一种用于超声波层析的反演算法
【专利摘要】本发明公开了一种用于超声波层析的反演算法，该反演算法引入一个伴随状态变量来构建新的目标泛函，理论推导该伴随状态变量与传统目标泛函对速度模型参数的梯度之间的关系，间接求解梯度，通过该梯度可以得到计算区域内速度的变化趋势，从而对速度模型进行迭代更新，避免了Fréchet导数的计算。本发明的优点是，算法简单，避免了大型稀疏矩阵Fréchet导数的计算，运算效率高；计算过程中消耗的计算机内存仅仅与计算区域的大小有关，而与超声波探头的个数无关，保证了超声波层析稳定、高效、快速的计算。
【专利说明】一种用于超声波层析的反演算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超声波层析【技术领域】，具体涉及一种用于超声波层析的反演算法。
【背景技术】
[0002] 建筑工程中，桩及地下连续墙是一种非常重要的基础形式，桩基及地下连续墙的 混凝土在浇筑过程中容易产生空洞、夹泥、离析、裂隙等质量缺陷，给工程安全带来极大的 隐患。为了消除安全隐患，必须采用有效的无损检测手段，准确查明缺陷的规模、性质及空 间位置。目前，超声波层析成像法是一种高效的探测混凝土结构缺陷的检测手段。
[0003] 超声波层析成像法采用发射器在被测混凝土构件外部发射超声波信号，接收器 接收经穿过混凝土且携带混凝土内部信息的信号，再利用计算机图像处理技术，重现混凝 土构件内部二维或三维清晰图像的方法，该方法能准确诊断混凝土构件中缺陷的位置和形 状，可用来检测混凝土质量。
[0004] 超声波层析成像检测系统的实现流程可以分为四个步骤：数据采集、正演模拟、建 立雅克比矩阵（即Fr6chet导数)、反演求解。其中反演求解为超声波层析成像技术的关键， 直接决定成像准确度和分辨率。
[0005] 目前常用的超声波层析反演解法有最小二乘法、遗传算法、模拟退火法等。
[0006] 其中最小二乘法是一种线性迭代方法，它的优点在于公式较为简单，物理意义明 确，但是困难在于反演过程中每步迭代都要按照修改后的模型重新计算雅克比矩阵（即 Fr6chet导数)，其计算十分繁杂，且迭代过程中容易陷入局部极值。
[0007] 遗传算法是模拟生物界"适者生存"演化规律的一种随机全局最优化搜索非线性 反演算法，对反演迭代收敛进程具有较好的掌控能力，虽然它并不能保证迭代收敛到目标 函数的全局最优解，但只要杂交概率与变异概率选择合适，遗传算法总能收敛到较优化的 解估计。但是，遗传算法要达到较优化的解估计需要进行多次迭代，不适宜于大批量数据的 处理。
[0008] 模拟退火法是以蒙特卡罗采样为基础的全局优化非线性反演技术，模仿受热物质 在高温时冷却迅速，低温时退火缓慢的特征，兼顾了对全局和局部最优解的搜索，避免了迭 代中陷入局部极值的问题，但是与遗传算法一样，它也存在着搜索缓慢、迭代次数较多的问 题。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种用于超声波层析的反演 算法，该反演算法引入伴随状态变量来构建新的目标泛函，间接求解梯度，通过该梯度可以 得到计算区域内速度的变化趋势，从而对速度模型进行迭代更新，提高了计算速度。
[0010] 本发明目的实现由以下技术方案完成： 一种用于超声波层析的反演算法，其特征在于所述反演算法包括如下步骤： 步骤一：在待检构件中采集超声波检测数据，采用所述待检构件检测区域内的背景速 度作为初始速度建立初始速度模型Cn; 步骤二?建Vr轺亩浊层析的日烷荇函?丟汰忒* .
【权利要求】
1. 一种用于超声波层析的反演算法，其特征在于所述反演算法包括如下步骤： 步骤一：在待检构件中采集超声波检测数据，采用所述待检构件检测区域内的背景速 度作为初始速度建立初始速度模型Cn;
?Η聚三·諸古?亩姑巨拓1的曰说咨函-丰彳女才乇· 其中， J为目标泛函； t(r)表示正演计算得到的超声波接收点处的理论走时； T*(r)表示现场采集得到的在超声波接收点处的实际走时； λ (X)表示计算区域内的伴随状态变量； Qp表示计算区域的边界； 表示对t(x)求梯度； C(X)为计算区域内的速度； 步骤三：求解计算区域内部的伴随状态变量λ (X)，计算公式如下： [(A(；v)t：i)x - (A(x)t,)：] = O 其中，G表示t对X的偏导；表示t对Z的偏导； 步骤四：确定所述超声波层析的目标泛函关于所述初始速度模型Cn内速度参数的梯度
T，计算公式为： dc 步骤五：利用获得的梯度f ,对所述初始速度模型Cn进行迭代更新，计算公式如下：
其中，α为迭代步长；cK+1表示更新后的速度模型。
2. 根据权利要求1所述的一种用于超声波层析的反演算法，其特征在于在所述采集超 声波检测数据的方法为：所述待检构件的两侧设置声测管，在两侧所述声测管中分别布置 超声波发射探头和超声波接收探头，所述超声波接收探头采样测点处即为所述超声波接收 点；通过所述超声波接收探头采集自所述超声波发射探头所发射的超声波数据。
3. 根据权利要求1所述的一种用于超声波层析的反演算法，其特征在于所述迭代步长 α的计算公式为： 其中，J为目标泛函。
【文档编号】G06F19/00GK104376213SQ201410656651
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】谢春, 黄永进, 唐坚, 许杰 申请人:上海岩土工程勘察设计研究院有限公司