什么是基桩三维声波CT反演成像?

基桩三维声波CT野外数据采集原理

超声波层析成像的理论基础是医学CT成像技术 ,即通过物体外部检测到的超声波数据重建物体内部(横截面)信息的技术。

它是把被检测对象离散分割成微小的单元,分别给出每一单元上的物体图像,然后把这一系列图像叠加起来,就得到物体内部的图像。它是一种由数据到图像的重建技术 ,可以通过伪彩色图像反映被测材料或制件内部质量, 对缺陷进行定性、定量分析, 从而提高检测的可靠性。

传统基桩声波透射测试方法

的优缺点分析

如下图所示,是传统基桩声波透射测试方法示意图。从图可以看出,每两个声测管可以构成一个剖面。传统基桩声波透射测试方法是在每个声测管内只有一个声波探头,另一个声测管内也只有一个声波探头。一个声波探头发射声波,另一个声波探头接收声波。

▲传统基桩声波透射测试方法示意图

一般来说,野外测试时将两个声测管的声波探头高度调成一致,然后将两个声波探头平行向上拉,采集声波数据。

这种采集方法的优点是便捷快速。射线路径如图(b)所示,从图中可以看出,射线路径是水平的。提取两个探头之间透射声波的初至时间(即时差),即可画出一条声波时差随深度变化的曲线,如图(c)所示。声波时差偏大的地方就是时差异常。由于两个声测管之间的距离基本一样(两个声测管都是平行的情况),所以,两个探头间的声波速度也可以画出一条速度随深度变化的曲线,如图(d)所示,较低的速度位置一般对应的是缺陷的位置。如果将速度画成色阶图,如图(e)所示,则可以较直观地分析出基桩内缺陷的深度分布和深度范围。

同样地,也可以画出波幅随深度变化曲线,根据振幅曲线,也可以辅助分析缺陷的水平位置。

由于这种测试方法不需要复杂的数学运算,不需要反演,因此测试速度快,可实时成像。

这种基桩声波测试方法的优点是对缺陷的深度位置较准确。

这种测试方法的缺点是不能给出缺陷的水平分布。

为了探测缺陷的水平分布情况,需要对传统方法进行改进,增加倾斜测试,采用反演方法对缺陷进行成像定位。

传统声波CT方法简介

为了对基桩内的缺陷位置进行准确定位,可以采用传统声波CT探测方法,如下图所示。野外声波CT采集数据的方式是,首先保持一个探头不动,例如保持发射探头不动,然后向上提拉接收探头的电缆,射线路径如图(a)所示。接着,将发射探头向上移动一个位置,又将接收电缆从基桩底部向上提拉直到基桩顶部,射线路径如图(b)所示,如此反复。发射探头从基桩底部一直提拉到基桩顶部为止。得到的完整射线路径如图(c)所示。将所有射线的时差进行反演成像(一般采用ART/SIRT或其他方法),可以得到声波速度的分布图如图(d)所示。从图可以直观地给出缺陷的深度分布和水平分布情况。

这种传统的声波CT方法优点是测试数据多,成像精度高。

这种方法缺点也比较明显。突出的缺点是野外采集速度慢,一个CT剖面需要反复提拉不同声测管的探头,野外采集很长时间。对于一个基桩内如果有多个声测管多个CT剖面,需要采集更长。另外,这种采集方法数据量大,室内资料处理需要大内存计算机,成像速度也慢,对计算机的性能要求较高。而且,当发射声波探头与接收声波探头距离较远时,透射声波能量损失较大,采集的声波数据信噪比降低,给时差提取等信号分析带来了较大难度。

▲传统声波CT探测方法示意图

改进基桩声波CT探测方法简介

传统基桩声波透射测试方法速度快,但是只能给出缺陷的深度分布,无法给出缺陷的水平分布。传统的声波CT方法能准确给出缺陷的深度分布和水平分布,但野外探测速度慢,数据量大,处理费时。为了克服上述两种方法的缺点,综合其优点,可以采用改进声波CT方法。

改进基桩声波CT探测方法如下图所示。改进声波CT探测方法是每个声测管的电缆上有多个声波探头,这些探头既可以作为发射探头也可以作为接收探头。每个深度位置的射线路径有4条,既有平行射线又有倾斜射线,可以对CT剖面进行反演成像,给出缺陷的深度方向分布位置和水平方向分布,同时,其野外采集方法与传统声波测试方法一样,首先将声波探头放到基桩底部,然后同时提拉电缆,一次性采集完所有数据,野外测试速度快。

▲改进基桩声波CT探测方法示意图

图(a)是两条电缆都在基桩底部时射线路径图,图(b)是同时提拉两条电缆到下一个位置时的射线路径图。野外采集时,保持提拉电缆的速度较慢且匀速时,基桩声波仪器自动进行扫描叠加,以增强声波信号的信噪比。一个声波CT剖面的射线路径图如图(c)所示,其成像效果图如图(d)所示。由于4个探头的相对高差较小,透射声波的振幅衰减较小,采集的声波数据质量高。

这种方法的优点是野外采集速度快,数据量也不大,成像速度也较快,可以达到野外准实时成像。

对一个CT剖面的射线路径进行分析,可以发现其可以分解为三种射线子集,如下图所示。

▲改进基桩声波CT探测方法射线路径分解示意图

图(a)是总的射线路径图,图(b)是分解的水平射线路径图,即1-2P射线路径,表示1号探头和2号探头的深度一样,图(c)是分解的倾斜射线路径图,即1-2X射线路径,表示1高2低,即1号探头高,2号探头低,图(d)是分解的另外一种倾斜射线路径图,即2-1X射线路径,表示2高1低,即1号探头低2号探头高。

由于在每个电缆上有两个声波探头,这种改进基桩声波CT探测方法的测试数据中,可以直接提取出传统声波测试方法的数据,可以根据1-2P数据集的时差图实时给出缺陷的深度分布。同时,综合1-2X和2-1X倾斜射线路径集的数据,准实时地给出缺陷的水平位置分布情况。

基桩三维声波CT结果

基桩内不同声测管连线所构成的CT速度剖面,也可以用来分析基桩内声波速度的分布,分析和识别基桩内缺陷分布范围。下图是中科院武汉分院模型桩1-3剖面声波CT成像效果图。图(a)是反演的误差下降曲线图,图(b)是时差拟合曲线图,图(c)是1-3剖面CT反演的速度分布图,从图可以明显看到缺陷的深度分布和水平分布情况。

▲中科院武汉分院模型桩1-3剖面声波CT反演综合图

(a) 反演的误差下降曲线图

(b) 时差拟合曲线图

(c)1-3剖面声波CT反演的速度分布图

下图是中科院武汉分院模型桩声波CT三维成像图。从图可以非常直观分析基桩内速度异常的三维分布。提取三维低速异常体的表面,还可以直观看到基桩内缺陷的立体分布。

▲中科院武汉分院模型桩声波CT三维成像图

RSM-SY8基桩超声波CT成像测试仪中配备的基桩跨孔法CT反演与成像软件。

此程序操作简便、功能强大、界面友好,主要表现在:操作简便、功能强大、界面友好、反演速度快、基桩速度三维立体图三维动态显示、基桩缺陷三维立体图三维动态显示、三维图像可动态旋转和缩放、JCT软件能显示多种声波CT分析图件和三维立体图动态显示基桩缺陷等,便于分析基桩缺陷分布。

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