一種用於超聲波層析的反演算法
2023-06-25 19:05:01 1
一種用於超聲波層析的反演算法
【專利摘要】本發明公開了一種用於超聲波層析的反演算法，該反演算法引入一個伴隨狀態變量來構建新的目標泛函，理論推導該伴隨狀態變量與傳統目標泛函對速度模型參數的梯度之間的關係，間接求解梯度，通過該梯度可以得到計算區域內速度的變化趨勢，從而對速度模型進行迭代更新，避免了Fréchet導數的計算。本發明的優點是，算法簡單，避免了大型稀疏矩陣Fréchet導數的計算，運算效率高；計算過程中消耗的計算機內存僅僅與計算區域的大小有關，而與超聲波探頭的個數無關，保證了超聲波層析穩定、高效、快速的計算。
【專利說明】一種用於超聲波層析的反演算法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於超聲波層析【技術領域】，具體涉及一種用於超聲波層析的反演算法。
【背景技術】
[0002] 建築工程中，樁及地下連續牆是一種非常重要的基礎形式，樁基及地下連續牆的 混凝土在澆築過程中容易產生空洞、夾泥、離析、裂隙等質量缺陷，給工程安全帶來極大的 隱患。為了消除安全隱患，必須採用有效的無損檢測手段，準確查明缺陷的規模、性質及空 間位置。目前，超聲波層析成像法是一種高效的探測混凝土結構缺陷的檢測手段。
[0003] 超聲波層析成像法採用發射器在被測混凝土構件外部發射超聲波信號，接收器 接收經穿過混凝土且攜帶混凝土內部信息的信號，再利用計算機圖像處理技術，重現混凝 土構件內部二維或三維清晰圖像的方法，該方法能準確診斷混凝土構件中缺陷的位置和形 狀，可用來檢測混凝土質量。
[0004] 超聲波層析成像檢測系統的實現流程可以分為四個步驟：數據採集、正演模擬、建 立雅克比矩陣（即Fr6chet導數)、反演求解。其中反演求解為超聲波層析成像技術的關鍵， 直接決定成像準確度和解析度。
[0005] 目前常用的超聲波層析反演解法有最小二乘法、遺傳算法、模擬退火法等。
[0006] 其中最小二乘法是一種線性迭代方法，它的優點在於公式較為簡單，物理意義明 確，但是困難在於反演過程中每步迭代都要按照修改後的模型重新計算雅克比矩陣（即 Fr6chet導數)，其計算十分繁雜，且迭代過程中容易陷入局部極值。
[0007] 遺傳算法是模擬生物界"適者生存"演化規律的一種隨機全局最優化搜索非線性 反演算法，對反演迭代收斂進程具有較好的掌控能力，雖然它並不能保證迭代收斂到目標 函數的全局最優解，但只要雜交概率與變異概率選擇合適，遺傳算法總能收斂到較優化的 解估計。但是，遺傳算法要達到較優化的解估計需要進行多次迭代，不適宜於大批量數據的 處理。
[0008] 模擬退火法是以蒙特卡羅採樣為基礎的全局優化非線性反演技術，模仿受熱物質 在高溫時冷卻迅速，低溫時退火緩慢的特徵，兼顧了對全局和局部最優解的搜索，避免了迭 代中陷入局部極值的問題，但是與遺傳算法一樣，它也存在著搜索緩慢、迭代次數較多的問 題。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種用於超聲波層析的反演 算法，該反演算法引入伴隨狀態變量來構建新的目標泛函，間接求解梯度，通過該梯度可以 得到計算區域內速度的變化趨勢，從而對速度模型進行迭代更新，提高了計算速度。
[0010] 本發明目的實現由以下技術方案完成： 一種用於超聲波層析的反演算法，其特徵在於所述反演算法包括如下步驟： 步驟一：在待檢構件中採集超聲波檢測數據，採用所述待檢構件檢測區域內的背景速 度作為初始速度建立初始速度模型Cn; 步驟二?建Vr軺畝濁層析的日烷荇函?丟汰忒* .
【權利要求】
1. 一種用於超聲波層析的反演算法，其特徵在於所述反演算法包括如下步驟： 步驟一：在待檢構件中採集超聲波檢測數據，採用所述待檢構件檢測區域內的背景速 度作為初始速度建立初始速度模型Cn;
?Η聚三·諸古?畝姑巨拓1的曰說諮函-豐彳女才乇· 其中， J為目標泛函； t(r)表示正演計算得到的超聲波接收點處的理論走時； T*(r)表示現場採集得到的在超聲波接收點處的實際走時； λ (X)表示計算區域內的伴隨狀態變量； Qp表示計算區域的邊界； 表示對t(x)求梯度； C(X)為計算區域內的速度； 步驟三：求解計算區域內部的伴隨狀態變量λ (X)，計算公式如下： [(A(；v)t：i)x - (A(x)t,)：] = O 其中，G表示t對X的偏導；表示t對Z的偏導； 步驟四：確定所述超聲波層析的目標泛函關於所述初始速度模型Cn內速度參數的梯度
T，計算公式為： dc 步驟五：利用獲得的梯度f ,對所述初始速度模型Cn進行迭代更新，計算公式如下：
其中，α為迭代步長；cK+1表示更新後的速度模型。
2. 根據權利要求1所述的一種用於超聲波層析的反演算法，其特徵在於在所述採集超 聲波檢測數據的方法為：所述待檢構件的兩側設置聲測管，在兩側所述聲測管中分別布置 超聲波發射探頭和超聲波接收探頭，所述超聲波接收探頭採樣測點處即為所述超聲波接收 點；通過所述超聲波接收探頭採集自所述超聲波發射探頭所發射的超聲波數據。
3. 根據權利要求1所述的一種用於超聲波層析的反演算法，其特徵在於所述迭代步長 α的計算公式為： 其中，J為目標泛函。
【文檔編號】G06F19/00GK104376213SQ201410656651
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月18日 優先權日:2014年11月18日
【發明者】謝春, 黃永進, 唐堅, 許傑 申請人:上海巖土工程勘察設計研究院有限公司