CN102967657A - 一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置及方法，主要用于混凝土结构中缺陷的检测。一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，包括：产生大功率脉冲信号的信号激励模块，与信号激励模块相连的信号发射接收模块，与发射接收模块相连的信号采集模块，基于合成发射孔径成像技术的信号处理模块与显示模块，信号处理模块与信号采集模块相连接，显示模块与信号处理模块相连接，用于以彩色图片的形式直观地展示整个检测结果。本发明不但避免了对一些无缺陷的区域进行不必要的探测与计算，节省了成本，而且提高了检测的精确度。

Description

一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测方法

技术领域

本发明公开了一种用于混凝土结构，特别是对桥梁T梁、厢梁中预应力孔道波纹管压浆质量进行无损检测的装置及方法，属于超声无损检测技术领域。

背景技术

无论是工业及民用建筑，还是公路、铁路、水利及水电工程等都广泛使用混凝土材料，混凝土的质量关系到整个工程的质量。传统的混凝土检验方法是在浇筑地点随机抽取试样，对试样进行抗压强度试验，由试验结果来评定混凝土的强度。这种检测不能代表所有情况，且具有破坏性。近几年，无损检测技术作为检测混凝土质量的有效方法，越来越受到关注。

目前常用的混凝土无损检测方法有：

（1）回弹法：以在混凝土结构或构件上测得的回弹值和碳化深度来评定混凝土结构或构件强度的一种方法。它简单、经济，但只能测得混凝土表层的质量状况，应用范围受到了极大的限制。

（2）冲击回波法：用激振源在混凝土表面冲击来产生应力波，然后由放置在冲击器附近的接收传感器接收反射回来的压缩波，经过主机分析用于计算混凝土的厚度、探测内部的孔洞、裂缝、剥离等缺陷。由于该法采用单面测试，特别适合于只有一个测试面如路面、护坡、底板、跑道等混凝土的检测。

（3）表面波频谱成像法：一种建立于应力波在层状弹性介质传播理论基础上的检测方法。这里所讨论的波阵面是一个圆柱体，同意波长的瑞利波传播特性反映了梁体内部沿水平方向的变化情况。

（4）探地雷达法：探地雷达利用宽带短脉冲（脉冲宽为数纳秒以至更小）形式的高频电磁波（主频十数兆赫至数百以至千兆赫）通过天线由地面送入地下，经地层或目标体反射后返回地面，然后用另一天线接收。它主要是利用不同介质在电磁属性上的差异会造成雷达反射回波的变化这一原理进行检测，反射脉冲波形明显程度是探地雷达图像地质解释的重要依据。

（5）声发射技术：该技术是利用结构受荷载时所发射AE信号的能量、振幅、波长和频率等，来确定其内部结构、缺陷或潜在缺陷的形成机理。

（6）超声波CT法：即将计算机层析成像（CT）技术用于混凝土超声波检测。该方法首先将待检测混凝土断面剖分为诸多矩形单元，然后从不同方向对每一单元进行多次超声波射线扫描，最后将数据进行计算成像。

混凝土是由水泥石、砂、碎石或卵石等不同的原材料组成，结构比较复杂，内部存在各种不同的界面。弹性波在混凝土中传播时，如遇有结块空腔等内部缺陷或组织，就会被这些结构散射，产生回波信号。这些回波信号带有物体内部结构的特性信息，将其进行处理，可以得到混凝土的内部结构。但是混凝土本身的特性，使得高频波段在其中的衰减较大，同时，波在混凝土中传播的指向性也较差。故而目前的装置、方法检测的准确度及精度还都无法达到工程要求，实测中经常出现误判。

合成孔径模式是向一定范围发射均匀的波束，将反射回来的波经过高性能计算机处理，做成图像。该方法将低成本的小孔径、低功率天线或换能器接收到的较弱的回波信号进行合成，从而得到较清晰的数据图像。其优势在于：1、提高了聚焦区域的横向分辨率；2、能够在聚焦区域产生动态聚焦效果。目前，合成孔径技术已在雷达、声纳方面得到了广泛应用。

发明内容

本发明的目的是针对混凝土质量检测，提出一种较以往更为精确、直观、经济的无损检测装置及方法，从而更好地提取出压浆密实度缺陷等信息，更有效地对桥梁或建筑等混凝土结构进行质量监测和维护。

为了达到上述目的，本发明主要采取的技术方案有：

一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，包括：产生大功率脉冲信号的信号激励模块，与所述信号激励模块相连的信号发射接收模块，与所述发射接收模块相连的信号采集模块，基于合成发射孔径成像技术的信号处理模块与显示模块，所述信号处理模块与信号采集模块相连接，所述显示模块与信号处理模块相连接，用于以彩色图片的形式直观地展示整个检测结果。

上述信号激励模块包括以放电原理为核心的高频大功率脉冲信号发生器、以高频功率放大器为核心的功率放大模块；所述大功率脉冲信号发生器采用控制电容充放电产生高压信号，再经过脉冲变压器大幅度增大信号幅值来激发脉冲信号的方案，与所述功率放大模块相连接。

上述信号发射接收模块包括发射换能器、接收换能器阵列、旋转扫描系统；所述旋转扫描系统与发射换能器和接收换能器阵列相连，用于带动所述接收换能器阵列绕发射换能器进行360度旋转。

上述发射换能器为单个与所述信号源相匹配的圆形大功率压电陶瓷发射换能器，用于发射超声信号，与所述信号激励模块相连。

上述接收换能器阵列为线性阵列，由若干与所述发射换能器相匹配的圆形超声信号接收换能器等间距线性排列组成，用于接收回波信号，与所述信号采集模块相连。

上述信号采集模块包括运算放大模块、高速A/D转换模块、高速控制模块和计算机终端，所述各个模块依次连接。

上述信号处理模块包括匹配滤波模块、功率放大模块、存储模块、合成孔径超声成像算法模块、信号质量比较模块。

上述合成孔径超声成像算法模块采用合成发射孔径成像技术，即通过用合成孔径技术对单个换能器发射、多个换能器接收的信号进行处理实现聚焦。

上述信号质量比较模块对各个方向的经合成孔径超声成像技术处理过的信号的质量进行比较，记录信号质量最优的方向，以便对该方向的数据进行进一步处理。

一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）信号激励模块产生大功率脉冲信号，激励发射换能器，产生超声信号；

（2）接收换能器阵列对回波信号进行接收；

（3）信号采集模块对信号发射接收模块接收到的信号进行采样，量化处理；

（4）旋转扫描系统控制接收换能器阵列绕发射换能器旋转15度，重复步骤（2）、（3），直至接收换能器阵列较初始位置旋转了360度为止；

（5）对采集到的回波信号进行匹配滤波、功率放大以及数据存储；

（6）使用合成孔径超声成像技术再次对信号进行处理，即对各个换能器接收到的信号进行合成，从而提高其分辨率；

（7）由信号质量比较模块对各个方向的信号质量进行比较，找出信号较为明显的方向；

（8）对步骤（7）中所得到的方向上的信号进行进一步细致的处理，采用波包分解法结合合成孔径超声成像算法提高图像分辨率，并将处理后的信号输出到显示模块；

（9）用彩色图像展示出所得到的聚焦图像及相关数据，展示出被测波纹管缺陷存在与否、缺陷位置、缺陷形状。

本发明所达到的有益效果：

本发明公开了一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置及方法，主要用于对混凝土结构，特别是桥梁T梁、厢梁中预应力孔道波纹管压浆质量的检测。

无论是工业及民用建筑，还是公路、铁路、水利及水电工程等都广泛使用混凝土材料，混凝土的质量关系到整个工程的质量。声波在混凝土中传播时，如遇有结块空腔等内部缺陷或组织，声波就会被这些结构散射，产生回波信号。这些回波信号带有物体内部结构的声学特性信息。本发明将回波信息进行处理，从而得到混凝土的内部结构。

本发明主要应用合成发射孔径成像技术(STA)对所接收到的超声信号进行处理。合成孔径技术是将低成本的小孔径、低功率的基元换能器接收到的回波信号进行合成，使其等效成有较高分辨率的较大孔径的基阵。而STA通过单个换能器发射，多个换能器接收实现聚焦，只需要存储多个回波数据，成像的帧率能得到较大提高，可实现发射接收的动态聚焦，提高图像的分辨率。

由于缺陷的形状不规则，从各个方向接收到的信号强度必然不同，本发明在信号探测时，先采用由接收阵列绕激励源进行360度旋转扫描的方式对目标进行简单的全方位探测，再进一步对缺陷信号较明显的方向的数据进行重点、细致的处理。这一方法不但避免了对一些无缺陷的区域进行不必要的数据处理计算，节省了成本，而且提高了检测的精确度。

附图说明

图1是本发明的检测装置示意图；

图2是本发明的信号采集模块结构图；

图3是本发明的信号处理模块结构图；

图4是本发明的信号处理模块结构图；

图5是缺陷形状对回波信号影响的示意图；

图6是缺陷位置对回波信号影响的示意图；

图7是合成孔径原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，包括：产生大功率脉冲信号的信号激励模块，与信号激励模块相连的信号发射接收模块，与发射接收模块相连的信号采集模块，基于合成发射孔径成像技术的信号处理模块与显示模块，信号处理模块与信号采集模块相连接，显示模块与信号处理模块相连接，用于以彩色图片的形式直观地展示整个检测结果。

信号激励模块包括以放电原理为核心的高频大功率脉冲信号发生器、以高频功率放大器为核心的功率放大模块；大功率脉冲信号发生器采用控制电容充放电产生高压信号，再经过脉冲变压器大幅度增大信号幅值来激发脉冲信号的方案，与功率放大模块相连接。

信号发射接收模块包括发射换能器、接收换能器阵列、旋转扫描系统；旋转扫描系统与发射换能器和接收换能器阵列相连，发射换能器为单个与信号源相匹配的圆形大功率压电陶瓷发射换能器，用于发射超声信号，与信号激励模块相连。接收换能器阵列为线性阵列，由若干与发射换能器相匹配的圆形超声信号接收换能器等间距线性排布组成，用于接收带有物体内部结构的声学特性信息的回波信号，与信号采集模块相连。旋转扫描系统与发射换能器和接收换能器阵列相连，用于带动接收换能器阵列绕发射换能器进行360度旋转。

如图2所示，信号采集模块包括运算放大模块、高速A/D转换模块、高速控制模块和计算机终端，各个模块依次连接。通过计算机终端控制信号采集模块采集界面波信号，并将采集数据保存到计算机的SRAM中。

如图3、图4所示，信号处理模块包括匹配滤波模块、功率放大模块、存储模块、合成孔径超声成像算法模块、信号质量比较模块。合成孔径超声成像算法模块采用合成发射孔径成像技术，即通过对单个换能器发射、多个换能器接收的信号进行处理实现聚焦成像。信号质量比较模块对各个方向的经合成孔径超声成像技术处理过的信号的质量进行比较，记录信号质量最优的方向，以便对该方向的数据进行进一步处理。

由于缺陷的形状不规则，从不同方向接收到的信号强度必然不同，如图5所示；同样，由于缺陷位置的不规则，在不同位置的换能器接收到的信号强度也必然不同，如图6所示。故在初步扫描成像后，对形成的图像质量进行比较，可得到一个最佳的探测方向。再对该方向的数据采用波包分解法与合成发射孔径成像算法相结合的方法进一步处理。波包分解算法将反射波包从探测信号中提取出来,进行距离校正并重建检测信号，能有效提高系统分辨力。最后将处理后的数据输出到显示模块。

合成孔径超声成像技术基本原理如图7。

设缺陷点P到换能器的距离为r_m，则：

$r_m=\sqrt{R^2+{d_2}^m},m=\mathrm{1,2,3}...M$

R为缺陷点P到换能器的垂直距离，d_m为基元换能器到点P的横向垂直距离。距离r_m随着d_m的变化呈抛物线型，r_m不同，则声波由发送到接收经过的时间不同，也就造成了时间延迟，相位也会随着变化。第m个采样信号中，点P的回波到达基元换能器的时刻为：

$t_m=\frac{{2r}_m}{c}=\frac{2}{c}\sqrt{R^2+{d_m}^2},m=\mathrm{1,2,3},...M$

c为声波在被测物体中传播的平均声速。于是将点P的各个回波信号叠加再求平均值，即可得到聚焦后的公式：

$s_r\left(t\right)=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}s(t-t_m)$

式中，s(t-t_m)表示第m个孔径信号中点P的回波，M为回波信号数目，s_r(t)就是P点的重建信号。

一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）信号激励模块产生大功率脉冲信号，激励发射换能器，产生超声信号；

（2）接收换能器阵列对回波信号进行接收；

（3）信号采集模块对信号发射接收模块接收到的信号进行采样，量化处理；

（4）旋转扫描系统控制接收换能器阵列绕发射换能器旋转15度，重复步骤（2）、（3），直至接收换能器阵列较初始位置旋转了360度为止；

（5）对采集到的回波信号进行匹配滤波、功率放大以及数据存储；

（6）使用合成孔径超声成像技术再次对信号进行处理，即对各个换能器接收到的信号进行合成，从而提高其分辨率；

（7）由信号质量比较模块对各个方向的信号质量进行比较，找出信号较为明显的方向；

（8）对步骤（7）中所得到的方向上的信号进行进一步细致的处理，采用波包分解法结合合成孔径超声成像算法提高图像分辨率，并将处理后的信号输出到显示模块；

（9）用彩色图像展示出所得到的聚焦图像及相关数据，展示出被测波纹管缺陷存在与否、缺陷位置、缺陷形状。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，其特征在于包括：产生大功率脉冲信号的信号激励模块，与所述信号激励模块相连的信号发射接收模块，与所述发射接收模块相连的信号采集模块，基于合成发射孔径成像技术的信号处理模块与显示模块，所述信号处理模块与信号采集模块相连接，所述显示模块与信号处理模块相连接，用于以彩色图片的形式直观地展示整个检测结果。

2.根据权利要求1所述的基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，其特征在于，所述信号激励模块包括以放电原理为核心的高频大功率脉冲信号发生器、以高频功率放大器为核心的功率放大模块；所述大功率脉冲信号发生器采用控制电容充放电产生高压信号，再经过脉冲变压器大幅度增大信号幅值来激发脉冲信号的方案，与所述功率放大模块相连接。

3.根据权利要求1所述的基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，其特征在于，所述信号发射接收模块包括发射换能器、接收换能器阵列、旋转扫描系统；所述旋转扫描系统与发射换能器和接收换能器阵列相连，用于带动所述接收换能器阵列绕发射换能器进行360度旋转。

4.根据权利要求1、3任一权利要求所述的基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，其特征在于，所述发射换能器为单个与所述信号源相匹配的圆形大功率压电陶瓷发射换能器，用于发射超声信号，与所述信号激励模块相连。

5.根据权利要求1、3任一权利要求所述的基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，其特征在于，所述接收换能器阵列为线性阵列，由若干与所述发射换能器相匹配的圆形超声信号接收换能器等间距线性排列组成，用于接收回波信号，与所述信号采集模块相连。

6.根据权利要求1所述的基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，其特征在于，所述信号采集模块包括运算放大模块、高速A/D转换模块、高速控制模块和计算机终端，所述各个模块依次连接。

7.根据权利要求1所述的基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括匹配滤波模块、功率放大模块、存储模块、合成孔径超声成像算法模块、信号质量比较模块。

8.根据权利要求7所述的基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，其特征在于，所述合成孔径超声成像算法模块采用合成发射孔径成像技术，即通过用合成孔径技术对单个换能器发射、多个换能器接收的信号进行处理实现聚焦。

9.根据权利要求7所述的基于合成孔径超声成像技术的无损检测装置，其特征在于，所述信号质量比较模块对各个方向的经合成孔径超声成像技术处理过的信号的质量进行比较，记录信号质量最优的方向，以便对该方向的数据进行进一步处理。

10.一种基于合成孔径超声成像技术的无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）信号激励模块产生大功率脉冲信号，激励发射换能器，产生超声信号；

（2）接收换能器阵列对回波信号进行接收；

（3）信号采集模块对信号发射接收模块接收到的信号进行采样，量化处理；

（4）旋转扫描系统控制接收换能器阵列绕发射换能器旋转15度，重复步骤（2）、（3），直至接收换能器阵列较初始位置旋转了360度为止；

（5）对采集到的回波信号进行匹配滤波、功率放大以及数据存储；

（6）使用合成孔径超声成像技术再次对信号进行处理，即对各个换能器接收到的信号进行合成，从而提高其分辨率；

（7）由信号质量比较模块对各个方向的信号质量进行比较，找出信号较为明显的方向；

（8）对步骤（7）中所得到的方向上的信号进行进一步细致的处理，采用波包分解法结合合成孔径超声成像算法提高图像分辨率，并将处理后的信号输出到显示模块；

（9）用彩色图像展示出所得到的聚焦图像及相关数据，展示出被测波纹管缺陷存在与否、缺陷位置、缺陷形状。

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