钢管混凝土界面脱空超声层析方法及系统与流程

本发明涉及超声无损检测，尤其涉及钢管混凝土界面脱空超声层析方法及系统。

背景技术：

1、钢管混凝土在大跨度桥梁、高层建筑和重载结构中得到广泛应用，其核心优势在于钢管对混凝土的约束作用使两种材料协同工作。然而，受混凝土浇筑收缩、泌水、温度变化及长期荷载影响，钢管内壁与核心混凝土之间易产生环向或局部脱空，破坏协同工作状态，削弱约束效应，直接危及结构安全与耐久性，且脱空缺陷被钢管包裹而无法通过外观直接识别。

2、现有检测方法中，超声波法因对材料内部声学参数变化敏感而应用最为广泛。超声波层析成像法利用多路径首波走时反演截面波速分布，可在一定程度上定位脱空位置，但仍面临诸多挑战：钢管与混凝土固有波速差异形成强背景干扰，有限射线覆盖与测量噪声易产生条纹伪影和径向扩散，仪器延迟及耦合层差异引入的系统性走时偏差难以有效消除，导致薄层脱空边界模糊、辨识困难。此外，测点布局多依赖经验确定，密集布点使现场采集工作量快速增长，测点过少或界面带覆盖不均则易漏失薄层缺陷。采集布局与重建算法之间缺乏以界面检测为目标的统一优化机制，制约了检测效率与精度的兼顾。

技术实现思路

1、为了弥补以上不足，本发明提供了钢管混凝土界面脱空超声层析方法，旨在改善现有技术中测点布局缺乏与界面检测目标的协同优化，且重建过程缺少界面先验约束与边缘增强机制，薄层脱空边界辨识困难。

2、第一方面，本发明提供了如下技术方案，钢管混凝土界面脱空超声层析方法，包括：

3、获取待测钢管混凝土截面按预定测点布局进行超声穿透测量的首波走时，以及经延迟校正的完整状态基线走时，并构建差分走时向量；

4、对截面进行网格化，根据所述预定测点布局对应的超声穿透路径建立路径-网格矩阵，并根据各网格中心至钢-混凝土界面的径向距离赋予界面先验权重，以界定界面带区域；

5、以所述差分走时向量为观测量，结合所述路径-网格矩阵与所述界面先验权重进行迭代重建，获得慢度增量场，并对所述慢度增量场施加非负性约束，控制界面带更新量在截面总更新量中的占比；

6、保留所述慢度增量场中因平滑而减弱的局部异常并检测其梯度边缘，将两者与所述慢度增量场乘性融合，构造边缘增强的异常证据场；

7、从所述异常证据场中自适应识别与所述界面带区域连通的异常区域，经形态学修正后作为脱空区域，并输出脱空的几何参数。

8、进一步地，所述预定测点布局具体包括：

9、针对多个候选环向测点数分别建立定向穿透式路径集合，并以界面薄层缺陷可检出约束、完整状态误报约束、界面带覆盖均匀性约束及采集代价约束为筛选条件；

10、按测点数递增顺序，选取首次同时满足各项约束的候选测点数，若存在多个，则以采集代价最低者作为所述预定测点布局。

11、进一步地，获取所述首波走时后进行数据校验的步骤包括：

12、获取互易路径的定向穿透走时并进行一致性校验，对每条所述超声穿透路径的波形特征及自动首波标记进行信噪比检查；

13、若任一项未通过校验，则发出复测提示，以排除非稳定性数据对差分走时向量的干扰。

14、进一步地，获取所述经延迟校正的完整状态基线走时的步骤包括：

15、基于待测截面的几何参数构建材料分区基线慢度场，并根据路径-网格矩阵计算理论基线走时；

16、以所述理论基线走时与完整状态实测走时的偏离特征值，校正所述完整状态实测走时，获得校正后的基线走时；

17、以待测状态实测走时与所述校正后基线走时之差作为差分走时向量。

18、进一步地，结合所述路径-网格矩阵与所述界面先验权重进行迭代重建的步骤包括：

19、以差分走时与当前慢度增量场对应计算走时之差构建残差，并对所述残差进行路径长度行归一化和网格覆盖列归一化后回投，获得回投更新量；

20、将所述回投更新量与界面先验权重相乘后施加非负约束，获得本轮慢度增量更新值；

21、以该更新值更新慢度增量场，并经总变差约束处理后进入下一轮迭代，直至满足收敛条件。

22、进一步地，所述总变差约束处理的步骤包括：

23、对更新后的慢度增量场执行总变差近端处理，以抑制因有限射线覆盖产生的条纹伪影，同时保持脱空边界的阶跃特征。

24、进一步地，所述控制界面带更新量在截面总更新量中的占比的步骤包括：

25、在同步迭代过程中，实时监测界面带区域内累计更新量占截面总更新量的比例；

26、当所述比例偏离守恒约束区间时，对界面带内的单轮更新量进行比例缩放，使所述比例回归至所述守恒约束区间内。

27、进一步地，所述构造边缘增强的异常证据场的步骤包括：

28、计算所述慢度增量场与其空间平滑场之差，提取局部异常增强特征；

29、提取所述慢度增量场的空间梯度分布作为边缘证据；

30、将所述局部异常增强特征及所述边缘证据以乘性融合方式叠加至所述慢度增量场，以恢复薄层脱空的边界清晰度。

31、进一步地，所述输出脱空的几何参数的步骤包括：

32、将识别出的异常区域转换至极坐标系，根据异常区域的角位移跨度和径向深度分布确定环向薄层脱空的覆盖角及厚度；

33、根据异常区域的质心和面积确定局部集中脱空的几何参数。

34、第二方面，本发明提供以下技术方案，钢管混凝土界面脱空超声层析系统，用于实现上述的钢管混凝土界面脱空超声层析方法，所述系统包括：

35、基线差分模块，用于获取待测钢管混凝土截面按预定测点布局进行超声穿透测量的首波走时，以及经延迟校正的完整状态基线走时，并构建差分走时向量；

36、空间建模模块，用于对截面进行网格化，根据所述预定测点布局对应的超声穿透路径建立路径-网格矩阵，并根据各网格中心至钢-混凝土界面的径向距离赋予界面先验权重，以界定界面带区域；

37、迭代反演模块，用于以所述差分走时向量为观测量，结合所述路径-网格矩阵与所述界面先验权重进行迭代重建，获得慢度增量场，并对所述慢度增量场施加非负性约束，控制界面带更新量在截面总更新量中的占比；

38、边缘增强融合模块，用于保留所述慢度增量场中因平滑而减弱的局部异常并检测其梯度边缘，将两者与所述慢度增量场乘性融合，构造边缘增强的异常证据场；

39、结果分析模块，用于从所述异常证据场中自适应识别与所述界面带区域连通的异常区域，经形态学修正后作为脱空区域，并输出脱空的几何参数。

40、本发明具有如下有益效果：

41、1、本发明中，通过以界面薄层缺陷可检出约束、完整状态误报约束及界面带覆盖均匀性约束为核心筛选条件，结合采集代价约束进行择优，在保证界面带覆盖均匀性的前提下将环向测点数降至最低，避免因测点过少或分布不均导致的薄层缺陷漏检，同时降低密集布点带来的现场采集工作量，实现检测效率与成像精度的协同优化。

42、2、本发明中，通过以网格至钢-混凝土界面的径向距离构造界面先验权重，使反演更新量在迭代过程中向界面带富集，并以守恒约束区间限制界面带更新量占截面总更新量的比例，对超出区间的更新量进行比例回缩，防止先验权重过度吸附非界面区域噪声；结合总变差近端处理，在抑制条纹伪影的同时保持脱空边界阶跃特征，使慢度增量场在界面带附近保持边缘锐利。

43、3、本发明中，通过提取慢度增量场中因平滑而减弱的局部异常并检测其梯度边缘，将两者与慢度增量场乘性融合，在恢复脱空区域中心强度的同时于边界处实施非线性放大，使薄层脱空边界清晰度得到恢复并抑制背景噪声干扰；通过自适应阈值分割结合界面邻域连通性约束与形态学修正剔除孤立噪点，实现环向薄层脱空的覆盖角及厚度与局部集中脱空的质心及面积的差异化定量评估。