连续太赫兹波成像在混凝土无损检测中的应用

□文/高 翔 刘晓庆 戴子杰 刘伟伟

随着我国工程建设事业的飞速发展，混凝土已经成为使用最广泛的建筑材料之一，在基础设施建设领域发挥着越来越重要的作用[1]。混凝土的质量检测直接关乎人民生命财产安全和国家经济发展；因此，如何高效准确地实现混凝土构件无损检测，已经成为工程建设领域研究的重要课题。

当前混凝土无损检测主要集中在以下两部分。

1）钢筋笼检测。为了提高混凝土的机械强度，通常在混凝土浇筑过程中引入钢筋笼结构，因而钢筋的粗细、长度、缺失情况等信息的获取十分重要。目前普遍采用电磁式探测仪检测，包括瞬变电磁法、磁梯度法等，他们的工作原理大同小异，即探测仪向混凝土构件发射磁场，隐匿于其中的钢筋会感应产生电磁场，其感生场的强度和梯度分布与钢筋的外貌信息密切相关，通过测量感生电磁场，可以实现对混凝土中钢筋的无损检测。但由于实际施工作业现场环境恶劣复杂，很多因素都会干扰电磁信号的探测，因此基于电磁式的探测方法存在环境要求高、稳定性差等弊端[2～3]。

2）空洞检测。混凝土浇筑和喷射作业过程中，由于振捣不足、漏浆等原因，有时在钢筋等结构体间会形成不密实甚至是空洞区域，这些缺陷极大地降低了构件的承重能力，具有安全隐患。目前常用超声波无损检测技术探测混凝土中的空洞缺陷，通过测量超声波在混凝土传播过程中振幅、频率、波形等参数，找出变化规律，判断缺陷的位置与性质。但是超声探测法在实际应用中也存在问题，例如超声信号易受混凝土配比、骨料以及钢筋等干扰，影响检测精度[4～6]。

太赫兹波（Terahertz，THz）通常是指振荡频率介于0.1×1012～10×1012Hz 的电磁波，相应的波长范围为0.03～3 mm[7]。太赫兹波具有较低的光子能量，以1 THz 为例（1 THz=1012Hz），其光子能量仅为 4.14 meV，约为X射线的1/1 000 000，低于大多数物体的化学键能，因此太赫兹波是无损检测领域的理想光源。太赫兹波对非极性材料具有很好的透过特性，透不过去金属等极性材料，因此被广泛用于不透明物体的透视成像[8]。

针对上述混凝土无损检测领域存在的两大重难点问题，本文提出了基于连续太赫兹波成像技术的方案并将其应用于混凝土无损检测中。相比于之前的脉冲太赫兹波成像[9～10]，连续太赫兹波成像的混凝土无损检测系统无需使用飞秒激光器、太赫兹天线等器件，系统结构得到简化，成本也进一步降低。

1 试验系统搭建

基于连续太赫兹波成像的混凝土无损检测系统见图1。

图1 基于连续太赫兹波成像的混凝土无损检测系统

采用的连续太赫兹波源（S）为TeraSense 公司的雪崩二极管，中心频率为0.1×1012Hz，线偏振态，功率约为95 mW。太赫兹波经由天线输出后耦合到太赫兹波导管中，进行低损耗传输[11]；后在太赫兹波导管中放置分束比为5∶5的高阻硅半透半反镜，透射太赫兹波信号继续在波导管里传输至焦距为50 mm 的太赫兹平凸透镜，其作用是将入射的太赫兹波汇聚于焦点位置；将待成像样品置于此焦点位置处，携带样品信息的太赫兹波信号被样品反射后，再次耦合到太赫兹波导管中传输，经过半透半反镜反射至太赫兹探测器中，与太赫兹波源相配套，连续太赫兹探测器由VDI 公司生产，其探测中心频率为0.1×1012Hz，探测器将太赫兹波信号转换成电压信号，然后通过BNC线传输至NI高速数据采集卡，将模拟信号采集转换成数字信号，传输到计算机进行数据处理。

所用的太赫兹波源、太赫兹探测器、太赫兹波导管、半透半反镜、太赫兹透镜和采集卡一体化集成式设计，即图1a 中黑色虚框区域，整体固定在三维电控平移台上。成像过程中，系统整体步进扫描，而待成像样品保持固定不动。

值得一提的是，太赫兹波导管、聚焦透镜以及系统的框架均由试验室3D打印制备，波导管长度、结构和透镜的焦距、幅面均可以根据实际情况灵活变化。

2 结果与分析

首先，用太赫兹探测器在太赫兹焦点附近作二维扫描，光斑呈高斯分布，接着取一条过高斯光斑中心的线，画出其强度分布图并用高斯线型拟合，其拟合优度R2为93.8%，呈较好的高斯特性，同时可以得到焦点处光斑的半高全宽为3.37 mm，接近所用太赫兹波源的波长3 mm，证明系统具有较高的成像空间分辨率。见图2-图4。

图2 混凝土的太赫兹成像过程

图3 焦点位置处的太赫兹高斯光斑

图4 光斑黑色虚线对应的高斯强度

由于混凝土在太赫兹波段具有一定的折射率，为1.5 左右[11]；因此，需考虑太赫兹波从空气传输至混凝土界面时的折射。

将透镜以后的太赫兹光束传播过程分解为两个阶段：

1）太赫兹波在入射到混凝土表面前，按照高斯型分布在空气介质中传播；

2）太赫兹波进入混凝土后，按照高斯型分布在混凝土中传播。

将太赫兹波在空气介质中的束腰位置记为z=0，为了获得较高的空间分辨率，将混凝土样品置于z=0处。

第1 阶段，太赫兹波在空气中传输的瑞利长度为[12]

由于太赫兹光束的腰长ω0=3.37 mm，由此可以算出任意位置处太赫兹的腰长

同样，也可以算得任意位置处高斯型太赫兹波的曲率半径

由式（2）和式（3）可得太赫兹在z=0 处的束腰ω（Z=0）与曲率半径R（Z=0），以此作为第2 阶段的初始条件。同理可得太赫兹波在混凝土中传输的瑞利长度为

由式（5）和式（6）可得太赫兹波在混凝土传输过程中的束腰位置，即为考虑混凝土折射率参数后的太赫兹焦点位置

所有的太赫兹波成像都进行了折射率修正。首先对混凝土中的钢钉进行太赫兹波二维成像检测，钢钉A 和B 插入混凝土不同位置。其中A 钉长约38 mm，直径9 mm；B 钉长约21 mm，直径4 mm。成像结果表明，采用太赫兹波无损检测技术能够清晰呈现混凝土中钢筋的长度、粗细信息，见图5a。图5b 为30 mm 厚的混凝土切块，在其表面钻出大小为10、6 mm的空洞，然后从其背面对混凝土进行太赫兹波成像无损检测，可以探测到混凝土内部的空洞，见图5c。

图5 太赫兹波成像无损检测

连续太赫兹波成像为混凝土无损检测提供了一种可行的技术方案，在基础建设领域具有广阔的应用前景。需要说明的是，由于试验用太赫兹波源功率较低，因此能穿透的混凝土深度有限，仅为50 mm，如果换用更高功率的太赫兹波源能进一步增加穿透深度，可以探测更大的混凝土构件；另外由于系统目前采用电控平移台扫描成像，因此成像速度较慢，需要约3 min，可以通过引入高速二维扫描振镜，实现快速实时检测成像[13]。

3 结论

本文提出并搭建了一套基于连续太赫兹波成像的无损检测系统并将其应用于混凝土中钢筋与空洞的检测，考虑了混凝土的折射率，对成像结果进行修正。结果表明，太赫兹波成像能清晰地呈现出混凝土构件中钢筋和空洞的信息，为混凝土检测提供了一种新的研究思路。

与电磁式探测仪、超声探测仪等混凝土无损检测技术相比，太赫兹波成像技术具有稳定性好、抗电磁干扰、可靠性高等优势，在工程质量检测与基础建设领域具有极大的应用前景。