合成孔径聚焦超声成像在混凝土探伤中的应用研究

吕晓光， 王明泉， 李光亚

（1.中北大学动态测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2. 中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051）

合成孔径聚焦超声成像在混凝土探伤中的应用研究

吕晓光1,2， 王明泉1,2， 李光亚1,2

（1.中北大学动态测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2. 中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051）

针对超声波在混凝土检测中分辨率低、成像质量差等问题，提出了采用合成孔径聚焦技术对检测声波信号进行成像处理的方法。通过超声波仿真软件WAVE 2000建立混凝土缺陷模型，结合混凝土超声探测的方式和特点，采用MATLAB软件编写相适应的合成孔径算法及GUI界面。结果表明，在混凝土超声探伤中，此方法确实有效地提高了成像质量。

混凝土；超声波；合成孔径；探伤；仿真

混凝土是工程建筑中非常重要的结构材料，对保证工程建筑的可靠性、安全性至关重要，因此，对混凝土结构材料进行无损检测就显得尤为必要。由于超声波检测方法具有穿透能力强，适应性强，设备简单，操作方便，检测成本低廉等特点，在工程无损检测上得到了广泛应用。近十年来，超声检测技术发展迅速，已广泛应用到建筑、水电、铁道等工程中[1]。超声波检测仪已成为混凝土无损检测的必备装置[2]。由于混凝土是非均匀各向异性的复合材料，并具有多孔性和黏弹塑性，超声波在传播过程中会产生复杂的反射、折射与透射等现象，能量衰减会很大，接收到的信号会掺杂结构噪声、边界面的反射和缺陷目标的反射等，这就使得信噪比非常的低[3]，若采用单探头A扫描的方式很难从接收信号中判断缺陷，且横向分辨率比较低。

为了解决上述问题，且不增加硬件系统的复杂度，本文采用软件计算的方法，利用合成孔径聚焦技术(synthetic aperture focusing technique, SAFT)[4-6]来提高横向分辨率，从而提高检测效果。SAFT起先用在雷达信号的处理中，随着合成孔径雷达成像技术(synthetic aperture radar, SAR)的开发，而后才被应用到声纳及超声成像中。SAFT成像已经在医学超声图像的处理与重建中得到了广泛地应用，然而在混凝土超声检测中却应用的很少，本文旨在探究SAFT成像技术在混凝土探伤中应用的可行性。

1 合成孔径聚焦超声成像原理

SAFT的基本原理如图1所示。假设探测区域内有一个目标反射点Q(i, j)，其与扫描方向线的垂直距离（深度）为R，一收发共置的超声学探头（本文以下仿真均采用此类探头）沿扫描直线移动，探头的直径为d，每隔距离l发射一个声波，同时接收目标反射点的回波信号并加以储存。根据各成像点的空间位置，对接收到的回波信号做适当的时延后再合成得到逐点聚焦的图像，这就是SAFT超声成像技术。SAFT超声成像其实是一种超声后处理方法[7]，它能将小孔径成像合成为大孔径成像，从而提高了图像的分辨率。

图1 SAFT原理图

2 SAFT算法的实现

2.1 SAFT重建公式

探头在图1中的±N位置时，声束刚好包含Q(i, j)点，即在-N到+N之间的所有位置处探头都能接收到 Q(i, j)点的回波信号，而以外的其他位置，探头不能接收 Q(i, j)点的回波信号，所以合成孔径后的综合孔径长度dm也就是-N到+N的距离。由于超声波在不同路径的传播衰减情况不同，即探头的发射声束垂直于目标反射点时，接收到的回波信号能量最大，越远离反射点，能量越小。在延时叠加运算时，如果是缺陷点的反射信号，则延时叠加后，回波可以同时达到输出端，幅值增强，有规律性。对于非缺陷点的信号幅值会比较弱，无规律性[8]。在成像处理中，以每一个像素点作为基准点（缺陷点），接收信号关于基准点延迟叠加完成重建。

根据SAFT算法原理，对目标反射点Q(i, j)进行重建，由各个孔径到反射点的位置的不同，引入适当的延时，这样就会使不同位置接收到的回波信号同时进行叠加运算，从而得到聚焦以后的图像。SAFT重建公式如下：

式中，2N+1为SAFT运算时参与运算的探头位置的个数。fi(ti- Δti)为经过相应延时运算以后的第i个A扫描信号。

2.2 综合孔径长度计算

对于一个直径为 d，工作波长为λ的探头，其半功率波束角为：

由中心探头到反射点 Q(i, j)的垂直距离为 R，可求得该探头在反射点处横向可分辨的距离长度dm为：

由图1可知，dm即为合成孔径后的综合孔径长度。由于合成孔径时其各等效基元间的相位差是由发射和接收的“双程”差引起的，相位差就大了一倍，即合成孔径后的半功率波束角为：

于是SAFT后横向分辨率的距离长度为：

值得注意的是合成孔径的综合长度 dm会随着深度 R的增加而增大[9]。由式(3)可知，若 dm达到极限，即在综合孔径长度和超声波在介质中的波长都一定的条件下，聚焦的有效深度R会随着探头直径d的减小而减小，这样就不利于深处点的聚焦。另外受加工工艺的限制，探头直径难以做的很小。发射电压也受到一定限制，直径越小，发射声信号能量就越小，同时，接收灵敏度越低，这都会减小探测的深度。综上可知，并不是探头直径越小越好，所以在实际应用时应综合考虑，保证足够的横向分辨率的同时，探头直径应尽量大些。

由图1可知，根据探头的移动间隔l结合式(3)可求得参与运算的探头位置的个数：

由式(6)可知，在超声波长λ和探头晶片的直径d已知的条件下，参与合成孔径运算的数目n只与扫描方向的移动间隔l和深度信息R有关。某一反射点Q(i, j)处的深度信息R可以由探头在距离向的采样间隔长度df来确定。

由式(6)和式(7)得：

式中，c为超声波在介质中的传播速度， fs为探头的的工作频率。由于参与运算的波束个数n应该为奇数，而由式(8)计算出来的通常又不是整数，所以算法实现上将其进行四舍五入，化为相离最近的奇数。

2.3 延迟时间的计算

在SAFT成像时，要想得到每个A扫描的延迟时间，就必须先求得各声波在发射和接收过程中传播距离的差值。距离中垂线位置m个间隔处的探头到反射点Q(i, j)的双程距离为：

则探头在位置m时，相对于合成孔径中心位置的声程差为：

联合式(9)和式(10)可求得参与运算的所有A扫描信号回波的延迟时间：

2.4 SAFT算法实现流程

(1) 读取超声检测存储的各A扫描信号数据；

(2) 从第一行数据开始，由式(7)向下依次计算每一点处的R，再由式(8)求得相应的数目n，n四舍五入取最近的奇数；

(3) 采用式(10)和式(11)计算探头在不同扫描位置时的声程差及延迟时间；

(4) 采用式(1)对回波信号重建成像。

3 模型仿真与结果处理

由于实验条件的限制，采用了商用超声波仿真软件WAVE 2000建立混凝土的缺陷模型，它是在超声检测方面被广泛应用的专业仿真软件之一。建立的混凝土缺陷模型如图2所示。混凝土模块的宽为160 mm，高为200 mm，在混凝土模块高度为100 mm处，设置两个直径为20 mm的圆形空洞缺陷。采用收发共置的探头，探头直径设为10 mm，探测频率设为200 kHz，边界条件均设为无边界，拟定超声波在混凝土中的平均传播速度为3100 m/s，则直接调用软件的混凝土模块，密度为2600 kg/m3，拉梅系数24990 MPa，配置相应的声能衰减，其具体参数设置如图3所示。探头每移动5 mm记录一次A扫描信号，并将记录数据以文本的形式保存在计算机中。

图2 混凝土模型

图3 混凝土参数

结合以上仿真得到的数据，采用MATLAB编写SAFT算法，为了便于数据操作和成像效果的显示，编制了图形用户界面(graphical user interface, GUI)。直接原始数据的B扫描成像和经过SAFT处理后的成像结果如图 4所示。图 4的结果是截取WAVE 2000保存的TXT数据中的一部分。

虽然SAFT应用比较广泛，但在混凝土结构中，由于其有效的聚焦深度范围比较小（图4中合成孔径最大长度为120 mm左右时，实际可聚焦的深度仅为46 mm左右），在聚焦极限附近成像时还可能会存在很大的偏差，尤其是在靠近边缘的部分，而且聚焦效果会随着深度的加深而变差，并且可能出现很强的伪影[10]。然而，在混凝土实际检测中，检测深度都是在几十厘米以上，这样就要求在横向采样大量的数据以满足聚焦深度的要求，否则可能会使有效聚焦深度以外的数据得不到有效的聚焦，从而影响检测的结果，这极大地限制了SAFT在混凝土超声检测中的应用。

基于以上考虑，使用单探头进行混凝土检测时，在有效聚焦深度以内采用原SAFT方法，超出有效聚焦深度后，以当前像素点为中心，以左右可获得的较少的孔径数目为半径，进行延时叠加运算。这样既充分利用了采集到的有效数据，又在一定程度上提高了 SAFT的深度。仿真处理结果如图4所示，在深度为100 mm左右处的缺陷也能达到比较好的聚焦效果。图5是SAFT处理前后的网格图显示，可以看出能量主要集中在缺陷处附近，而非缺陷附近得到了改善，但可以看出在边缘附近SAFT处理后效果不是很好，这是由于边缘处采集数据不足造成的，扩展横向采集的数据便可改善边缘处缺陷的检测效果。

图4 SAFT处理前后比较

图5 处理前后比较

重新建立的混凝土缺陷模型，将其缺陷间距缩小到50 mm，探头每移动10 mm记录一次A扫描信号，仿真处理结果如图6所示，直接成像时两缺陷处几乎相连，很可能造成误判，而经过SAFT处理后成像就能很好地区分开来，提高了检测的横向分辨率。图7是SAFT处理前后的网格图，可以很直观地观察缺陷回波能量的分布状态，SAFT处理后的缺陷回波能量明显比处理前更集中，这样缺陷定位就会更加准确。

图6 SAFT处理前后比较

图7 处理前后比较

4 结 论

本文针对混凝土超声检测的特点及存在的问题，采用SAFT成像处理技术，通过仿真软件建立混凝土缺陷模型，找到了在收发共置的单探头检测条件下，适用于混凝土超声检测的SAFT方法。仿真结果表明，此方法确实有效地提高了混凝土超声探测的横向分辨率及成像的质量。

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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

国家自然科学基金资助项目(61171177)；山西省青年科技研究基金资助项目(2012021011-1)

吕晓光(1988-)，男，河北石家庄人，硕士研究生。主要研究方向为信号与信息处理。E-mail：251278939@qq.com