混凝土具有良好的力学性能，成本低廉，被广泛应用于桥梁、隧道等多个领域中[1]。混凝土结构在浇筑以及使用过程中，受到荷载作用和环境因素的共同影响，其内部会出现裂缝、空洞等[2-3]缺陷，导致混凝土结构的耐久性与承载能力下降，甚至引发严重的安全事故。因此，在不破坏混凝土结构的前提下，准确地检测出其结构内部缺陷，有着重要意义。常规混凝土结构无损检测方法主要有红外成像法、冲击回波法以及超声波检测法等[4-5]。其中，超声波具有传播能量大、穿透力强、灵敏度高等优点，在混凝土检测方面有显著优势。混凝土作为三相材料，内部声学特性复杂，高频超声波在混凝土中传播时，能量衰减很大。而低频超声有着绕射大、衰减小、穿透力强的特点，因此，往往采用100 kHz以内的低频超声波[6-7]来检测混凝土结构内部缺陷。全聚焦方法[8](total focus method, TFM)有着较高的检测精度，但在成像过程中会受到回波数据影响导致产生伪像。王冠等[9]对回波信号进行卷积滤波与锐化处理，将处理后的信号进行全聚焦成像，该方法与合成孔径聚焦[10] (synthetic aperture focusing technique, SAFT)相比能显著提高信噪比与图像分辨率。POTTER等[11]利用格林函数对全矩阵数据进行重建，重建后的矩阵成像噪声与伪影明显减少。LIN等[12]将多层延迟求和法应用到合成孔径成像中，明显改善了多层混凝土结构的成像效果。CARCREFF等[13]提出迁移算法加速全聚焦成像效率，并且有效提升了信噪比，抑制了伪像；全聚焦方法主要利用信号的幅值信息进行延迟叠加成像，但是信号的相位信息在成像过程中也十分重要。陈尧等[14]通过增强孔径波束指向性，提高后处理图像的虚拟聚焦效果，使横向分辨力明显提升，更有利于精确定位缺陷。CAMACHO等[15]对阵列信号添加相干因子，再通过动态加权的方式提高相位分布对图像像素幅值的影响，提升了成像分辨率。由于在混凝土中采用低频超声检测，超声波长大，在成像过程中，会对声时计算产生影响，导致成像位置向下偏移。葛璐璐等[16]利用时间反转算法接收信号进行处理，实现了超声波束的自适应增强，并根据信号初始幅值与波峰之间的时间间隔对缺陷位置进行矫正，提高了成像质量。王冠等[17]针对低频探头造成信号失真的问题，提出利用数字补偿滤波对检测信号进行矫正，并根据信号特征矫正了缺陷位置，提高了成像信噪比以及缺陷定位精度。低频超声阵列在检测混凝土结构缺陷时存在挑战，一方面，由于超声信号在混凝土内部传播时衰减大，且骨料散射信号复杂，导致成像信噪比低；另一方面，又因为低频超声波长很长，导致声时计算误差大，成像位置向下发生偏移。本文针对低频超声成像分辨率低，伪像多，定位不准的问题，在全聚焦成像的基础上，充分利用信号的幅值以及相位信息构建SCF方法，来提升成像的分辨率；然后，引入脉冲峰值延迟PPD对超声波声时进行矫正，提出PPD-SCF方法，实现混凝土缺陷的高分辨率成像及精确定位。
1 成像方法研究
1.1 TFM成像方法
超声线性阵列的阵元数量为
式(1)中：
1.2 SCF成像方法
由于全聚焦方法主要利用回波信号的幅值信息进行成像，相位信息利用不充分，导致成像图中有很多伪像，检测分辨率低。针对该问题，本文通过从全矩阵数据中提取相位信息来构建符号相干因子，在此基础上对缺陷的散射信号进行加权运算，构建SCF成像方法，具体过程如下：
采用一种特殊相位量化方式将
其中，
可以通过回波信号符号的平均值计算出方差
在空间点
1.3 PPD-SCF成像方法
低频超声脉冲信号持续时间长(如图1所示)，会因为声时的误差导致TFM与SCF成像位置向下发生偏移。因此，在计算旅行时间时应考虑通过添加脉冲峰值延迟项对声时进行矫正，提升缺陷成像定位精度，基于全矩阵数据的PPD-SCF成像原理如图2所示。利用脉冲峰值延迟校正过后的成像公式如下：
其中，
在本文中，使用SNR(signal-to-noise ratio)作为评价指标定量评估成像方法的性能，图像质量与SNR数值成正比。数学公式如下：
式中：
2 仿真研究
2.1 有限元模型
利用COMSOL有限元软件建立单层轨道板单孔洞、多孔洞、以及地铁衬砌脱空缺陷二维有限元仿真模型。单孔洞、多孔洞轨道板模型大小为500 mm×200 mm，其中单孔洞模型在中心位置设置直径为40 mm，距表面深度100 mm的圆孔缺陷，多孔洞模型在距离表面100 mm处横向设置直径大小分别为50、50、40 mm的圆孔，间距分别为175 mm与125 mm，如图3所示。某地铁隧道衬砌结构[18]如图4(a)所示，为减小模型计算量，取道床板与管片[19]粘接部分，建立大小为600 mm×800 mm脱空缺陷模型如图4(b)和图4(c)所示。其中，脱空缺陷的长度分别为200 mm(强脱空)与100 mm(弱脱空)。在模型表面放置12个中心间距为30 mm的传感器。由于外界载荷对超声波在结构内部的旅行时间影响极小，因此，可以忽略载荷对超声成像检测结果的影响。故在数值模型中未将外界载荷考虑进来；此外，为了削弱来自模型边界反射波的影响，将模型的各边界均设置为吸收边界。具体仿真模型参数如表1所示。
| 模型结构 | 模型尺寸/mm2 | 杨氏模量/GPa | 泊松比 | 密度/(kg∙mm-3) | |
|---|---|---|---|---|---|
| 单层轨道板 | 500×200 | 36.5 | 0.2 | 2 500 | |
| 地铁隧道 | 道床板 | 600×800 | 36.5 | 0.2 | 2 500 |
| 管片 | 34.5 | 0.167 | 2 500 | ||
2.2 瞬态声场和散射信号
激励信号为汉宁窗调制的3个周期正弦脉冲信号，中心频率为50 kHz，其时域波形及频谱如图5所示。利用COMSOL进行声场仿真，得到4种模型的瞬态声场分布。图6(a)～图6(d)分别显示入射波到达缺陷处产生散射波。图7(a)为单孔洞有限元模型的第1个传感器发射，12个传感器同时接收的信号，包含有表面波和缺陷散射波，其中散射波被表面波严重干扰，影响成像结果。因此，将缺陷模型和健康模型下的接收信号进行对应相减和滤波后，即可实现表面波的去除，得到图7(b)所示的多通道散射波形。
2.3 仿真结果
对孔洞缺陷仿真模型进行TFM、SCF、PPD-SCF成像，根据纵向强度曲线和信噪比定量评估成像定位精度和噪声抑制效果。图8(a)～图8(c)、图8(g)～图8(i)为超声图像，图8(d)～图8(f)、图8(j)～图8(l)为纵向强度曲线。
在单孔洞缺陷仿真结果中，TFM、SCF、PPD-SCF方法所得缺陷纵向深度位置分别为117.5、121、101 mm。信噪比分别为19.59、35.47、33.53 dB。在多孔洞缺陷仿真结果中，TFM、SCF、PPD-SCF方法所得缺陷纵向深度3个孔(左侧孔、中间孔、右侧孔)位置分别为108、107、109 mm；111、111、112 m；99、105、104 mm。图像信噪比分别为13.72、22.25、22.22 dB。
对衬砌脱空仿真模型进行TFM、SCF、PPD-SCF成像，根据纵向强度曲线和信噪比定量评估成像定位精度和噪声抑制效果。图9(a)～图9(b)、图10(a)～图10(d)为超声图像。图9(c)和图10(e)为横向强度曲线，图9(d)和图10(f)为纵向强度曲线。由TFM成像可知，强、弱脱空模型中的脱空缺陷长度分别为202 mm、97 mm，纵向深度分别为638 mm、638 mm，图像信噪比为27.43 dB、33.54 dB。由SCF成像可知，强、弱脱空模型中的脱空缺陷长度分别为169 mm、87 mm，纵向深度分别为634 mm、633 mm。图像信噪比分别为30.76 dB、36.97 dB。由 PPD-SCF成像可知，强、弱脱空模型中的脱空缺陷长度分别为164 mm、79 mm，纵向深度分别为603 mm、598 mm，图像信噪比分别为30.93 dB、37.56 dB。
3 实验研究
3.1 实验系统
本文仅使用ACSYS公司生产的MIRA-A1040混凝土断层超声成像仪采集超声回波信号，基于本文的研究方法在Matlab软件中进行信号处理与成像检测。该仪器共有48个干点接触式(dry point contact, DPC)发射和接收换能器，呈4行12列的阵列式排布，具体参数见表2。该仪器在执行信号的发射与接收时，遵循了声学互易性原理，共有66组接收信号。采样频率为1 MHz，激励信号中心频率为50 kHz。
| 名称 | 参数或特性 |
|---|---|
| 探头与被检测物体接触类型 | 干点接触(无需耦合剂) |
| 探头数量 | 12列*4个/列=48个 |
| 激发信号中心频率/kHz | 50 |
| 采样频率/kHz | 1 000 |
| 接收信号个数 | 66 |
单层轨道板[20]如图11(a)和图11(b)所示，某地铁隧道衬砌如图11(c)和图11(d)所示。试样1：在单层轨道板深100 mm处、仪器正下方设置直径为40 mm的圆孔缺陷，试样2：在单层轨道板深100 mm处，从左往右依次设置直径为50、50、40 mm的圆孔缺陷。隧道衬砌结构的道床板与管片之间易在600 mm粘接处产生脱空缺陷。
3.2 实验结果
3.2.1 轨道板孔洞缺陷超声成像
对单层轨道板圆孔缺陷进行了TFM、SCF、PPD-SCF成像，图12(a)～图12(c)、图12(g)～图12(i)为超声图像。在此基础上，提取图像的强度曲线并计算图像的信噪比，以此来定量评估成像定位精度以及噪声抑制效果。图12(d)～图12(f)、图12(j)～图12(l)为纵向强度曲线。在试样1成像结果中，TFM、SCF和PPD-SCF方法所得缺陷的纵向深度分别为123、127、104 mm。信噪比分别为13.04、33.22、30.09 dB。在试样2成像结果中，TFM、SCF和PPD-SCF方法所得缺陷(左侧孔、中间孔、右侧孔)的深度分别为123、123、124；123、127、127 mm；106、106、107 mm。图像信噪比分别为12.18、24.30、23.17 dB。
3.2.2 衬砌脱空超声成像
对隧道衬砌道床与管片粘接处的脱空缺陷进行TFM、SCF、PPD-SCF成像，图13(a)～图13(b)、图14(a)～图14(d)为超声图像。在此基础上，提取图像的强度曲线并计算图像的信噪比，以此来定量评估脱空长度、成像定位精度以及噪声抑制效果。图13(c) 和图14(e)为横向强度曲线，图13(d)和图14(f)为纵向强度曲线。道床与管片强、弱脱空处TFM成像结果中脱空缺陷长度分别为197 mm、158 mm，纵向深度位置分别为647 mm、642 mm，图像信噪比分别为20.32 dB、18.26 dB。SCF成像结果中脱空缺陷长度分别为150 mm、110 mm，纵向深度位置分别为650 mm、642 mm。图像信噪比为32.14 dB、35.14 dB。PPD-SCF成像结果中脱空缺陷长度分别为143 mm、107 mm，纵向深度位置为610 mm、606 mm，图像信噪比为32.05 dB、34.64 dB。
4 讨论
4.1 圆孔缺陷成像性能对比分析
由仿真与实验结果可知：1) 在图像信噪比方面，单孔图像信噪比优于多孔图像信噪比，SCF图像信噪比优于TFM图像信噪比，在单孔的仿真实验中信噪比提升分别为15.88 dB、8.53 dB，多孔的仿真实验中信噪比提升分别为20.18 dB、12.12 dB；PPD-SCF图像信噪比与SCF图像信噪比趋近，相比于TFM图像信噪比，PPD-SCF在单孔的仿真实验中信噪比提升分别为13.94 dB、8.50 dB，多孔的仿真实验中信噪比提升分别为17.05 dB、10.99 dB。2) 在缺陷深度定位方面，TFM与SCF的定位深度趋近。PPD-SCF对缺陷深度的定位显著优于TFM与SCF。在单孔仿真与实验中，PPD-SCF相比于TFM，位置精度分别提升94.4%、82.6%；在多孔仿真中，对左孔、中孔、右孔的深度定位精度分别提高87.5%、28.6%、55.5%；在多孔实验中，对左孔、中孔、右孔的深度定位精度分别提高73.9%、75.0%、70.1%。PPD-SCF相较于TFM与SCF有着更高的SNR以及更准确的深度定位。
数据来源及 缺陷类型 | TFM | SCF | PPD-SCF | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SNR/dB | 深度位置/mm | SNR/dB | 深度位置/mm | SNR/dB | 深度位置/mm | ||||||||
仿真 结果 | 单孔 | 19.59 | 118 | 35.47 | 121 | 33.53 | 101 | ||||||
| 多孔 | 13.72 | 左孔 | 中孔 | 右孔 | 22.25 | 左孔 | 中孔 | 右孔 | 22.22 | 左孔 | 中孔 | 右孔 | |
| 108 | 107 | 109 | 111 | 111 | 112 | 99 | 105 | 104 | |||||
实验 结果 | 单孔 | 13.04 | 123 | 33.22 | 127 | 30.09 | 104 | ||||||
| 多孔 | 12.18 | 左孔 | 中孔 | 右孔 | 24.30 | 左孔 | 中孔 | 右孔 | 23.17 | 左孔 | 中孔 | 右孔 | |
| 123 | 124 | 124 | 123 | 127 | 127 | 106 | 106 | 107 | |||||
4.2 脱空缺陷成像性能对比分析
由仿真与实验结果可知：1) 在图像信噪比方面，SCF图像信噪比优于TFM图像信噪比，在强脱空缺陷仿真与实验中信噪比的提升分别为3.33 dB、11.82 dB，在弱脱空的仿真与实验中信噪比的提升分别为3.43 dB、16.88 dB；PPD-SCF图像信噪比与SCF图像信噪比趋近，相比于TFM图像信噪比，PPD-SCF在强脱空缺陷仿真与实验中信噪比的提升分别为3.50 dB、11.73 dB，在弱脱空的仿真与实验中信噪比的提升分别为4.02 dB、16.38 dB。2) 在缺陷深度定位方面，TFM与SCF的定位深度趋近，PPD-SCF对缺陷深度的定位显著优于TFM与SCF。在强脱空的仿真与实验中，PPD-SCF相比于TFM，位置精度分别提升92.1%、78.7%。在弱脱空的仿真与实验中，PPD-SCF相比于TFM，位置精度提升分别为94.7%、85.7%。在横向分辨率评估方面，TFM、SCF、PPD-SCF这3种方法均能对强、弱脱空缺陷进行区分。
数据来源及 缺陷类型 | SNR/dB | 深度位置/mm | 脱空长度/mm | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TFM | SCF | PPD-SCF | TFM | SCF | PPD-SCF | TFM | SCF | PPD-SCF | ||
仿真 结果 | 强脱空 | 27.43 | 30.76 | 30.93 | 638 | 634 | 603 | 202 | 169 | 164 |
| 弱脱空 | 33.54 | 36.97 | 37.56 | 638 | 633 | 598 | 97 | 87 | 79 | |
实验 结果 | 强脱空 | 20.32 | 32.14 | 32.05 | 647 | 650 | 610 | 197 | 150 | 143 |
| 弱脱空 | 18.26 | 35.14 | 34.64 | 642 | 642 | 606 | 158 | 110 | 107 | |
5 结论
1) 针对低频超声阵列成像分辨率低的问题，从全矩阵接收信号中提取符号相干因子，充分利用缺陷散射信号的幅值和相位信息构建了SCF成像方法。仿真与实验结果表明，SCF与TFM在缺陷纵向定位精度上性能一致，但SCF能够有效抑制噪声，可显著提高圆孔缺陷以及脱空缺陷的成像分辨率。SCF与TFM相比，在单孔缺陷的仿真与实验中信噪比的提升分别为15.88 dB、8.53 dB，在多孔缺陷的仿真与实验中信噪比的提升分别为20.18 dB、12.12 dB。在强脱空缺陷仿真与实验中信噪比的提升分别为3.33 dB、11.82 dB，在弱脱空的仿真与实验中信噪比的提升分别为3.43 dB、16.88 dB。
2) 针对低频超声阵列成像定位不准的问题，引入脉冲峰值延迟进行声时矫正，构建PPD-SCF方法。仿真与实验结果表明，PPD-SCF与SCF成像信噪比相近，但PPD-SCF在缺陷纵向定位精度上显著优于SCF和TFM。PPD-SCF与TFM相比，在单孔缺陷仿真与实验中纵向位置精度提升分别为94.4%、82.6%。在多孔缺陷仿真中，左孔、中孔、右孔纵向位置精度分别提高87.5%、28.6%、55.5%。在多孔缺陷实验中，左孔、中孔、右孔纵向位置精度分别提高73.9%、75.0%、70.1%。在强脱空缺陷的仿真与实验中，纵向位置精度提升分别为92.1%、78.7%。在弱脱空缺陷的仿真与实验中，位置精度提升分别为94.7%、85.7%。
3) 针对成像横向分辨率精度的问题，TFM、SCF、PPD-SCF均能对强、弱脱空缺陷进行区分。本文在混凝土结构低频超声成像分辨率以及定位方面展开研究，后续将在满足高分辨率检测的同时，优化波束形成算法，显著提升成像效率，更好地满足工程应用。
刘昊,李再帏,范国鹏等.混凝土结构缺陷低频超声阵列成像方法研究[J].铁道科学与工程学报,2025,22(10):4712-4725.
LIU Hao,LI Zaiwei,FAN Guopeng,et al.Study on low frequency ultrasonic array imaging method for defects of concrete structures[J].Journal of Railway Science and Engineering,2025,22(10):4712-4725.