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什么是基桩三维声波CT反演成像？

2017-08-04

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基桩三维声波CT野外数据采集原理

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。

如下图所示：

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。

传统基桩声波透射测试方法的优缺点分析

如下图所示，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。