Пространственно-временная обработка широкополосных сигналов в ультразвуковой дефектоскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Шалимова, Елена Владимировна

• Шалимова, Елена Владимировна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шалимова, Елена Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Аналитический обзор и постановка задачи.

1.1. Ультразвуковая дефектоскопия объектов с сильным частотно зависимым затуханием.

1.2. Использование радиолокационных методов обработки сигналов для улучшения характеристик УЗ аппаратуры.

1.3. Структурный шум, его характеристики. Выделение сигнала из структурного шума.

1.4. Широкополосные ультразвуковые преобразователи.

1.5. Выводы по главе и постановка задачи.

Глава 2. Применение пространственно-временной обработки сигналов в ультразвуковой дефектоскопии.

2.1. Применение пространственно-временной обработки сигналов в ультразвуковой дефектоскопии.

2.2. Особенности пространственно-временной обработки сигналов на фоне структурного шума.

2.3. Статистические характеристики структурного шума в среде с мелкомасштабными неоднородностями.

2.4. Вычисление автокорреляционной функции и функции взаимной корреляции структурного шума при произвольном зондирующем сигнале.

2.5. Вопросы практической реализации оптимального алгоритма обработки сигналов.

2.6. Выводы.

Глава 3. Сплит-сигнал и его применение в УЗ дефектоскопии.

3.1. Выбор зондирующего сигнала для ультразвуковой дефектоскопии материалов с сильным частотно зависимым затуханием.

3.2. Сплит-сигнал и его характеристики.

3.3. Алгоритм согласованной фильтрации сплит-сигнала.

3.4. Коррекция алгоритма оптимальной фильтрации сплит-сигнала в условиях сильного частотно зависимого затухания.

3.5. Выводы.

Глава 4. Особенности описания широкополосных мозаичных антенных решеток.

4.1. Широкополосные мозаичные ультразвуковые преобразователи и их характеристики.

4.2. Обобщенная характеристика широкополосного мозаичного ультразвукового преобразователя.

4.3. Основные подходы к синтезу мозаичных широкополосных преобразователей.

4.4. Выводы.

Глава 5. Вопросы построения алгоритмов пространственно-временной обработки широкополосных сигналов в УЗ дефектоскопии.

5.1. Специфика пространственно-временной обработки широкополосных сигналов с большой базой в ультразвуковой дефектоскопии.

5.2. Расчет характеристик временных фильтров при выделении сигнала на фоне суммы структурного шума и белого шума.

5.3. Квазиоптимальная временная обработка сплит-сигнала.

5.4. Анализ погрешностей измерений.

5.4.1. Факторы, влияющие на погрешность измерения.

5.4.2. Статистические характеристики структурного шума при зондировании сплит-сигналом.

5.4.3. Задача оптимального обнаружения сигнала.

5.4.4. Задача оценки расстояния.

5.4.5. Влияние частотно зависимого затухания.

5.5.6. Влияние непостоянства скорости ультразвука.

5.6. Выводы.

Глава 6. Применение алгоритма пространственно-временной обработки сигналов для решения конкретной прикладной задачи.

6.1. Постановка задачи.

6.2. Алгоритм пространственно-временной обработки сигналов для получения изображения внутренней структуры объекта

6.3. Моделирование алгоритма пространственно-временной обработки сигналов.

6.4. Алгоритм обработки сигналов для определения координат плоскости и оценка погрешности определения координат

6.4.1. Алгоритм обработки сигналов для определения координат плоскости.

6.4.2. Оценка погрешности определения координат.

6.5. Экспериментальная проверка алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов.

6.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пространственно-временная обработка широкополосных сигналов в ультразвуковой дефектоскопии»

Актуальность темы.

При ультразвуковом зондировании материалов и объектов со сложной структурой и сильным затуханием, которое, как правило, увеличивается с ростом частоты сигнала, возникает большое количество проблем. Для получения минимального затухания желательно работать при низкой частоте сигнала, а для получения хорошей разрешающей способности частота сигнала должна быть как можно выше. Эта проблема решается путем использования сложных широкополосных сигналов с большой базой, однако вследствие сильной зависимости затухания от частоты широкополосные сигналы сильно искажаются, их спектр сужается. В результате возникает новая проблема — проблема выбора (или синтеза) сигналов, обладающих желаемыми корреляционными свойствами и разработка методов обработки этих сигналов, включая, возможно, использование предискажений сигнала перед его излучением. Эта проблема дополнительно осложняется наличием структурного шума (реверберационных помех), возникающего в результате рассеяния зондирующего сигнала на неод-нородностях объекта и маскирующего полезный сигнал.

В связи с тем, что структурный шум полностью коррелирован с принимаемым сигналом, необходимо применять пространственно-временную обработку сигналов, для реализации которой должны использоваться многоэлементные приемные антенны. Эффективность пространственно-временной обработки зависит от трех составляющих: выбора типа зондирующего пространственно-временного сигнала, выбора топологии приемной антенной решетки и алгоритмов обработки принятых сигналов. Все эти задачи взаимосвязаны. Например, оптимальный алгоритм обработки сигналов зависит от соотношения между уровнями полезного сигнала, структурного шума и собственного шума аппаратуры и поэтому его практическая реализация проблематична. Это заставляет искать эффективные квазиоптимальные методы обработки сигналов.

Решению этих задач посвящена данная диссертационная работа.

Научная новизна.

1. Исследованы характеристики нового типа сверхширокополосного сигнала с большой базой — сплит-сигнала. Показана целесообразность использования силит-сигнала для ультразвукового зондирования объектов с сильным частотно зависимым затуханием.

2. Исследованы статистические характеристики структурного шума в среде с мелкомасштабными неоднородностями.

3. Изучены характеристики многоэлементных широкополосных ультразвуковых антенных решеток как в дальней, так и в ближней зонах. Введены новые интегральные характеристики широкополосной антенной решетки — корреляционная диаграмма направленности и корреляционное распределение поля в ближней зоне. Разработаны принципы проектирования широкополосных антенных решеток с заданными характеристиками.

4. Разработан метод и алгоритм оптимальной пространственно-временной обработки сплит-сигнала на фоне белого и структурного шума. Найдены характеристики выбеливающих и согласованных фильтров при разных соотношениях уровней белого и структурного шума.

5. Разработан эффективный квазиоптимальный алгоритм фильтрации сплит-сигнала на фоне белого и структурного шума. Оценена эффективность этого алгоритма при зондировании объектов с сильным частотно зависимым затуханием.

6. Разработан алгоритм определения внутренней структуры и положения внешней границы объекта, основанный на применении метода синтезированной апертуры.

Основные практические результаты.

1. Разработаны подходы к проектированию широкополосных ультразвуковых антенных решеток. Спроектировано несколько конкретных решеток и изучены их корреляционные диаграммы направленности и распределения поля в ближней зоне.

2. Разработан и практически реализован эффективный квазиоптимальный алгоритм выделения сплит-сигнала на фоне белого и структурного шума. Показана эффективность этого алгоритма в широком диапазоне значений затухания сигнала и соотношения уровней структурного и белого шума.

3. Разработан и практически реализован алгоритм определения структуры объекта и его визуализации, основанный на использовании метода синтезированной апертуры.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Характеристики сплит-сигнала (его структура, спектр и автокорреляционная функция). Эффективный алгоритм согласованной фильтрации сплит-сигнала.

2. Характеристики структурного шума, возникающего в среде с мелкомасштабными неоднородностями. Методы расчета автокорреляционной и взаимно корреляционной функции при произвольном виде зондирующего сигнала.

3. Описание широкополосных многоэлементных ультразвуковых антенных решеток с помощью корреляционной диаграммы направленности и корреляционного распределения поля в ближней зоне.

4. Оптимальный алгоритм пространственно-временного выделения сплит-сигнала на фоне белого и структурного шума. Характеристики выбеливающих и согласованных фильтров.

5. Эффективный универсальный квазиоптимальный алгоритм обработки сплит-сигнала, который можно использовать для зондирования материалов с сильным частотно зависимым затуханием в широком диапазоне соотношений уровней структурного и белого шума.

6. Алгоритм определения структуры объекта, основанный на применении метода синтезированной апертуры.

Структура и состав работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Шалимова, Елена Владимировна

6.6 Выводы

Методы и алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов, разработанные в ходе выполнения данной работы, практически реализованы для решения прикладной задачи дефектоскопии бетонных строительных конструкций из узкого цилиндрического канала. При этом был использован метод синтезированной апертуры.

Были разработаны и практически реализованы два алгоритма: алгоритм определения и визуализации внутренней структуры объекта и алгоритм определения координат плоской границы объекта.

Проведена оценка погрешностей измерения координат плоской границы объекта.

Проведена экспериментальная проверка разработанных алгоритмов для двух вариантов временной обработки сигналов — с согласованной фильтрацией и с дополнительным синхронным детектированием.

Применение синхронного детектирования позволяет получить более четкое изображение в случае неоднородной структуры зондируемого объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения данной диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1. Рассмотрены проблемы, возникающие при ультразвуковой дефектоскопии материалов со сложной структурой и сильным частотно зависимым затуханием. Показано, что для наиболее эффективного выделения сигналов на фоне белого и структурного шума целесообразно использовать в качестве зондирующих сигналов широкополосные сигналы с большой базой с последующей пространственно-временной обработкой. Рассмотрены проблемы реализации пространственно-временной обработки сигналов в ультразвуковой дефектоскопии.

2. Исследованы характеристики нового типа широкополосного сигнала с большой базой — сплит-сигнала. Показана целесообразность использования сплит-сигнала для ультразвукового зондирования объектов с сильным частотно зависимым затуханием.

3. Исследованы статистические характеристики структурного шума в среде с мелкомасштабными неоднородностями для зондирующих сигналов различной формы.

4. Изучены характеристики многоэлементных широкополосных ультразвуковых антенных решеток как в дальней, так и в ближней зоне. Введены новые интегральные характеристики широкополосной антенной решетки — корреляционная диаграмма направленности и корреляционное распределение поля в ближней зоне. Разработаны принципы проектирования широкополосных антенных решеток с заданными характеристиками. Спроектировано несколько конкретных решеток и изучены их корреляционные диаграммы направленности и распределения поля в ближней зоне.

5. Разработан метод и алгоритм оптимальной пространственно-временной обработки сплит-сигнала на фоне белого и структурного шума. Найдены характеристики выбеливающих и согласованных фильтров при разных соотношениях уровней белого и структурного шума.

6. Разработан и практически реализован эффективный квазиоптимальный алгоритм выделения сплит-сигнала на фоне белого и структурного шума. Показана эффективность этого алгоритма в широком диапазоне значений затухания сигнала и соотношения уровней структурного и белого шума.

7. Разработан и практически реализован алгоритм определения структуры объекта и его визуализации, основанный на использовании метода синтезированной апертуры.

8. Разработанные методы и алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов применены для исследования структуры конкретного объекта. Экспериментально подтверждена работоспособность разработанных алгоритмов.

Автор выражает глубокую благодарность научной группе профессора В.К.Качанова за активное и плодотворное научное сотрудничество и за предоставленную возможность участия в экспериментах по зондированию реальных объектов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шалимова, Елена Владимировна, 2005 год

1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общей редакцией

2. В,В,Клюева. Т.З: Ультразвуковой контроль. И,Н,Ермолов, Ю,В,Ланге. -М.: Машиностроение, 2004. 864 с.

3. Ермолов И.Н. Теория и практика УЗ контроля. М.: Машиностроение,1981.-240 с.

4. Композиционные материалы: Справочник / В.В.Васильев, В.Д.Протасов,

5. B.В.Болотин и др. М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

6. Ультразвуковой контроль прочности монолитных конструкций // Бетон ижелезобетон. 1998. - № 2.

7. Качанов В.К., Питолин А.И., Попко В.П., Карташев В.Г., Соколов И.В.,

8. Зорин А.Ю. Приоритет российских ученых в разработке новых средств УЗК с повышенной информативностью// В мире Неразрушающего Контроля. С.-Петербург, 2001. - №2 (12). С. 14-15.

9. Аксенов В.П. Применение радиолокационных методов оптимального обнаружения при ультразвуковом контроле // Дефектоскопия. 1982. -№2.1. C.70-74.

10. Качанов В.К. Разработка помехоустойчивых методов и устройств УЗ контроля ПКМ. Дисс.докт.тех. наук, М., МГТУ, 1993.

11. Vladimir. K.Kachanov and Igor V.Sokolov. Application features of radio engineering signal processing methods for ultrasonic flow detection, Non-destr.Test.Ewal., 2000, Vol.15, p.330-360.

12. Ширман Я.Д., Манжос В.H. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.:Радио и связь, 1981. - 416с.

13. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. — М., Высшая школа, 2000. — 462с.

14. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. — М.: Радио и связь, 1989. — 656 с.

15. Качанов В.К.,Рапопорт Д.А.,Мозговой A.B. Разработка новых методов ультразвукового контроля полимерных композиционных материалов наоснове использования радиолокационных сигналов (обзор)// Дефектоскопия. 1990.-№9. С.3-20.

16. Пространственно-временная обработка сигналов / Кремер И.Я., Кремер А.И., Петров В.М. и др.: Под ред. Кремера И.Я. — М.: Радио и связь. -1984.

17. Коряченко В.Д. Статистическая обработка сигналов дефектоскопа с целью увеличения отношения сигнал/шум при реверберационных помехах структуры// Дефектоскопия. 1975. -№ 1. С.87-95.

18. Ямщиков B.C., Носов В.Н. К обоснованию ультразвукового корреляционного метода дефектоскопии крупноструктурных материалов // Дефектоскопия.- 1972.-№3. С. 13-19.

19. Ковалев.А.В., Козлов В.П., Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Яковлев H.H. Импульсный эхо-метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция // Дефектоскопия. 1990. - №2. С.29-41.

20. Ямщиков B.C., Носов В.Н. Аппаратура для УЗ корреляционной дефектоскопии крупнозернистых материалов //Дефектоскопия- 1976. №1. С.79-81.

21. L. Ericsson, Т. Stepinski and S. Dahlgren, Ultrasonic Pulse Detection with Split Spectrum Processing and Consecutive Polarity Coincidence, Proc. 13 th International Conf. on NDE in the Nuclear and Pressure Vessel Industries, Kyoto, 1995, pp 201-207.

22. Бадалян В.Г., Вопилкин Л.Х. и др. Компьютерные системы УЗ контроля с когерентной обработкой данных "Авгур 2.1" //Дефектоскопия. 1993. -№3. С.3-15.

23. P.Ciorau, D. MacGillivray, A. Lamarre, and F. Jacques: "Feasibility study of ultrasonic inspection using phased array of turbine blade root and rotor steeple grooves-part 2"-EPRI Phased Array Seminar-Portland, Sept. 1998.

24. Shevaldykin V.G., Kozlov V.N., Samokrutov A.A. "Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo Tomograph with Dry Contact", 7th European conference on Non-Destructive Testing, Copengagen, 26-29 May, 1998.

25. Crostack H.A., Morlo H., Niehus R./A modified computer tomografic principle for the evaluation of defects in ultrasonic testing / Non-destruct.Test.: Proc.4-th Eur.Conf.,London, 13-17. 09,1987,Vol.4 p.2289-2299.

26. Алешин Н.П., Вощанов А.К., Михайлов И.И. Ультразвуковая томографическая установка для контроля изделий/Семинар «Соврем, методы и приборы контроля качества продукции». Матер. семин.//Моск.дом.НТ проп.-М.: 1991.-С.4-7.

27. Бадалян В.Г., Вопилкин А.Х. и др. Компьютерные системы УЗ контроля с когерентной обработкой данных "Авгур 2.1" // Дефектоскопия. -1993. -№3. С.3-15.

28. Гребенников В.А., Гурвич А.К., Григорьев Н.В. Многочастотный способ УЗ контроля аустенитных сварных швов //Дефектоскопия. 1974. — №1. С.81-89.

29. Аксенов В.П.,Попов И.С.,Попко В.П.,Качанов В.К.,Питолин А.И. Применение пьезокерамических мозаичных электроакустических преобразователей // Труды МЭИ. Вып.335. 1977. - С.49-52.

30. Попко В.П., Питилин А.П., Рябов Г.Ю., Кутюрин Ю.Г. Применение пьезокерамических мозаичных преобразователей в условиях пространственно-временной обработки сигналов // Дефектоскопия. -1990. №9. С.57-64.

31. Фалькович С.Е., Пономарев В.И., Шкварко Ю.В. Оптимальный прием пространственно-временных сигналов в радиоканалах с рассеянием. — М.: Радио и связь. 1989. 296 с.

32. Карташев В.Г., Качанов В.К. Оптимальное выделение сигналов на фоне структурного шума в ультразвуковой дефектоскопии // Дефектоскопия. -1992.-№7.С. 14-24.

33. Карташев В.Г., Шалимова Е.В. Математическое моделирование структурного шума в средах с равномерным распределением неоднородностей //"Радиотехнические тетради". 1997. -№ 12. С. 66-70.

34. Карташев В.Г., Качанов В.К., Шалимова Е.В. Статистические характеристики структурного шума в среде с мелкомасштабными неоднородностя-ми //Дефектоскопия. 1998. -№ 4. С. 11-18.

35. Карташев В.Г., Шалимова Е.В., Соколов И.В., Качанов В.К., Залеткин

36. A.B. Математическое моделирование структурного шума при ультразвуковом контроле сред с равномерным распределением неоднородностей // 14 НТ конференция "Неразрушающий контроль и диагностика": Тез. докл. М., 1996 г. - Т. 1.- С. 122.

37. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / Антипов В.Н., Горяинов В.Т., Кулин А.Н. и др.: Под ред. Горяи-нова В.Т. — М.: Радио и связь, 1988.

38. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы./ Под ред. Кельзона

39. B.C. — М.: Советское радио, 1971.

40. Соколов И.В. Применение сигналов специальной формы при УЗ эхолокации крупногабаритных сред // Автореф.: дис. канд.техн. наук. М.: Моск.энерг.ин-т, 1983. - 20с.

41. Соколов И.В., Соколов E.H. Патент РФ N 2126538. Сплит способ ультсразвукового контроля. Б.И. № 5, 1999 г.

42. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. — М., 1978.

43. Шалимова Е.ЕЗ. Некоторые характеристики сплит-сигнала и его использование в ультразвуковой дефектоскопии.// Радиотехнические тетради. -2003.-№26. С.58-61.

44. Карташев В.Г., Шалимова Е.В. Сплит-сигнал, его характеристики и методы обработки.// Всероссийская научная конференция «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». Сборник докладов. -Муром, 2003. С. 322-325.

45. Карташев В.Г., Шалимова Е.В. Эффективный алгоритм оптимальной обработки сплит-сигнала // Международная научная конференция «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А. Котельникова»: Тез. докл. М., 2003 г. - С. 22-23.

46. Фалькевич С.А. Фазирование решетки в ультразвуковой дефектоскопии (обзор)//Дефектоскопия. 1984. - № 3. С.3-16.

47. Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. с англ./ под редакцией К.Хилла. М.: Мир, 1989. - 568 с.

48. Шалимова Е.В., Карташев В.Г. Моделирование процессов формирования и обработки сигналов в ультразвуковой дефектоскопии // ХШ научнотехническая конференция "Неразрушающие физические методы и средства контроля": тез. докл. Санкт-Петербург, 1993. - С. 119.

49. Шалимова Е.В. Применение метода синтезированной апертуры в ультразвуковой дефектоскопии // Вестник МЭИ. 2005. - №6. С.5-9.

50. Фалькович С.Е., Хомяков Э.Н. Статистическая теория измерительных радиосистем. М.: Радио и связь. - 1981, 287 с.

51. Фалькович С. Е. Оценка параметров сигналов. — М.: Советское радио. -1970, 334 с.