基于超声横波的混凝土结构无损检测数据成像技术

(上海勘察设计研究院(集团)有限公司，上海 200093;上海岩土与地下空间综合测试工程技术研究中心，上海 200093)

混凝土是房屋、桥梁、桩基等建筑结构工程中的主要材料，其质量直接关系到结构物的安全。因此，混凝土结构的无损检测是结构健康管理中的重点方向。超声波具有穿透能力强、适应性强、检测简单、成本较低等优势，在建筑、水利水电等行业的混凝土无损检测中具有广泛的应用[1-3]。

超声波在混凝土介质中传播，会产生复杂的反射、透射、折射等现象，检测效果很大程度上依赖于超声检测数据的成像结果。近年来，新的超声换能器、阵列技术和数据处理方法的引入，带动了超声成像技术应用的发展。其中，超声横波反射法利用横波不能在流体中传播的特征，与超声纵波法相比，其检测效果对混凝土内部缺陷的反应更为敏感。常见的应用包括厚度测定、裂纹定位以及内置组件定位和非均质性的表征[4-6]。目前，对于超声横波反射法检测数据的成像通常采用合成孔径聚焦技术(SAFT)，国内外学者从理论分析、数值模拟、实际案例研究等方面对SAFT在混凝土超声检测中的应用进行了深入探讨[7-11]，表明SAFT能获得高分辨率的检测图像。但往往在实际检测中，由于混凝土介质的非均质性和复杂性，超声波速估计的不准确会导致信号不能被聚焦到真实位置，从而降低SAFT成像的质量。同时,超声检测数据中会存在大量随机反射干扰信号，若未对噪声进行有效压制，将会影响SAFT成像的分辨率。

在油气地震勘探领域，学者开发了各种成熟的地震数据处理方法，将传感器记录的来自地下介质的地震波信号通过振幅补偿、滤波去噪、多次叠加、偏移成像等处理技术归位到地下的真实位置，实现了对地下介质的成像。由于超声波和地震波在固体介质中具有相似的传播特征，故可将成熟的地震波数据处理成像技术应用于超声波数据处理成像中，改进混凝土超声波检测数据的成像效果。

笔者对商用阵列式超声横波检测仪的数据采集特点和仪器内置的合成孔径成像结果进行了分析，然后基于地震数据处理技术建立了一套适用于超声横波检测仪的数据成像处理流程，并结合实际模型案例对所提方法的成像效果和仪器内置SAFT的成像效果进行了比对。

1 超声横波检测数据特点

研究对象为进口的超声横波断层扫描成像仪器，该仪器由12排换能器阵列和一个控制单元组成，换能器既可作为信号发射装置，发射超声横波，也可作为接收装置，接收超声横波。探头内的控制单元激活一排换能器作为信号发射端，而其他排的换能器作为信号接收端。图1(a)为第一排换能器发射信号，其他换能器接收信号的过程示意。此后，下一排换能器发射信号，其右侧的换能器接收信号。此过程循环重复，直至前11排换能器都已经激发过信号为止。整个信号传播与接收过程如图1(b),1(c)所示。可见，超声横波检测仪一次采集过程中，随着各排的依次激发，接收信号的换能器个数逐渐减少，这种单边观测的方式对反射界面并没有实现均匀多次覆盖(即对地下同一反射点进行重复观测)，不利于压制随机干扰和增强反射能量。因此，文章基于超声横波检测仪的数据观测特点，依据地震中炮检互易定理，构建均匀多次覆盖观测数据，再对构建的数据进行去噪、叠加、偏移成像等处理。

图1 超声横波检测仪信号传播与接收过程

2 炮检互易定理

在地震勘探中，炮检互易定理定义了炮点和检波点互换时激发和接收的关系，其意义是：当炮点和检波点的位置、方向互换时，得到的地震道信号记录是不变的[12]。其中共炮点道集和共检波点道集拼合法原理如图2所示。

超声横波检测仪12排换能器之间均构成了单向波场的传播路径，依据互易定理，可对超声横波检测仪单边接收的信号进行数据重构，使每一次超声换能器激发都能得到有双边观测效果的数据，尽可能增加数据的信息量，实现对检测对象内部反射点的均匀覆盖，有利于压制随机干扰，提高数据信号的信噪比，进而改善后续超声横波偏移成像的效果。图3(a)所示为超声横波检测仪一次采集到的单边观测原始数据，经过互易定理重构后得到如图3(b)所示的双边观测数据，一次采集总道数从66道增加到144道。

图2 共炮点道集和共检波点道集拼合法原理示意

图3 超声横波检测仪单边观测原始数据和重构后的双边观测数据

3 克希霍夫偏移成像

克希霍夫偏移法是一种加权衍射叠加的方法，在地震勘探资料的偏移处理中有很好的应用效果[13]。克希霍夫积分公式利用包围空间任一点P的闭曲面上的波场值及其法向导数在该曲面上的积分来表示该点P的波场值。以三维无源项波动方程为例，偏移剖面可由近似克希霍夫积分解来表示，即M(x,y,z)表示为孔径A上的面积分，可以通过记录波场的加权时间导数沿衍射面的空间积分来计算得到，如式(1)所示。

M(x,y,z)≈

(1)

地震数据处理中克希霍夫偏移成像技术与超声横波的SAFT在原理上有密切相似性。克希霍夫偏移方法能适应任意倾斜角度的反射界面，对计算网格要求比较灵活。对于混凝土检测对象，检测界面多为平整界面，内部结构较为单一，介质横向速度往往变化不大，因此，克希霍夫偏移方法完全适用于超声横波成像。

4 超声横波检测数据处理流程

通过对超声横波检测仪的采集观测方式以及数据特点的分析，基于地震数据处理的思路，建立了一套适合超声横波检测仪的数据成像处理流程，具体步骤如下。

(1) 对超声横波检测数据进行解译，基于互易定理将单边观测数据重构为双边观测数据，按照多次覆盖观测方式对数据进行重新排列，得到一条检测测线上多次采集的数据。

(2) 对多次采集数据进行预处理，包括拾取初值、直达波切除、振幅补偿、去噪(滤波)、动校正。

(3) 根据重建的多次覆盖观测方式抽取共中心点(CMP)道集进行叠加，得到多次叠加成果剖面。

(4) 最后对多次叠加成果剖面进行克希霍夫偏移成像，得到最终成像结果。

5 大型实体模型应用案例

结合超声横波检测仪在大型实体混凝土道床模型上的应用，对超声横波检测仪器内置SAFT与文章提出的成像方法进行效果对比。

为了研究超声横波检测仪对混凝土内部钢筋结构的定位以及厚度的测定，按照真实隧道结构制作了1…1大型实体模型。该模型由多块管片拱底块拼接而成，管片上部道床尺寸、配筋设计如图4所示。模型上、下层钢筋直径为14 mm，上层钢筋距道床表面15 cm，中心处道床厚度为70 cm，在浇筑过程中采用塑料薄膜使道床与管片之间形成间隙，模拟实际道床脱开的情况。

图4 混凝土道床模型设计示意

图5为制作好的大型隧道道床模型实体照片，可见，沿管片延伸方向布置了一条检测测线。图6为检测测线仪器内置SAFT成像的结果。成像剖面中，道床上、下层钢筋结构反射清晰可见，道床与管片脱开界面处反射轴能量较强且连续性好，管片上预制的两个小台阶处均存在较强的反射，导致道床底界面反射轴在台阶处存在间断。但成像剖面中道床与管片脱开界面反射轴较“胖”，反射轴宽度约为10 cm，对于道床结构深度变化的测定，其成像结果会引入较大的误差，成像分辨率不足，另剖面中下层部分钢筋反射能量并不明显。

图5 混凝土道床模型实体照片

图6 仪器内置合成孔径技术成像剖面图

图7为文章方法处理得到的多次叠加剖面和偏移剖面。在多次叠加剖面图中，道床底界面、管片预制小台阶的反射轴清晰可见，上下层钢筋反射在叠加剖面中表现为绕射双曲线特征。经过偏移成像后，在图7(b)中可以看到钢筋绕射双曲线归位到钢筋实际的反射位置，同时管片预制小台阶和管片间断处的绕射波也归位到真实位置，反射界面更加连续，间断处特征更加明显。与仪器内置SAFT成像剖面(见图6)相比，文章方法处理得到的偏移剖面中道床底界面反射轴更加“纤细”，反射轴宽度约为3 cm，成像分辨率明显优于仪器内置SAFT的成像分辨率，具有较高的检测精度；并且对道床结构内部上、下层钢筋的成像也清晰可见，尤其下层钢筋的成像效果明显改善，剖面能量更加均衡。由此，进一步说明该方法对混凝土内部结构和结构厚度的检测精度均有提高。

6 结论

文章通过分析进口超声横波检测仪的采集方式和数据特点，对其检测数据进行了解译。借鉴成熟的地震数据处理技术，建立了一套适用于超声横波检测数据的成像处理方法。最后，结合实体模型的检测案例对所提出的数据成像方法进行了验证，并与仪器配套的国外商用SAFT软件成像结果进行对比，得到如下结论。

(1) 基于地震数据处理技术所建立的处理方法完全适用于超声横波检测仪数据的处理，其成像结果能很好地刻画混凝土内部钢筋结构的分布以及层位界面的变化情况。

图7 文章方法处理得到的多次叠加剖面和偏移剖面

(2) 与仪器配套的国外商用SAFT软件成像结果相比，所提方法能显著提升成像结果的分辨率，成像剖面中混凝土反射界面和对内部钢筋结构的反应更加明显，更有利于混凝土的精细无损检测。