專利名稱：一種基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測方法
技術領域：
本發明公開了一種用于混凝土結構，特別是對橋梁T梁、廂梁中預應力孔道波紋管壓漿質量進行無損檢測的裝置及方法，屬于超聲無損檢測技術領域。
背景技術：
無論是工業及民用建筑，還是公路、鐵路、水利及水電工程等都廣泛使用混凝土材料，混凝土的質量關系到 整個工程的質量。傳統的混凝土檢驗方法是在澆筑地點隨機抽取試樣，對試樣進行抗壓強度試驗，由試驗結果來評定混凝土的強度。這種檢測不能代表所有情況，且具有破壞性。近幾年，無損檢測技術作為檢測混凝土質量的有效方法，越來越受到關注。目前常用的混凝土無損檢測方法有(I)回彈法以在混凝土結構或構件上測得的回彈值和碳化深度來評定混凝土結構或構件強度的一種方法。它簡單、經濟，但只能測得混凝土表層的質量狀況，應用范圍受到了極大的限制。(2)沖擊回波法用激振源在混凝土表面沖擊來產生應力波，然后由放置在沖擊器附近的接收傳感器接收反射回來的壓縮波，經過主機分析用于計算混凝土的厚度、探測內部的孔洞、裂縫、剝離等缺陷。由于該法采用單面測試，特別適合于只有一個測試面如路面、護坡、底板、跑道等混凝土的檢測。(3)表面波頻譜成像法一種建立于應力波在層狀彈性介質傳播理論基礎上的檢測方法。這里所討論的波陣面是一個圓柱體，同意波長的瑞利波傳播特性反映了梁體內部沿水平方向的變化情況。(4)探地雷達法探地雷達利用寬帶短脈沖(脈沖寬為數納秒以至更小)形式的高頻電磁波(主頻十數兆赫至數百以至千兆赫)通過天線由地面送入地下，經地層或目標體反射后返回地面，然后用另一天線接收。它主要是利用不同介質在電磁屬性上的差異會造成雷達反射回波的變化這一原理進行檢測，反射脈沖波形明顯程度是探地雷達圖像地質解釋的重要依據。(5)聲發射技術該技術是利用結構受荷載時所發射AE信號的能量、振幅、波長和頻率等，來確定其內部結構、缺陷或潛在缺陷的形成機理。(6)超聲波CT法即將計算機層析成像(CT)技術用于混凝土超聲波檢測。該方法首先將待檢測混凝土斷面剖分為諸多矩形單元，然后從不同方向對每一單元進行多次超聲波射線掃描，最后將數據進行計算成像。混凝土是由水泥石、砂、碎石或卵石等不同的原材料組成，結構比較復雜，內部存在各種不同的界面。彈性波在混凝土中傳播時，如遇有結塊空腔等內部缺陷或組織，就會被這些結構散射，產生回波信號。這些回波信號帶有物體內部結構的特性信息，將其進行處理，可以得到混凝土的內部結構。但是混凝土本身的特性，使得高頻波段在其中的衰減較大，同時，波在混凝土中傳播的指向性也較差。故而目前的裝置、方法檢測的準確度及精度還都無法達到工程要求，實測中經常出現誤判。合成孔徑模式是向一定范圍發射均勻的波束，將反射回來的波經過高性能計算機處理，做成圖像。該方法將低成本的小孔徑、低功率天線或換能器接收到的較弱的回波信號進行合成，從而得到較清晰的數據圖像。其優勢在于1、提高了聚焦區域的橫向分辨率；2、能夠在聚焦區域產生動態聚焦效果。目前，合成孔徑技術已在雷達、聲納方面得到了廣泛應用。
發明內容
本發明的目的是針對混凝土質量檢測，提出一種較以往更為精確、直觀、經濟的無損檢測裝置及方法，從而更好地提取出壓漿密實度缺陷等信息，更有效地對橋梁或建筑等混凝土結構進行質量監測和維護。為了達到上述目的，本發明主要采取的技術方案有 一種基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，包括產生大功率脈沖信號的信號激勵模塊，與所述信號激勵模塊相連的信號發射接收模塊，與所述發射接收模塊相連的信號采集模塊，基于合成發射孔徑成像技術的信號處理模塊與顯示模塊，所述信號處理模塊與信號采集模塊相連接，所述顯示模塊與信號處理模塊相連接，用于以彩色圖片的形式直觀地展示整個檢測結果。上述信號激勵模塊包括以放電原理為核心的高頻大功率脈沖信號發生器、以高頻功率放大器為核心的功率放大模塊；所述大功率脈沖信號發生器采用控制電容充放電產生高壓信號，再經過脈沖變壓器大幅度增大信號幅值來激發脈沖信號的方案，與所述功率放大模塊相連接。上述信號發射接收模塊包括發射換能器、接收換能器陣列、旋轉掃描系統；所述旋轉掃描系統與發射換能器和接收換能器陣列相連，用于帶動所述接收換能器陣列繞發射換能器進行360度旋轉。上述發射換能器為單個與所述信號源相匹配的圓形大功率壓電陶瓷發射換能器，用于發射超聲信號，與所述信號激勵模塊相連。上述接收換能器陣列為線性陣列，由若干與所述發射換能器相匹配的圓形超聲信號接收換能器等間距線性排列組成，用于接收回波信號，與所述信號采集模塊相連。上述信號采集模塊包括運算放大模塊、高速A/D轉換模塊、高速控制模塊和計算機終端，所述各個模塊依次連接。上述信號處理模塊包括匹配濾波模塊、功率放大模塊、存儲模塊、合成孔徑超聲成像算法模塊、信號質量比較模塊。上述合成孔徑超聲成像算法模塊采用合成發射孔徑成像技術，即通過用合成孔徑技術對單個換能器發射、多個換能器接收的信號進行處理實現聚焦。上述信號質量比較模塊對各個方向的經合成孔徑超聲成像技術處理過的信號的質量進行比較，記錄信號質量最優的方向，以便對該方向的數據進行進一步處理。一種基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測方法，其特征在于包括以下步驟(I)信號激勵模塊產生大功率脈沖信號，激勵發射換能器，產生超聲信號；(2)接收換能器陣列對回波信號進行接收；
(3)信號采集模塊對信號發射接收模塊接收到的信號進行采樣，量化處理；(4)旋轉掃描系統控制接收換能器陣列繞發射換能器旋轉15度，重復步驟(2)、(3)，直至接收換能器陣列較初始位置旋轉了 360度為止；(5)對采集到的回波信號進行匹配濾波、功率放大以及數據存儲；(6)使用合成孔徑超聲成像技術再次對信號進行處理，即對各個換能器接收到的信號進行合成，從而提高其分辨率；(7)由信號質量比較模 塊對各個方向的信號質量進行比較，找出信號較為明顯的方向；(8)對步驟(7)中所得到的方向上的信號進行進一步細致的處理，采用波包分解法結合合成孔徑超聲成像算法提高圖像分辨率，并將處理后的信號輸出到顯示模塊；(9)用彩色圖像展示出所得到的聚焦圖像及相關數據，展示出被測波紋管缺陷存在與否、缺陷位置、缺陷形狀。本發明所達到的有益效果本發明公開了一種基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置及方法，主要用于對混凝土結構，特別是橋梁T梁、廂梁中預應力孔道波紋管壓漿質量的檢測。無論是工業及民用建筑，還是公路、鐵路、水利及水電工程等都廣泛使用混凝土材料，混凝土的質量關系到整個工程的質量。聲波在混凝土中傳播時，如遇有結塊空腔等內部缺陷或組織，聲波就會被這些結構散射，產生回波信號。這些回波信號帶有物體內部結構的聲學特性信息。本發明將回波信息進行處理，從而得到混凝土的內部結構。本發明主要應用合成發射孔徑成像技術(STA)對所接收到的超聲信號進行處理。合成孔徑技術是將低成本的小孔徑、低功率的基元換能器接收到的回波信號進行合成，使其等效成有較高分辨率的較大孔徑的基陣。而STA通過單個換能器發射，多個換能器接收實現聚焦，只需要存儲多個回波數據，成像的幀率能得到較大提高，可實現發射接收的動態聚焦，提高圖像的分辨率。由于缺陷的形狀不規則，從各個方向接收到的信號強度必然不同，本發明在信號探測時，先采用由接收陣列繞激勵源進行360度旋轉掃描的方式對目標進行簡單的全方位探測，再進一步對缺陷信號較明顯的方向的數據進行重點、細致的處理。這一方法不但避免了對一些無缺陷的區域進行不必要的數據處理計算，節省了成本，而且提高了檢測的精確度。
圖I是本發明的檢測裝置示意圖；圖2是本發明的信號采集模塊結構圖；圖3是本發明的信號處理模塊結構圖；圖4是本發明的信號處理模塊結構圖；圖5是缺陷形狀對回波信號影響的示意圖；圖6是缺陷位置對回波信號影響的示意圖；圖7是合成孔徑原理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。如圖I所示，一種基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，包括產生大功率脈沖信號的信號激勵模塊，與信號激勵模塊相連的信號發射接收模塊，與發射接收模塊相連的信號采集模塊，基于合成發射孔徑成像技術的信號處理模塊與顯示模塊，信號處理模塊與信號采集模塊相連接，顯示模塊與信號處理模塊相連接，用于以彩色圖片的形式直觀地展示整個檢測結果。信號激勵模塊包括以放電原理為核心的高頻大功率脈沖信號發生器、以高頻功率放大器為核心的功率放大模塊；大功率脈沖信號發生器采用控制電容充放電產生高壓信號，再經過脈沖變壓器大幅度增大信號幅值來激發脈沖信號的方案，與功率放大模塊相連接。 信號發射接收模塊包括發射換能器、接收換能器陣列、旋轉掃描系統；旋轉掃描系統與發射換能器和接收換能器陣列相連，發射換能器為單個與信號源相匹配的圓形大功率壓電陶瓷發射換能器，用于發射超聲信號，與信號激勵模塊相連。接收換能器陣列為線性陣列，由若干與發射換能器相匹配的圓形超聲信號接收換能器等間距線性排布組成，用于接收帶有物體內部結構的聲學特性信息的回波信號，與信號采集模塊相連。旋轉掃描系統與發射換能器和接收換能器陣列相連，用于帶動接收換能器陣列繞發射換能器進行360度旋轉。如圖2所示，信號采集模塊包括運算放大模塊、高速A/D轉換模塊、高速控制模塊和計算機終端，各個模塊依次連接。通過計算機終端控制信號采集模塊采集界面波信號，并將采集數據保存到計算機的SRAM中。如圖3、圖4所示，信號處理模塊包括匹配濾波模塊、功率放大模塊、存儲模塊、合成孔徑超聲成像算法模塊、信號質量比較模塊。合成孔徑超聲成像算法模塊采用合成發射孔徑成像技術，即通過對單個換能器發射、多個換能器接收的信號進行處理實現聚焦成像。信號質量比較模塊對各個方向的經合成孔徑超聲成像技術處理過的信號的質量進行比較，記錄信號質量最優的方向，以便對該方向的數據進行進一步處理。由于缺陷的形狀不規則，從不同方向接收到的信號強度必然不同，如圖5所示；同樣，由于缺陷位置的不規則，在不同位置的換能器接收到的信號強度也必然不同，如圖6所示。故在初步掃描成像后，對形成的圖像質量進行比較，可得到一個最佳的探測方向。再對該方向的數據采用波包分解法與合成發射孔徑成像算法相結合的方法進一步處理。波包分解算法將反射波包從探測信號中提取出來，進行距離校正并重建檢測信號，能有效提高系統分辨力。最后將處理后的數據輸出到顯示模塊。合成孔徑超聲成像技術基本原理如圖7。設缺陷點P到換能器的距離為rm，則rm =小(Tdm2 , m = 1,2;3...Λ/R為缺陷點P到換能器的垂直距離，Clm為基元換能器到點P的橫向垂直距離。距離rm隨著dm的變化呈拋物線型，rm不同，則聲波由發送到接收經過的時間不同，也就造成了時間延遲，相位也會隨著變化。第m個采樣信號中，點P的回波到達基元換能器的時刻為
權利要求
1.一種基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，其特征在于包括產生大功率脈沖信號的信號激勵模塊，與所述信號激勵模塊相連的信號發射接收模塊，與所述發射接收模塊相連的信號采集模塊，基于合成發射孔徑成像技術的信號處理模塊與顯示模塊，所述信號處理模塊與信號采集模塊相連接，所述顯示模塊與信號處理模塊相連接，用于以彩色圖片的形式直觀地展 示整個檢測結果。
2.根據權利要求I所述的基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，其特征在于，所述信號激勵模塊包括以放電原理為核心的高頻大功率脈沖信號發生器、以高頻功率放大器為核心的功率放大模塊；所述大功率脈沖信號發生器采用控制電容充放電產生高壓信號，再經過脈沖變壓器大幅度增大信號幅值來激發脈沖信號的方案，與所述功率放大模塊相連接。
3.根據權利要求I所述的基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，其特征在于，所述信號發射接收模塊包括發射換能器、接收換能器陣列、旋轉掃描系統；所述旋轉掃描系統與發射換能器和接收換能器陣列相連，用于帶動所述接收換能器陣列繞發射換能器進行360度旋轉。
4.根據權利要求1、3任一權利要求所述的基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，其特征在于，所述發射換能器為單個與所述信號源相匹配的圓形大功率壓電陶瓷發射換能器，用于發射超聲信號，與所述信號激勵模塊相連。
5.根據權利要求1、3任一權利要求所述的基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，其特征在于，所述接收換能器陣列為線性陣列，由若干與所述發射換能器相匹配的圓形超聲信號接收換能器等間距線性排列組成，用于接收回波信號，與所述信號采集模塊相連。
6.根據權利要求I所述的基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，其特征在于，所述信號采集模塊包括運算放大模塊、高速A/D轉換模塊、高速控制模塊和計算機終端，所述各個模塊依次連接。
7.根據權利要求I所述的基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，其特征在于，所述信號處理模塊包括匹配濾波模塊、功率放大模塊、存儲模塊、合成孔徑超聲成像算法模塊、信號質量比較模塊。
8.根據權利要求7所述的基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，其特征在于，所述合成孔徑超聲成像算法模塊采用合成發射孔徑成像技術，即通過用合成孔徑技術對單個換能器發射、多個換能器接收的信號進行處理實現聚焦。
9.根據權利要求7所述的基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，其特征在于，所述信號質量比較模塊對各個方向的經合成孔徑超聲成像技術處理過的信號的質量進行比較，記錄信號質量最優的方向，以便對該方向的數據進行進一步處理。
10.一種基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測方法，其特征在于包括以下步驟 (1)信號激勵模塊產生大功率脈沖信號，激勵發射換能器，產生超聲信號； (2)接收換能器陣列對回波信號進行接收； (3)信號采集模塊對信號發射接收模塊接收到的信號進行采樣，量化處理； (4)旋轉掃描系統控制接收換能器陣列繞發射換能器旋轉15度，重復步驟(2)、(3)，直至接收換能器陣列較初始位置旋轉了 360度為止； (5)對采集到的回波信號進行匹配濾波、功率放大以及數據存儲；(6)使用合成孔徑超聲成像技術再次對信號進行處理，即對各個換能器接收到的信號進行合成，從而提高其分辨率； (7)由信號質量比較模塊對各個方向的信號質量進行比較，找出信號較為明顯的方向； (8)對步驟(7)中所得到的方向上的信號進行進一步細致的處理，采用波包分解法結合合成孔徑超聲成像算法提高圖像分辨率，并將處理后的信號輸出到顯示模塊； (9)用彩色圖像展示出所得到的聚焦圖像及相關數據，展示出被測波紋管缺陷存在與否、缺陷位置、缺陷形狀。
全文摘要
本發明公開了一種基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置及方法，主要用于混凝土結構中缺陷的檢測。一種基于合成孔徑超聲成像技術的無損檢測裝置，包括產生大功率脈沖信號的信號激勵模塊，與信號激勵模塊相連的信號發射接收模塊，與發射接收模塊相連的信號采集模塊，基于合成發射孔徑成像技術的信號處理模塊與顯示模塊，信號處理模塊與信號采集模塊相連接，顯示模塊與信號處理模塊相連接，用于以彩色圖片的形式直觀地展示整個檢測結果。本發明不但避免了對一些無缺陷的區域進行不必要的探測與計算，節省了成本，而且提高了檢測的精確度。
文檔編號G01N29/44GK102967657SQ201210480210
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者韓慶邦, 王茜, 徐杉, 趙勝永, 朱昌平, 李建, 殷澄, 單鳴雷 申請人:河海大學常州校區