（交通信息工程及控制专业论文）混凝土超声无损检测层析成像技术研究.pdf

摘要 超声波无损检测中的层章厅成像技术，作为一种免避的检测技术被广泛应用予 混凝士结构的肉部威整检测中。为了能够褥翻更翻滂渐、准确绝反漱混凝土内部 缝椽螅图像，本文分别对混凝超声屡掇或像检测系统及其层辑成像算法进行了 研究与改进。 本文款憝声缝溅方法静瑷状懑发，分援现有捡溅设冬存在懿箨藤，设诗了一 种新黝混凝土超声朦析成像凭损检测系统。该系统采用稀土超声换能器作为发射 源，其畜大功率、宽频带、簸余震豹优点，可醴愆予大鹜工程中瀚大俸积滢凝 结构的无损检测；采用2 4 遴道数攒同步接收，提高了现场工作效率，同时可戳 保证数据采样位置静精度，从粝保证了层桥成像豹精度：采耀改进豹图像熏建算 法，掇塞了霹缘重建靛速度酾精度。 论文通过对常规超声层析成像磐法的分析研究，提出了两种改避的l 蛩像熏建 算法；放壤攀角度改迸瑟酸r 罩算法翻塔式触醛舅法。运避数篷撰羧寒混凝 试件试验研姆结果表明：与传统越臻算法相比，王a r 譬算法反演精度赢，图像熏 建髓力强；塔式麓醛算法蘩建鼙像速度浃。嚣静冀法帮适食戬莉线瑾论为簇础 的层糈成像。丽晨算法的正确性窳有效性在嶷桥检测中得到了验证。 超声波程混凝中韵传播特性戳及混凝本身髀不均匀健，使褥超声波瓣实 际传播路径发生弯曲。爨此，论文还将线毯是瞬插徽( 耀1 ) 射线邋踩算法弓l 入 混凝士超声艨析成像中。数假模拟和试验研究表明，l t i 算法的引入，迸一疹提 嘉了爨藩重建滟精瘦秘痿量。 关键调：溉凝土越声秃颈检测箧轿成像射线追躲拽当变抉爱演技米 a b s t r a c t a sa na d v a n c e dd e t e c t i o nm e t h o d ，u l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g c o m p u t e d z e dt o m o g r a p h y ( c t ) t e c h n o l o g yi su s e dt od e t e c ti 衄c rq u a l 时o f c o n c r c t e s t n l c 缸e t oa c q u 扛ec i e a r l ya n da c c u r a t 醴yi 聃e rs 锄c 髓ei m a g eo fc o n c r e t e ，如e s y s t e ma 1 1 di m a g er e c o n s 恤l c d o na r i 也m e t i ca b o u tu l 仃a s o n i c - t o m o g r a p h ys y s t e mu s e d f o rc o n c f e t es 锄c 抛羚n o n d e s 觚c t i v et e s t i n g 馥es 艇i e d 她di 璎p f o v e ds c p a r a 翻y an e wu 1 仃a s o n i ct o m o g r a p h ys y s t c i nu s e df o rc o n c r e t es m l c t l l r en o n d e s m l c t i v e d e t e c t i n gi s 如s i 盟e di nt h e 也e s i s t kn e ws y s t e mu s e sas p e c i a l l yd e s i 铲e dh i 曲 p o w e r 锄ds h o r tp u l s eu l t m s o n i ce m i t t e r ，a l l dc a nb eu s e dt od c t c c tg r e a t 如l kc o n c r e t e s t r u c n l r ei nl a f g e s c a l ep r o j e c t t h e r ea r e2 4c h a n n e l si nt h en e ws y s t e mt o s y n c h | n o u s l ya c q u i 端d a t a ，也u s ，t h ew o r ke 茧c i c n c ya 主l d 斑ep o s 甜o np r i s i o 牲o f s a n l p l i n ga r ei n l p r o v e d 伊e a t l y t h ei r 印r o v e di m a g er e c o n s 咖c t i o na r i t h m e 血i su s e d 缸也en e ws y s t c m ，w b i c hi m p r o v e st h es p e e da n dp r e e i s i o no fi m 鑫g ef e c o 王l s 舡w e 墩m b a s e d0 nt h e 廿a d i “o n a l 曲a g er o n s 眦d 衄a r i 如m e t i c ，t h et h e s i sp r e s e n t s 押o i i n p f o v e di m a g er e c o n s t i o n 捌m m e t i c ，o n ei si m p r o v e da r i t h m e t i co na l g e b r a i c r e c o n s m l c t i o nt e c h n o l o g y ( m r t ) a r i t h m e t i c ；也eo t h e ri st o w e r 甜wa i j c h r n e t i c 确e f o l l 溉gc o n c l u s i o n sa b o u t t h ei m p r o v e di m a g er e c o n s 仇i c t i o n 撕t h m e 廿ca r ed r a 眦 鲫dv e r i 蠡e df b 曲e rt l 瑚u 萄n u m 商c a ls i m u l a 矗o n sa n de x p d m e n t s f i 赋，t h en r t a m m e t i ci se x c e l l e n ti nb a c ka n a l y s i sp r e c i s i o n ，a i l di sg o o da ti n l a g er e c o n s t n l c t i o n ； s e c o n d ，缸s p e e d o f 龇t o w e r a r i t 蚰e t i c i sv e f yh i 馥；烛d ，也c b o t ha 船瞄e 垃c 翥t c t b a s e do nr a y 血e o r y - t h ec o n - e c 仃l e s sa i l dv a l i d i t yo fi m p r a v e d 撕m m c t i ca r e v a l i d a t e di np 期唾e c tp r a c t i c e t h e 也e s i su s e st h el i n e a r 舰v e l t i m ei n t e f p o l 撕o n ( m 田m y 住a c i n ga r i t 胁e t i ct o 妇c ec u r v ep 砒c a u s e db yr e 行a c t i o na 1 1 dd i 衢a c t i o no fu l 打a s o n i c n u m e n c a l s i 檄u l 蘸o n sa 醛e x p c r i m e n t ss h o wt h a 主馈es p e e da n dq 珏a l i 锣o fi n l a g of e c o n s 协l c 垃o n a r ei m p r o v e dd u et om e 印p l i c a t i o no f l t i k e y w o r d s ：c o n c r e t e u 廿a s o n i cn o n d c s t n l c t i v et e s t i i l 舀c o m p u 蜘z e dt o m o 掣a p h y r a y 拄a c i n g ，r a d o n 打a i l s f o f n l ，b a c ka n a l y s i st e c h n i q u e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成栗。除论文中已经、注明弓l 用豹内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 蔽色剪、 “年夕月艿田 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作晶，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阂以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 反镌爹 卫彬乞年r 月日 导师签名：名珥杯 砂年f 月砑豳 第一章绪论 1 1 前言 随着我国交通事业的飞速发展，我国在桥梁建设方面无论是工程规模、建设条 件，还是技术难度、科技含量，都代表着当今世界的先进水平。目前，全国已建成 公路桥梁达3 1 0 8 万座，其中特大桥梁2 1 5 5 座，大桥1 7 4 1 7 座。然而，我国在桥 梁质量检测技术与评定方面却远远落后于世界发达国家。我国目前在桥梁混凝土的 强度测试、缺陷判别大多还停留在预留试件和现场取芯的水平，虽然国标中已规定 了超声无损检测方法，但是，已有的超声检测设备由于精度低，对混凝土内部缺陷 只能定性，不能定量，无法满足大量新建桥梁质量验收和大量长期使用的在用桥梁 健康检验的需要。近年来，一系列灾难性的桥梁倒塌事故也是主要由于在设计施工 中质量把关不严，加上对成品桥的维修保养不力，出现了诸如混凝土内部空洞、离 析，钢筋锈蚀，预应力钢筋失效，梁体受力部位开裂等病害。因此，如何客观、准 确、快速的测定混凝土强度和内部缺陷，从而为评价桥梁建设质量和剩余寿命提供 客观依据，己成为目前桥梁检测技术发展中亟待解决的难题。如果能够对成品桥和 新建桥梁进行定期强制性检测，并根据检测结果对其进行定期保养与加固，就可以 减少或防止这类恶性事件的发生，这无论是对人民的生命财产，还是对国民经济来 说，都具有十分重要的意义。 混凝土是桥梁工程的重要构件之一，它的质量直接关系到桥梁的安全。结构混 凝土质量的传统检测方法，是以按规定取样制作的立方体为基础的。实践表明，用 试件试验所测得的混凝土性能指标，往往与结构物中实际混凝土的性能有较大差 别。因此，直接检测混凝土结构的现场检测技术，已成为混凝土工程质量管理的重 要手段。国标g bj2 0 4 1 9 8 3 钢筋混凝土工程施工及验收规范明确规定，当试 件试验结果不符合混凝土强度验收评定标准所规定的要求时，“可以在结构物中钻 取混凝土试样或采取非破损测试方法进行检查”。该标准的颁布和实施在我国的技 术法规中正式确立了现场检测技术的重要意义和合法地位。近年来，我国广大科技 工作者对如何加强混凝土质量控制和检测进行了大量研究，己将我国混凝土工程质 量无损检测和评价技术水平提高到一个新的高度，全国各地普遍建立了工程质量监 督机构，混凝土结构的无损检测方法【l 】得到了极大的重视。 土木工程无损检测方法主要有五大常规检测技术阿4 】： ( 1 ) 超声检测( 稳态击振超声波法、瞬态冲击回波法、声发射) ( 2 ) 高频电磁雷达法； ( 3 ) 外线、激光法： ( 4 ) 微波法； ( 5 ) 射线法等。 其中射线法因穿透能力有限以及操作中需解决人体防护等问题，在我国使用较 少。雷达扫描法是利用混凝土反射电磁波的原理，其特点是可迅速对被测结构进行 扫描，适用于道路、机场等结构物的大面积快速扫测，可确定钢筋位置及成像等。 红外热谱法是测量或记录结构混凝土热发射的方法，当混凝土中存在缺陷时，缺陷 区的热发射受到阻抑，因而可判断缺陷的位置和大小，可用于建筑材料质量评价及 成像等。声发射技术是利用混凝土受力时因内部微区而发声的现象，根据声发射信 号分析混凝土损伤程度的一种方法，这种方法常用于混凝土受力破坏过程的监视， 用以确定混凝土的受力历史和损伤程度。微波法用于湿度检测及墙体成像等。 超声波无损检测( u t ) 与其它四大常规无损检测技术相比，具有技术相对简单、 被测对象范围广、能够检测的深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使 用方便、设备体积小、速度快、对人体无害及便于现场使用等优点适用于从表面进 行各种部位探测，数据较易处理。因此，超声无损检测技术是国内外应用最广泛、 使用频度最高且发展较快的一种无损检测技术，目前己广泛应用于混凝土结构的内 部质量检测中，混凝土结构超声检测方法也已正式列入一些部门、地方和工程标准 化委员会的规程中。 1 2 混凝土超声探伤的基本原理f 3 j 超声脉冲法检测时，将超声发射探头( 发射换能器) 和接收探头( 接收换能器) 分别置于被测混凝土试件的两个相对面，发射探头重复发射超声脉冲，接收探头接 收超声作用应力波。超声作用应力波在混凝土内部穿透或在界面发生反射，其接收 信号将携带有关混凝土材料性能、内部结构等诸多信息，反映在声时( 即超声脉冲 穿过混凝土所需的时间) 、波速、首波幅值及波形等声学参数的大小及变化中。通 过对接收探头接收的信号进行分析与判读，进而对混凝土构件进行测厚、测缺( 空 洞、裂缝、离析、夹层、不密实、弱强度区等类型判别、缺陷定位、缺陷大小确定) 、 2 测强，从而全面地鉴定混凝土的内部质量。通过进一步对接收的信号进行计算机分 析与c t 成像处理，可快速、直观地反映出混凝土的内部质量和存在的问题。 目前，混凝土超声探伤主要依据以下四条基本原则判别缺陷： ( 1 ) 根据低频超声在混凝土中遇到缺陷时发生绕射，按声时及声程的变化判 别缺陷的存在，计算缺陷的大小； ( 2 ) 根据超声波在缺陷界面上产生散射，到达接收换能器时能量衰减显著， 判断缺陷的存在及大小； ( 3 ) 根据超声脉冲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，或接收波频谱与发射波频谱产生的差异判断内部缺陷； ( 4 ) 根据超声波在缺陷处产生散射、衍射，使波形转换和叠加，造成接收波 的波形畸变判别缺陷的有无。 以上原理既可以单独适用，也可综合运用。 1 3 混凝土超声探伤的判别方法 目前，超声探伤常用的缺陷分析判断方法有经验法、数理统计法、数值判据 法3 1 和模糊判别澍5 】【6 。 ( 1 ) 经验法，即依据超声探伤的基本原理判别缺陷。其结果依赖于检测人员 的实践经验，漏判和误判严重： ( 2 ) 数理统计法，即我国于1 9 9 0 年制订的超声法检测混凝土缺陷技术规程 ( c e c s 2 l ：9 0 ) 提声超声测混凝土缺陷的“概率统计法”，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，物理意义不明确： ( 3 ) 数值判据法，即根据测试值建立合理的物理模型，经适当的数学处理后， 找出一个可能存在缺陷的临界值作为判断的依据。例如，1 9 9 5 年我国制订的基桩 低应变动力检测规程( j g j 7 9 3 9 5 ) 中提出的“p s d 判据法”： ( 4 ) 模糊判别法，是针对混凝土内缺陷识别的特点和数理统计法的不足之处 提出的。混凝土内部缺陷实质上是一个模糊的概念，有缺和无缺之间并没有一个可 用精确的数值表述的判定标准，缺陷的严重程度更是一个相对概念。模糊判别法的 基本思想是：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，这是 单因子的点评判结果；由经验给出各参数对于缺陷评价的相对贡献大小( 即模糊规 则) ，对单因子评判的结果进行模糊推理( 本质上是加权平均) ，得到测点对正常和 异常的隶属度，这是模糊多因素综合点评判的过程。 由于测试分析方法本身的局限性，以上方法仍处于定性或半定量水平，都只 对缺陷的定位具有一定精度，而对缺陷的大小、形状及性质难以给出定量的结果， 从而给最终准确评价结构混凝土的可靠性及受力后工作性能带来困难，因此，混 凝土超声检测目前面临的一个重要课题就是实现评判结果的全面量化，即不仅要 确定是否有缺陷，而且要进一步确定缺陷的大小、形状、分布、性质等。根据一 条射线所产生的某个声学参数的变化来判别异常区的具体位置是困难的，因为它 的位置可能在整条直线的任何一处。 近年来，在结构混凝土超声检测中引入的层析成像技术7 1 ”，可以以图像的方 式精确完整地反映层析面上混凝土内部质量，弥补“点”上检测的局限，较传统方 法有明显的优点，因而成为一种有独特作用的无损检测手段。 1 4 超声成像技术现状及趋势1 2 l 在现代无损检测技术中，超声成像技术成为了无损检测技术的发展及计算机智 能化发展的标志，作为令人注目的新技术得到极大的发展和运用。 无损检测技术的基本目的是检测出物体中的缺陷，并确定其位置、大小和性质。 物体的超声图像可以提供直观和大量的信息，直接反映物体的声学和力学性质，而 这些性质恰是应用断裂力学评价材料的依据。现代超声成像技术大都有自动数据采 集、自动数据处理和自动做出评价的功能，使超声成像成为现代定量无损检测的一 种重要技术，超声成像技术有着非常广阔的发展前景。 超声成像的研究最早可以追溯到1 9 2 0 年，著名的原苏联科学家萨卡洛夫 s j s o k o l o v 从1 9 2 0 年起进行了近2 0 年的声成像研究，为声学界做出了重大贡献， 并于1 9 3 5 年完成了液面成像装置。其后由于技术上的种种原因，超声成像研究进 展缓慢。6 0 年代末，由于电子技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展，超声 成像研究恢复了生机。7 0 年代形成了几种较成熟的方法，大量商品化设备上市，在 医学诊断中得到了极其广泛的应用，在工业材料超声检测中逐渐得到应用。超声成 4 像就是用超声波获得物体可见图像的方法。由于声波可以穿透很多不透光的物体， 故利用声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息，超声成像技术将这些信息 变成人眼可见的图像，即可以获得不透光物体内部声学特性分布的图像。 ( 1 ) 超声成像 1 9 4 4 年，美国的f a f i e r s t o n e 发表了采用超声脉冲法探伤仪的报告。1 9 4 6 年， 英国的d 0 s p r o n l e 研制成第一台a 型脉冲反射式超声探伤仪。超声脉冲回波在示 波管荧光屏上可有不同的显示方式。所谓a 扫描：是指荧光屏上的x 轴代表脉冲回 波渡越时间或缺陷的距离，y 轴表示回波的幅度。 将示波管和电子束作强度调制，即用荧光屏上的每一点代表被测样品某个截面 上的一个点，而用该点的亮度大小表示从样品上对应点测得的回波振幅的大小，就 得到b ，c ，d 显示方式。b 扫描所显示的是与声束传播方向平行且与样品的测量 表面垂直的样品剖面；d 扫描所显示的是与声束平面及测量表面都垂直的剖面；c 扫描所显示的则是样品的横断面。为了挑选出从某一深度回来的超声信号，要用一 个电子闸门，改变电子闸门延迟时间，就能测到物体在不同深度的横断面的图像。 随着无损检测( n d t ) 工作向无损评价( n d e ) 工作的发展，要求获得图像更准确、 更精确。于是产生了a b ，a c ，a b c 等组合的成像设备如清华大学的陈戈林、 郭艳林等于1 9 9 3 年研制成功了t h m u t - i 型多功能宽带超声检测仪，可同时完成a ， b ，c ( 多断层) 、声显微镜等多种功能，其它还有p 扫描。p 扫描是“投影成像扫描” 的简称，是专为检测焊缝而开发的。 ( 2 ) 超声波显像 声波是力学波，它会改变传播介质中的一些力学参数，比如质点位置、质点运 动速度、介质密度、介质中应变、应力等，液体中还引起辐射压力，利用这些参数 变化可以使声波成为可见。1 9 3 7 年，p o h l m a l l 制成第一台声一光图像转换器，称之为 坡尔曼盒。这个盒子透声、装满液体，液体中悬浮大量无规则排列微小铝片，当超 声波穿过坡尔曼盒时，在声辐射压力作用下，铝片取向变化，于是就显出声场分布。 到目前，最有效而常用的声波显示方法是施利仑法( s c h l i e r e n ) 和光弹法。施利仑法 的根据是声波导致介质密度变化，而后引起光折射率的改变，光弹法成像原理是超 声引起应力，在各向同性固体中，应力产生光的双折射效应，光通过应力区后，偏 振将发生变化。光弹法在上个世纪2 0 年代已有应用，8 0 年代我国著名声学专家应 崇福和他领导的小组用动态光弹法系统研究了固体中的超声散射，把这个方法的价 值提到了新的高度。在他们的散射研究中，首次目睹了声波沿孔壁爬行，在材料棱 边内部的散射和在带状裂缝的散射，还首次窥见了兰姆波和瑞利波，观察了前者在 板端的散射，后者绕材料尖角的散射，他们提高了动态光弹法的显示清晰度，8 0 年 代前期的光弹照片质量之高在国际上已属罕见。 ( 3 ) 超声全息 超声全息法是利用干涉原理来记录被观察物体声场全部信息( 振幅分布和相位 分布) ，并实现成像的一种超声成像技术和信息处理手段。4 0 年代c a b o r 论证了用 相干光将三维图像记录在二维照相底片上的可能性，这就是全息照相。6 0 年代后期， 全息概念才进入超声领域。早期的声全息完全模仿光全息的方法，重建图像有严重 的深度畸变，没有实用价值。目前比较活跃的声全息方法与光全息方法不同，扫描 声全息大致分为两类，一类是激光重建声全息，它是用一个与入射波同频率的电信 号与探测器的输出电信号相加，用叠加信号的幅度去调制荧光屏光点的亮度，在荧 光屏上形成全息图。将全息图拍摄下来，再用激光照射全息图，获得重建图像：另 一类是计算机重建声全息，它是利用扫描记录到的全息函数与重建图像函数之间是 空间傅氏变换对的关系，直接由计算机计算而实现的重建，由于它不需要拍摄全息 图，故又称为无全息图重建。近场声全息是全息研究的一个生长点，可以达到远小 于工作波长的分辨率，适用于检测物体的低频表面振动。 ( 4 ) 超声显微 超声显微镜是利用声波对物体内力学特性进行高分辨率成像研究的系统和技 术。1 9 7 4 年出现了第一台超声显微镜，并成功得到了一系列生物试样的超声像。1 9 7 0 年，生物学家们提议在美国设置两个研究组研制声学显微镜。一个在斯坦福大学 s t a i l f b r du n i v e r s i t y ，由q u a t e 教授主持，采用s a m ( s c a l l n i n ga c o u s t i cm i c r o s c o p e ) 方案，我们叫做机械扫描显微镜。一个在泽尼斯无线电公司( z 锄i t hr 丑d i o c o r p o r a t i o n ) 采用s l a m 方案( s c a 皿i n gl 船e r a c o l i s t i cm i c r o s c 叩e ) ，叫做激光扫描声 学显微镜，1 9 8 4 年获得了成功。 ( 5 ) 相控阵法 超声检测中，往往要进行声束扫描。常用的快速扫描方式有机械扫描和电子扫 描。机械扫描又有线扫描、扇形扫描、弧形扫描和圆周扫描等几种形式，而电子扫 6 描则也有线形和扇形扫描这两种形式。相控阵成像是通过控制换能器阵中各阵元激 励( 或接收) 脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射( 或接收) 声波到达( 或来自) 物体内某 点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，完成声成像的技术 ( 6 ) a l o k 超声成像 a l o k 是“振幅一传播时间位置曲线”的缩写，其成像基本原理如图1 1 所示， 在采集数据时不加时间闸门，测量系统记下探头在测量点p j 得到的回波串中所有的 正峰值及其出现的时间。根据几何声学原理，回波的传播时间在重构空间中确定一 条弧，许多圆弧的交点就重构出缺陷的像点。a l o k 成像系统已用于核电站作役前 和在役超声检测，它是目前获得实际应用的少数高级成像系统之一。 h p 4 轨 图1 - 1 基本原理图 ( 7 ) 合成孔径聚焦成像( s a f t ) 合成孔径聚焦超声成像是自7 0 年代发展起来的一种超声成像技术，它是由合 成孔径雷达技术发展过来的。在这项技术中，应用小孔径换能器和较低的工作频率 获得高方位分辨率，突破了经典理论的限制。成像原理如图1 2 所示，用换能器阵 列的各振元接收来自同一物点的声信号，并对所得相应声信号引入适当的时间延 迟，使它们同时到达输出端作叠加输出，就实现了对该物点发出的声波的聚焦接收， 出 国1 2 成像原理图 这就是合成孔径聚焦成像。这种成像的分辨率高，能在近场区工作，并能实现三维 成像。 ( 8 ) 超声c t 早在1 9 5 7 年，美国物理学家a m c o m a k 教授就在哈佛大学电子加速器实验室 研究重建图像的数学理论。1 9 6 3 年，第一个提出x c t 理论，即以投影切片定理为 理论基础的傅立叶变换重建图像。英国e m i 公司中央实验室电子工程师 g n h o u n s f i e l d 避开数学计算，从实验角度解决物体断面吸收值问题，形成了实验 成像理论。他们几乎同时推出第一台医用c t ，1 9 7 9 年共同获得诺贝尔医学奖。超 声c t ( c o m p u t e r i z e d t o m o 芦a p h y ，简称c t ) ，由x c t 引申而来，可以获得声速、 声衰减系数、声散射系数及非线性参数等量的定量图像。目前的超声c t 主要有透 射型和反射型两种。图像重建基于两种理论：射线理论( 几何声学理论) 和衍射理论 ( 波动声学理论) 。衍射理论中，将物体看成声学量( 密度、声速等) 连续变化的非均匀 体，根据波动方程来求解声波的传播及散射声场。在这些复杂的求解过程中，往往 需要做一些简化假定( 如密度为常数，声速变化很小等) ，并采用b o m 近似或r a t o v 近似等求解波动方程的近似理论。结果，这些近似反而引入较大的误差，致使衍射 理论用于重建图像并不比射线理论高明。 1 9 7 9 年，美国学者s j n o 哟n 提出单发单收反射式超声c t 成像方法，由于这 个方法实验条件简单，能同时得到重建图像的纵向横向高分辨率而受到人们的重 视。中国科学院武汉物理研究所的兰从庆、陈彦华等人在这种成像理论的基础上， 做了大量深入的工作，在理论上及现实应用上都做出了相当的成就。对于单发单收 超声反射c t ，当超声换能器离成像物体较远时，可采用x c t 中的滤波一逆投影方 法( f b p ) 进行重建；当距离较近时，上述方法得到的重建像会大大失真。兰从庆、 陈彦华等提出了一种叠代的修正方法，使重建图像明显改善。他们提出了时域反卷 积算法用于提高超声反射c t 成像分辨率。1 9 9 3 年，完成了无损检测超声c t 成像 装置。在超声c t 的无损检测应用中，提出了在f b p 方法的基础上，采用沿圆弧后 投影的方法，也得到了很好的重建效果。他们还把超声c t 用到生物样品的成像中， 1 9 9 9 年研制成功了水浸式超声检测成像系统，能完成a b ，a c ，b c 实时扫描成 像及c t 和s a f t 等多种功能，具有很高的实用价值。 上述所有成像方法中，b 扫描和多普勒超声成像在医学诊断中已得到了广泛的 应用。在无损检测中，随着n d t 向n d e 方向的转变，对图像质量的要求日益提高， 多种扫描方式合成三维图像将以其简单实用、可行的特点而成为超声成像的一个发 展方向，相控阵法将以其高效、精确、简单的优势而受到人们的重视。 1 5 混凝土超声层析成像技术 层析成像( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) 1 3 _ 18 1 ，是在不损伤研究“对象内部结 构的条件下，利用某种射线源，根据从“对象”外部用检测设备所获得的投影数据， 运用一定的数学模型对投影值进行处理，利用计算机反演“对象”内部未知的某种 物理量的分布，生成二维、三维图像，重现“对象”内部特征。人们把函数分布称 为图像，对象内部某物理量的图像是未知的。c t 技术就是由投影数据来获得未知图 像，亦称为图像重建。 c t 技术是一门涉及数学、物理、计算机等知识的边缘性学科，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。c t 技术最初应用于医 学领域，并获得巨大成功，能够提供人体内部高清晰度、高分辨率的三维图像，为 医学诊断带来了极大的方便。1 9 7 9 年c t 的发明者豪斯菲尔德和柯尔马克获得了诺 贝尔医学奖。近年来，c t 技术的应用己拓展到科学、工程等诸多领域，特别在地球 物理学、地质勘探和无损检测中得到了广泛的应用。 在工程中，按照射线源，层析成像可分为声波c t 、射线c t 和电磁波c t ；根据 应用领域，可分为医学c t 、工业c t 、地震c t 和大坝c t 等：根据投影数据类型， 可分为走时层析、振幅层析和波形层析等；根据反演的物性参数，可分为波速层析 成像、衰减层析成像和电阻抗层析成像等：根据反演的理论基础，可分为以射线理 论为基础的射线层析和以波动理论为基础的波动层析“。 c t 技术首先应用于医学，在医学c t 成像中可以得到比较完整的投影数据，根 据，b “，z 切片定理，利用变换法成像技术即可快速的得到具有一定质量的重建图 像，工业c t 是医学c t 技术在工程勘探中的应用和发展，混凝土超声c t 层析成像 技术属于工业c t ，在c t 技术的应用上与医学有很大差异。首先超声波与医学中使 用的高频x 射线不同，运行路径不是直线，故问题由线性变为非线性；其次，工程 勘探中资料采集方式受到很大限制，总存在不完全投影( 即某些区域数据缺乏) 问 题。 层析成像应用于混凝土施工中的主要目标是建筑物内部的精细结构和局部不 均匀性。数据采集原则要求在使投影数据尽可能完全的前提下，保证对探测目标成 像的分辨率。完全投影的数据是指探测区域内每一个成像单元都有0 。到1 8 0 。范围 的多条射线通过。从波的运动学和动力学特征出发，层析成像方法可以分为两大类： 一类是基于几何光学或射线方程的方法称之为射线层析成像；另一类是基于波动方 程的方法称之为波动方程层析成像“”，主要研究方法是b o r n 近似和r y t o v 近似。由 于射线层析成像仅利用声时信息进行层析反演，意味着层析反演所用的数据量减 少，计算量也相应减少，因此人们一直对该方法情有独钟。射线层析成像算法包括： 反投影技术( b p t ) 、代数重建技术( a r t ) 、联合迭代重建技术( s i r t ) 、共轭梯 度最小平方法( c g l s ) 、最小平方正交分解法( l s q r ) 、最大熵法( m e ) 等。b p t 、 a r t 和s i r t 是7 0 年代初的方法，适应小内存模式。b ”方法分辨率低，a r t 方法速 度快，但有时不收敛，s i r t 方法稳定但计算成本高。这三种方法都是与直射线追踪 相适应，算法中所用的迭代指的是解大型稀疏矩阵方程组时的内部迭代。 在工业c t 中，为了得到比较清晰的图像，就射线理论而言，目前一般采用迭 代重建的方法。迭代重建方法的主导思想是，假设断层截面有一个未知的矩阵组成， 然后由检测到的投影数据建立一组未知向量的代数方程式，通过方程组求解未知图 像向量。迭代法的优点是能充分利用系数的稀疏性，占用的内存少且程序简单，不 存在误差累积问题。使用迭代法的关键问题是其收敛性与收敛速度。 目前在国内关于混凝土层析成像的研究只是处于一些开始阶段。南京水科院的 研究人员进行混凝土层析成像的初步研究，并已经有了一些试验结果，但数据采集 仍然采用常规的检测仪器，无法满足实际需要。他们的层析成像算法也只是经典的 l s q r 算法，计算效率较低，精度难以保证，同时也无法满足实时性检测要求。 1 6 本文主要研究内容 本研究课题受国家西部交通建设科技项目支持。论文主要研究混凝土超声层析 成像检测的关键技术，着重研究介绍混凝土图像重建算法，并对常规图像重建算法 进行改进，从而提高了图像重建的精度和速度。文章主要有以下几部分内容： ( 1 ) 介绍混凝土超声检测的原理及意义，从超声检测方法的现状出发，分析 现有检测设备存在的问题，提出了一种新的混凝土结构层析成像检测系统： ( 2 ) 从层析成像技术的概念及发展史谈起，细致深入地解释了混凝土层析成 像技术的思想和原理，以及一些相关的数学理论基础，如拉当变换( r a d o n ) 等。 着重介绍了几种图像重建技术的反演方法，如代数重建技术( a r t ) 、联合迭代重建 1 0 技术( s i r t ) 等： ( 3 ) 从概率角度出发，对代数重建算法( a r t ) 进行了改进，提出了改进的代 数重建算法( i a r t ) ，并通过计算机仿真模拟试验、混凝土试件试验、实桥检测等， 对i a r t 和a r t 进行比较分析： ( 4 ) 针对迭代重建算法时间长的缺点，提出了塔式a r t 算法，并通过计算机仿 真模拟试验、混凝土试件试验、实桥检测等，对i a r t 和a r t 进行比较分析； ( 5 ) 将基于旅行时的线性插值( l t i ) 射线追踪引入混凝土图像重建技术的正 演计算中，详细介绍l t i 的基本原理，并进行了计算机仿真及混凝土试件试验。 第二章混凝土超声层析成像检测系统 2 1 概述 在混凝土结构的无损检测方法中，最常用和最有效的方法是超声检测法”】，与 其它如高频电磁雷达、红外成像、微波和回弹小应变等无损检测方法相比，超声波 法具有被测对象范围广、探测深度大、检测灵敏度高、成本低、检测速度快以及现 场使用方便等优点。因此，超声波法是国内外受到广泛重视和迅速发展的一种混凝 土结构无损检测技术，目前已广泛应用于混凝土结构的内部质量检测中，并被列入 一些部门、地方和工程标准化委员会的检验规程中【l 】。 超声波检测的原理是通过超声发射探头作用被测混凝土结构，超声作用应力波 在混凝土内部穿透或在界面发生反射，然后通过接收探头和信号检测设备获得波 速、波幅、信号频谱及信号波形，再通过对接收信号的分析、判读，c t 层析成像， 获得对混凝土构件强度、内部缺陷( 空洞、裂缝、离析、夹层、不密实等) 和厚度 等的定量或定性描述，从而对混凝土结构的安全性和质量进行监测和评价2 “2 引。 目前国内外大量采用的混凝土无损检测仪器基本上是基于对所接收的一维信 号的分析处理和人工判读，工作效率低，可靠性差。由于混凝土是由水泥、沙、粗 骨散粒料组成的混合材料，同时由于桥梁检测中检测条件环境复杂，影响因素多， 直接从一维接收信号中比较确定地获得关于混凝土的内部质量的描述还存在相当 大的难度和不确定性，一般需要依赖仪器操作者相当的工作经验。这已成为严重制 约混凝土超声检测手段普及与发展的主要原因之一。 传统的超声波混凝土无损