Пространственно-временная обработка сигналов в ультразвуковой дефектоскопии в присутствии структурного шума тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Севалкин, Дмитрий Алексеевич

• Севалкин, Дмитрий Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Севалкин, Дмитрий Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Аналитический обзор и постановка задачи.

1.1.Особенности ультразвуковой дефектоскопии объектов с неоднородной структурой.

1.2.Основные характеристики структурного шума.

1.3 .Методы выделения сигнала из структурного шума.

1 АОсновные положения теории пространственно-временной обработки сигналов.

1.5.Постановка задачи.

Глава 2. Алгоритм пространственно-временной обработки с учетом характеристик структурного шума.

2.1 .Исходные соотношения для оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов.

2.2.Анализ корреляционных характеристик структурного шума.

2.3.Построение алгоритма пространственно-временной обработки сигналов с учетом характеристик структурного шума.

2.4.Выводы по главе 2.

Глава 3. Моделирование структурного шума и алгоритма пространственно -временной обработки сигналов.

3.1.Модель структурного шума.

3.2.Модель коррелированного структурного шума.

3.3.Моделирование алгоритма пространственно-временной обработки сигналов.

3.4.Результаты моделирования алгоритма пространственно-временной обработки сигналов.

3.5.Выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментальная апробация алгоритма пространственновременной обработки сигналов.

4.1 .Описание экспериментов.

4.2.Измерение характеристик структурного шума.

4.3.Результаты пространственно-временной обработки сигналов.

4.4.0сновные практические рекомендации.

4.5.Выводы по главе 4.

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

Актуальность темы.

При ультразвуковом зондировании материалов и объектов со сложной неоднородной структурой, таких, как полимерные композиционные материалы, бетоны, некоторые виды чугуна, серьезной помехой при выделении сигнала и измерении его характеристик является так называемый структурный шум, возникающий при отражении зондирующего сигнала от неоднородно-стей объекта.

Сложность выделения полезного, то есть отраженного от дефекта или задней границы объекта, сигнала на фоне структурного шума обусловлена следующими обстоятельствами.

Каждая составляющая структурного шума - это результат отражения зондирующего сигнала от локальной неоднородности, которая практически повторяет по форме зондирующий сигнал. Поэтому структурный шум оказывается сильно коррелированным с зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от дефекта, его спектр почти совпадает со спектром «полезного» сигнала. Поэтому применение частотных фильтров для выделения сигнала из структурного шума оказывается неэффективным; эта задача может быть решена только с помощью пространственно-временной обработки сигналов.

В отличие от шума приемной усилительной аппаратуры, который условно можно считать белым, структурный шум не ослабляется ни при согласованной фильтрации, ни при многократном зондировании объекта из одного и того же положения. Поэтому в процессе обработки сигнала при зондировании материалов обычно «белый» шум аппаратуры удается значительно ослабить, и структурный шум становиться преобладающим.

Теория и методы пространственно-временной обработки сигналов в настоящее время достаточно хорошо разработаны, для ее реализации нужно знать корреляционную матрицу помех. Однако статистические характеристики структурного шума практически не исследованы, практически ничего не известно о корреляционных характеристиках структурного шума и особенно о взаимно корреляционных функциях структурного шума на соседних приемных элементах.

Цель работы:

Основной целью работы является разработка эффективных алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов для задач ультразвуковой дефектоскопии материалов и объектов со сложной неоднородной структурой, позволяющих выделить сигнал из структурного шума. Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

1. Определение корреляционной матрицы структурного шума путем построения теоретической модели и экспериментальной проверки.

2. Разработка эффективного алгоритма пространственно-временной обработки сигналов, учитывающего корреляционные характеристики структурного шума.

3. Математическое моделирование алгоритма пространственно-временной обработки сигналов и его экспериментальная проверка.

Решению этих задач и посвящена данная работа.

Методы исследования.

При выполнении работы использовались методы теории вероятностей, матричного анализа. Для проверки достоверности теоретических результатов использовались методы математического моделирования и эксперименты, проводимые на реальных образцах мелкозернистого материала.

Научная новизна.

1. Изучены статистические характеристики структурного шума, возникающего при ультразвуковой дефектоскопии изделий с неоднородной структурой. Обнаружено и экспериментально подтверждено существование отрицательной взаимной корреляции реализации структурного шума на соседних приемных элементах.

2. Разработан метод математического моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками, в том числе с заданной взаимно корреляционной функцией соседних реализаций структурного шума.

3. Разработана методика построения оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигнала в присутствии структурного шума.

4. Осуществлено математическое моделирование оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов с учетом корреляционных характеристик структурного шума.

5. Разработан эффективный квазиоптимальный алгоритм обработки сигналов, учитывающий характер взаимной корреляции реализаций структурного шума.

Основные практические результаты.

1. Разработана компьютерная программа моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками.

2. Разработан и реализован оптимальный алгоритм пространственно-временной обработки сигналов в присутствии структурного шума с заданными корреляционными свойствами.

3. Разработан и реализован эффективный квазиоптимальный алгоритм пространственно-временной обработки сигналов в присутствии структурного шума.

4. Разработаны практические рекомендации по выбору расстояния между приемными антенными элементами, их диаграммы направленности, обеспечивающие наиболее эффективное выделение сигнала из структурного шума.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Статистические характеристики структурного шума, возникающего при ультразвуковом зондировании материалов и объектов с неоднородной структурой. Характер взаимно корреляционных функций реализаций структурного шума на соседних приемных элементах. Наличие отрицательной взаимной корреляции реализаций структурного шума.

2. Алгоритмы оптимальной и квазиоптимальной пространственно-временной обработки сигналов, учитывающие характер взаимно корреляционных свойств структурного шума.

3. Метод математического моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками, в том числе с заданными взаимно корреляционными свойствами.

4. Рекомендации по практической реализации пространственно-временной обработки сигналов в ультразвуковой дефектоскопии материалов с неоднородной структурой.

Структура и состав работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Севалкин, Дмитрий Алексеевич

4.5. Выводы по главе 4.

В данной главе были экспериментально подтверждены основные теоретические результаты, полученные в предыдущих главах. Результаты экспериментов в целом можно считать удовлетворительными, поскольку был подтвержден главный факт наличия отрицательной взаимной корреляции. Также была проверена возможность работы с квазиоптимальным способом обработки.

При получении характеристик фильтров, чтобы установить корреляционные зависимости структурного шума нужно иметь эталонный образец исследуемого материала, который не должен содержать крупные неоднородности и вторичные отражения от боковых стенок объекта. Также нужно иметь более равномерные характеристики используемых преобразователей. И нужно стараться располагать преобразователи с шагом, близким к 0,7А,.

Надо отметить, что результаты экспериментов в сильной степени зависят от методики проведения эксперимента. Одним из основных требований успешного проведения эксперимента является хороший акустический контакт излучающего и приемного преобразователей с поверхностью объекта.

По результатам анализа экспериментов были даны некоторые практические рекомендации по обработке сигналов при наличии структурного шума, которые должны помочь при разработке ультразвуковых дефектоскопов и добиться наилучшего выигрыша в отношении сигнал/шум.

Заключение.

В результате выполнения данной диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1. Исследованы статистические характеристики структурного шума, возникающего при ультразвуковом зондировании материалов с неоднородной структурой с мелкомасштабными неоднородностями. Проанализированы корреляционные характеристики структурного шума. В результате теоретического анализа обнаружено и экспериментально подтверждено существование отрицательной взаимной корреляции реализаций структурного шума на соседних приемных элементах.

2. Разработана методика построения оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов в присутствии структурного шума.

3. Разработан метод математического моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками, в том числе с заданной взаимно корреляционной функцией соседних реализаций структурного шума.

4. Осуществлено математическое моделирование оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигнала в присутствии структурного шума и оценена его эффективность.

5. Разработан эффективный квазиоптимальный алгоритм обработки сигналов, учитывающий характер взаимной корреляции реализаций структурного шума. Сравнение квазиоптимального алгоритма с оптимальным показало, что по величине отношения сигнал/шум он лишь на 10% уступает оптимальному алгоритму.

6. Составлен комплекс компьютерных программ, включающих программы моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками, программы моделирования оптимального и квазиоптимального алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, а также программы для обработки экспериментальных результатов.

7. Осуществлена экспериментальная проверка разработанных алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов и доказана их эффективность.

8. Составлены практические рекомендации по целесообразной организации процедуры ультразвуковой дефектоскопии материалов со сложной структурой, включая выбор диаграммы направленности преобразователей, шага зондирования, а также алгоритма обработки сигналов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Севалкин, Дмитрий Алексеевич, 2007 год

1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общей редакцией В,В,Клюева. 73: Ультразвуковой контроль. И, Н, Ермолов, ЮДЛанге. - М.: Машиностроение. 2004. - 864 с.

2. Ермолов И.Н. Теория и практика УЗ контроля, М., Машиностроение, 1981,240 с.

3. Ультразвуковой контроль прочности монолитных конструкций // Бетон и железобетон. 1998. № 2. С.27-33.

4. Качанов В.К, Карташев В.Г., Соколов И.В. Ультразвуковая помехоустойчивая дефектоскопия. Монография -М.:МЭИ, 2007. -204 с.

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

6. Залеткин A.B. Использование радиотехнических методов обработки сигналов для разработки ультразвуковых способов и устройств высокоточного измерения протяженных сложноструктурных изделий// Диссертация; -М.: МЭИ 2006г.

7. Коряченко В.Д. Статистическая обработка сигналов дефектоскопа с целью увеличения отношения сигнал/шум при реверберационных помехах структуры// Дефектоскопия, 1975, N 1, С.87-95.

8. Гребенников В.А., Гурвич А.К., Григорьев Н.В. Многочастотный способ УЗ контроля аустенитных сварных швов //Дефектоскопия, 1974, 1, с.81-89.

9. Качанов В.К., Питолин А.И., Попко В.П., Карташев В.Г., Соколов И.В., Зорин А.Ю. Приоритет российских ученых в разработке новых средств УЗК с повышенной информативностью/ В мире Неразрушающего Контроля, С.-Петербург, 2001, N2 (12), с.14-15.

10. J.L. San Emeterio, Pardo Е., Ramos A., Rodriguez М. A. Ultrasonic Grain Noise Reduction using Wavelet Processing. An Analysis of Threshold Selection Rules// EC NDT 2006 № 138. P. 1-8

11. Bettayebl F., Boussiha K., Benachir D. Experimental study and analysis of the structural noise of the ultrasonic signal//, Transaction on ultrasonic, ferroelectrics, and frequency control,-2004 № 1 Vol. 1. p.20-28

12. Фалькович C.E., Хомяков Э.Н. Статистическая теория измерительных радиосистем. М.: Радио и связь, 1981.С.336.

13. Пространственно-временная обработка сигналов / И.Я.Кремер, А.И.Кремер, В.М.Петров и др. Под ред. И.Я.Кремера. М.: Радио и связь, 1984.С.198

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

15. Ковалев.А.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г., Яковлев Н.Н. Импульсный эхо-метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция. Дефектоскопия,1990, N2. С.29-41.

16. Самокрутов А.А. Развитие методов акустического неразрушающего контроля и создание устройств на базе информационных технологий с антенными системами и малоапертурными преобразователями// Автореферат. 2003, -М С.50

17. Карташев В.Г., Качанов В.К., Шалимова Е.В. Статистические характеристики структурного шума в среде с мелкомасштабными неоднородностями //Дефектоскопия, 1998, N4, с. 11-18.

18. Севалкин Д. А. Методы математического моделирования структурного шума в ультразвуковой дефектоскопии.// Вестник МЭИ. 2007,№2,с. 109-116

19. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы, -М: Дрофа, 2006г.С-608

20. В.Г.Карташев, Д.А.Севалкин. Корреляционные характеристики структурного шума. // Вестник МЭИ. 2007,№3,стр.100-105.

21. Фалькович С.Е., Хомяков Э.Н. Статистическая теория измерительных радиосистем. М.: Радио и связь, 1981. с.202

22. Пространственно-временная обработка сигналов / И.Я.Кремер,

23. A.И.Кремер, В.М.Петров и др. Под ред. И.Я.Кремера. М.: Радио и связь, 1984. с.205

24. В.Г.Карташев, Е.В.Шалимова, И.В.Соколов, А.В.Залеткин Влияние структурного шума на погрешности измерений в ультразвуковой дефектоскопии.// -М.: МЭИ Радиотехнические тетради №33, 2006г. стр.54-57.

25. Карташев В.Г., Севалкин Д.А., Шалимова Е.В. «Погрешность измерений толщины изделий со сложной структурой при ультразвуковом зондировании », -М.: МЭИ Радиотехнические тетради №34,2007г. стр.66-69.

26. Ермолов И.Н. Алешин Н.П. Потапов А.И. «Акустические методы контроля.» книга2 -М.: Высшая школа, 1991г.

27. Композиционные материалы: Справочник / В.В.Васильев,

28. B.Д.Протасов, В.В.Болотин и др. М.: Машиностроение, 1990, 512 с.

29. Качанов В.К., Питолин А.И., Попко В.П., Карташев В.Г., Соколов И.В., Зорин А.Ю. Приоритет российских ученых в разработке новых средств УЗК с повышенной информативностью/ В мире Неразрушающего Контроля, С.-Петербург, 2001, N2 (12), с. 14-15.

30. Аксенов В.П. Применение радиолокационных методов оптимального обнаружения при ультразвуковом контроле // Дефектоскопия. N2. 1982. с.70-74.

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

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

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

34. Качанов В.К.,Рапопорт Д.А.,Мозговой А.В. Разработка новых методов ультразвукового контроля полимерных композиционных материалов на основе использования радиолокационных сигналов (обзор)// Дефектоскопия.^,1990,с.З-20.

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

36. 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.

37. Ямщиков B.C., Носов В.Н. К обоснованию ультразвукового корреляционного метода дефектоскопии крупноструктурных материалов// Дефектоскопия, 1972, N 3, с. 13-19.

38. Шалимова E.B. Некоторые характеристики сплит-сигнала и его использование в ультразвуковой дефектоскопии.// Радиотехнические тетради №26,2003. с.58-61.

39. 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.

40. Карташев В.Г., Шалимова Е.В. Эффективный алгоритм оптимальной обработки сплит-сигнала //Международная научная конференция «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А. Котельникова» Москва, 2003 г.

41. Фалькевич С. А. Фазирование решетки в ультразвуковой дефектоскопии (обзор)//Дефектоскопия, 1984, N 3, С.3-16.

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

43. Бадалян В.Г., Вопилкин А.Х. и др. Компьютерные системы УЗ контроля с когерентной обработкой данных "Авгур 2.1"-Дефектоскопия.1993,Ш, с.3-15.

44. Алешин Н.П., Вощанов А.К., Михайлов И.И. Ультразвуковая томографическая установка для контроля изделий/Семинар

45. Соврем.методы и приборы контроля качества продукции. Матер .семин./Моск.дом.НТ проп.-М.: 1991, С.4-7.

46. 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.

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

48. Соколов И.В., Соколов Е.И. Патент РФ N 2126538. Сплит способ ультразвукового контроля. Б.И. N 5,1999 г.

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

50. Применение цифровой обработки сигналов. Пер. с англ./ под редакцией Э. Оппенгейма. М.: Мир, 1980, 562 с.

51. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. -М.: Радио и связь, 1983, с.320.

52. Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем. М.: Радиотехника, 2003,С.398

53. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. Справочник. Под редакцией Я.Д. Ширмана. М.: ЗАО «МАКВИС», 1998, С.828

54. D. Brandwood Fourier transforms in radar and signal processing. Norwood.: Artech house inc., 2003, P. 199

55. D.K. Barton, S.A. Leonov Radar technology encyclopedia. Norwood.: Artech house inc., 1998, P.522

56. Бакулев П.А., Степин B.M. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: Радио и связь, 1986. С. 288.изменение в изменение в изменение в расстояотношение отношении отношение отношении отношение отношении ние меж