渠道工程水下全断面三维基础成像检测方法与流程

本发明涉及水库大坝、渠道、渡槽等水利工程混凝土结构水下无损检测，尤其是涉及渠道工程水下全断面三维基础成像检测方法。

背景技术：

水利水电工程运行期间，受水流冲刷、大颗粒冲刷、泥沙冲刷等因素的影响，水电站部分区域存在一定的安全隐患，如发电洞洞口及洞内的泥沙剥蚀、冲砂洞等的泥沙磨蚀、水下混凝土面板的脱空、水下钢筋的锈蚀、坝后消力池受水流等冲击的破坏等问题，均影响工程的安全运行。因此，水下检测技术对于水利工程的安全和不断水运行起到极大的安全保障作用。

目前，水下检测方法主要包括水下光学成像检测和水下声学成像检测。1、水下光学成像检测多采取水下照相检测和水下录像检测。由于相应水下定位等诸多问题，水下照相存在图片拼接较难等技术难点；所以目前大都以水下机器人搭载录像设备水下录像为主。由于光学的频率远高于声学，因此其对水下细节的分辨能力也强于声学，水下光学成像也广泛应用于水下细节部分的检测需求。但受光学在水下穿透能力影象，对于水下混凝土衬砌则无有效的穿透能力，因此一般用于水下重点部位表面精细检测。2、水下声学成像检测同其它的声成像一样，也是通过物体对声波的后向散射作用来成像的，可用于测绘声速场和流场、探测海底地形和海洋表面粗糙度。但考虑声学的传播特点，依然无法有效的对水下衬砌及基础内部破损进行检测；目前主要用于对水下表观的破损进行大规模快速检测。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种渠道工程水下全断面三维基础成像检测方法，实现对水下衬砌结构内部及其基础破损的检测。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述渠道工程水下全断面三维基础成像检测方法，包括下述步骤：

步骤1，在渠道工程水下沿需要检测的区域间隔排列多个防水型收发一体式超声波探头；

步骤2，当对所述渠道工程水下需要检测区域的混凝土面板内部结构检测时，调整每个所述超声波探头发射波的发射频率范围为1khz-10khz、水中波长为0.15m-1.5m；当对所述渠道工程水下需要检测区域的基础内部结构检测时，调整每个所述超声波探头发射波的发射频率范围为10khz-100khz、水中波长为15mm-0.15m；

步骤3，将每个所述超声波探头接收到的超声波反射信号特征、介质的速度参数和声波的传播路径，进行波场的叠加和成像处理，得到被检测区域的基础内部结构三维图像和面板内部结构图像。

所述波场的叠加和成像处理步骤为：

步骤3.1，首先分析超声波信号频率范围为1khz-100khz、水中波长为15mm-1.5m在水下的传播特征，所述传播特征包括信号随频率的衰减特征、在不同流速下的信号衰减特征、信号源发射能量不一致、信号的球面扩赛衰减特征，建立标准检测信号模型数据，并对所述模型数据进行时频分析，得到所述超声波信号的能量特征，所述能量特征包括模型数据的主频分布、不同频率的能量分布；

步骤3.2，将所述超声波探头采集的实际反射波数据进行道头编辑，使其与模型数据一致，得到道头编辑后的实际数据，对所述实际数据进行时频分析；

步骤3.3，对模型数据与实际数据的时频分析结果进行对比，分析实际数据能量变化，包括主频特征、不同频率所对应的能量特征特点，利用模型数据的能量特征对实际数据进行校正；所述校正是指对实际数据进行dft变换后的实部和虚部统一进行，即只调整超声波信号在不同频率区间的反射能量而不调整超声波信号的相位，以保证信号不失真，从而保障超声波信号振幅一致，实现保幅处理；

步骤3.4，以水体波速1500m/s作为成像波速，采用kirchhoff叠前偏移成像算法进行偏移成像，完成二维图像的采集；

步骤3.5，将多个所述二维图像连续采集，即完成三维数据的拼接成图。

本发明优点在于实现了对混凝土面板衬砌内部及其壁后基础内部缺陷的检测，并可为水下修复工作提供缺陷部位的三维成果图，精确划分出内部缺陷的分布范围，保证了水下修复工作的质量，提高了水下修复工作效率。同时，由于采用阵列式反射和接收，因此一次发射和采集的数据可以快速的进行叠加成像，以此获取较高的工作效率。且大幅度提高了信号的信噪比，有效保障了信号的分辨率。

附图说明

图1是本发明所述超声阵列成像的工作原理示意图。

图2是本发明所述波场的叠加和成像处理流程图。

图3是本发明所述的阵列层析成像成果图。

图4是本发明所述的三维成果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本发明所述的渠道工程水下全断面三维基础成像检测方法，包括下述步骤：

步骤1，如图1所示，在渠道工程水下沿需要检测的区域间隔排列12个防水型收发一体式超声波探头，组成超声阵列成像布置；

步骤2，当对所述渠道工程水下需要检测区域的混凝土面板内部结构检测时，调整每个所述超声波探头发射波的发射频率范围为1khz-10khz、水中波长为0.15m-1.5m；当对所述渠道工程水下需要检测区域的基础内部结构检测时，调整每个所述超声波探头发射波的发射频率范围为10khz-100khz、水中波长为15mm-0.15m；

步骤3，将每个所述超声波探头接收到的超声波反射信号特征、介质的速度参数和声波的传播路径，进行波场的叠加和成像处理，得到被检测区域的基础内部结构三维图像和面板内部结构图像。

如图2所示，所述波场的叠加和成像处理按照下述步骤进行：

步骤3.1，首先分析超声波信号频率范围为1khz-100khz、水中波长为15mm-1.5m在水下的传播特征，包括信号随频率的衰减特征、在不同流速下的信号衰减特征、信号源发射能量不一致、信号的球面扩赛衰减特征等，建立标准检测信号模型数据，并对所述模型数据进行时频分析，得到所述超声波信号的能量特征，包括模型数据的主频分布、不同频率的能量分布等；

步骤3.2，将所述超声波探头采集的实际反射波数据进行道头编辑，使其与模型数据一致，得到道头编辑后的实际数据，对所述实际数据进行时频分析；

步骤3.3，对模型数据与实际数据的时频分析结果进行对比，分析实际数据能量变化特点，包括主频特征、不同频率所对应的能量特征等特点，利用模型数据的能量特征对实际数据进行校正；所述校正是指对实际数据进行dft变换后的实部和虚部统一进行，即只调整超声波信号在不同频率区间的反射能量而不调整超声波信号的相位，以保证信号不失真，从而保障超声波信号振幅一致，实现保幅处理；

步骤3.4，以水体波速1500m/s作为成像波速，采用kirchhoff叠前偏移成像算法进行偏移成像，完成二维图像的采集，即阵列层析成像成果图，如图3所示；

步骤3.5，将多个所述二维图像连续采集，完成三维数据的拼接，即三维成果图，如图4所示。

本发明检测原理简述如下；

本发明依据水利工程中的渠道、水库大坝、渡槽等混凝土面板下部主要为堆积的细料过渡区域，属于声学信号穿透的优势区域。水本身是声学的天然耦合剂，且声波在水中几乎无衰减，不会衍生诸如横波、面波等复杂干扰波。因混凝土面板本身防渗条件有限，混凝土面板下部细料堆积区一般含水性较大，因此基于高频的chrip声学编码信号穿透深度均能大于2m，最深处探测深度可达到5m。

当混凝土面板内部存在缺陷时，即混凝土面板内部或者壁后存在脱空（水或空气）界面时，均导致混凝土与缺陷区域之间产生强烈的反射界面，根据反射界面反射信号的强弱、大小即可判断混凝土内部是否存有缺陷及缺陷大小。