［摘要］本文簡單闡述了速度反演的基本原理，并對速度層析成像的過程進行了簡要介紹，然后對CT分析軟件的開發(fā)過程進行了說明，最后列舉了對內(nèi)含各種模擬缺陷的混凝土構(gòu)件上多個剖面的測試數(shù)據(jù)進行反演后得到的結(jié)果圖，說明CT技術(shù)在缺陷檢測中的可行性。
關(guān)鍵詞：層析成像  射線追蹤  速度反演  剖面  扇形掃測  CT分析軟件

1 概述
近年來，在結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量檢測中引入的超聲波層析成像技術(shù)，采用圖像的方式反映混凝土的內(nèi)部質(zhì)量，結(jié)果直觀明晰，較傳統(tǒng)方法有明顯的改進。層析成像（Computerized Tomography，簡稱CT），是在不損傷研究“對象”內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，利用某種場源，根據(jù)從“對象”外部用檢測設(shè)備所獲得的投影數(shù)據(jù)，依照一定的物理和數(shù)學關(guān)系，利用計算機反演“對象”內(nèi)部未知的某種物理量的分布，重現(xiàn)“對象”內(nèi)部特征。

根據(jù)超聲波理論，層析成像可分為射線層析成像和波動方程層析成像（或稱散射層析成像）。波動方程層析成像方法能充分利用超聲波走時、振幅、相位和頻率等全波形記錄，大大增加了所研究介質(zhì)的信息量，能提高分辨率和減少由于投射角不全所造成的假象。但在實際應(yīng)用中，波動方程層析成像仍然存在一些困難和問題，如散射數(shù)據(jù)的提取、對波形產(chǎn)生嚴重影響的各種干擾因素的消除（聲源信號、介質(zhì)吸收、換能器耦合）等。而射線層析成像是對波場進行高頻近似，超聲波按射線傳播，雖然僅用了超聲波初至旅行時，但方法原理簡單，干擾因素較小，只要能充分利用可觀測空間和介質(zhì)的先驗信息，采用誤差較小的反演算法，就可以獲得滿意的效果。目前射線層析成像在超聲波層析成像實際應(yīng)用中占有主要地位。混凝土無損檢測中應(yīng)用較多的是基于射線理論的超聲波速度反演。






為慢度，則第條射線的初至走時，即投影值，可由式（1）計算
           (1)
式中Ri是第i條射線的軌跡，N為射線條數(shù)。

3 超聲波速度層析成像步驟
超聲波速度反演成像是通過超聲波的初至走時T的反演，重建成像區(qū)域慢度s的分布，從而根據(jù)速度差異確定缺陷的位置、分布及性質(zhì)等。超聲波速度層析成像由以下四步構(gòu)成
（1）數(shù)據(jù)采集：采集發(fā)射換能器至接收換能器的超聲波初至走時t_m。聲時就是速度層析成像反演的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其質(zhì)量的高低直接影響反演的成敗，因此這一步是很重要的。必要時，還須對接收波形采取去噪、濾波等預(yù)處理方法，以獲得精確的初至聲時，減少采集誤差。
（2）正演模擬：建立速度或慢度模型，并對該模型進行正演計算，本程序采用直射線追蹤方法來計算射線路徑和正演理論聲時。
（3）建立初至聲時方程：根據(jù)前二步的結(jié)果建立聲時反演的線性方程式Rds=dt。其中，ds是介質(zhì)慢度的修正量；dt為實測的聲時與計算的聲時之差；R為射線路徑矩陣，其元素表示單元內(nèi)的射線路徑長度。
（4）反演求解：求解第三步建立的聲時反演方程，再逐次迭代反演計算，修正慢度模型，獲得反演結(jié)果。其中的線性方程常常是大型的、稀疏的和不適定的方程組，可以采用ART、SIRT或共軛梯度等迭代算法來求解。
各步之間的流程關(guān)系如圖2所示。

     從流程圖可以看到，超聲波速度反演成像是一個非線性問題，介質(zhì)波速擾動對射線追蹤會產(chǎn)生影響，所以射線路徑矩陣要不斷修正，這種修正可稱為外部迭代，以區(qū)別于求解線性方程組的內(nèi)部迭代。每次反演迭代均按照多個標準進行外部收斂性判斷。
4 CT分析軟件的開發(fā)
為了在實際檢測中運用CT檢測，除了有數(shù)據(jù)采集的儀器（北京智博聯(lián)公司生產(chǎn)的ZBL-U5系列非金屬超聲檢測儀）外，還必須要有配套的分析軟件對采集到的海量數(shù)據(jù)進行波速反演，并根據(jù)反演結(jié)果繪制直觀的波速分布圖及缺陷示意圖。
MATLAB是一套用于科學工程計算的可視化高性能語言與軟件環(huán)境，它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理、圖形處理與顯示于一體。為了縮短開發(fā)周期，我們使用MATLAB編制所有運算相關(guān)的程序，通過對多個不同尺寸的混凝土模型試件（每個模型中包含孔洞、蜂窩、離析等不同類型的缺陷）上采集到的數(shù)據(jù)進行反演，不斷地修改算法，提高反演精度，最終將MATLAB程序打包成動太鏈接庫（DLL）。
在編制MATLAB程序的同時，為了使CT分析軟件界面友好、操作方便，符合檢測人員的要求，我們經(jīng)過調(diào)研，制定了詳細的CT分析軟件方案，使用微軟公司強大開發(fā)工具Visual Studio .NET 2003成功開發(fā)出除了反演計算之外的用戶交互程序（包括數(shù)據(jù)文件的存、取，數(shù)據(jù)的編輯，打印設(shè)置與打印輸出，計算與圖形顯示參數(shù)的設(shè)置，反演結(jié)果圖的顯示及交互等），然后將此部分程序與MATLAB生成的DLL進行對接，將檢測數(shù)據(jù)傳遞給DLL，由DLL經(jīng)過復(fù)雜運算并將結(jié)果傳遞回來，由交互程序完成圖形的顯示等后續(xù)功能，最終形成一套完整的CT分析軟件，軟件主界面如圖3所示。
1）對工程中所有檢測剖面的工程信息、構(gòu)件信息及其各測點的超聲數(shù)據(jù)等進行管理；
2）除了生成反演原始波速圖之外，還可生成缺陷判別結(jié)果圖、周邊濾波結(jié)果圖及全體濾波結(jié)果圖，并可將其保存為位圖格式，以便插入檢測報告或用其他圖形處理軟件處理；
3）可以將多個剖面數(shù)據(jù)文件合并成一個文件；可以方便地復(fù)制、粘貼（包括添加、插入、覆蓋）、刪除剖面、扇面或測點的數(shù)據(jù)；
4）可根據(jù)用戶需要靈活設(shè)置各種顯示參數(shù)，改變CT結(jié)果圖的尺寸、比例、標注字體等；
5）打印設(shè)置非常靈活，用戶可以定制打印輸出的結(jié)果；
6）可以隨時調(diào)用幫助系統(tǒng)，指導操作。

5 模型試驗
5.1 試驗試件
在交通部西部科技項目－《公路舊橋檢測評定與加固技術(shù)研究及推廣應(yīng)用》的研究過程中，其《智能混凝土超聲波檢測裝置》子課題組（由交通部公路科學研究所、中國建筑科學研究院、北京智博聯(lián)科技有限公司的人員組成）制作了多個T梁模型。為模擬疏松、孔洞、蜂窩、麻面等缺陷，考慮各種結(jié)構(gòu)斷面尺寸容易發(fā)生的缺陷類型，以及減少超聲波檢測時構(gòu)件邊界條件的影響，通過預(yù)先制作缺陷體、將缺陷體固定于試件模板之中、澆筑混凝土成型的方法制作試件。
1.內(nèi)部缺陷模擬制作
設(shè)計了密實、疏松、孔洞（陶?；炷痢⑴菽芰?、空心容器）。各類缺陷外型尺寸見表1所示。
表1 各類缺陷外型尺寸

序號	內(nèi)填材料	形   狀	尺   寸(cm)
1	陶粒混凝土	立方體	10×10×10
2	陶?；炷?/td>	立方體	15×15×15
3	陶?；炷?/td>	長方體	10×10×50
4	陶?；炷?/td>	長方體	15×15×60
5	泡沫塑料	長方體	15×25×45
6	塑料瓶	圓柱體	Φ7×35
7	塑料瓶	圓柱體	Φ10×35

 
2. 試件制作
結(jié)合公路預(yù)制T梁及缺陷放置的需要，確定制作成長1600mm×高1600mm×厚300mm的“T”字型試件，并在該試件的腹板內(nèi)設(shè)不同性質(zhì)的缺陷（見表1），試件示意圖見圖4。


5.2 試驗方法
在我們做試驗之前，試件的腹板的兩相對測試面上已經(jīng)畫好100×100mm的網(wǎng)格線，如圖5a所示，我們選擇了六個橫向剖面、六個豎向剖面（見表2）分別進行測試，測點間距為50mm。使用ZBL-U520非金屬超聲檢測儀和一對頻率為50kHz的平面換能器進行數(shù)據(jù)采集，耦合劑為黃油。測試每個剖面時，將發(fā)射換能器固定在某一測點，然后接收換能器在相對測試面上移動進行扇形掃測，如圖5b所示，完成一個扇面測試后，將發(fā)射換能器移至下一測點，測試下一個扇面，如此反復(fù)直到測試完所有剖面。
5.3 試驗結(jié)果
將每個剖面的測試數(shù)據(jù)導入CT分析軟件，設(shè)置各測點的坐標位置，設(shè)置合理的計算參數(shù)后即可對各剖面進行反演計算。由于剖面數(shù)較多，不便一一列舉，其中四個剖面的反演結(jié)果分別如圖6~圖9所示。每個剖面的結(jié)果圖均包括原始波速圖和缺陷判定結(jié)果圖，原始波速圖是根據(jù)反演計算得到的所有網(wǎng)格結(jié)點的波速值繪制的，而缺陷判定結(jié)果圖則是依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的方法進行缺陷的判斷后繪制的。
圖6為H2剖面的反演結(jié)果，由圖可直觀看出存在兩個大小不同的低速區(qū)，其中心坐標分別為（0.2m，0.14m）、（0.46m，0.15m），由圖5可知該剖面確實包含兩個不同大小的用陶?；炷聊M的缺陷，且位置也基本準確。 圖8為H12-1剖面的反演結(jié)果，原始波速圖反映出兩個大小不同的低速區(qū)，有一個低速區(qū)范圍較小且不明顯，缺陷判定結(jié)果圖僅反映一個缺陷。由設(shè)計可知，該剖面中包含一個10cm×10cm×10cm的陶?；炷猎噳K和一塊15cm×25cm×45cm的泡沫塑料，與反演結(jié)果基本吻合。 6 結(jié)論
超聲法檢測混凝土內(nèi)部不密實區(qū)和透射法檢測基樁完整性的傳統(tǒng)檢測方法，主要是利用數(shù)理統(tǒng)計的方法對缺陷進行判定，得到各“點”的結(jié)果，且無法知道缺陷的大小及確切位置，而將層析成像技術(shù)引入結(jié)構(gòu)混凝土超聲檢測中后，能以圖像的方式直觀地反映層析面上混凝土內(nèi)部質(zhì)量，彌補“點”上檢測的局限，較傳統(tǒng)方法有明顯的優(yōu)勢，是一種有獨特效果的無損檢測手段。但由于CT測試的工作量較大，不可能大量應(yīng)用，建議在用傳統(tǒng)的檢測方法普查，然后在可疑的重點部位進行CT測試，得到更為準確的結(jié)果，從而及早發(fā)現(xiàn)并排除工程隱患。
 
本文所涉及內(nèi)容，其技術(shù)及方法應(yīng)用于北京智博聯(lián)科技股份有限公司生產(chǎn)U5系列非金屬超聲儀?？捎糜诼暡ㄍ干浞ɑ鶚锻暾詸z測、結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強度、裂縫深度及缺陷檢測、連續(xù)墻完整性檢測、地質(zhì)勘查、巖體完整性、風化評價測試、巖體、混凝土等非金屬材料力學性能檢測。