Tomographie
Für CHUM-Cross Hole Ultraschallmonitor
(CSL Tester) mit Tomographieunterstützung
Tomographie
[Überblick] [Echtzeit] [Fuzzy-Logic] [Parametrisch] [Matrixinversion] [3D] [Horizontale Schichten]
Überblick:
Während die normale (1D) CSL nur die Tiefe einer Anomalie anzeigen kann, hilft die Tomographie bei der Visualisierung von Form, Größe und Lage der Anomalien. Es handelt sich dabei um eine Analyse- und Präsentationsmethode für erfasste CSL - Daten, die die aufgezeichneten Ergebnisse in eine zweidimensionale (2D) Ebene oder einen dreidimensionalen (3D) Körper projiziert.
Was wird berechnet?
Einige der hier beschriebenen Tomographietechniken sind linear - sie gehen davon aus, dass sich die Wellen in geraden Linien bewegen. Bei der Tomographie werden in der Regel die Geschwindigkeits- oder Energiedaten verwendet. Um diese in lineare Größen umzuwandeln, wird für die Geschwindigkeit die Ausbreitungszeit und für die Energie die Abschwächung verwendet.
Fortschrittlichere Tomographietechniken verwenden die Analyse von gebogenen Strahlen und Wellenfronten in einem iterativen Ansatz.
Bei CHUM (Cross Hole Ultrasonic Monitor) kann der Bediener zwischen FAT-basierter Tomographie, schwächungsbasierter Tomographie oder einer Kombination wählen.
Protokollierung der Daten:
Es gibt mehrere Methoden für die Datenprotokollierung:
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Einzelner Tiefenmesser (wird von CHUM nicht verwendet): Der Querschnitt wird dreimal aufgezeichnet: Horizontal, +45° und -45°. Die drei Querschnitte werden in einer Nachbearbeitungsphase kombiniert. Die Informationen sind gleichmäßig über den gesamten Querschnitt verteilt und konzentrieren sich nicht auf die verdächtigen Zonen. (Abbildung 1-1).
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Zwei Tiefenmessgeräte: Horizontale und diagonale Messwerte werden im selben Querschnitt aufgezeichnet. Der Bediener sammelt viel mehr Informationen um Defekte herum, in jedem Winkel, und eine normale Menge an Daten auf guten Pfahlabschnitten. Dies führt zu einer besseren Auflösung und kleineren Protokollen (bessere Informationsverteilung) (Abbildung 1-2)
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Mehrere Empfänger: Sie sind in festen Abständen an dieselbe Linie gekoppelt. Die gesammelten Daten sind dieselben wie in (1), der Abschnitt muss nur einmal aufgezeichnet werden. Diese in der Geophysik beliebte Methode wird bei Rammarbeiten kaum eingesetzt.
Bild 1-1
Bild 1-2
CHUM verwendet die folgenden Tomographie-Algorithmen: Echtzeit, Fuzzy-Logic, parametrische und matrixbasierte Inversion. CHUM unterstützt auch 3D- und horizontale Schichttomographie.
Sehen Sie hier (downloads/TomographyDemo.exe) eine Demoanimation (Keine Installation erforderlich!) des Tomographie-Datenerfassungsprozesses.
Fuzzy-Logic-Tomographie
(Einzigartig bei CHUM)
Die Grundidee: Ein Pixel ist so solide*/gut* wie der beste* Impuls, der es durchläuft.
Alle mit * gekennzeichneten Begriffe sind Fuzzy-Werte: 0,0 bedeutet falsch, 1,0 bedeutet absolut richtig. 0,5 kann als "vielleicht" interpretiert werden und 0,9 als "höchstwahrscheinlich". Die folgende Tabelle fasst die verwendeten Logikoperatoren zusammen:
p and q | p or q | not(p) |
|---|---|---|
min(p,q) | max(p,q) | 1-p
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Der (vereinfachte) Algorithmus:
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Finden Sie aus allen horizontalen Impulsen den am häufigsten vorkommenden FAT/Attenuation-Wert X. Da die Pfähle im wirklichen Leben meist massiv sind, steht dieser Wert für guten* Beton.
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Vergeben Sie für jeden Impuls (einschließlich der Diagonalen) einen Wert, der angibt, wie gut* er ist. 0=schlechter Beton, 1=solide wie X. Der Wert kann durch FAT, Abschwächung oder eine Kombination aus beidem berechnet werden (Steuerung durch den Operator)
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Zerlegen Sie den Pfahl in Pixel, finden Sie für jedes Pixel alle Impulse, die es durchqueren.
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Ein Pixel ist gut*, wenn mindestens einer der Impulse, die es durchqueren, gut ist (Fuzzy "oder")
CHUM verwendet eine schnellere rekursive Methode, die eine variable Pixelgröße verwendet:
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Beginnen Sie mit dem gesamten Querschnitt als einem einzigen "Pixel"
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wenn alle Impulse, die durch das aktuelle Pixel laufen, übereinstimmen*, oder wenn das Pixel klein genug ist, dann
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ist dieses Pixel fertig - und wird entsprechend dem Wert der Pulse gemalt
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sonst
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teilen Sie das Pixel in zwei Pixel auf (vertikal oder horizontal, je nach Proportionen) und übergeben Sie jedes Pixel an Schritt 2.
Das Bild auf der rechten Seite zeigt die Pixel, die zur Erstellung einer Tomographie verwendet wurden. Der größte Teil des Pfahles ist solide und in große Pixel unterteilt. Bereiche mit gemischten guten* und schlechten* Daten werden in kleinere Pixel unterteilt, bis die Pixel klein genug sind oder alle Impulse durch sie hindurch übereinstimmen*.
Im Vergleich zu Pixeln mit fester Größe ist die Gesamtzahl der Pixel sehr klein, und die kleinsten Pixel sind viel kleiner. Die Methode der variablen Pixelgröße hat einen erheblichen Vorteil in Bezug auf die Berechnungszeit und die Auflösung.
CHUM filtert außerdem die Impulse vor der Betrachtung eines Pixels, um die Empfindlichkeit gegenüber Rauschen zu verringern. Die Details des Filters werden hier der Kürze halber nicht dargestellt.
Vorteile:
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Schnell und intuitiv.
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Ausgezeichnetes Kosten-Nutzen-Verhältnis.
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Sehr leicht zu erklären.
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Einfache Anzeige der Ergebnisse vor Ort und sofortige Rückmeldung.
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Es fallen keine Sonderkosten an.
Nachteile:
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Zeigt immer kleine dreieckige Schatten
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Könnte empfindlich gegenüber Rauschen sein (eine angemessene Filterung reduziert dies erheblich)
Echtzeit-Tomographie:
(Einzigartig bei CHUM)
eal-time tomography allows viewing the defect shape while the logging is being performed. The operator starts with both probes at the bottom of the pile, and start pulling. When encountering a defect, it will appear as a full-width void. At this point, the operator starts lowering and raising one or both of the cables to log diagonally. While doing this, the defect shape is formed on-screen. When done, post-processing, using any tomography method, can be applied to the logged data.
CHUM's real-time tomography is a simplified version of the fuzzy-logic tomography, which does not require a high-end computer to enable the complex calculations in real-time.
Vorteile:
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Siehe Vorteile von Fuzzy-Logic
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Sorgt dafür, dass die richtige Menge an Daten aufgezeichnet wird: Spärlich auf dem guten Teil des Pfahls, dicht um die Defekte herum. Die Qualität der Daten ist der wichtigste Faktor für den Erfolg jeder Nachbearbeitungsmethode.
Nachteile:
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Siehe Nachteile von Fuzzy-Logic
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Empfindlich gegenüber Rauschen: Nach der Aufzeichnung vieler diagonaler Messwerte durch einen Defekt erscheint dieser kleiner oder verschwindet sogar. Dies wird später in der Nachbearbeitung korrigiert.
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Nicht quantifizierbare Ergebnisse
Parametrische Tomographie
(Einzigartig bei CHUM)
Die Grundidee: Schätzen Sie die Position eines Defekts; wenden Sie ein Vorwärtsmodell an, um zu berechnen, wie hoch die FAT/Attenuation sein würde. Verschieben Sie den Defekt, bis das Vorwärtsmodell am besten mit den tatsächlichen Daten übereinstimmt.
Einige vereinfachende Annahmen in CHUM:
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Die vertikale Ausgangsposition eines Defekts wird aus den horizontalen 1-D-Impulsen berechnet
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es gibt nur einen Defekt auf derselben vertikalen Ebene
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Defekte sind kastenförmig (Rechtecke im Querschnitt)
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Defekte sind gleichförmig (feste Geschwindigkeit)
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Die Berechnung kann für jeweils einen Defekt durchgeführt werden (Überlagerung)
Unter diesen Annahmen gibt es nur 5 Parameter für jeden Defekt (Ort und Geschwindigkeit). Die Tiefe und die Höhe werden sich gegenüber den 1D-Daten nicht wesentlich ändern, und es ist einfach, Konvergenz zu erreichen.
Der Algorithmus:
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Gehen Sie nur von horizontalen Impulsen aus und nehmen Sie große (volle Breite, großzügige Höhe) Defekte an allen Stellen der 1-D-Anomalien an.
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Für jeden Defekt:
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Berechnen Sie das Vorwärtsmodell
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Berechnen Sie den Fehler E = f( tatsächliche Daten, berechnete Daten )
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Ändern Sie den Vektor <X,Y,Breite,Höhe,Geschwindigkeit> in die Richtung des größten Effekts (Gradient descent)
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Ändern Sie die Werte in kleinen Schritten weiter, bis keine Änderung mehr E reduzieren kann.
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Wenn der Defekt kleiner ist als ein Schwellenwert (5x5cm) - lassen Sie ihn fallen
Die parametrische Tomographie kann erstaunlich genaue Ergebnisse liefern. Die Ergebnisse können die Defekte quantifizieren (zum Beispiel: "30x30cm Anomalie bei 3,5m").
Vorteile:
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Schnell und intuitiv
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Unempfindlich gegenüber Rauschen
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Quantifizierbare, saubere Ergebnisse
Nachteile:
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Simpel (Echte Defekte sind nie kastenförmige Hohlräume - interessiert uns das wirklich?)
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Je realistischer das Vorwärtsmodell ist, desto länger dauert die Berechnung.
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Die Lösung des Gradientenabstiegs ist anfällig für lokale Minima (wird durch zufällige Sprünge reduziert)
Matrixbasierte Inversion
(Vollständig von CHUM unterstützt)
Häufig verwendete Tomographie-Methoden, die auf Matrix-Pseudo-Inversion basieren. Beide werden traditionell nur bei FAT/Velocity verwendet, niemals bei Attenuation (nur aus Tradition)
Vorteile:
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Quantifizierbare Ergebnisse (Geschwindigkeit des Schalls)
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Keine Schatten
Nachteile:
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Langsam, erfordert Rechenleistung und wird daher in der Regel nicht im Feld, sondern als Nachbearbeitung im Büro durchgeführt
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Überinterpretation: Für Inversionsprobleme gibt es viele mögliche Lösungen. Die auf der Matrixinversion basierende Tomographie neigt dazu, diese Tatsache zu ignorieren und präsentiert die Ergebnisse mit hoher Auflösung und hoher Sicherheit, was den Betrachter dazu verleitet, die Tatsache zu ignorieren, dass die Lösung NICHT eindeutig ist.
3D Tomographie
(Vollständig von CHUM unterstützt)
Nach der Aufnahme mehrerer (3 oder mehr) Querschnitte von verschiedenen Prüfrohrpaaren können die Daten kombiniert werden, um ein dreidimensionales Bild des Pfahls zu zeichnen und das Defektvolumen und die 3D-Form zu bewerten.
Die 3D-Tomographie kann auf jeder der oben beschriebenen Tomographie-Methoden beruhen (nicht auf Echtzeit)
Vorteile:
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Schöne, beeindruckende Bilder (in der Regel in Farbe)
Nachteile:
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Die Daten sind nicht verwertbar: Es ist schwer, auf der Grundlage von Bildern fundierte technische Entscheidungen zu treffen...
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Langsam, erfordert eine Menge Rechenarbeit
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Erfordert manchmal zusätzliche kostspielige Softwaremodule oder Dienstleistungen von Drittanbietern
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Geringer Mehrwert für die Kosten (die meisten Daten können aus den 2D-Diagrammen entnommen werden)
CHUM3DT ist unsere 3D-Engine und unser Viewer
3D-Ansicht: Drehen, Neigen, Schwenken, Zoomen, etc.
Slice: vertikal & horizontal
Peel: Ausblenden hoher Geschwindigkeiten durch Klicken auf die Palette
und vieles mehr
Horizontale Schichttomographie
(
Vollständig von CHUM unterstützt)
Eine Methode, bei der die 1D- und 2D-Querschnitte des gesamten Pfahls kombiniert werden, um einen horizontalen Querschnitt des Pfahls in einer bestimmten Tiefe darzustellen.
Vorteile:
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Schöne, beeindruckende Bilder (in der Regel in Farbe)
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Umsetzbar: kann die Verringerung des Querschnitts und die Auswirkungen auf die Kapazität vorsichtig abschätzen
Nachteile:
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Vermittelt den falschen Eindruck, dass der gesamte Querschnitt abgedeckt ist. Wir haben wenig Verständnis für die Breite der Ultraschallwellenfront..
Animierte 3d-Tomographie
Nutzung bestehender "Gaming"-3D-Techniken zum interaktiven Schwenken, Drehen und Zoomen in einen Pfahl. Der Benutzer kann in Defekte "hineinfliegen" und deren Größe und Form beurteilen.
Zusätzliche Informationen
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Aki, K., et al. (1974): Three-dimensional seismic-velocity anomalies in the crust and upper-mantle under the U.S.G.S. California seismic array (abstract), Eos Trans. AGU, 56, 1145.
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Amir, E.I & Amir J.M. (1998): Recent Advances In Ultrasonic Pile Testing, Proc. 3rd Intl Geotechnical Seminar On Deep Foundation On Bored And Auger Piles, Ghent 1998
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Khamis Y. Haramy and Natasa Mekic-Stall (2000): Cross-hole sonic logging and tomographic imaging survey to evaluate the integrity of deep foundations-case studies. Federal Highway Administration, Central Federal Lands Highway Division, Lakewood, CO.
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Robert E. Sheriff and Lloyd P. Geldart (1995): Exploration Seismology, second edition. Cambridge University Press 1982, 1995.
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Santamarina, J.C. and Fratta, D. (1998): Introduction to Discrete Signals and Inverse Problems in Civil Engineering, ASCE Press, Reston, VA., 327 pages.
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Stain, R. T., 1982, "Integrity testing", Civil Engineering, pp. 53-72.