(chǎng)的傳播路徑，依據(jù)互易定理，可對(duì)超聲橫波檢測(cè)儀單邊接收的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，使每一次超聲換能器激發(fā)都能得到有雙邊觀(guān)測(cè)效果的數(shù)據(jù)，盡可能增加數(shù)據(jù)的信息量，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部反射點(diǎn)的均勻覆蓋，有利于壓制隨機(jī)干擾，提高數(shù)據(jù)信號(hào)的信噪比，進(jìn)而改善后續(xù)超聲橫波偏移成像的效果。圖3(a)所示為超聲橫波檢測(cè)儀一次采集到的單邊觀(guān)測(cè)原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)互易定理重構(gòu)后得到如圖3(b)所示的雙邊觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，一次采集總道數(shù)從66道增加到144道。

圖2 共炮點(diǎn)道集和共檢波點(diǎn)道集拼合法原理示意

圖3 超聲橫波檢測(cè)儀單邊觀(guān)測(cè)原始數(shù)據(jù)和重構(gòu)后的雙邊觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 克希霍夫偏移成像

克?；舴蚱品ㄊ且环N加權(quán)衍射疊加的方法，在地震勘探資料的偏移處理中有很好的應(yīng)用效果[13]?？讼；舴蚍e分公式利用包圍空間任一點(diǎn)P的閉曲面上的波場(chǎng)值及其法向?qū)?shù)在該曲面上的積分來(lái)表示該點(diǎn)P的波場(chǎng)值。以三維無(wú)源項(xiàng)波動(dòng)方程為例，偏移剖面可由近似克?；舴蚍e分解來(lái)表示，即M(x,y,z)表示為孔徑A上的面積分，可以通過(guò)記錄波場(chǎng)的加權(quán)時(shí)間導(dǎo)數(shù)沿衍射面的空間積分來(lái)計(jì)算得到，如式(1)所示。

M(x,y,z)≈

(1)

地震數(shù)據(jù)處理中克?；舴蚱瞥上窦夹g(shù)與超聲橫波的SAFT在原理上有密切相似性?？讼；舴蚱品椒苓m應(yīng)任意傾斜角度的反射界面，對(duì)計(jì)算網(wǎng)格要求比較靈活。對(duì)于混凝土檢測(cè)對(duì)象，檢測(cè)界面多為平整界面，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為單一，介質(zhì)橫向速度往往變化不大，因此，克?；舴蚱品椒ㄍ耆m用于超聲橫波成像。

4 超聲橫波檢測(cè)數(shù)據(jù)處理流程

通過(guò)對(duì)超聲橫波檢測(cè)儀的采集觀(guān)測(cè)方式以及數(shù)據(jù)特點(diǎn)的分析，基于地震數(shù)據(jù)處理的思路，建立了一套適合超聲橫波檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)成像處理流程，具體步驟如下。

(1) 對(duì)超聲橫波檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，基于互易定理將單邊觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)為雙邊觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照多次覆蓋觀(guān)測(cè)方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列，得到一條檢測(cè)測(cè)線(xiàn)上多次采集的數(shù)據(jù)。

(2) 對(duì)多次采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括拾取初值、直達(dá)波切除、振幅補(bǔ)償、去噪(濾波)、動(dòng)校正。

(3) 根據(jù)重建的多次覆蓋觀(guān)測(cè)方式抽取共中心點(diǎn)(CMP)道集進(jìn)行疊加，得到多次疊加成果剖面。

(4) 最后對(duì)多次疊加成果剖面進(jìn)行克?；舴蚱瞥上?，得到最終成像結(jié)果。

5 大型實(shí)體模型應(yīng)用案例

結(jié)合超聲橫波檢測(cè)儀在大型實(shí)體混凝土道床模型上的應(yīng)用，對(duì)超聲橫波檢測(cè)儀器內(nèi)置SAFT與文章提出的成像方法進(jìn)行效果對(duì)比。

為了研究超聲橫波檢測(cè)儀對(duì)混凝土內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)的定位以及厚度的測(cè)定，按照真實(shí)隧道結(jié)構(gòu)制作了1…1大型實(shí)體模型。該模型由多塊管片拱底塊拼接而成，管片上部道床尺寸、配筋設(shè)計(jì)如圖4所示。模型上、下層鋼筋直徑為14 mm，上層鋼筋距道床表面15 cm，中心處道床厚度為70 cm，在澆筑過(guò)程中采用塑料薄膜使道床與管片之間形成間隙，模擬實(shí)際道床脫開(kāi)的情況。

圖4 混凝土道床模型設(shè)計(jì)示意

圖5為制作好的大型隧道道床模型實(shí)體照片，可見(jiàn)，沿管片延伸方向布置了一條檢測(cè)測(cè)線(xiàn)。圖6為檢測(cè)測(cè)線(xiàn)儀器內(nèi)置SAFT成像的結(jié)果。成像剖面中，道床上、下層鋼筋結(jié)構(gòu)反射清晰可見(jiàn)，道床與管片脫開(kāi)界面處反射軸能量較強(qiáng)且連續(xù)性好，管片上預(yù)制的兩個(gè)小臺(tái)階處均存在較強(qiáng)的反射，導(dǎo)致道床底界面反射軸在臺(tái)階處存在間斷。但成像剖面中道床與管片脫開(kāi)界面反射軸較“胖”，反射軸寬度約為10 cm，對(duì)于道床結(jié)構(gòu)深度變化的測(cè)定，其成像結(jié)果會(huì)引入較大的誤差，成像分辨率不足，另剖面中下層部分鋼筋反射能量并不明顯。

圖5 混凝土道床模型實(shí)體照片

圖6 儀器內(nèi)置合成孔徑技術(shù)成像剖面圖

圖7為文章方法處理得到的多次疊加剖面和偏移剖面。在多次疊加剖面圖中，道床底界面、管片預(yù)制小臺(tái)階的反射軸清晰可見(jiàn)，上下層鋼筋反射在疊加剖面中表現(xiàn)為繞射雙曲線(xiàn)特征。經(jīng)過(guò)偏移成像后，在圖7(b)中可以看到鋼筋繞射雙曲線(xiàn)歸位到鋼筋實(shí)際的反射位置，同時(shí)管片預(yù)制小臺(tái)階和管片間斷處的繞射波也歸位到真實(shí)位置，反射界面更加連續(xù)，間斷處特征更加明顯。與儀器內(nèi)置SAFT成像剖面(見(jiàn)圖6)相比，文章方法處理得到的偏移剖面中道床底界面反射軸更加“纖細(xì)”，反射軸寬度約為3 cm，成像分辨率明顯優(yōu)于儀器內(nèi)置SAFT的成像分辨率，具有較高的檢測(cè)精度；并且對(duì)道床結(jié)構(gòu)內(nèi)部上、下層鋼筋的成像也清晰可見(jiàn)，尤其下層鋼筋的成像效果明顯改善，剖面能量更加均衡。由此，進(jìn)一步說(shuō)明該方法對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)厚度的檢測(cè)精度均有提高。

6 結(jié)論

文章通過(guò)分析進(jìn)口超聲橫波檢測(cè)儀的采集方式和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，對(duì)其檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了解譯。借鑒成熟的地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)，建立了一套適用于超聲橫波檢測(cè)數(shù)據(jù)的成像處理方法。最后，結(jié)合實(shí)體模型的檢測(cè)案例對(duì)所提出的數(shù)據(jù)成像方法進(jìn)行了驗(yàn)證，并與儀器配套的國(guó)外商用SAFT軟件成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論。

(1) 基于地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)所建立的處理方法完全適用于超聲橫波檢測(cè)儀數(shù)據(jù)的處理，其成像結(jié)果能很好地刻畫(huà)混凝土內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)的分布以及層位界面的變化情況。

圖7 文章方法處理得到的多次疊加剖面和偏移剖面

(2) 與儀器配套的國(guó)外商用SAFT軟件成像結(jié)果相比，所提方法能顯著提升成像結(jié)果的分辨率，成像剖面中混凝土反射界面和對(duì)內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)的反應(yīng)更加明顯，更有利于混凝土的精細(xì)無(wú)損檢測(cè)。