基桩三维声波CT反演成像原理及测试方法

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基桩三维声波CT反演成像原理及测试方法

基桩声波CT一般是将声波探头放入基桩预制的声测管内，从下往上或者从上往下（一般操作方便是从下往上提）手拉电缆，基桩声波CT仪自动根据测管内的声波探头进行声波透视CT。

一个基桩内可能埋设有2个声测管，3个声测管，4个声测管等。如果有多于4个声测管，可以采用4个声测管组合重复观测。一般以指北方向的声测管编号为1，然后顺时针对声测管进行编号。

野外进行基桩声波CT时，声测管直径大概为0.05 m（即5 cm）。野外进行基桩声波CT采集数据时，测量的是两个声测管外沿之间连线的距离，如下图所示。

从图可以看出，野外测量的两个声测管之间的距离，与实际的两个声测管圆心之间的距离，相差一个声测管直径声测管外沿距离现场测量照片

传统基桩声波透射测试方法的优缺点分析是传统基桩声波透射测试方法示意图。从图可以看出，每两个声测管可以构成一个剖面。传统基桩声波透射测试方法是在每个声测管内只有一个声波探头，另一个声测管内也只有一个声波探头。一个声波探头发射声波，另一个声波探头接收声波。

一般来说，野外测试时将两个声测管的声波探头高度调成一致，然后将两个声波探头平行向上拉，采集声波数据。

这种采集方法的优点是便捷快速。射线路径如图(b)所示，从图中可以看出，射线路径是水平的。提取两个探头之间透射声波的初至时间（即时差），即可画出一条声波时差随深度变化的曲线，如图(c)所示。声波时差偏大的地方就是时差异常。由于两个声测管之间的距离基本一样（两个声测管都是平行的情况），所以，两个探头间的声波速度也可以画出一条速度随深度变化的曲线，如图(d)所示，较低的速度位置一般对应的是缺陷的位置。如果将速度画成色阶图，如图(e)所示，则可以较直观地分析出基桩内缺陷的深度分布和深度范围。

同样地，也可以画出波幅随深度变化曲线，根据振幅曲线，也可以辅助分析缺陷的水平位置。
由于这种测试方法不需要复杂的数学运算，不需要反演，因此测试速度快，可实时成像。这种基桩声波测试方法的优点是对缺陷的深度位置较准确。

这种测试方法的缺点是不能给出缺陷的水平分布。
为了探测缺陷的水平分布情况，需要对传统方法进行改进，增加倾斜测试，采用反演方法对缺陷进行成像定位。

传统声波CT方法简介为了对基桩内的缺陷位置进行准确定位，可以采用传统声波CT探测方法，如下图所示。野外声波CT采集数据的方式是，首先保持一个探头不动，例如保持发射探头不动，然后向上提拉接收探头的电缆，射线路径如图(a)所示。接着，将发射探头向上移动一个位置，又将接收电缆从基桩底部向上提拉直到基桩顶部，射线路径如图(b)所示，如此反复。发射探头从基桩底部一直提拉到基桩顶部为止。得到的完整射线路径如图(c)所示。将所有射线的时差进行反演成像（一般采用ART/SIRT或其他方法），可以得到声波速度的分布图如图(d)所示。从图可以直观地给出缺陷的深度分布和水平分布情况。
这种传统的声波CT方法优点是测试数据多，成像精度高。
这种方法缺点也比较明显。突出的缺点是野外采集速度慢，一个CT剖面需要反复提拉不同声测管的探头，野外采集很长时间。对于一个基桩内如果有多个声测管多个CT剖面，需要采集更长。另外，这种采集方法数据量大，室内资料处理需要大内存计算机，成像速度也慢，对计算机的性能要求较高。另外，当发射声波探头与接收声波探头距离较远时，透射声波能量损失较大，采集的声波数据信噪比降低，给时差提取等信号分析带来了较大难度。
改进基桩声波CT探测方法简介
传统基桩声波透射测试方法速度快，但是只能给出缺陷的深度分布，无法给出缺陷的水平分布。传统的声波CT方法能准确给出缺陷的深度分布和水平分布，但野外探测速度慢，数据量大，处理费时。为了克服上述两种方法的缺点，综合其优点，可以采用改进声波CT方法。

改进基桩声波CT探测方法如下图所示。改进声波CT探测方法是每个声测管的电缆上有两个声波探头，这两个探头既可以作为发射探头也可以作为接收探头。每个深度位置的射线路径有4条，既有平行射线又有倾斜射线，可以对CT剖面进行反演成像，给出缺陷的深度方向分布位置和水平方向分布，同时，其野外采集方法与传统声波测试方法一样，首先将声波探头放到基桩底部，然后同时提拉电缆，一次性采集完所有数据，野外测试速度快。

图(a)是两条电缆都在基桩底部时射线路径图，图(b)是同时提拉两条电缆到下一个位置时的射线路径图。野外采集时，保持提拉电缆的速度较慢且匀速时，基桩声波仪器自动进行扫描叠加，以增强声波信号的信噪比。一个声波CT剖面的射线路径图如图(c)所示，其成像效果图如图(d)所示。由于4个探头的相对高差较小，透射声波的振幅衰减较小，采集的声波数据质量高。

这种方法的优点是野外采集速度快，数据量也不大，成像速度也较快，可以达到野外准实时成像。

对一个CT剖面的射线路径进行分析，可以发现其可以分解为三种射线子集，如下图所示。

图(a)是总的射线路径图，图(b)是分解的水平射线路径图，即1-2P射线路径，表示1号探头和2号探头的深度一样，图(c)是分解的倾斜射线路径图，即1-2X射线路径，表示1高2低，即1号探头高，2号探头低，图(d)是分解的另外一种倾斜射线路径图，即2-1X射线路径，表示2高1低，即1号探头低2号探头高。
由于在每个电缆上有两个声波探头，这种改进基桩声波CT探测方法的测试数据中，可以直接提取出传统声波测试方法的数据，可以根据1-2P数据集的时差图实时给出缺陷的深度分布。同时，综合1-2X和2-1X倾斜射线路径集的数据，准实时地给出缺陷的水平位置分布情况。

基桩三维声波CT结果

下图是中科院模型桩声波CT三维成像图。从图可以非常直观分析基桩内速度异常的三维分布。提取三维低速异常体的表面，还可以直观看到基桩内缺陷的立体分布。

基桩内不同声测管连线所构成的CT速度剖面，也可以用来分析基桩内声波速度的分布，分析和识别基桩内缺陷分布范围。下图是中科院模型桩1-3剖面声波CT成像效果图。图(a)是反演的误差下降曲线图，图(b)是时差拟合曲线图，图(c)是1-3剖面CT反演的速度分布图，从图可以明显看到缺陷的深度分布和水平分布情况。

RSM-SY8基桩超声波CT成像测试仪中配备的基桩跨孔法CT反演与成像软件。

此程序操作简便、功能强大、界面友好，主要表现在：
操作简便、功能强大、界面友好、反演速度快、基桩速度三维立体图三维动态显示、基桩缺陷三维立体图三维动态显示、三维图像可动态旋转和缩放、JCT软件能显示多种声波CT分析图件和三维立体图动态显示基桩缺陷等，便于分析基桩缺陷分布