CN104374828A

CN104374828A - 一种隐患探测的超声波层析成像方法

Info

Publication number: CN104374828A
Application number: CN201410657248.5A
Authority: CN
Inventors: 谢春; 黄永进; 唐坚; 许杰
Original assignee: Shanghai Geotechnical Investigations and Design Institute Co Ltd
Current assignee: Shanghai Geotechnical Investigations and Design Institute Co Ltd
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2015-02-25

Abstract

本发明公开了一种隐患探测的超声波层析成像方法，该成像方法通过在待检构件内设置超声波发射探头和接收探头来采集超声波数据，建立初始速度模型并剖分为若干网格；利用快速扫描法计算每个网格上的理论初至走时，并和现场测试数据做差获得走时残差；利用伴随状态法计算目标泛函对初始速度模型的梯度；计算速度更新量并更新；判断更新后的速度模型是否满足精度要求，若满足则输出更新后的模型作为最终的反演结果进行成像。本发明的优点是，对混凝土构件无损伤、成像精度高、操作简单方便、结果可视化程度高，缺陷评估更直观；超声波层析成像技术与传统检测方法相比能有效地减少平均效应，精确地反映混凝土内部具体结构，将经验性成分缩减到最低。

Description

一种隐患探测的超声波层析成像方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种隐患探测的超声波层析成像方法。

背景技术

建筑工程中，混凝土是现代工程中最重要的结构材料之一，由于各种原因，混凝土在浇注过程中，内部可能产生空洞、夹泥、离析、裂隙等各种质量缺陷，从而影响混凝土的各种力学性质，给工程安全带来极大的隐患。因此，必须采取有效的检测手段，查明缺陷的规模、性质及空间位置。

常规的混凝土质量检测方法主要分为有损检测和无损检测，有损检测对构件破坏严重，且耗时、耗材、耗力。因此，无损检测方法成为混凝土质量检测新的发展方向。

目前混凝土质量无损检测最常用的方法有探地雷达法、地震波法、超声波法。

探地雷达方法是通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。其测试精度较高，操作简便，成果较为直观。但该方法测试易受外界电磁信号干扰，且在遇到金属界面和富水区域时，其信号容易被屏蔽，探测深度有限，且成本较高。

地震波法是利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的勘探方法，是从石油勘探和深部地球物理勘探中引入的方法，具有探测深度大，技术成熟的优点，但由于其弹性波频率低、波长大，因而分辨率比较低，对探测浅部异常精度较差，难以满足混凝土质量无损检测的需要。

超声波法则是利用激发探头来发射超声波，通过分析接收探头处收到的超声波响应来推断地下介质中隐患缺陷的空间位置、埋藏深度。超声波法克服了地震波法的上述缺点，其振动频率高，探测精度高、异常分辨率高，同时由于超声波有良好的指向性，为混凝土的高精度检测带来了方便。但是，传统的超声波法是利用初至波的时间、首波强度、频率成分等分析、检测混凝土质量的，存在着解释难度大、精度低、结果不直观、经验性成分居多等缺点。同时，由于测线信号异常反映的是测线通过混凝土的平均质量状况，无法获取异常区域介质的波速，因而往往难以确定缺陷类型以及质量下降程度。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种隐患探测的超声波层析成像方法，该成像方法通过对超声波数据进行正演求解和反演迭代运算，求得检测区域内的波速场，并生成二维成果图像。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种隐患探测的超声波层析成像方法，其特征在于所述成像方法包括如下步骤：

步骤1：在待检构件中采集超声波层析成像数据；

步骤2：对所述超声波层析成像数据进行数据修正处理；

步骤3：进行超声波层析成像，即：

确定初始速度模型：采用超声波在所述待检构件检测区域内的背景速度作为初始速度建立初始速度模型C₀，并将所述C₀剖分为若干网格；

计算接收点处的理论走时及走时残差：利用快速扫描法在所述初始速度模型C₀中进行正演计算，求解超声波接收探头的接收点处的理论初至走时t(r)并和所述超声波接收探头的接收点处现场采集的走时数据t*(r)做差，得到走时残差△t=t(r)-t*(r)；

利用伴随状态法获得目标泛函对所述初始速度模型C₀的梯度；

对初始速度模型C₀进行更新：利用梯度计算速度更新量△c，计算公式为，其中α为迭代步长，满足公式；对初始速度模型C₀进行更新，计算公式为，其中为更新后的速度模型；

对更新后的速度模型进行精度评价：若更新后的速度模型的目标泛函J(c)≤阈值ε，则满足精度要求，输出速度模型作为最后的反演结果；若更新后的速度模型的目标泛函J(c)＞阈值ε，则令速度模型作为初始速度模型，重复上述步骤，直至满足精度要求为止，输出速度模型作为最后的反演结果。

在所述待检构件中采集超声波层析成像数据的方法为：在所述待检构件的两侧设置声测管，在两侧所述声测管中分别布置超声波发射探头和超声波接收探头；通过所述超声波接收探头采集自所述超声波发射探头所发射的超声波数据。

所述超声波接收探头与所述超声波发射探头之间保持固定的采样落差在所述声测管中同步升降采集超声波数据。

所述快速扫描法满足以下公式：

i=2,3,…,I-1；j=2,3,…,J-1

其中，

为第（i,j）个所述网格上的走时；；；s为慢度；h为空间步长；I 、J分别为所述初始速度模型C₀水平方向和深度方向上的网格总数；。

所述梯度的计算公式为：

其中，

J为目标泛函；

c为所述待检构件内的介质速度；

λ为伴随状态变量，在所述接收点处时λ的计算公式为，在计算区域内部时λ的计算公式为，公式中，为所述接收点处的走时残差，表示对t(r)求梯度，为所述接收点处的伴随状态变量，n为所述接收点测线的外法向量，为计算区域内部的伴随状态变量，表示t对x的偏导。

所述速度模型的目标泛函J(c)计算公式为：

其中，N为所述接收点的总数量，r为所述接收点的位置。

本发明的优点是，对混凝土构件无损伤、成像精度高、操作简单方便、结果可视化程度高，缺陷评估更直观；超声波层析成像技术与传统检测方法相比能有效地减少平均效应，精确地反映混凝土内部具体结构，将经验性成分缩减到最低。

附图说明

图1为本发明中具有缺陷的混凝土构件示意图；

图2为本发明中超声波层析成像技术发射、接收示意图；

图3为本发明中成像方法流程示意图；

图4为本发明中超声波层析成像的反演结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-4，图中标记1-5分别为：缺陷1、混凝土构件2、超声波发射探头3、超声波接收探头4、声测管5。

实施例：如图1-4所示，本实施例具体涉及一种隐患探测的超声波层析成像方法，用于混凝土构件内缺陷的无损探测，该成像方法包括如下步骤：

【待测构件制作】如图1所示，在混凝土构件2内预先设置一矩形缺陷1，混凝土构件2宽为1m，长为4m；缺陷1长为0.64m，宽为0.1m，缺陷1距顶部埋深为0.75m；

【数据采集】如图1、2所示，在混凝土构件2的两侧布置PVC声测管5，缺陷1与左侧声测管5相距0.43m、与右侧声测管5相距0.47m；

采用斜测法作为观测方式，将超声波发射探头3和超声波接收探头4分别放置在左右两侧声测管5中的顶部或底部位置，两者一高一低设置，保持同时上升同时下降，并记录每个测点的高度，本实施例中采样间距为探测间距的10%，即采样间距为0.1m；

记录超声波发射探头3和超声波接收探头4之间采样落差为0.3m、0.4m、0.5m、0.6m时的超声波初至走时，观测方向如图2中实线所示；之后将声波发射探头3和超声波接收探头4的高度位置进行调换，记录采样落差为0.3m、0.4m、0.5m、0.6m时的超声波初至走时，观测方向如图2中虚线所示；

需要注意的是，数据采集过程中声测管5的位置不宜随意改变，声波发射的电压不能改变；为了保证检测的精确性，不遗漏检测区域，每次的移动距离保持一致。

【超声波层析成像数据修正处理】现场采集到的超声波数据由于人为干扰以及混凝土构件2内介质的非均匀性等原因，会出现个别采集点数据异常的现象，为了保证超声波层析成像的精度，要对这些异常数据进行剔除或者修正；在本实施例中，若异常数据值是相邻数据的10倍以上或者是相邻数据的0.1倍以下，则剔除该异常数据；异常数据值在相邻数据值的0.1～10倍之间，则对该数据进行修正，采用该异常点上下两点的平均值作为该异常点的修正值；

由于超声波层析采用的是不同落差的斜测法，因此对采集到的数据要根据现场记录进行坐标修正，保证激发点、接收点的位置坐标与现场采集过程中探头的位置坐标相一致。

【超声波层析成像】

如图1-4所示，超声波层析成像技术主要包括正演计算和反演成像，基于混凝土质量检测对计算速度和成像精度的要求，本实施例采用快速扫描法作为正演算法，伴随状态法作为反演算法，其层析成像的步骤如下：

（1）建立初始速度模型C₀，通常采用检测区域内的背景速度作为初始速度,背景速度即缺陷1周围的混凝土速度，根据采集到的数据分析计算探测区域内的背景速度，通过计算可知，该区域内的背景速度在4050m/s～4150m/s之间，因此确定层析成像的初始速度C₀为4100m/s；根据初始速度模型C₀的大小，对其进行网格剖分；

（2）利用快速扫描法在初始速度模型C₀中进行正演计算，求解接收点处（即超声波接收探头4的测点）的理论初至走时t(r)并和现场采集的走时数据t*(r)做差，得到走时残差△t=t(r)-t*(r)；所述快速扫描法满足以下公式：

i=2,3,…,I-1；j=2,3,…,J-1

其中，为第（i,j）个网格上的走时；；；s为慢度（即速度的倒数）；h为空间步长；I 、J分别为初始速度模型C₀水平方向（x方向）和深度方向（z方向）上的网格总数，且；

（3）利用伴随状态法获得目标泛函对模型速度的梯度，在伴随状态法中，目标泛函对初始速度模型C₀速度的梯度满足以下公式：

其中，

J为目标泛函；

c为混凝土构件2内的介质速度；

λ为伴随状态变量；

伴随状态变量λ通过以下公式求解：

在接收点处有：，

在计算区域内部有：，

公式中，为所述接收点处的走时残差，表示对t(r)求梯度，为接收点处的伴随状态变量，n为接收点测线的外法向量，为计算区域内部的伴随状态变量，表示t对x的偏导；

（4）利用求得的梯度计算速度更新量△c，为了获得较好的反演效果，速度更新量不宜过大也不宜过小，本实施例中，限制△c介于10m/s和20m/s之间，并对初始速度模型C₀进行更新；

需要说明的是，速度更新量△c与梯度之间的关系满足如下公式：

其中，

α为迭代步长，满足公式；

对初始速度模型C₀进行更新时，满足公式，公式中为更新后的速度模型；

（5）本实施例中令阈值ε=0.000001，若更新后的速度模型的目标泛函J(c)≤阈值ε，则满足精度要求，输出速度模型作为最后的反演结果进行成像；若更新后的速度模型的目标泛函J(c)＞阈值ε，则令速度模型作为初始速度模型，重复上述步骤，直至满足精度要求为止，输出速度模型作为最后的反演结果进行成像；

所述的目标泛函J(c)计算公式为：

其中，N为接收点的总数量，r为接收点的位置。

如图4所示为最终的反演结果，可以看出本实施例中，超声波层析成像技术较为准确地反映了混凝土构件2中的缺陷1，在缺陷定位和缺陷大小的判定方面有较好的效果。

本实施例的有益效果在于，通过该反演结果可直观地了解混凝土构件中的波速分布，借以解决其内部质量问题；与目前常规的混凝土质量检测的方法相比，本实施例采用超声波层析方法对混凝土质量内部进行成像，计算速度快，可视化程度高，降低了解释难度。

Claims

1.一种隐患探测的超声波层析成像方法，其特征在于所述成像方法包括如下步骤：

步骤1：在待检构件中采集超声波层析成像数据；

步骤2：对所述超声波层析成像数据进行数据修正处理；

步骤3：进行超声波层析成像，即：

2.根据权利要求1所述的一种隐患探测的超声波层析成像方法，其特征在于在所述待检构件中采集超声波层析成像数据的方法为：在所述待检构件的两侧设置声测管，在两侧所述声测管中分别布置超声波发射探头和超声波接收探头；通过所述超声波接收探头采集自所述超声波发射探头所发射的超声波数据。

3.根据权利要求2所述的一种隐患探测的超声波层析成像方法，其特征在于所述超声波接收探头与所述超声波发射探头之间保持固定的采样落差在所述声测管中同步升降采集超声波数据。

4.根据权利要求1所述的一种隐患探测的超声波层析成像方法，其特征在于所述快速扫描法满足以下公式：

i=2,3,…,I-1；j=2,3,…,J-1

其中，

5.根据权利要求1所述的一种隐患探测的超声波层析成像方法，其特征在于所述梯度的计算公式为：

其中，

J为目标泛函；

c为所述待检构件内的介质速度；

6.根据权利要求1所述的一种隐患探测的超声波层析成像方法，其特征在于所述速度模型的目标泛函J(c)计算公式为：

其中，N为所述接收点的总数量，r为所述接收点的位置。