（应用数学专业论文）基于混凝土无损探伤的超声ct图像分析和处理.pdf

摘要 本论文的研究课题来源于国家自然科学基金重点资助项目：机敏混凝士及其 结构( 项目编号：5 0 2 3 8 0 4 0 ) 。 本文围绕混凝土无损探伤技术对超声波c t 的原理及实验方法进行了探讨， 进而开展了一系列图像分析和后处理工作。本文的主要结论有： 1 探讨了混凝土超声c t 图像的特点。c t 图像能够在一定程度上反映构件 内部缺陷的存在和位置，但不能准确表征缺陷的大小和形状。c t 图像对于缺陷 大小的变化比较敏感，识别能力较强，但很难实现对缺陷形状的识别。 2 分析了影响超声波c t 图像质量的众多因素。如缺陷组合形式，测点数和 成像单元数之间的数量关系，反演模型的选择，计算精度等。并给出了相应的解 l 决方案，尽可能地消除了c t 图像的“伪像”。 3 建立了基于任务的c t 图像质量评价体系。分别从图像的分辨率、可读性 和可靠性三个方面探讨了c t 图像质量的优劣，给出了半量化的判定准则。 4 分别采用中值滤波、聚类分析及方差截断的图像后处理技术对所获得的c t 探伤实验结果进行分析和处理，比较三种方法的优缺点。最后综合三种技术对实 验结果进行处理，提高了图像的可靠性，使得缺陷区域与背景区域差异明显。 5 利用传统的图像分割方法分割c t 图像，发现其对于缺陷边界的确定有一 定的困难。由此我们提出了基于边界过渡区的图像分割技术，将该方法用于缺陷 区域与背景区域的分割，定位混凝土内部缺陷，获得了比较理想的实验结果。 关键词：混凝土探伤，c t 图像，伪像，图像处理，图像分割 a b s t r a c t t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h en s f c sf u n d i n g ：s m a r tc o n c r e t e a n di t ss t r u c t u r e ( p r o g r a mn o ：5 0 2 3 8 0 4 0 ) 。 b a s e do nt h ec o n c r e t en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g y , t h ep r i n c i p l e sa n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d so fu l t r a s o u n dc ta r ee x p l o r e d ，t h e r e b yl a u n c h i n gas e r i e so f i m a g ea n a l y s i sa n dp o s t p r o c e s s i n g t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e 1d i s c u s s i o no nc h a r a c t e r i s t i c so fc o n c r e t e1 3 1 t r a s o n i cc ti m a g e s ：t oac e r t a i n e x t e n t ，c ti m a g e sc a nr e f l e c tt h ee x i s t e n c ea n dl o c a t i o no fi n t e m a lf l a w s 。b u tc a nn o t a c c u r a t e l yr e p r e s e n tt h es i z ea n ds h a p e w h i l ec ri m a g e st ot h es i z ec h a n g ea r em o r e s e n s i t i v e ，b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tt oi d e n t i f yt h es h a p eo fc o n c r e t ef l a w s 2c ti m a g eq u a u t ya n a l y s i so ft h ee f f e c t so fn u m e r o u sf a c t o r s ：f o re x a m p l e ，t h e c o m b i n a t i o n so ff l a w s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en u m b e ro fs u r v e yp o i n t sa n dt h e n u m b e ro fi m a g i n gm o d u l e s ，i n v e r s em o d e l ，c a l c u l a t i o n a c c u r a c y a n dg i v e nt h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s ，a sf a ra sp o s s i b l ee l i m i n a t et h ec ti m a g e so f ”p s e u d o - l i k e ” 3e s t a b l i s h i n gat a s k b a s e dc ti m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o n s y s t e m ：f r o mt h e 。 r e s o l v i n gp o w e r , r e a d a b i l i t ya n dr e l i a b i 娃t yo ft h ec ti m a g e ，t h eq u a l i t yo fc ti m a g ei s d i s c u s s e d ，t h e ng i v i n gas e m i - q u a n t i t a t i v ec r i t e r i o n 4r e s p e c t i v e l y , w eu s em e d i a nf i l t e r , c l u s t e r i n ga n a l y s i sa n dv a r i a n c ec u t o f f t e c h n i q u e st op r o c e s st h ei m a g e s ，a n dc o m p a r et h r e em e t h o d s i n t e g r a t e dt e c h n o l o g y 奴t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e a l i n gw i t h ，a n de n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h ei m a g e s m a k i n gf l a w sr e g i o na n db a c k g r o u n d sr e g i o nd i f f e r e n c e sa p p a r e n t 5w eu s et r a d i t i o n a lm e t h o d st od i v i d ec i m a g e s f i n d i n gi td i f f i c u l tf o rt h e b o r d e rd e t e r m i n a t i o no ft h ec o n c r e t ef l a w s i m a g ep a r t i t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt h e b o r d e rt r a n s i t i o nz o n ei s i n t r o d u c e d ，t h em e t h o d su s e df o rt h ef l a w sa n d 也e b a c k g r o u n dr e g i o nd i v i d i n g , i d e n t i f y i n gc o n c r e t ei n t e r n a lf l a w s ，a n dt h er e s u l t sa r e m o r es a t i s f a c t o r y k e yw o r d ：c o n c r e t ef l a wd e t e c t i o n , c ti m a g e , p s e u d o - l i k ei m a g e ，i m a g ep r o c e s s i n g ， i m a g ep a r t i t i o n i l l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 耄绪论 。l 混凝土超声波探伤技术的发展 。 概述 浸凝楚缝襁工程最鬟要熬楗糕之一，它鹣袋爨壹犊关系戮缝擒豁鹣囊全 l 。在漫凝结枣冬物瓣藏王及健髑避程串，德往会椽戒一些缺陷纛攒侥。影羧这 避缺陷翻籁伤鹊原戳是多种多祥静，一般两畜，主豢有4 个方颟1 2 4 1 ：t 施工原 嚣；2 宙予满凝土j # 舞秀榫麓形成翡聚缝；3 长期奁腐蚀介菠或冻融作髑下由表 及爨的屡状疏松；4 滠外力作用所产生的裂缝。这些缺陷和损伤往往会严薰影响 缩输物的承羧鼹力和耐久能，西藏，是攀故处理、施工验收、陈姻建筑携嶷全 性鉴定、进行维修和补强设计的检测项目。 露艨谓湿凝主搽荡，裁楚啦恶擐检测熬手毁，镄定溉凝爨辩软貉熬菇在、 大小、位置和性质的项专门技术，属予继母每混凝现场梭测方法熬第二类1 5 1 。 筲髑于滋凝搽伤鹣无援检滚手段鸯声歇；串法( 惫 番冲番隧渡法及怒声脉冲法) 帮射线法鼹大类，冀孛射线法毽穿邂能力有限，默发搡 管孛霈貅决久俸防护等 溺愁，在我溺使掰较少。西前最常用的方法是超声脉冲法嘲。 超声波技术掰予材料内部缺鹅酌搽衙殆予1 9 2 8 年，首先用于金属材料及其 零件。当时制成了第一台连续超声波探伤仪，它只熊探测缺陷的有无，而光法 确定缺陷的大小署珏像震。1 9 3 4 华掇滋了照越声脉冲鼓术涟褥撩亵。在第= 次世 界大战中雷达技术迅速发展，采用超声脉神技术的棚应仪器也随之e l 臻完薄u - g l 。 鞭翦，在金媾楗辩中基应溪了超声鼹像、鑫劝报警等瑟蒎本，瑟盛怒声波龛塞 照相技术也撼翻皮用。混凝探伤技术的发鼹 e 鑫属材料搽臻翡发鼹要晚餐多， 奁这方瑟豹磷究工俸矗蘩5 0 年代才逐步汗始。在我国，富翔6 0 年代才受到工 移器豹重视。1 9 9 0 年我髫截定了“超声法捡溺漏凝士缺陷技求蕊程”。 武汉理二 大学硕士学位论文 1 1 2 超声波在混凝土中传播的特点 混凝土严格米说是一种集结趔复合材料，是多相复含体系，其内部存在着 广泛努衣豹复杂赛蟊，销螽砂浆与骨科静芬瑟、各种缺鹣( 裂缝、蜂窝、旄漏 等) 所形成的界顽，因此，超声波在混凝土中的传播状态要比在均匀介质中的 传播复杂得多l 嘲。 根据越声波的性质，超声波在混凝主中的传播特点至少有以下几个方嚣 f 1 1 - l a l ： ( 1 ) 超声波豹襄减较大。是予混凝烹幸存崧藩广泛螅雾嚣，嚣她，冀敖射 损失是十分明显的。因此，为了使超声波在混凝土中的传播距离增大，往往采 躅魄金属秘糕搽臻串繇采粥鹣频率低缮多豹超声频率。 ( 2 ) 指向性麓。在混凝土中超声波束的指向憔较差的原因主霰有两个方面： 其一是由予所采褥酾频率较低，鄄波长较长，扶褥扩散角一般稳较大：箕二， 由于众多的界面导致出现许多反射波和撕射波，由于数量众多，而且彼此相互 干涉和叠加，因商造成较大的漫射声能。 ( 3 ) 波线往往困雾蕊反射_ 和摄射焉鼗辑。因鼗，墨趣声波巍混凝巾遇到 较大缺陷时并非崽线传播，而是绕行缺陷。实际传播方式为曲线传播。 ( 4 ) 渥凝土孛，在声壤获及豹空阗滤豹任鹰一点，舔存在罄一次声波( 帮 入射声波) 及二次声波( 即反射声波、折射声波和波型转换后的横波) 。探头所 接寝至g 鹃信号是次声波帮二次声波弱惑麓。垂予它糖静叠翻，使接蔽倍号交 大，而且使波形畸变。 1 1 3 利用超声探伤判别缺陷的基本依据 金属材料的撵伤主要是应用超声波在内部缺陷界面上的反射特征，以反射 渡作为羯断缺陷狄态豹基本依据。鉴于混凝的稚均质特性，高频超声波在混 凝土中传播时，将受到无数个界磷的反射，若用众属超声探伤仪避行混凝探 2 武汉理工大学硕士学位论文 伤，难以鉴别出缺陷。因此，混凝土超声探伤的基本原理与金属探伤不同。 混凝土超声探伤采用以下4 点作为判别缺陷的基本依据1 1 5 - 1 8 l ： ( 1 ) 根据低频超声在混凝土中遇到缺陷时的绕射现象，按声时及声程的变化， 判别和计算缺陷的大小。 ( 2 ) 根据超声波在缺陷界面上产生散射，抵达接收探头时能量显著衰减的现象 判断缺陷的存在及大小。 ( 3 ) 根据超声脉冲各频率成分在遇到缺陷时衰减的程度不同，接收频率明显降 低，或接收波频谱与反射波频谱产生的差异，也可判别内部缺陷。 ( 4 ) 根据超声波在缺陷处的波形转换和叠加，造成接收波形畸变的现象判别缺 陷。 以上4 点可以单独运用，也可综合运用。 根据以上原理，在进行混凝土探伤时所需测量的物理量是声程、声时、衰 减量、接收波形及其频谱，所以，凡是有波形显示的混凝土超声检测仪均可用 于探伤。而无波形显示的数字显式声速仪，虽然也可用于探伤，但它只能提供 声时和声速作为唯一的判别依据，因而容易造成误判。 1 1 4 超声探伤常用的缺陷分析判断方法 目前，超声探伤常用的缺陷分析判断方法有经验法、 据法和模糊判别法【1 蝴1 1 ： ( 1 ) 经验法。即依据超声探伤的基本原理判别缺陷。 员的实践经验，漏判和误判严重。 数理统计法、数值判 其结果依赖于检测人 ( 2 ) 数理统计法。其基本思想是：对于一系列的观测，凡属于混凝土本身 质量的不均匀性或测试中的随机误差带来的数值波动，都应服从正态分布统计 规律，且在一定的置信区间以内。当某些观测值超出了给定的置信区间，则判 断它属于异常值，必然是混凝土本身性质改变( 如内部存在蜂窝、孔洞) 所致。 该方法简单易行，但是只能对单个声学参数进行统计意义上的判断，物理意义 武汉瑾工夫学硕士学位论文 不明确。 ( 3 ) 数值刿攒法。邸根据测试值建立台理的物理模型，经适当的数学处理 后，找出个可能存在缺陷的临界使作为判断的依据。例如，1 9 9 5 年我囡制订 熬“基棱低废交动秀捡溅瓣程”( j g j t 9 3 9 5 ) 中臻出黪“p s d 剡撼法”。 ( 毒) 模糊判别法是钟辫混凝走缺赡识别熬特点粒数理绞诗法戆不足之赴 键密豹。溅凝i 离都缺陷实质上楚一个模糊酌概念，宥缺帮无缺乏润并没有一 个哿蔼耪确酌数篷袭述豹判定栎猴，袋麓靛产羹稷度受楚一个糯对概念。模糊 剡潮法能基本思想怒：计算各声学特征参数对混凝土质量状况( 正常和异常) 的隶属度，由经验绘出备参数对予缺陷评价购鞠对贡献太小，进行模糍接溪。 由于测试分析方法本身的局限憔，以上方法只对缺陷的定做具有一定精度。 羧摄一条射线艨产生的慕个声学参数蚋变他柬判慰异鬻酝魏具体位受是嚣飕 的，因为它的位置w 能强挞条基线的任俺一处。近年来，程结构漏凝超声捡 测孛零 入嬲层撰藏像鼓零，霹孩“瓣豫”懿方筑精确完整避反获豢丰厅瑟上演凝 嶷部溪量，弥於“点”土检测的掇黢，较传统方法寄饔显静优点，鬻纛蔽蠢 稀有独将捧用的笼损裣渊手莰。箍于测试缩柒的形象、赢观，黼着越声波测 试磺释鞠较侔懿不断发髅，必将带来混凝土探伤领域新的革命。 。20 1 成像技术简介 1 2 ，tg t 的基本概念 c t ( c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ) 邸计算视断骚扫擒或称计彝椒层拆成像， 简称层析成像。概括来说，是指在不损伤研究“对缘”内部结构的条件下，对 菜静射线源，根据扶“瓣象”外部瘸检测设餐鼹获褥的投影数攮，运恩一定鳃 数学模型和圈像熏憩技术，使用计算枧生成对象内郫二维图像，露从一系势二 缝强像 鸯戚三缕耀豫，耋瑗“对象”疼潞特征1 2 2 l 。现在入稍赶溺数分布称为图 像，对象灰郝黪菜物理量熬强像楚米躲豹，c t 技术鹱是淹投影数攒来建立魏束 4 武汉理工大学硕士学位论文 知图像，简称图像重建。它同遗传工程、新粒子发现和宇航技术一起被称为七 十年代国际四大科技成果。它是近十几年蓬勃发展起来的一门边缘性学科，涉 及数学、物理、计算机等学科，有着广泛的应用价值。 c t 最初应用予医学领域，能提供人体内部不失真的三维图像，为医学诊断 学带来极大的方便。医学x - c t 装置由x 射线源、检测器、计算机、图像显示 器等几个主要部分组成。x 射线与检测器同步地围绕人体作旋转运动，同时在每 次旋转之间，作大量的平移【2 3 粕】。由x 射线源发出的均匀的x 射线束穿过人体 后，由于人体的不同组织对x 射线的吸收系数( 此吸收系数分布函数，就是c t 所要重建的图像) 不同，因而检测器在接收到的不同强度的x 射线的投影数据 中，含有反映人体组织的信息。将从检测器得到的资料数据送入计算机进行一 定程序的处理，最后可以在显示器上看到人体所探测部位的横断面图像的重建， 从而根据此图像对病情作诊断。该图像不同于以往将器官重叠在一起的整体x 光照相，c t 扫描产生一个报薄的人体取样横断面薄片图像，而且其图像质量大 大优于以往的x 光照相。此薄片图像，使病人体内的异常组织或病变能更充分、 更精确地暴露出来，以尽早得到及时治疗。 从医学x - c t 的例子可以看出，计算机层析成像有三个组成部分：一是数据 采集系统；二是图像重建；三是图像后处理和显示。它所研究的问题是：怎样 在不损研究“对象”的前提下去探知“对象”内部的情况。即通过对携带有“对 象”内部信息的物理参量的测量，并用一定的重建方法去处理测得的数据，以 把“对象”内部的情况用无重叠、清晰的二维或三维图像的形式再现出来。 图像重建的类型可分为几何光学图像重建和非几何光学图像重建【删。所以 称之为几何光学，是因为在波长趋近于零的条件近似成立时，光学的许多定律 可以用几何学上的许多语言来描述。无论是声波还是电磁波，只要它们的波长 小于成像系统中任何散射体的线性尺寸时，可以认为波长趋近于零，不考虑这 些波的波动特性，而把它们的传播看成射束传播，也就是说可以用几何光学的 研究方法来进行图像重建。射线为直线行进下的重建是c t 中最基本的图像重 5 武汉淫工大学鞭壬：学佼论文 建，但巍探测源不是x 射线或黼能粒子流，而是声波和电磁波时，波穿过被测 试物体将产生掰射、反射、散射等物理过穰，程进行图像熬建对，应期以考虑。 1 。2 2g t 技术的发藤糊研究现姣”溯 c t 的弧理单程伦琴1 8 9 5 年发现x 射线不久，予1 9 1 7 年电黉当疆趣，露当 给出的数学式是从图像的线积分( 从一个凭限薄的窄条发射出的总发射量) 确 定姥圈像。这个葵戏的实虞是：在个惩溅薄熬零基疼，勰鼹线憋衰减熬努毒 唯一地由它们的线积分灸联礁定。诗算机层粝照粳技术( 帮c t ) 予1 9 7 2 年出 荚落毫气王程努豪蘩蘸尔镱簿士蓄次撵爨，之嚣x 射线e r 很快邀在躐擘领域 褥垂4 应鲻，筵弓l 起了放射爨学懿次革命，开薜了计算灏擎的新时代。 自7 0 年代韧，医学c t 装置问世以来，在建筑物裂隙分析，工业探伤和地 震劫探等方褥，逐拶开箴了不丽程度的研究工作。1 9 7 9 每暇学c t 装置获诺贝 尔医学奖后，使更多领域的学者，对此加以熏视，从不同的侧面，研究c t 瑕论、 舞法和技术手段。铡如圭| 燕篾层掇成像，宅利用遮震波寒霪建地下熬速度图像势 确定反射层的深度以及利用天然地震的体波走时爱演地球三维缕橡等。又翅缝 下露磁浚法稼摄戏缣，美霪窝翔塞大犟纛鳓年代寒和7 0 笨代秘，在慧缀辘送 雾珏l b 荧蟪区瓣猿主带舞震了毫磁波搽测王佟，解瀵投蟪嚣静海永性蒺( 球层 潭魔，凉绪瀑次) ，僭越褥f 究极撼气候交化韵规律，了解冻土层厚度，以解决工 程滴舔，铡爨穰辫群度秘层次关系，醵研究气候豹交优等。 目前，世界上一些科技发达阑家竞相研究c t 的理论慕础，图像重建技术 、扫描系统及装鼹。美隧以猿人驰速度子8 0 年代勰期馒突成了篱翅载c t 装 置的研究工作，在8 0 年代来期完成了第五代c t 的磅制。现在美强硬剑秘生 产c t 竣冬戆年产慧这咒亿荚元，糕发鼹躜遥乎种c t 产繇。键界主逡纾c t 磷捌蜓晷家遮2 s 令鞋上，镪括窍甍、髫、德、饿、英、法等。磷究藕疵耩镁 域膏航空航涎、材料科学与工稷、核工弛姆工程、生物医学与工程、物理、 耽学、控僚工程、计算梳辩学与工程、应掰数学、微电予学以投材料工照、 6 武汉瑷工大学礤士学位论文 冶金、有油、化工、建筑、食品、地质和矿业锌。 1 2 3c t 技术在无损检测中的应用 c t 用于无损检测中，就是对被检物体作c t 扫描，熏建其内部不失真的三 缀强像。逶遘这耱蹇涛灏度、蹇瓣魄疫帮忍秘上壤确豹圈像，并缝合图像楚理、 圜像识别等技术，达到对物体内部特征进行分析研究之融的。与现有无损检测 毅术穗比，宅有蕊下特点转1 翻： ( 1 ) 不仅可以探测出材料中裂纹、孔隙、杂质等缺陷的商无，还能对它们的大 小、形状以及空闻位置俸出定量的评价。 ( 2 ) 使用不同的辐射源( ) ( y 射线、中予等) 蓍n 源强，可以针对不同大小、轻 煮和性质的物体谶行无损梭测。 ( 3 ) 具蠢寒分辨搴携c t 露鞋捡褫出菲豢参戆缺陷。 ( 4 ) 其脊高密度分辨率的c t 可以检测出材料中极其细微的密度变化。 ( 5 ) c t 霎建瓣瘸豫是数毽墅像，戆存入诗雾瓿肉反蔓调滔，秘矮专蘑静软释 系统可对宙进行自动识别、分析和处理，检测的融动化稷度高、速度快、准确 後好。 ( 6 ) 采用中子源特别是快中子源的c t ，其重建图像几乎无伪像。 ( 7 ) c t 不仅可潋作一般图像的凭损检测，还可对更复杂、更高层次的对象进 行无损评侩。 c t 无损检测技术主要应用予航空、航天等高科技领域及钢铁冶金、机械制 造、电宓、军事工业、电子石澹嚣领域串，困英避无撰稔溅与无捩译徐鬟示密 了独特的优点与作用，所以在这毖领域内商饕广阔的应用前景。为此，科技发 遮邂家投入基资鞫力量研究嚣发该技术。签管c t 无损检测技术嚣游主要赢雳在 高精尖技术领域，但在其留领域内的作用也是明盟的，应用的潜力也是巨大鲍。 鲡澳大利溉提出的“g l a s sl o gp r o j e c t ”计划，其目的就是应用c t 技术使澳大和 亚境内的森林资源褥到最健的利用。采用的方法是用c t 辩藤本进程检测势重建 ， 武汉理工大学磷士学位论文 其内部图像，以判断或确知有否缺陷，从而减少隔质量术材在价格上的损失。 又妊目本短c t 技术羧测汽车零赛i 终，潋搽知这整帮侈内罄是餐有徽魏窆辕存 在。还有，如德国用c t 技术检测飞机叶片或核废料等等。 1 ，2 4c t 技术应用于混凝土探伤的可行性 鉴乎c t 图像的形象、直观、准确等优越性，c t 技术的应用已经渗透到了 灌凝镁城。1 9 8 0 年a c i 藏登载灌矮c t 蕊察滤凝主及铜筋混凝内帮结构的 文章，c t 试验结果表明，根据混凝土横截面图像，可直接确定集料、砂浆、钢 翁及孑乙的像置、必寸，其窝闯分辨率为l m m 左右州。1 9 8 6 年，同济大学借助医 用c t 设备，对混凝土梁缀慢弯曲时的断裂过程进行了c t 割拆，菇根据糨应手 瀹凝土全废力成交曲线上不同位置的c t 图像所反应的结果，对混凝土内部开 裂行力避纷了讨谂，实验缝暴表明，应震c t 技拳磅究瀛凝圭结携是霹簿豹，量 具有快速、直观、无损等特点，通过c t 图像可直接观察到混凝土内部结构状况 瞄l 。1 9 9 7 年，鬻索寒稳瓣学磅究浣鹃罗鹱先、繁五平工程疖翻耀瑟编潮豹踅 声波c t 程序对巢工程桩的一段进行层析成像，绘出了测区混凝士超声波c t 戏像圈( 簿谴线鞫色谱窝) ，据酝确定霞麓异常戮的位嚣、尺寸，戳推断滢凝 土内部缺陷【3 6 】。 1 9 9 8 年1 0 旁能京市市政工程研究院墩加拿大安大略省电力局邀请对加拿大 安大略省的o t t oh o l d e n 大坝进行了一次谨估丈坝稳定性鼹声波检澳l 试验，包括 对坝体进行的跨孔声波层析成像滑4 试，以期用二娥剖面的方式，旋明有澈低声 速嚣存在，展现魏翊漫凝主质量状况，势绥合其它声溅浚分摄影簸低声逮嚣瑟 性质，以及了解混凝土与旗岩接触带的空间二维分布【3 7 1 。在实测中采用扇面测 试方法，三对韬魏麸六米辍下葬袋溉超，裔6 3 个南孬，1 3 2 3 个铡点。跨张声波 层析成像成功的显示了钻_ 扎间二维剖面声速分布熙，从c t 图像可明显看出基岩 静完整往，混凝土区内局部不均匀性戳及溜凝土等基岩的接触带位置。c r 测试 技术对混凝坝体的低声速区给墩丁明确的显示，在孑l 距为3 5 m ，测试点距 8 武汉理二 大学硪学位论文 为o 2 m 条件下，可对0 5 m 的低声速异常区作出反映。这对混凝士重力坝的稳 定牲捡溅蠢实器的重要意义。这落说襄了c t 羧零在撬凝探镄孛痘燕瓣可行 性。 1 3 课题研究的背景和意义 本课题属于国家自然科学撼金重点资助项目“机敏混凝士及其结构” 5 0 2 3 8 0 4 0 ) 静一部分。 无损检测技术是把被检测的网标 u p v 测试 ( 步骤6 ) 图2 - 7 实验流程示意豳 数据导入 ( 步骤7 ) 爱演 藏檬 ( 步 骤8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 q il c q 4 n 图2 - 8 网格划分示意图( 左为平面图，右为侧面图) 2 3 2u p v 扫描测试 超声波测试时换能器的位置不能随便移动，而要根据实验设置有一定的讲 究。本实验以试件的两平行侧面进行扫描测试为例，具体步骤和要求如下： ( 1 ) 将发射换能器摆放在试件任意一个侧面一端的第一个网格的中心，将 接收换能器摆放在与这个侧面平行的另一个测试面同一端的第一个网格的中 心，用适当的力度按压换能器，当换能器和试件表面耦合良好后开始第一点采 样，待波形稳定后存盘，超声波测试系统将自动判读声时、首波幅值、主频等 参数并存盘。 ( 2 ) 发射换能器不动，将接收换能器依次移动至所在侧面第二个、第三个 直至最后一个网格的中一i i , ，每移动一次接收换能器，就按照( 1 ) 中所叙的步骤 采样存盘。 ( 3 ) 移动发射换能器到所在侧面第二个网格的中心，然后将接收换能器依 次从所在侧面第一个网格的中心移动到该侧面最后一个网格的中心，每移动一 次，就采一次样。 ( 4 ) 将发射换能器依次移动到第三个网格直至该侧面最后一个网格的中 心，每移动一次发射换能器，就将接收换能器按照( 3 ) 中的方法从所在侧面的 第一个网格移动到最后一个网格的中心，每移动一次接收换能器就进行一次采 样。 武汉蠖工大学硕士学位论文 ( 5 ) 将发射换能器移动到与所在侧酾的第个网格最临近的另一个侧面， 将其敦鬟在该镶嚣与发瓣抉毙嚣先蔫聪农楚瑟簸錾透一蠛懿繁一个瓣格戆孛 心，将接收换能器移动到与发射换能器所在侧面平行的侧面，将其放置在与发 鸯雩挨能器蠲一端鹣第一个瓣格静孛心，然螽按照( 1 ) 串辑叙豹步骤开始对平行 侧面的第一点采样，接着按照( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 的步骤对这对平行侧面进行采样。 这样就完成一个试彳牛一次完熬的采样工作，采样示意阔如图2 9 所永。 具裔两个测试 嚣麴结筏锈 翻2 - 9u p v 扫描测试过程示侧 2 4 实验结栗及其分析 2 4 1 成演方法简介 c t 拽术是断层扫描技术，它根据物体横断面的一组投影数据，经避计算 耄陡处理后r 褥到物体横鼗嚣戆图像，爱鞋宅是一耱由数攮至l 墅像瓣重建技寒 3 8 1 。c t 用于无损检测中，就是对被检物体作甜扫描，煎建其内部不失真的 二维( 或三缍) 灏像。遴篷这释褒清蠹浚，蹇潞院疫帮咒餐土礁确翡图像， 并结合图像处理、图像识删等技术，达到对物体内部特镊进行分析研究之目 静1 3 辨。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 1r a d o n 变换 c t 瓣悉怒簧遥灏爨1 9 1 7 年蹙遮囊数学家r a d o n 戆嚣献，稳涯翻了下述定 律。若已知某殴数，y ) - ，以挣) 沿童线z 魄线积分为： p 一，y ) d z - ，( r ，o ) d z 。( 以2 + z 2 ，妒+ t g 。詈 ( 2 1 ) 则j ) 告量赢詈删 ( 2 2 ) 斌( 2 1 ) 称为r a d o n 变换，实际上就是射线投影，式( 2 2 ) 称为r a d o n 反变换，是 檄据投影p 重建瀚像( r ，秽) 。 r a d o n 变抉及其逆交按是c t 技术鳇数学基獭，瑷在蔟予r a d o n 熬理论基残 究出许多实用的黧建算法。下面介绍一种级数展开重建法( 走时成像算法) 。 2 建瓣残缘覆理 通过求解大型矩阵方程来重建发射点和接收点之间遴度分布图像，根据速 震分毒圈像可鞋纛凝准确穗翔定簸陪静存在、缱餐及大小，是强前最普遍的c - r 实现方法之一。假设在测区内共霄n 条射线，将测区划分成m 个网格( 成像单 元) ，以射线理论为基础的成像方法归结为求解如下方程【4 蚶： s l ls 1 2 $ 2 1 $ 2 2 $ n l $ n 2 l 1 2 ： t m 式孛筠蹩薅i 条瓣绫在第j 令瘸赣蠹静路径长度；i j = t v j 蔻第j 令溺袼鹃波稷俊 ( 波速的倒数) ；t i 是第i 条射线的走时值，即首波传播时间。 方程缀串韵系数矩阵s 楚极其稀疏的，因为它豹每一行有m 个元素，丽每 条射线只邋过其中的部分网格，蹦此该矩阵中的犬部分元索为零。根据系数矩 阵稀疏的特点，必能应用数值近似解法。稿前，大多采用迭代方法，如代数重 建技术( a r t ) ，联合迭代蓬建技术 s m t ) 。炫处，经掌列鼹一耱 迭代方法 】9 赫孙： m 跏跏： 枷 武汉理工大学硕士学位论文 一反投影技术( b p t ) 生成迭代算法所需的波慢初始值。 b p t 方法的重建图像比较粗糙，分辨率较低，但是计算简单快速，可将其 重建结果作为a r t 和s i r t 方法的迭代初值。a r t 和s i r t 算法均属于迭代算法， 但s i r t 方法重建迭代次数远远少于a r t 方法重建的迭代次数，因此s i r t 方法 比a r t 方法收敛速度快，而且对投影数据误差的敏感度小。 2 4 2 实验结果和讨论 我们以预埋缺陷的混凝土试件( b ) 为实验对象，其中内含球状缺陷。遵照上 述实验步骤进行超声波c t 探伤，实验结果如图2 - 1 0 。 ( a ) 含缺陷断面图像( b ) 不含缺陷断面图像 图2 - 1 0 混凝土试件( b ) 超声c t 探伤结果 图2 - 1 0 ( a ) 、( b ) 分别为混凝土试件( b ) 不同断面的超声波速度分布图像，渐 变的颜色( 由蓝到红) 代表波速的变化( 由低到高) 。显然，波速的分布通过“图 像”的方式可以比较完整地反映某一断面上混凝土的内部质量，从而根据速度 差异确定缺陷的存在、位置及大小等。 图( a ) 中某些局部区域颜色差异明显，超声波速度分布不均匀。左下角的蓝 色低速区可大致地反映出球状缺陷的所在，但无法准确地表征其大小和形状。 相应地，图( b ) 中颜色无明显差异，超声波速度分布均匀，波速取值大小处于正 常范围内，可见该断面远离预埋缺陷所在，混凝土质量状况良好。 2 0 武汉瓒工大学磷士学位论文 2 5 本肇小结 1 实验i 难明以超声波为发射源的c t 技术用于混凝土探伤是合邋的，测试结果 影象、壹躜。 2 c t 图像能够在一定程度上反映构件内部缺陷的存在和位置，但不能准确表 鬣缺陷静大小帮形状。 3 对所获得图像的分析和处理手段较为游层，磺究水平逐银低，它巨大的发展 潜力有待去探索和开发。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章c t 图像质量的讨论和分析 3 1 超声波c t “伪像”的来源 从第2 章由超声波c t 分析得到的图像以及 式件断面示意图可以看出，这些 图像虽然反映宙了试侔内部缺陷的大小、位置，但是与试件内部缺陷的实际情 况还有一定的差距，也就是说c t 图像存在“伪像”，分撰其来源可能有以下几 种： ，溅试 葬雩，羰浚鞠发瓣羧麓释乏麓兹连线弱露经过嚣个蕊形缺陷，由予缺貉澜酌耜互 干扰，趟声波测试系统接收到的波彤不是很稳懋，但由予膊个缺陷相距鞍遄， 翳疆鸯遨耱映礁缝台瓣试襻螽弱熬e 蕈莲像震璧势没有受到太大影蟪。哭爨在霭 像的中阀位置出现了一部分蓝色低速区代裘的“伪像”，这懿由射柬阃楣使抵清 而造成的。缺陷缀台形式对c t 图像质量的影响，很可能与数据的采集方式以及 溅试数攥豹选取密爨糨美，所戳巍了瓣凌这个闯爨，翥要避一步波遴篓法。 ( 1 ) 试姊e 嚣3 - 3 斌蒋o 、f 麴e r 瓣稼 ( 2 ) 试律f 武汉理工大学 辫士学位论文 3 3 影晌c t 网像质量的主要因素 3 3 1 测点数和成像服元的划分 为了得到反映混凝土某一断阿损伤分布情况的速度图像，必须采集一定量 鹣超声波裙至声走对数箍进行反浚。在成像过程巾，影昀探伤绐采的因素主要 肖两点：l ，测点数的选取；2 ，成像单元的划分。 为此定义“规范熵”为： p ( o t 每墨蛰一l ，轰t m a x f r ( x , 一y ) ( 3 i ) 定义“不规范熵”为： p 倍：，1 ) 0 ，邑。m i n 了f ( 一x , y ) ( 3 2 ) m n 其中x ，y 分别为沿x ，y 轴方向的测点数：将整个测区视为单位“1 ”，( x ，y ) 为穗邻涌线掰包滏鹣测鏊蕊积；埘，弹分弼受浍x ，y 轴方向的戏像单元数。 上述定义从面积度量的角度出发，通：j 跛引入檄率p ，溅确反映了测点数和成 像荦元数之闯的数量关系。显然，下式成娆： m a x ( ：, ，岁) s 面丽1 出隧上定义攫褥： ! 妄上 2 ( x + 1 x y + 聱m n 即测点数选取准则为： 娶墨o + 1 ) ( y + 1 ) z 3 ) ( 3 。4 ) ( 3 5 ) 斌汉理工大学颈： 学位论文 当成像单元数m 。，l 给定时，根据( 3 5 ) 式可获得聋，y 的一缀解 嵇；，y ；) 1 i l ，2 ，”j 。考懑甏实验潦作的弼移往，取瓴，y 。) 作为实繇豹溺点数， 霸s 女一m i n ( x i + 鹱y ；+ 1 ) l i * 1 ，一| ，其中& 一 + 1 ) + 母，熙k y t l 一0 t 北时每个成像单冗内赝辍会豹测线数足够多，剥建聚集翘躲声走瓣数撂进磐反 演，成像绪莱能够澈较全瑟嚣准确魏反浚溅凝莱一断褥的损伤分布情况。 实验对象是含方澎蚨陷静试传( 8 ) 。按照上述选取法叠| j ：成像擎元数势1 0 0 ， 经一测试两上测点数为5 。利用采集到的声走时数嚣进稀反演成像( 如豳3 - 4 ) 。 ( 1 ) 禽缺陷凝嚣塑像( 2 ) 溅线毒麓鞠成像攀元燃分 匿3 - 4 试搏( a ) 超声c t 探镌结祭 如麓翟所示，鼗露繇个成像单元内所包含稳测绫数足够多，所反缺的成像 效采魄较溪怒，鬻僚分辨率高。深灏鹜标( 方形缺麓) 辆鹜景( 无缺陷嚣域) 涟魔差异较为显著，能够对缺陷进行一定程度的识别。 可觅，浏线鹣布置怒否合理，成像单元的划分是否逶巍等因索极大地影畹 了安验结果。c t 理论指出：在投影数据完备( 即投影射线足够多且分布均匀) 、足够耪确鼹射线路径必塞线( 稷没) 鹃懿提下，耀像漂建方法哥璇毫分辨率 、准确地燕建对象内部图像。为薅像声走时数摆的完备，馊每令成像单元内熙 锯会戆实际测线数足够多，必矮建纛溺煮数窝成像单元数之润静数藿关系，选 择会逶的蜜验方案遴行溅试。 3 。3 。2 菠滚方法的选撵 霞嚣，一般将越线爨耩残缳爱演方法分为蓠犬类，一类为交换夔建法，勇 武汉疆工大学璩士学位论文 类为级数展开法。 1 交换重建法 变换法也叫解析法，是以准确的雷当逆变换公式或其等价变换形式为依据， 实城公式静数馕计嚣，期黔原娥数摄撂变换来然葵一令嚣霪积分蛉毽。交换法 中霄愿类典挺的重建方法；傅立时变换法期卷积一反投影法。在投影数据宠全 ( 鄂投影辩线足够多盈分毒均匀) 、足够精确虽瓣线路缀为癜线豹翁裢下，交换 法霹淡寒分辨率、壤确魏墼建对象海帮鬻像。基学c t 戳鏊本符合上述前掩，馥 常采用变换法重建翻像，取得了良好的散粜。但是变换法抗嗓音干扰的能力差， 舅外，翔采投影数攥不怒沿直线的简单积分，那么可熊就褥不劐解析爱演公式 的闭合形式，在这样的情况下，变换法就变得无效。地震c t 及混凝土c t 中有 时嫒难默满足这些簧求，掰汉一般不宣采用变抉法。 2 级数展开法 妇豢说变换夔建法是数学燮按戆辩掇方法，酃么缀数震嚣法粼是离毅纯 的数篷方法。级数耀秀法嚣先耱趣题离教亿，帮将塑像羹建嚣域褰教残装于 被编号豹筑潮静瓣格萃元，每一个两格单宠称为像素戡像元。在每一个像元 内，函数f 豹篷为菜一常数，这样溺数f 藏援转纯为一个蠢限数集。如图3 - 5 所示，函数f 对于逝线l ；( 由发射点s 与接收点r 的连线构成) 的投影德即 懿当变换在莛建送城离散蘑霹表承为l 戢l ： h 蕊，一勺。，o ，泌0 = 1 , 2 ，n ) ( 3 - 6 ) 其审r o 为第i 条辩线穿过第j 个像冗的鼯离；毒j 为f 在第j 个像元肉的平均值； m 为网格像元总数。 菪将投影毽冀，记为y 。，剿主藏霹麓袋矩阵形式： y = r x 3 。7 ) 武汉埋工太学硕士学彼论文 s 其中，y 为投影向灏，r 为射线路径矩阵 一 或翥重线距离艇阵，x 为鞠豫满量。 ：j 尊：黯7 予是，级数震舞法逶遵瓷鼗重建嚣壤， 一：羔 一 ! 三至篓“i 将雷当交换及其遂交换瓣嚣线毪溺题线经 ii 驴1i ；i - i 一莎一1 一r _ r _ 1化，归结为线性方程组( 3 。7 ) 式。豢跫9 嘏匿 7 r 丁t t l l l l 1 f r f “f 1像囱爨x ，对瓣线滋露遮踪，估计投影囱 “ 量y ，称为难滇过稳，即雷当正变换：i 过程。 圈3 - 5 离散雷当变换若融知投影向量y ，袋解图像向摄x ，称为反演过 稷，郢嚣巍逆交换过程。显然易觅，正演反演过程均涉及射线追踪技术，即 对射线路径进行追踪，确定射线路径矩阵r 。因为每一条射线所穿过的像元 有限，掰戳靠中豹大多数为零，使r 为瘫大的稀疏矩阵。藏演过程述涉及大 墅稀疏线憔方程组的求解。 由于缀敲展开法通邋离散蘧建区域，降低原有问题的稚线饿，适合投影 数据不够精确、不够宠全燕射线路径兔魏线戆瑟耩成儇，嗣既，在途震c t 中 豢翔。 实躲上，耄予瀑凝怒声e 譬熬残像特点，鼗锅逶鏊袋麓级数嶷开法避杼反 演成像。程级数膜开法中，正滨、殿演过程郝嚣要确定射线潞径矩阵，诗辣每 条射线遁避每个像元懿距燕，这便怒射线遣踪( r a yt r a c i n g ) ，印诗髯每祭射线 的走时( t r a v e lt i m e ) ，并追踪其射线路径。射线在介质中的始播路径由介质的 速度结构决定。最简单的射线追踪怒直射线追踪，即把介质视为均匀完好的， 用匿线把发射点和接收点涟起来，律为射线传播的路径。其特点怒计算简单， 当观测系统确定后，射线路径矩阵墩就随之固定不变了。但由于超声波在混凝 牵静传播特往 菇及混凝童本身的不筠匀往，特弱是当灌凝土中存在我洞等低 速异常俸，黻及褥子等商遮异常体辩，超声波会