混凝土无损检测中的层析成像技术

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　　1917年奥地利数学家J Radon提出了由投影重建图像的Radon变换[1],给出了图像重建的数学基础。1972年,第一台医用X射线CT(Computer2ized Tomography)装置面世。此后,层析成像技术迅速推广到工业检测和地球物理勘探等领域,所用场源也由X射线扩展到超声波(声波)、电磁波及稳定电流场[2]等。近年来,层析成像技术被用于混凝土的无损检测,尤其是大体积混凝土(如大坝、桥墩和混凝土灌注桩等)质量检测中,由于成像结果能精确直观地显示混凝土内部的质量状况,非常适用于混凝土精细检测。目前用于混凝土检测的层析成像技术有超声波(声波)及电磁波层析成像,以稳定电流场为场源的电阻率层析成像也正在研究之中。

　　1　混凝土层析成像基本原理

　　用于混凝土无损检测的超声波(声波)、电磁波及电阻率层析成像的成像原理与观测系统大致相同(图1)。首先将成像区域划分为诸多矩形单元,然

　　后在一边设置诸多发射点(发射超声波、电磁波或供入稳定电流),在其对边设置诸多接收点,对发射点逐点发射,当每一发射点发射时所有接收点均接收,将接收数据输入计算机层析成像软件进行计算,所得图像可准确直观地显示混凝土内部质量状况。

　　工程中被测混凝土往往不具备图1所示的四个观测面,由于混凝土层析成像为透射成像,故要求被检测混凝土至少应有两个观测面。混凝土层析成像可以认为是从地球物理层析成像推广而来,但其要求的成像精度(观测点距多为0.1~0.2 m)高于地球物理成像精度(观测点距多为1~2 m甚至更大)。

　　1.1　超声波(声波)层析成像

　　混凝土是一种由砂子、石子和水泥等组成的各向异性复合材料,且有钢筋,富含孔隙。混凝土超声波检测中所用超声波频率多<200 kHz[3],其波长为数厘米至数十厘米,超声波在其中传播要发生复杂的散射与衍射,因此,混凝土超声波层析成像中必须考虑超声波的衍射(即超声波在混凝土中的传播路径并非直线,而是按Fermat原理的最小声时路径传播),加之观测方位的限制,使得混凝土层析成像具有很大的难度。试验表明,当超声波穿过混凝土内部的裂缝区域时,其振幅的变化比声时的变化更为明显,为衰减成像奠定了良好的物理基础,该衰减成像目前尚处于研究试用阶段。由于混凝土对超声波具有很强的吸收作用(尤其对高频超声波),要得到较大穿透深度,就须降低超声波频率,但频率降低又影响成像分辨率。实际工作中,应在保证具有足够穿透能量的前提下,尽量使用较高频率超声波。

　　1.2　电磁波层析成像

　　电磁波层析成像是根据混凝土内部缺陷与正常混凝土之间的电/磁性质差异来进行工作的。当电磁波穿过待检混凝土时,缺陷与正常混凝土对电磁波的吸收作用不同,其吸收系数β为