混凝土超聲波層析成像的理論方法和試驗(yàn)研究.pdf

1、混凝土結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)、施工、荷載以及材料等方面的原因，在建造和使用過程中，不可避免地存在一些宏觀損傷和缺陷，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)物的安全性和耐久性。新近引入的混凝土超聲波層析成像技術(shù)，可用“圖像”的方式定量化地反映層析面上混凝土的內(nèi)部缺陷，是混凝土超聲波探傷由無損檢測階段向無損診斷階段發(fā)展的必然趨勢。目前這一前沿課題尚處于研究的初步階段，為此本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“混凝土超聲波層析成像方法的基礎(chǔ)研究”(No．50678066)，從混凝土超聲

2、波層析成像的理論基礎(chǔ)、反演算法、反演策略、不完全射線反演和反演圖像處理等五個(gè)方面進(jìn)行較深入系統(tǒng)的研究，主要的工作內(nèi)容如下： (1)廣泛搜集整理國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，扼要闡述層析成像數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，系統(tǒng)總結(jié)混凝土超聲波層析成像的相關(guān)理論方法，為后續(xù)的研究工作奠定基礎(chǔ)。 (2)針對混凝土超聲波層析成像的不適定性，提出了基于自然權(quán)的加權(quán)廣義逆與楊文采正則化方法相結(jié)合的反演算法(NWGI算法)，以適應(yīng)混凝土超聲波層析成像的特點(diǎn)。通過數(shù)值試驗(yàn)

3、和混凝土試件試驗(yàn)，比較了本文NWGI算法與常規(guī)SIRT算法和CGLS算法的反演圖像。對比結(jié)果表明，NWGI算法要優(yōu)于常規(guī)算法，具有更高的分辨率和可靠性。通過2組共8個(gè)內(nèi)部存在模擬缺陷的混凝土試件模型的成像試驗(yàn)，檢驗(yàn)NWGI算法的有效性。成像結(jié)果表明，NWGI算法的反演結(jié)果能夠較好地反映各個(gè)混凝土試件內(nèi)部缺陷的位置和分布。 (3)為獲得與實(shí)際情況相吻合的真實(shí)解，研究了混凝土超聲波層析成像的反演策略。①提出了定性反演方法，實(shí)現(xiàn)聲陰影

4、重疊法判別缺陷的計(jì)算機(jī)處理。數(shù)值模型和混凝土試件模型的試驗(yàn)表明，定性反演可以大致識別對象內(nèi)部聲速偏高、偏低和聲速正常區(qū)域的位置和分布。②在獲取定性反演先驗(yàn)信息的基礎(chǔ)上，提出了兩階段反演的方法：第一階段，區(qū)分優(yōu)質(zhì)像元和非優(yōu)質(zhì)像元，合理確定像元聲速的迭代初值；第二階段，區(qū)別對待優(yōu)質(zhì)像元和非優(yōu)質(zhì)像元的約束權(quán)重，定量反演最終的速度分布。2個(gè)混凝土試件的模型試驗(yàn)表明，兩階段反演能有效抑制偽像，具有比常規(guī)的一階段反演更好的缺陷識別效果。③為了改善射

5、線路徑矩陣的數(shù)學(xué)性質(zhì)，提出了自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)。通過合并那些只有少數(shù)射線甚至沒有射線穿越的網(wǎng)格像元，使更新后的離散像元具有相對均衡的射線穿越長度，自主適應(yīng)射線路徑的幾何分布，從根源上提高混凝土超聲波層析成像的穩(wěn)定性。數(shù)值試驗(yàn)表明，與常規(guī)的固定網(wǎng)格相比，基于自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)的層析成像表現(xiàn)出更好的抗噪能力和缺陷識別能力。 (4)采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法布置不完全射線，研究了不完全射線布置的混凝土超聲波層析成像的可行性。數(shù)值試驗(yàn)表明，在保證射線

6、數(shù)量和射線代表性的前提下，不完全射線布置的層析成像可以達(dá)到甚至超過完全射線布置層析成像的缺陷識別效果。在不完全射線反演的基礎(chǔ)上，還可以發(fā)展新的研究思路。對于布置不完全射線的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相關(guān)研究：①通過平衡深度搜索與廣度搜索，改進(jìn)了隨機(jī)進(jìn)化尋優(yōu)算法，能夠節(jié)省30～70％左右的計(jì)算時(shí)間。②提出了分步試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過化整為零地減小搜索空間，可比常規(guī)的一步試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法節(jié)省40～60％左右的計(jì)算時(shí)間。對3個(gè)測試函數(shù)建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代模

7、型，其誤差分析表明，分步試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對于需要大規(guī)模試驗(yàn)樣本點(diǎn)的替代模型是非常實(shí)用的。 (5)研究了混凝土超聲波層析成像的圖像處理方法，增強(qiáng)缺陷識別能力。①采用中值濾波和基于SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聚類分析進(jìn)行反演圖像的后處理。應(yīng)用實(shí)例表明，這兩種方法的聯(lián)合使用可以有效地抑制偽像，凸顯缺陷，提高層析圖像的分辨率、可靠性和可讀性。②采用基于小波變換的圖像融合技術(shù)對不同反演參數(shù)下的層析圖像進(jìn)行信息融合。應(yīng)用實(shí)例表明，圖像融合可以有效綜合被融