CN106546661B - 一种干涉超声合成孔径对混凝土内部成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种干涉超声合成孔径对混凝土内部成像方法，该装置由前后两个换能器构成，在混凝土表面均匀移动，每隔一段距离，采集一次信息，采取互不干扰的自发自收模式，存储成两路合成孔径超声信号。通过对两路回波信号生成的干涉条纹图进行一定的处理，再结合合成孔径成像原理便可以得到比较精确的混凝土内部图像。本发明主要解决混凝土成像检测问题，混凝土体积庞大，结构复杂，声波衰减较大，因此所得回波难以直接处理。而本发明基于干涉超声合成孔径技术，具有提高系统的信噪比，改善图像质量，提高检测精确度等特点。该装置还可以用于其它结构较复杂工件的超声成像检测。

Description

一种干涉超声合成孔径对混凝土内部成像方法
技术领域
本发明公开了一种干涉超声合成孔径对混凝土内部成像方法，属于工业超声无损检测技术领域。
背景技术
混凝土是建筑物主要的结构材料之一，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，所以对混凝土质量检测就显得尤为重要，因此主要研究方向都集中在检测混凝土材料上，世界各国对此都十分重视。
混凝土的质量对人民的生命财产和国民经济来说是十分重要的，混凝土的使用安全始终是放在第一位的。特别是当前我国进入了飞速发展阶段，楼房、轨道交通和公路等公共设施的建设正在全面开展，保障它们的建设安全是非常重要的。无损检测技术有助于评估建筑物的稳定性和整体性，能够对其整体或部分作质量状态监视，能够用来评估建筑材料和结构的性质及性能，并能对其内部含水量、缺陷和损伤进行测量和定位。因此，在土木工程中，无损检测技术在保障人生命财产、评价和保证建筑物的安全性、甚至对保护和保养珍贵古建筑都起到了重要作用。
对混凝土缺陷检测常规方法有：电磁波雷达法，钻心检测法，弹性波反射法，X射线法等。但是这些方法都是从外部对混凝土进行检测，某种意义能够达到对混凝土缺陷检测的目的，但是由于混凝土结构复杂，衰减严重，信号损失很大，这些技术与方法难以满足实际应用的要求。而超声无损检测，作为传统而又新颖的检测方法，已应用于检测混凝土缺陷的工程中。超声检测的主要方法有：
(1)波形识别法：通过判断接收的脉冲波首波波形与波形畸变程度，来判定混凝土内部是否存在缺陷。可这种方法为经验判别法，难以形成通用规则，而且现场检测条件的影响，比较容易出现漏检与误检。因此应用较少。
(2)声波首时法：根据超声波在混凝土中传播声速的不同，一部分穿过钢管后穿过混凝土，再穿过钢管壁的直线路径传播；另一部分沿钢管壁透射过去，计算声速来判断注浆缺陷是否存在。这种检测技术偏于理论，在实际操作中难度较大。因此，应用也较少。
(3)超声回波法：在超声波声场所及的空间内的任何一点，都存在着一次声波(入射声波)及二次声波(反射波、折射声波和波型转换后的横波)，换能器所接收的信号是一次声波和二次声波的叠加。通过研究反射回波信号的能量从而对混凝土内部进行分析。但是，由于换能器的余震、表面波等的干扰，反射波的起跳点不易被识别。
发明内容
本发明的目的是解决当前混凝土因结构复杂，衰减严重而难以检测的问题。为解决上述技术问题，本发明一
步骤1：在混凝土表面上自发自收超声波；在混凝土表面上采用前后两个阵元换能器激励超声波，该前后两个阵元换能器在混凝土表面上沿固定方向匀速移动，且每移动一段距离d采集一次信息，采用互不干扰的模式自发自收超声波；
步骤2：计算前后两个阵元换能器与缺陷处的几何距离和高度；通过前后两个阵元换能器接收超声波的回波信号所用时间和声传播速度计算确定前后两个阵元换能器与混凝土表面上缺陷处的几何距离r1和r2；分别以两个换能器中心为圆心，r1和r2为半径作圆，则两圆的交点为缺陷的位置p,p与混凝土上表面的距离为y,则通过几何距离r1和r2得到该缺陷处的高度h，h＝H-y；H为混泥土试块的高度；步骤3：生成两幅超声合成孔径图像；通过超声波的回波信号的相位差建立几何距离r1和r2关系,设两路信号的相位差φ1、φ2分别为两回波信号的相位，则λ为波长，则组成两路超声干涉合成孔径信号；
步骤4：生成超声合成孔径图像；两路超声干涉合成孔径信号经距离向压缩和方位向压缩处理得到两幅超声合成孔径图像；
步骤5：混凝土内部图像；通过两幅超声合成孔径图像之间存在的相位差，生成干涉条纹图，并对该干涉条纹图进行重建，从而得到混凝土内部图像。
进一步的，所述步骤1中，所述超声波经混凝土内部缺陷处散射后可由位置不同的两个阵元换能器接收；所述的互不干扰的模式为一个换能器发射并接收回波信号时，关闭另一个换能器的接收。
进一步的，所述步骤3中，两个所述的超声波的回波信号都采用CS算法进行处理。
进一步的，所述的两个阵元换能器的相位中心与缺陷处的距离存在几何差，必然会给两幅超声合成孔径图像之间造成一定的相位差。
进一步的，所述步骤5中；所述的两幅超声合成孔径图像进行共轭相乘，可得到干涉条纹图。
本发明所达到的有益效果：本发明主要解决混凝土成像检测问题，混凝土体积庞大，结构复杂，声波衰减较大，因此所得回波难以直接处理。而本发明基于干涉超声合成孔径技术，具有提高系统的信噪比，改善图像质量，提高检测精确度等特点，该装置还可以用于其它结构较复杂工件的超声成像检测。
附图说明
图1是阵元换能器与混凝土内部缺陷的几何示意图；
图2是一种干涉超声合成孔径对混凝土内部成像的装置和方法的结构示意图；
图3是干涉超声合成孔径回波信号处理并成像的流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。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。
一种干涉超声合成孔径对混凝土内部成像方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：采用前后两个阵元换能器激励超声波；
步骤2：两个阵元换能器在混凝土表面沿固定方向匀速移动，每隔一段固定距离，采用互不干扰的模式自发自收超声波；所述超声波经混凝土内部缺陷处散射后可由位置不同的两个阵元换能器接收；所述的互不干扰的模式为一个换能器发射并接收回波信号时，关闭另一个换能器的接收。
步骤3：通过超声波的回波信号时间和声传播速度确定阵元换能器与缺陷处的几何距离；两个所述的超声波的回波信号都采用CS算法进行处理。
步骤4：通过阵元换能器与缺陷处的几何距离得到该缺陷处的高度；
步骤5：:通过信号的相位差建立两个阵元换能器与缺陷处的几何距离之间的关系，组成两路超声干涉合成孔径信号；
步骤6：两路超声干涉合成孔径信号经距离向压缩和方位向压缩处理得到两幅超声合成孔径图像；
步骤7：两幅超声合成孔径图像之间存在相位差，基于此生成干涉条纹图，对该干涉条纹图进行重建，得到混凝土内部图像。所述的两幅超声合成孔径图像进行共轭相乘，可得到干涉条纹图。
进一步的，所述的两个阵元换能器的相位中心与缺陷处的距离存在几何差，必然会给两幅超声合成孔径图像之间造成一定的相位差。
如图2所示，本实施例的换能器沿混凝土表面匀速移动，每隔一段时间收发一次超声信号，具体为中间阵元激励超声波，前后阵元接收经混凝土作用过的超声信号并存储为超声合成孔径回波信号。为保证干涉图精确性，选择CS算法将超声合成孔径回波信号处理成超声合成孔径图像，并将所得图经滤波后共轭相乘得到干涉条纹图，再对干涉条纹图滤波并进行高程重建，最终便可得混凝土内部图像。
本发明主要解决混凝土成像检测问题，混凝土体积庞大，结构复杂，声波衰减较大，因此所得回波难以直接处理。而本发明基于干涉超声合成孔径技术，具有提高系统的信噪比，改善图像质量，提高检测精确度等特点，该装置还可以用于其它结构较复杂工件的超声成像检测。
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 (4)

1.一种干涉超声合成孔径对混凝土内部成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：在混凝土表面上自发自收超声波；在混凝土表面上采用前后两个阵元换能器激励超声波，该前后两个阵元换能器在混凝土表面上沿固定方向匀速移动，且每移动一段距离d采集一次信息，采用互不干扰的模式自发自收超声波；
步骤2：计算前后两个阵元换能器与缺陷处的几何距离和高度；通过前后两个阵元换能器接收超声波的回波信号所用时间和声传播速度计算确定前后两个阵元换能器与混凝土表面上缺陷处的几何距离r1和r2；分别以两个换能器中心为圆心，r1和r2为半径作圆，则两圆的交点为缺陷的位置p,p与混凝土上表面的距离为y,则通过几何距离r1和r2得到该缺陷处的高度h，h＝H-y；H为混泥土试块的高度；
步骤3：生成两幅超声合成孔径图像；通过超声波的回波信号的相位差建立几何距离r1和r2关系,设两路信号的相位差φ1、φ2分别为两回波信号的相位，则λ为波长，则组成两路超声干涉合成孔径信号；
步骤4：生成超声合成孔径图像；两路超声干涉合成孔径信号经距离向压缩和方位向压缩处理得到两幅超声合成孔径图像；
步骤5：混凝土内部图像；通过两幅超声合成孔径图像之间存在的相位差，生成干涉条纹图，并对该干涉条纹图进行重建，从而得到混凝土内部图像。
2.根据权利要求1所述的一种干涉超声合成孔径对混凝土内部成像方法，其特征在于：所述步骤1中，所述超声波经混凝土内部缺陷处散射后可由位置不同的两个阵元换能器接收；所述的互不干扰的模式为一个换能器发射并接收回波信号时，关闭另一个换能器的接收。
3.根据权利要求1所述的一种干涉超声合成孔径对混凝土内部成像方法，其特征在于：所述步骤2中，两个所述的超声波的回波信号都采用CS算法进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种干涉超声合成孔径对混凝土内部成像方法，其特征在于：所述步骤5中；所述的两幅超声合成孔径图像进行共轭相乘，得到干涉条纹图。
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