淺析錨桿（固）無損檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

黃旸 李一誠(chéng)

摘 要：隨著工程建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)手段的無損化成為檢測(cè)的主流要求，但現(xiàn)階段，檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理手段與解釋方法發(fā)展不足，使其在實(shí)際工程中的應(yīng)用空間尚不足，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀列舉并分析對(duì)比了幾種錨桿（固）無損檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方法。

關(guān)鍵詞：錨桿；相位；Hilbert變換；小波分析

中圖分類號(hào)： TU757 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）27-187-2

1 研究目的和意義

當(dāng)下，工程事業(yè)蓬勃發(fā)展，各類人工隧道、高邊坡等高難度大深度工程越來越普遍。錨桿（固）作為邊坡支護(hù)的重要手段在基礎(chǔ)建設(shè)更高更深的大背景要求下使用越來越頻繁，已在路、洞、橋、站、基坑等工程施工中得到廣泛應(yīng)用。近年來，然后檢測(cè)無損化進(jìn)程方興未艾，檢測(cè)人員在摸索中前進(jìn)，故對(duì)于錨桿、錨固檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析與處理方法的研究就表現(xiàn)得尤為重要。

2 研究現(xiàn)狀

當(dāng)今國(guó)內(nèi)，對(duì)錨桿（固）國(guó)內(nèi)技術(shù)人員和相關(guān)專家，最常見的處理分析手段是能量對(duì)比法[1]。該項(xiàng)方法分兩個(gè)思路，一是在錨桿（固）體系中，廣義波阻抗在錨固段從首至末由大而小，聲波能量沿錨固段軸向衰減存在下述近似數(shù)學(xué)關(guān)系A(chǔ)=Aoe-ax，該式中的能量衰減系數(shù)的幅值就成為了錨桿（固）質(zhì)量評(píng)價(jià)的分級(jí)依據(jù)。二是使用標(biāo)準(zhǔn)錨桿的一維模型為基準(zhǔn)，檢測(cè)并保留其各段幅值曲線數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，把實(shí)際檢測(cè)的錨桿檢測(cè)所得的相應(yīng)指標(biāo)逐段與標(biāo)準(zhǔn)曲線相比較，把比較差值而非衰減系數(shù)作為了錨桿（固）質(zhì)量評(píng)價(jià)的分級(jí)依據(jù)。以上兩種方法都是直觀對(duì)比，完全以傳播能量在各區(qū)的強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)依據(jù)，因此，該類處理思路一般對(duì)錨固體系的軸向性狀變化做定性分析，由于能量分布和衰減會(huì)受到噪聲影響，該手段一般很少能準(zhǔn)確地判斷出缺陷存在的具體位置和幅度。汪明武等利用計(jì)算機(jī)算法優(yōu)勢(shì)將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析的方法用于對(duì)該類數(shù)據(jù)的分析與處理[2]，其選定、對(duì)比和運(yùn)算的特征值仍然是錨固及自由端長(zhǎng)度、聲波衰減及吸收系數(shù)等能量參數(shù)，雖然能利用計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大的運(yùn)算能力進(jìn)行更加精細(xì)的對(duì)比計(jì)算和幅度衡量，但是仍然受到信噪比的限制使得處理結(jié)果精度受限。

3 研究方法

3.1 時(shí)域分析

時(shí)域分析是利用由實(shí)測(cè)波形在時(shí)域內(nèi)的傳播特性（主要是聲波在波阻抗差異位置的時(shí)域幅值變化），來評(píng)價(jià)錨桿施工質(zhì)量，具有易操作、快速、直觀等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)波在理論上的各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)（錨桿分析一般是近似一維分析），波的傳播速度、幅值均被認(rèn)為保持不變；但當(dāng)波在這類介質(zhì)中遇到波阻抗差異點(diǎn)（對(duì)于本文的錨桿檢測(cè)數(shù)據(jù)即是指斷裂、夾泥、離析、縮頸等澆筑差異導(dǎo)致的質(zhì)量問題）中傳播時(shí)，聲波將發(fā)生反射、透射和散射等，波的傳播速度和幅值將在奇異點(diǎn)發(fā)生變化，在幾何地震學(xué)中，該變化認(rèn)為是反射角度的變化和反射信息的增多；在物理地震學(xué)中則表現(xiàn)為波場(chǎng)能量的重新分配；這都將導(dǎo)致反射波中攜帶奇異點(diǎn)信息，這些信息會(huì)在返回到桿頂傳感器并理論上在時(shí)域譜上顯示。

時(shí)域分析法類似于低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法的常用數(shù)據(jù)分析思路，具有快速直觀的特點(diǎn)，但是缺點(diǎn)是時(shí)域信號(hào)容易受到干擾，信噪比低，因此定量分析的抗噪能力和精度有待提高[3]。

3.2 常規(guī)頻譜分析

以往，對(duì)于錨桿（固）質(zhì)量彈性波檢測(cè)工作的信號(hào)處理，常規(guī)頻譜分析采用的是地球物理常用的譜分析思路，即Fourier變換、高、低、帶通濾波、自和互相關(guān)等經(jīng)典濾波理論，解釋工作基本上是以頻譜幅度為主、相位為輔一般進(jìn)行定

性-半定量分析，由于濾波參數(shù)的選擇具有地區(qū)性，固比較依賴該地區(qū)當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)[4][5]。

以Fourier分析為代表的常規(guī)頻譜分析，將3.1中討論過現(xiàn)場(chǎng)初采的時(shí)域信號(hào)通過Fourier變換為頻譜數(shù)據(jù)，再?gòu)钠渲蟹诸l段分析，亦常謂之的穩(wěn)態(tài)的信號(hào)分析（部分學(xué)者把其當(dāng)作廣義的一種頻域的濾波）。利用復(fù)雜問題近似簡(jiǎn)化的思路，將錨桿注的漿和其周圍耦合圍巖看成是加載在其之上的荷載，這樣錨桿加上灌漿、圍巖這一三維的復(fù)雜體系便成功的簡(jiǎn)化成了一維桿體法線向受均勻變化軸力的體系[6]，而斷裂、夾泥、離析、縮頸則全部變成了軸向廣義阻抗的變化。在這一思路的指引下以幅度譜為君相位譜為臣的定性-半定量分析，成了他域（信號(hào)分析）成熟理論之于我域（錨桿檢測(cè)）“老瓶裝新酒”的創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)例。

傅里葉分析是信號(hào)頻域分析處理之基石，原理清晰明了，相比時(shí)域分析具有更強(qiáng)的抗干擾能力，但是算法收斂慢，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析不夠精確。

3.3 基于Hilbert變換的時(shí)頻分析

Hilbert變換又稱90O相移濾波，其基本原理是將實(shí)信號(hào)變換為自己定義的復(fù)信號(hào)，即將實(shí)信號(hào)u（t）看成是復(fù)信號(hào)z（t）的實(shí)部，通過Hilbert變換得到對(duì)應(yīng)的復(fù)信號(hào)的虛部v（t），然后分析該復(fù)信號(hào)的瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位及瞬時(shí)頻率等[7]。按下述計(jì)算：

基于Hilbert變換的時(shí)頻分析，用快速傅里葉變換的方法實(shí)現(xiàn)，具有算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，時(shí)間復(fù)雜度低，收斂迅速，對(duì)頻域信號(hào)瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率的識(shí)別更準(zhǔn)確等特點(diǎn)，是對(duì)常規(guī)頻譜分析的一個(gè)加速和改進(jìn)，但并未解決固有缺陷[8]。

3.4 小波時(shí)頻分析

經(jīng)典的Fourier變換作為信號(hào)處理之基提供了一個(gè)從時(shí)域到頻域的變換，但二者在Fourier變換中是分離的：時(shí)域中難以準(zhǔn)確提取頻域信息；反之頻譜如音樂之樂譜，僅表示各個(gè)分頻能量之于總能量的權(quán)重，通常不能提供建立譜分量之時(shí)間權(quán)重（理論上該信息通過相位譜可計(jì)算，但通常來說僅僅較難計(jì)算準(zhǔn)確）。非穩(wěn)態(tài)信號(hào) 在時(shí)域的突變會(huì)如完整的樂譜增加了數(shù)個(gè)音符而影響整個(gè)頻譜分布規(guī)律。因此，錨桿（固）常得到的非穩(wěn)態(tài)信號(hào)業(yè)內(nèi)嘗試了更新的信號(hào)處理理論——小波時(shí)頻分析法[9][10]。

該方法用新的思維將信號(hào)以相平面為基在其上多尺度分解，借助Matlab等數(shù)學(xué)工具用不同的小波基成功地將時(shí)頻作為整體處理，其優(yōu)勢(shì)有二：一是比之Fourier變換小波變化的時(shí)頻統(tǒng)一性宛如將樂譜分為多階，從而其抗干擾能力更強(qiáng)，避免被局部奇異影響整體。二是其能量集中特性[11]使得在多尺度下的分解后，能量按奇異信號(hào)程度（對(duì)應(yīng)錨桿的缺陷大?。┰谟邢薹秶鷥?nèi)進(jìn)行重新的更少散射更集中的分布，這就保證了對(duì)于奇異信號(hào)（缺陷）的刻畫更精細(xì)，從而對(duì)于我們從定性-半定量分析最終未來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量分析指出了一個(gè)很好的方向。

小波時(shí)頻分析是比較新的分析思路，是錨桿（固）質(zhì)量檢測(cè)由定性向定量轉(zhuǎn)變的重要一步，但算法還需進(jìn)一步優(yōu)化以提高其穩(wěn)定性并降低其時(shí)間復(fù)雜度。

4 結(jié)論

本文列舉并分析對(duì)比了幾種錨桿（固）無損檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方法，為當(dāng)前無損檢測(cè)的主流處理方法，各種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和弊端，在實(shí)際的工作中需要根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)加以靈活使用，準(zhǔn)確的判斷錨桿（固）的質(zhì)量，從而保障工程質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

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