□文/高 翔 劉曉慶 戴子杰 劉偉偉

隨著我國工程建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，混凝土已經(jīng)成為使用最廣泛的建筑材料之一，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1]?；炷恋馁|(zhì)量檢測直接關(guān)乎人民生命財產(chǎn)安全和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展；因此，如何高效準(zhǔn)確地實現(xiàn)混凝土構(gòu)件無損檢測，已經(jīng)成為工程建設(shè)領(lǐng)域研究的重要課題。

當(dāng)前混凝土無損檢測主要集中在以下兩部分。

1）鋼筋籠檢測。為了提高混凝土的機械強度，通常在混凝土澆筑過程中引入鋼筋籠結(jié)構(gòu)，因而鋼筋的粗細(xì)、長度、缺失情況等信息的獲取十分重要。目前普遍采用電磁式探測儀檢測，包括瞬變電磁法、磁梯度法等，他們的工作原理大同小異，即探測儀向混凝土構(gòu)件發(fā)射磁場，隱匿于其中的鋼筋會感應(yīng)產(chǎn)生電磁場，其感生場的強度和梯度分布與鋼筋的外貌信息密切相關(guān)，通過測量感生電磁場，可以實現(xiàn)對混凝土中鋼筋的無損檢測。但由于實際施工作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣復(fù)雜，很多因素都會干擾電磁信號的探測，因此基于電磁式的探測方法存在環(huán)境要求高、穩(wěn)定性差等弊端[2～3]。

2）空洞檢測?；炷翝仓蛧娚渥鳂I(yè)過程中，由于振搗不足、漏漿等原因，有時在鋼筋等結(jié)構(gòu)體間會形成不密實甚至是空洞區(qū)域，這些缺陷極大地降低了構(gòu)件的承重能力，具有安全隱患。目前常用超聲波無損檢測技術(shù)探測混凝土中的空洞缺陷，通過測量超聲波在混凝土傳播過程中振幅、頻率、波形等參數(shù)，找出變化規(guī)律，判斷缺陷的位置與性質(zhì)。但是超聲探測法在實際應(yīng)用中也存在問題，例如超聲信號易受混凝土配比、骨料以及鋼筋等干擾，影響檢測精度[4～6]。

太赫茲波（Terahertz，THz）通常是指振蕩頻率介于0.1×1012～10×1012Hz 的電磁波，相應(yīng)的波長范圍為0.03～3 mm[7]。太赫茲波具有較低的光子能量，以1 THz 為例（1 THz=1012Hz），其光子能量僅為 4.14 meV，約為X射線的1/1 000 000，低于大多數(shù)物體的化學(xué)鍵能，因此太赫茲波是無損檢測領(lǐng)域的理想光源。太赫茲波對非極性材料具有很好的透過特性，透不過去金屬等極性材料，因此被廣泛用于不透明物體的透視成像[8]。

針對上述混凝土無損檢測領(lǐng)域存在的兩大重難點問題，本文提出了基于連續(xù)太赫茲波成像技術(shù)的方案并將其應(yīng)用于混凝土無損檢測中。相比于之前的脈沖太赫茲波成像[9～10]，連續(xù)太赫茲波成像的混凝土無損檢測系統(tǒng)無需使用飛秒激光器、太赫茲天線等器件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化，成本也進(jìn)一步降低。

1 試驗系統(tǒng)搭建

基于連續(xù)太赫茲波成像的混凝土無損檢測系統(tǒng)見圖1。

圖1 基于連續(xù)太赫茲波成像的混凝土無損檢測系統(tǒng)

采用的連續(xù)太赫茲波源（S）為TeraSense 公司的雪崩二極管，中心頻率為0.1×1012Hz，線偏振態(tài)，功率約為95 mW。太赫茲波經(jīng)由天線輸出后耦合到太赫茲波導(dǎo)管中，進(jìn)行低損耗傳輸[11]；后在太赫茲波導(dǎo)管中放置分束比為5∶5的高阻硅半透半反鏡，透射太赫茲波信號繼續(xù)在波導(dǎo)管里傳輸至焦距為50 mm 的太赫茲平凸透鏡，其作用是將入射的太赫茲波匯聚于焦點位置；將待成像樣品置于此焦點位置處，攜帶樣品信息的太赫茲波信號被樣品反射后，再次耦合到太赫茲波導(dǎo)管中傳輸，經(jīng)過半透半反鏡反射至太赫茲探測器中，與太赫茲波源相配套，連續(xù)太赫茲探測器由VDI 公司生產(chǎn)，其探測中心頻率為0.1×1012Hz，探測器將太赫茲波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后通過BNC線傳輸至NI高速數(shù)據(jù)采集卡，將模擬信號采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳輸?shù)接嬎銠C進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

所用的太赫茲波源、太赫茲探測器、太赫茲波導(dǎo)管、半透半反鏡、太赫茲透鏡和采集卡一體化集成式設(shè)計，即圖1a 中黑色虛框區(qū)域，整體固定在三維電控平移臺上。成像過程中，系統(tǒng)整體步進(jìn)掃描，而待成像樣品保持固定不動。

值得一提的是，太赫茲波導(dǎo)管、聚焦透鏡以及系統(tǒng)的框架均由試驗室3D打印制備，波導(dǎo)管長度、結(jié)構(gòu)和透鏡的焦距、幅面均可以根據(jù)實際情況靈活變化。

2 結(jié)果與分析

首先，用太赫茲探測器在太赫茲焦點附近作二維掃描，光斑呈高斯分布，接著取一條過高斯光斑中心的線，畫出其強度分布圖并用高斯線型擬合，其擬合優(yōu)度R2為93.8%，呈較好的高斯特性，同時可以得到焦點處光斑的半高全寬為3.37 mm，接近所用太赫茲波源的波長3 mm，證明系統(tǒng)具有較高的成像空間分辨率。見圖2-圖4。

圖2 混凝土的太赫茲成像過程

圖3 焦點位置處的太赫茲高斯光斑

圖4 光斑黑色虛線對應(yīng)的高斯強度

由于混凝土在太赫茲波段具有一定的折射率，為1.5 左右[11]；因此，需考慮太赫茲波從空氣傳輸至混凝土界面時的折射。

將透鏡以后的太赫茲光束傳播過程分解為兩個階段：

1）太赫茲波在入射到混凝土表面前，按照高斯型分布在空氣介質(zhì)中傳播；

2）太赫茲波進(jìn)入混凝土后，按照高斯型分布在混凝土中傳播。

將太赫茲波在空氣介質(zhì)中的束腰位置記為z=0，為了獲得較高的空間分辨率，將混凝土樣品置于z=0處。

第1 階段，太赫茲波在空氣中傳輸?shù)娜鹄L度為[12]

由于太赫茲光束的腰長ω0=3.37 mm，由此可以算出任意位置處太赫茲的腰長

同樣，也可以算得任意位置處高斯型太赫茲波的曲率半徑

由式（2）和式（3）可得太赫茲在z=0 處的束腰ω（Z=0）與曲率半徑R（Z=0），以此作為第2 階段的初始條件。同理可得太赫茲波在混凝土中傳輸?shù)娜鹄L度為

由式（5）和式（6）可得太赫茲波在混凝土傳輸過程中的束腰位置，即為考慮混凝土折射率參數(shù)后的太赫茲焦點位置

所有的太赫茲波成像都進(jìn)行了折射率修正。首先對混凝土中的鋼釘進(jìn)行太赫茲波二維成像檢測，鋼釘A 和B 插入混凝土不同位置。其中A 釘長約38 mm，直徑9 mm；B 釘長約21 mm，直徑4 mm。成像結(jié)果表明，采用太赫茲波無損檢測技術(shù)能夠清晰呈現(xiàn)混凝土中鋼筋的長度、粗細(xì)信息，見圖5a。圖5b 為30 mm 厚的混凝土切塊，在其表面鉆出大小為10、6 mm的空洞，然后從其背面對混凝土進(jìn)行太赫茲波成像無損檢測，可以探測到混凝土內(nèi)部的空洞，見圖5c。

圖5 太赫茲波成像無損檢測

連續(xù)太赫茲波成像為混凝土無損檢測提供了一種可行的技術(shù)方案，在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。需要說明的是，由于試驗用太赫茲波源功率較低，因此能穿透的混凝土深度有限，僅為50 mm，如果換用更高功率的太赫茲波源能進(jìn)一步增加穿透深度，可以探測更大的混凝土構(gòu)件；另外由于系統(tǒng)目前采用電控平移臺掃描成像，因此成像速度較慢，需要約3 min，可以通過引入高速二維掃描振鏡，實現(xiàn)快速實時檢測成像[13]。

3 結(jié)論

本文提出并搭建了一套基于連續(xù)太赫茲波成像的無損檢測系統(tǒng)并將其應(yīng)用于混凝土中鋼筋與空洞的檢測，考慮了混凝土的折射率，對成像結(jié)果進(jìn)行修正。結(jié)果表明，太赫茲波成像能清晰地呈現(xiàn)出混凝土構(gòu)件中鋼筋和空洞的信息，為混凝土檢測提供了一種新的研究思路。

與電磁式探測儀、超聲探測儀等混凝土無損檢測技術(shù)相比，太赫茲波成像技術(shù)具有穩(wěn)定性好、抗電磁干擾、可靠性高等優(yōu)勢，在工程質(zhì)量檢測與基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。