混凝土超声检测｜SAFT 合成孔径聚焦成像技术综述

混凝土超声检测｜SAFT 合成孔径聚焦成像技术综述

      随着检测设备与测试方法持续迭代，利用超声波技术评估混凝土内部结构具备良好可行性。现阶段相关应用方向包含构件厚度测量、内部空洞探查、预埋管道定位等。众多科研人员已经完成多项可落地的检测技术研究，这类技术方案共同特点为仅依靠构件单侧表面即可开展混凝土结构检测。多数技术*初源于金属材料超声检测领域（钢材探伤），需要针对性改良，适配混凝土材料复杂声学特性。

      本文简要介绍基于超声 SAFT 重建算法实现混凝土结构二维剖面成像技术。SAFT（合成孔径聚焦技术）核心思路：对线性孔径上采集的回波时域信号做时延叠加处理，将测量数据在后处理阶段聚焦至成像区域内每一个点位。重建图像依据构件底面、内部夹杂物形成的声阻抗差异生成。本文重点论证二维 SAFT 成像在混凝土超声检测场景的适用性；结合超声波在混凝土介质内传播特征，解释 SAFT 技术适配混凝土检测的内在原因，并对比 SAFT 与传统 A 扫描、B 扫描技术特点。同时列举集成于这套检测方案内、针对基础算法的多项优化拓展方式。实验室试验与现场实测重建结果表明：试验条件下，SAFT 成像方案可适用于*大骨料粒径 16mm 混凝土检测，在混凝土高分辨率超声检测领域具备良好发展前景。

一、超声波在混凝土中的传播特性

      混凝土属于多相固体介质，由砂浆基体与粗骨料构成，骨料*大粒径常见区间 8～32mm。混凝土超声检测常选用纵波开展测试，入射声波在所有声阻抗分界面均会发生散射。为避免声波能量因骨料散射快速衰减，工程普遍选用 50-500kHz 低频超声换能器。即便如此，骨料粒径与声波波长（纵波声速 cᴸ=4000m/s，波长 8～80mm）处于相近量级，会产生诸多均质介质中不存在的声学现象：

• 可识别目标尺寸通常需要显著大于骨料粒径，一般情况下，毫米尺度缺陷较难有效识别；

• 频率较高时信号衰减现象显著；信号幅值随传播距离增加不断降低，同时信号主频向低频偏移；

• 接收信号存在结构性噪声，容易干扰判读；骨料粒径越大，结构性噪声幅值越明显；

• 相速度具备频率相关性（频散效应）；随着传播路径延长，脉冲波形发生畸变，传播时长与声程呈现非线性关系；

      工程检测通常采用宏观等效介质模型，将混凝土简化为单相介质，利用等效介质参数描述材料声学特性（纵波相速度为重要参数）。想要完整解释所有声学传播现象，还需要完善的多相介质声波传播理论模型，相关理论目前仍处于研究阶段。同时等效介质参数易受宏观不均匀性影响，例如材料成型工艺会造成局部声速波动。

选用低频超声带来的附带效应：声束发散角度更大，同时更容易激发瑞利表面波。

二、选用 SAFT 成像技术的原因

      SAFT 成像算法流程相对复杂，为清晰说明该技术应用于混凝土检测的独特优势，下文将 SAFT 与工程*常用、操作直观的 A 扫描、B 扫描技术进行对比。表 1 汇总三类超声检测技术应用于混凝土检测的特点；标注警示位置代表信号易出现误解读风险。

      A 扫描核心难点：有效信息容易被掩盖。一方面声束发散角度较大；另一方面有效信号叠加结构性散射噪声、其他波型反射信号以及电子噪声。仅依靠 A 扫描波形完成混凝土构件评价的工况较为少见。

      开展 B 扫描需要沿直线扫查，工作量适中，二维展开的信号波形可为缺陷判读提供支撑，典型特征为散射体形成的双曲线信号。但同一缺陷对应的信号分布较为分散，不同波型散射信号同样会形成干扰。A 扫描、B 扫描仅对原始测量信号直接展示，缺少深度运算处理。SAFT 重建则对全部测量数据做后聚焦运算，重构材料剖面可视化图像。

较大的声束发散角在 SAFT 体系中转化为有利条件，声波可从多个角度照射目标区域；成像中任意像素点融合多组测点采集信号，进而抑制随机噪声，无需依靠高压激励、多次平均等手段提升信噪比。骨料散射信号在原始数据中广泛分布，若不经过算法处理，会形成全域噪声；不同波型信号会通过声速差异实现散焦，不会叠加至*终成像。除此之外，SAFT 输出可视化图像，更加便于工程人员分析。

三、SAFT 算法实现方案

      本文采用数值方法实现 SAFT 算法，支持脉冲 - 回波采集模式。数据采集沿线性测线完成，该实现方案常称为 L-SAFT（线合成孔径聚焦）。算法直接处理时域原始数据，采用像素驱动重建模式，搭配采样点线性插值运算。

      输出图像一般通过包络检波解调，采用线性灰度图展示。图像重建以回波信号前沿特征点作为成像基准，而非信号峰值；原因在于大量散射体尺寸接近声波波长，以峰值对齐方式重建难以分辨缺陷轮廓。针对混凝土材料特性，在基础算法之上增加多项拓展优化手段：

• 采集空载参考信号，从所有测量波形中扣除，修正换能器自身余振振荡干扰；

• 支持单条波形幅值手动调整，补偿现场检测时传感器耦合状态波动，对成像质量提升作用明显；

• 引入换能器声束发散角模型，减少伪影、抑制背景噪声；

• 引入非线性时标修正，适配声程增加带来的脉冲声速变化；修正参数由试验标定获取，现阶段该优化适用于*大骨料粒径 8mm 混凝土，有效提升深度方向定位精度；

• 实施幅值深度校正，均衡声波散射、介质吸收带来的信号衰减；

• B 扫描作为前置普查手段，原始射频（RF）信号采用线性灰度绘图，正向信号幅值显示为亮像素，负向幅值显示为暗像素。

结束语

      高质量 SAFT 成像结果依托高性能检测硬件；适用于混凝土检测的低频超声换能器，很难同时实现低余振与宽带宽特性。50～100kHz 频段传感器可满足*大骨料 32mm 混凝土检测需求。若所有测线测点能够并行采集数据，可大幅缩短检测时长；传统独立超声探头检测方案中，**稳定的耦合处理依旧是现场难点。SAFT 重建运算可结合专用信号处理器、并行硬件加速，搭配傅里叶变换类快速算法；算法框架需要具备灵活性，兼容混凝土检测所需各类校正处理。

     A1040 MIRA 超声波断层扫描仪搭载 SAFT 图像重建算法，是采用该成像技术的典型混凝土超声检测设备。