Page 137 - 2025年第56卷第10期

PWI）方法由于其灵活的角度偏转能力，可以更好地成像倾斜裂缝。近年来，PWI 在检测内部裂缝方面
取得了较好的效果。金属结构方面，Merabet 等 ［17］ 采用频域 PWI 方法提高了钢材内部裂缝的检测效率；
常至轩等 ［18］ 采用复合平面波方法定量检测了钢轨螺孔裂缝的角度和长度，取得了较好的检测效果。在
混凝土内部裂缝检测方面，Suhaib Ul Reyaz 等 ［14，19］ 证明了与 TFM 方法相比，PWI 方法在检测混凝土内
部缺陷方面有较大的优势，并重建了混凝土内部裂缝及钢筋轮廓，采用图像识别方法对缺陷进行了定
量检测，具有更好的对比度和较少的结构噪音，取得了较好的效果。
目前内部裂缝定量检测是采用各种图像处理方法对超声成像结果进行识别 ［18-19］ ，通过分析像素值
的大小及分布对裂缝进行定量检测，受像素质量影响较大。然而，在实际检测过程中，裂缝的倾斜角
度是未知的，PWI 扫查角度主要通过人为经验选择。由于混凝土细观结构会产生强烈的结构噪音，若
扫查角度选择不当，会在非裂缝方向上产生幅值较强的伪像，严重影响裂缝定量检测的准确性。因此
有必要采用有效的方法检测裂缝角度，为复合平面波成像提供较为准确的角度扫查范围，提高裂缝定
量检测的准确性。
综上所述，本文首先从理论上分析了传统复合平面波成像方法检测混凝土内部倾斜裂缝存在的问
题，并提出了角度修正复合平面波成像方法。然后开展了混凝土细观模型内部裂缝超声检测的有限元
模拟，采用传统复合平面波成像方法和角度修正复合平面波成像方法对混凝土内部不同倾斜角度裂缝
进行成像，并通过主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、线性拟合以及最大长度拟合方法
对裂缝进行定量检测，对比分析复合平面波成像和角度修正复合平面波成像方法的检测效果，验证所
提方法的正确性。最后通过分析骨料粒径、混凝土平均波速、裂缝深度对所提方法的影响，为实际工
程中混凝土内部裂缝的定量检测提供理论支撑。

2 检测方法及原理

2.1 传统复合平面波成像 超声平面波成像原
理如图 1 所示，将二维感兴趣（Region Of Inter⁃
est，ROI）区域离散为 p×q 个网格点，x 方向的
网格尺寸为 dx，y 方向的网格尺寸为 dy。第 1 个
激发阵元的坐标为（x ，y ），第 j（j=1，2，…，
1 1
N-1，N）个接收阵元的坐标为（x ，y），目标散
j
j
射点 r 的坐标为（pdx，qdy）。
当平面波偏转角度为 θ 时，以平面波传播
i
到 r 点，然后被第 j 个阵元接收为例。第 1 个激
r
发阵元到目标散射点 r 的距离为 d θi ，第 j 个接收 图 1 超声平面波传播示意
阵元到 r 的距离为 d r θi， j ，作 r 竖直向上的延长线
与顶面交于点 b，作 be 垂直 fr，连接 bf，根据几何关系可得到 d =fe=Δxsinθ ，d =er=Δycosθ ，平面波传播
1 i 2 i
到目标散射点 r 然后被第 j 个阵元接收到的飞行时间为 t r θi，j ，V 为混凝土纵波波速，具体计算如式（1）—
p
（3）所示：
d θi = d 1 + d 2 = Δx| sin θ i | + Δy| cos θ i | = |( pdx - x 1) sin θ i| + |( qdy - y 1) cos θ i| （1）
r
θi， ( ) ( ) 2
2
d r j = pdx - x j + qdy - y j （2）
d θi + d r
r
t r θi， j = θi， j （3）
V p
叠加不同激发角度—接收模式下不同位置散射点 r 处的元像素值，可得到整个区域总像素值 I 。
1
偏转角度为［-θ ，θ ］，间距为 1°，A θi， j 为全矩阵数据中偏转角度为 θ ，第 j 个阵元接收的回波信号。I 1
i
m
m
— 1384 —