[发明专利]基于无损检测的阵列式异位接收超声波合成孔径聚焦方法

说明书

本发明公开了基于无损检测的阵列式异位接收超声波合成孔径聚焦方法，在开始数据采集前首先需要确定探测区域，根据探测水平分辨率需求在待测面上进行网格划分，确定所有扫描点位；然后按照沿着第一条水平网格线从左至右逐格移动，依次在每个点位上进行扫描，重复该过程，直至区域内所有点位扫描完毕；之后进行数据采集、数据处理和聚焦成像。本发明加入了瞬时幅值提取、散射角衰减控制、时间增益补偿等相应的信号优化模块，能显著提升聚焦能力，提高成像分辨率。

技术领域

本发明涉及一种基于无损检测的阵列式异位接收超声波合成孔径聚焦(SAFT)方法。

背景技术

随着我国经济持续稳定向前发展，国家对基础设施建设力度日渐加强，高速(客运专线)/重载铁路和高速公路分别是铁路、公路陆路交通发展的主方向，新建铁路、公路隧道的等级、规模、数量逐年递增。在隧道工程中，混凝土是建筑物主要的结构材料之一，混凝土是一种多相复合体系，各相随机地交织在一起，形成极为复杂的内部结构，混凝土的损坏是不可避免的，包括物理过程，如冻融循环、火、水的侵蚀以及化学过程，如碳化、钢筋锈蚀等，在混凝土内部出现蜂窝或空洞等缺陷，降低混凝土构件的承载能力，导致隧道结构安全问题。因此对于混凝土的无损检测尤为关键。目前应用于混凝土无损检测的方法主要有超声波法、电磁法、红外等。由于超声波对混凝土的穿透能力强，且探测精度高，因此广泛应用于混凝土内部缺陷检测。

在混凝土超声检测中，B扫描是显示混凝土内部结构的一种非常有效的检测方法，一次B扫描就能得到混凝土内部结构的一个剖面。然而由于混凝土材料对高频超声波很强的衰减作用，再加上超声波在混凝土中随机散射，结构噪声，边界反射等，导致B扫描直接成像方法的分辨率较低，难以对很多内部异常进行准确定位。合成孔径聚焦技术(SAFT)是对B扫描数据进行进一步处理，将波形信号通过走时矫正聚焦成像，让探测结果由反射信号波形转变为直接显示内部散射点图像，进而增强分辨率的一种有效方法，它的思想最早源于地震信号处理中偏移成像方法，而后引入到雷达信号处理领域，形成合成孔径雷达成像技术(SAR)，得到了广泛应用。

合成孔径聚焦的基本原理如图1所示：当一超声发、收的探头沿箭头方向移动，每隔距离D发射一个声波，同时接收来自物体内反射点的声反射信号并加以储存。根据各成像点的空间位置，对接收到的信号作适当的信号归为得到物体内的逐点聚焦成像，这就是合成孔径聚焦技术。

传统超声波合成孔径聚焦技术中，传感器以一定步长沿线性孔径轨迹移动，在轨迹上的孔径位置向目标区域发射脉冲信号，进而接收和存储发射回波信号，在下一孔径位置重复该过程，直到扫描完成；然后对相应孔径检测信号的回波做延时调整实现逐点聚焦，最终重建整个目标区域的图像。目前传统超声波合成孔径聚焦技术在混凝土检测领域中应用存在几方面的问题：1.单探头自激发自接收模式在实际检测中很难采集足够多道数据，信号叠加度不够，信噪比低，且非常耗时，检测效率低下；2.单探头在多个不同位置进行自激发自接收，随机误差率较高，会对探测超声信号的一致性造成影响，降低成像精度；3.传统聚焦方法未专门针对混凝土材料高各向异性以及强衰减作用，对回波信号进行优化处理，导致信号干扰严重、聚焦散乱，分辨率低下不能满足当今混凝土构件无损检测精度需求。

发明内容

本发明基于混凝土无损检测提出的新型阵列式异位接收SAFT成像方法，利用了超声探头阵列异位接收、多道数据叠加的优势，并针对混凝土材料特性加入了一系列数据优化处理手段，解决了传统混凝土无损检测中超声波聚焦散乱，信噪比低，深层分辨率不够等问题，能获取待测区域高精度B-扫描剖面，图像分辨率更高，内部结构定位更加准确，同时提高了探测效率，节约了成本。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

基于无损检测的阵列式异位接收超声波合成孔径聚焦方法，在开始数据采集前首先需要确定探测区域，接着对待探测区域及周边进行安全检查，确保施工安全，然后进行方位校正，根据探测水平分辨率需求在待测面上进行网格划分，确定所有扫描点位；