Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки



Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки
Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки
Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки
Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки
Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки
Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки
Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки
Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки

 

G01N29/44 - Исследование или анализ материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн; визуализация внутреннего строения объектов путем пропускания через них ультразвуковых или звуковых волн через предметы (G01N 3/00-G01N 27/00 имеют преимущество; измерение или индикация ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн вообще G01H; системы с использованием эффектов отражения или переизлучения акустических волн, например акустическое изображение G01S 15/00; получение записей с помощью способов и устройств, аналогичных используемым в фотографии, но с использованием ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн G03B 42/06)

Владельцы патента RU 2560756:

Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр неразрушающего контроля "ЭХО+" (RU)

Использование: для ультразвуковой дефектоскопии. Сущность изобретения заключается в том, что разбивают пьезоэлементы антенной решеткой на несколько подрешеток, присваивают каждому излучающему элементу подрешетки свой зондирующий сигнал из набора псевдоортогональных сигналов, выполняют одновременное излучение в объект контроля всеми элементами подрешетки и принимают из него ультразвуковые сигналы с помощью любой подрешетки с последующим декодированием принятых эхо-сигналов для формирования набора эхо-сигналов, который можно было бы получить при излучении и приеме всеми парами элементов антенной решетки, при этом для каждой из пар подрешеток и для каждого положения антенной решетки используется свой набор псевдоортогональных сигналов, например кодов Касами или линейно-частотно-модулированных сигналов, а декодирование для формирования набора эхо-сигналов для восстановления изображения отражателей методом C-SAFT производится методом максимальной энтропии. Технический результат: обеспечение возможности более чем в четыре раза повысить скорость регистрации эхосигналов с помощью антенной решетки и более чем в восемь раз уменьшить объем измеренных эхосигналов. 8 ил.

 

Изобретение относится к области ультразвуковой дефектоскопии.

Известен способ, изложенный в статье: Gutiérrez-Fernández César, Jiménez Ana, Martín-Arguedas Carlos Julián, Ureña Jesús, Hernández Álvaro A Novel Encoded Excitation Scheme in a Phased Array for The Improving Data Acquisition Rate // Sensors. - 2014, 14(1). - P. 549-563. http://www.mdpi.eom/1424-8220/14/1/549/htm.

Недостатком предложенного метода является не достаточно низкий уровень шума восстановленного изображения отражателей и то, что предложенный метод повышения скорости регистрации работает для ФАР-технологии.

Известен также способ, изложенный в статье: Alaix R. High speed rail testing with phased array probes // Speno international, Geneva, Swaziland, http://www.uic.org/cdrom/2006/wcrr2006/pdf/242.pdf.

Его недостатком является одновременное формирование с помощью антенной решетки ультразвуковых пучков только для пяти углов ввода и работа по технологии фазированных антенных решеток.

Наиболее близким принятыми за прототип является способ, изложенный в упомянутой статье «А Novel Encoded Excitation Scheme in a Phased Array for The Improving Data Acquisition Rate».

Известный способ позволяет проводить декодирование эхо-сигналов с недостаточно низким уровнем шума, который затрудняет анализ восстановленного изображения отражателей.

Предложенный способ повышения скорости регистрации эхо-сигналов антенной решеткой, заключающийся в разбиении ее пьезоэлементов на одну или несколько подрешеток, присваивании каждому излучающему элементу подрешетки своего зондирующего сигнала из набора псевдоортогональных сигналов, одновременном излучении в объект контроля всеми элементами подрешетки и приеме из него ультразвуковых сигналов с помощью любой подрешетки с последующим декодированием принятых эхо-сигналов для формирования набора эхо-сигналов, который можно было бы получить при излучении и приеме всеми парами элементов антенной решетки, отличается тем, что для каждой из пар подрешеток и для каждого положения антенной решетки используется свой набор псевдоортогональных сигналов, например кодов Касами или линейно-частотно-модулированных сигналов, а декодирование для формирования набора эхо-сигналов для восстановления изображения отражателей методом C-SAFT производится методом максимальной энтропии.

Предлагаемый способ позволяет более чем в четыре раза повысить скорость регистрации эхо-сигналов с помощью антенной решетки и более чем в восемь раз уменьшить объем измеренных эхо-сигналов.

Пусть антенная решетка состоит из Ne элементов размерами δх и расстоянием между центрами элементов равным Δх. Для описания процесса регистрации эхо-сигналов введем понятие коммутационной матрицы С размерами Ne×Ne. Если Cnm=1, то это означает, что излучает элемент антенной решетки с номером n, а принимает элемент с номером m. Так как акустическая сторона вопроса является второстепенной, то воспользуемся простейшей акустической моделью. Будем считать, что антенная решетка, состоящая из точечных элементов и без призмы, излучает и принимает в однородной изотропной среде со скоростью звука импульсы от Np точечных рассеивателей с коэффициентом перерассеивания ε(rp), расположенных в точках rp. Поле pmn(t), принятое m-м элементом решетки при излучении n-м элементом, запишем в виде

где rn и rm - векторы характеризующие положения излучающего и принимающего элемента антенной решетки, s(t) - реакция системы на возбуждение δ-функцией. На фигуре 1 слева схематически показаны четыре группы эхо-сигналов от одного точечного рассеивателя для антенной решетки, состоящей из четырех элементов. Для наглядности каждому элементу приписан свой цвет, совпадающий с цветом импульсов при излучении и приеме. Если все элементы коммутационной матрицы С равны единице, то за Ne раз излучения зондирующего импульса измеряется Ne×Ne эхо-сигналов. То есть для антенной решетки из 32 элементов, излучив 32 раза зондирующий импульс, нужно зарегистрировать 1024 эхо-сигнала. Для антенной решетки из 128 элементов, излучив 128 раз зондирующий сигнал, регистрируется уже 16 348 эхо-сигналов. Если излучение зондирующих импульсов происходит с частотой 1 КГц, то в первом случае для регистрации набора эхо-сигналов, необходимых для восстановления изображения, понадобится 32 мс, а во втором - уже 0.128 с, что может оказаться очень большим временем, особенно для медицинских приложений. Простейший способ уменьшить объем измеренных данных заключается в следующем. Так как эхо-сигналы, измеренные при Cnm=1 и Cmn=1, совпадают с точностью до шумовой составляющей, то можно заполнить единицами только нижний треугольник матрицы С, что уменьшит примерно вдвое объем измеренных эхо-сигналов, но не уменьшит время регистрации. Можно случайным образом дополнительно более чем в два раза проредить матрицу С, но такой подход приведет к повышению уровня шума в восстановленном изображении.

С точки зрения теории многоканальной связи, режим двойного сканирования подобен ситуации, когда абоненты по очереди посылают сообщение, которое принимается всеми абонентами. Последовательный характер излучения зондирующего импульса позволяет понять: «Кто является источником сообщения?». Такой режим связи, когда каждой паре приемник-передатчик выделяется весь спектр или большая его часть на выделенный отрезок времени, называется множественный доступ с разделением по времени. В англоязычной литературе такой режим называется Time Division Multiple Access (TDMA) [1]. Если бы все абоненты одновременно могли послать сообщение, а при приеме понять от кого оно поступило, то это позволило бы принципиально уменьшить скорость регистрации эхо-сигналов и их объем. Эффективные решения этой проблемы разработаны в теории многоканальной связи. Для этого каждому элементу антенной решетки нужно приписать уникальный зондирующий сигнал sn(t), который излучается и принимается одновременно всеми элементами антенной решетки. Измеренные эхо-сигналы с учетом (1) можно записать в виде

Для применения метода C-SAFT эхо-сигналы pm(t) нужно декодировать, чтобы m-й абонент мог выделить сообщение pnm(t) от абонента с номером n. В идеальном случае при Ne=128 такой подход позволяет вместо 128 измерений провести только одно, а количество эхо-сигналов с 16348 уменьшить до 128. Схематически этот процесс показан на фигуре 1 справа. Понятно, что за ускорение измерений эхо-сигналов и уменьшение их объема придется заплатить временем на декодирование эхо-сигналов pm(t), и система может перестать формировать изображения с частотой более 10 Гц. Но для автоматизированной системы контроля это не принципиально.

Таким образом, задачу можно сформулировать так - нужно подобрать такой набор кодирующих сигналов sn(t) и способ декодирования, чтобы согласно формуле (2) по измеренным эхо-сигналам pm(t) восстановить сигналы pnm(t), которые можно использовать для восстановления изображения отражателей методом C-SAFT [2].

Для эффективного декодирования корреляционная функция Rnm(τ) набора сигналов sn(t), предназначенных для возбуждения элементов антенной решетки, должна обладать следующим свойством

где δnm - символ Кронекера. Набор сигналов, обладающий свойством (3), называется ортогональным для любого τ. Сигналов для практического использования с таким свойством не известно, но разработано несколько наборов кодирующих сигналов sn(t), которые в той или иной степени приближаются к идеальному набору со свойством (3) и называются псевдоортогональными.

Для возбуждения каждого элемента антенной решетки можно воспользоваться частотно-модулированными сигналами, когда каждой паре излучатель-приемник выделяется часть спектра на все время соединения. Такая технология многоканальной связи называется множественный доступ с разделением каналов по частоте, а в англоязычной литературе - Frequency Division Multiple Access (FDMA) [1]. За каждым элементом антенной решетки закрепляется сигнал длиной wt с центральной частотой fn, которая находится в пределах полосы пропускания Δf=fmax-fmin антенной решетки, и с диапазоном линейного измерения частоты δf

Вид корреляционной функции Rnm(t) сигнала s(t; fn, δf, wt) зависит от значения параметров fn, δf и wt. Для того чтобы взаимная корреляционная функция Rnm(τ) при n≠m стремилась к нулю, нужно, чтобы частотные диапазоны [fn-δf/2, fn+δf/2] кодирующих сигналов sn(t) не пересекались. Но при этом ширина автокорреляционной функции Rnn(τ) будет очень большой, так как она пропорциональна величине 0.5/δf, и лучевая разрешающая способность изображения будет очень низкой.

Для случая, когда каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию, можно воспользоваться технологией - множественного доступа с кодовым разделением. В английской литературе она называется Code Division Multiple Access (CDMA) [1]. Для кодовой модуляции можно использовать фазоманипулированные по коду Касами (Kasami) сигналы с несущей частотой fc. Коды Касами принадлежат к классу псевдослучайных сигналов и генерируются с помощью сдвигового регистра длиной d и регистра обратной связи. Заданные значения сдвигового регистра и регистра обратной связи генерирует один набор кодовых сигналов. Число кодов Касами в наборе равно Nk=2d/2, а длина кода Nc=2d-1, где d - четное число. Существуют алгоритмы генерации кодов Кассами, имеющих функцию корреляции Rnm(τ) с минимальными «боковыми лепестками», равными примерно

После выбора набора кодовых сигналов sn(t) нужно восстановить по измеренным эхо-сигналам pm(t) сигналы pnm(t). Если пользоваться цветовой аналогией на фигуре 1, это приведет к тому, что при правильном выборе сигналов sn(t) после декодирования из суммарного набора pm(t) можно будет выделить сигналы pnm(t) «окрашенные» только в один цвет. Учитывая, что импульсы «разных цветов» могут находиться очень близко друг к другу, алгоритм декодирования должен обеспечивать высокую разрешающую способность по времени.

Распространенным методом декодирования является сжатие сложных сигналов pm(f) с помощью согласованной фильтрации с кодовым сигналом sn(t). Учитывая, что согласованная фильтрация во временной области эквивалентна свертке, операцию декодирования можно записать как

Такой алгоритм сжатия сложных сигналов обладает высоким быстродействием и позволяет получать изображения с частотой более 10 Гц, но он не позволяет получить низкий уровень фонового шума и достичь эффекта сверхразрешения.

Более сложный метод декодирования или деконволюции простых или сложных сигналов основан на использовании метода максимальной энтропии (ММЭ) [3]. Операцию свертки в формуле (2) можно записать в матричном виде

где s - вектор-столбец с измеренным эхо-сигналом длиной Nt отсчетов, G - циркулярная матрица размерами (Nt×Nt), строки которой сформированы кодовым эхо-сигналом sn(t), s - неискаженная функция, которую требуется восстановить, n - вектор-столбец с шумом измерений. Задача деконволюции заключается в восстановлении функции s по измеренному сигналу s(t) с учетом вида sn(t). Задача (6) является некорректной, и для ее решения Тихоновым А.Н. был разработан метод регуляризации, обосновывающий замену задачи в форме (6) на задачу оптимизации, устойчивой к малым изменениям входных данных s

где - квадрат невязки решения в метрике R N t , определяемой спецификой задачи, - свертка оценки сигнала с сигналом sn(t), - стабилизирующий функционал. Смысл использования стабилизирующих функционалов состоит в том, чтобы учесть при решении некорректной задачи априорную информацию о свойствах решения и за счет этого сузить область поиска решений. В качестве стабилизирующего функционала можно использовать кросс-энтропию функции и переписать формулу (7) в виде

где m - априорная модель или оценка вида решения s. В простейшем случае можно использовать постоянную величину eµ, где µ - понимается как оценка среднего значения Кросс-энтропия знакопеременной функции рассчитывается по формуле

Для эффективного поиска минимума функции многих переменных методами второго порядка градиент и Гессиан выражения (9) выражаются следующим образом

Таким образом, для проведения деконволюции сигналов s(t)=pm(t) можно воспользоваться решением задачи оптимизации по формуле (8) и расчетом энтропии, ее градиента и Гессиана по формулам (9) и (10). Такой способ декодирования должен привести к восстановлению оценки сигнала со сверхразрешением.

Для проверки работы предложенного алгоритма был проведен простейший расчет эхо-сигналов от точечных рассеивателей, «измеренных» антенной решеткой, состоящей из 16-ти точечных элементов, расположенных на расстоянии 1 мм друг от друга без призмы. Скорость распространения звука в объекте контроля полагалась равной 5.9 мм/мкс. Частота дискретизации эхо-сигнала равна 50 МГц.

На фигуре 2 показано изображение точечного рассеивателя, расположенного на глубине 30 мм, восстановленное методом C-SAFT по эхо-сигналам, измеренным в режиме двойного сканирования по полной коммутационной матрице С. Зондирующий импульс имел вид радиосигнала с несущей частотой 5 МГц с Гауссоподобной огибающей длиной три периода. Уровень фонового шума изображения меньше чем -40 дБ.

Так как при d=6 число сигналов в одном наборе Nk=8, а длина кода Nc=63, то антенная решетка из 16-ти элементов была разбита на две подрешетки. Одна из них соответствует элементам решетки с нечетными номерами, а вторая четным. Поэтому пришлось проводить четыре «измерения» по подрешеткам, то есть вместо 256 эхо-сигналов за 16 тактов излучения было «измерено» 32 эхо-сигнала за 4 такта излучения. Это означает четырехкратное возрастание скорости регистрации и восьмикратное уменьшение объема памяти для записи эхо-сигналов.

На фигуре 3 слева показан результат восстановления методом C-SAFT изображения отражателя по эхо-сигналам декодированным с помощью согласованной фильтрации по формуле (5) в полосе частот [0.5, 8.5] МГц. Для каждого из четырех измерений подрешетками использовался один набор кодов Касами sn(t), где n=1, 2 … Nk, Nk=8. Шум, возникший из-за ошибок декодирования и определяемый видом Rnm(τ), расположен в лучевом направлении. Максимальная амплитуда шума равна -15.5 дБ, что делает восстановленное изображение малопригодным для практического применения. Если для декодирования воспользоваться ММЭ согласно (8) (α=20, µ=10-4), то максимальное значение шума в изображении, полученном по эхо-сигналам , уменьшается до -26.5 дБ, продольное разрешение возрастает не менее чем в 2 раза, и это позволяет считать изображение на фигуре 3 справа высококачественным. После сжатия эхо-сигналов ММЭ центральная частота с 5 МГц повысилась до 10 МГц, что привело к появлению шума во фронтальном направлении, связанного с тем, что шаг в 1.0 мм между элементами решетки стал грубым.

При проведении ультразвукового контроля количество отражателей Np может быть несколько, и они могут иметь разную амплитуду ε(rp). Поэтому в следующем численном эксперименте эхо-сигналы по формуле (2) рассчитывались от пяти точечных рассеивателей. Амплитуда первых трех была равна 1, амплитуда четвертого и пятого равна, соответственно, 0.2 и 0.1. На фигуре 4 слева показано изображение, восстановленное методом C-SAFT по полной коммутационной матрице С. Излучался гауссоподобный радиосигнал с несущей частотой 5 МГц длиной три периода. Блики, соответствующие рассеивателям,указаны выносками с их номерами. Блики несплошностей с номерами 4 и 5 из-за их малой амплитуды менее заметны, чем блики от отражателей 1, 2 и 3. Блики от рассеивателей 3 и 4 практически не разрешаются

На фигуре 5 слева показан результат восстановления методом C-SAFT изображения отражателя по эхо-сигналам , декодированным с помощью согласованной фильтрации по формуле (5) в полосе частот [0.5, 8.5] МГц. Высокий уровень шума не позволил различить блики отражателей номер 4 и 5. Качество изображений на фигуре 5 слева и на фигуре 4 справа не позволяет обнаружить все пять рассеивателей. Если для декодирования сложных сигналов воспользоваться ММЭ согласно (8) (α=20, µ=10-4), то, несмотря на понижение уровня шума более чем на 6 дБ в лучевом направлении, блики рассеивателей номер 4 и 5 обнаружить по-прежнему не возможно (фиг. 5 справа). Во фронтальном направлении, наоборот, уровень шума заметно больше, чем на фигуре 3 справа. Это связано, во-первых, с повышением центральной частоты с 5 МГц до 10 МГц, что привело к появлению шума, связанного с тем, что шаг в 1.0 мм между элементами решетки стал грубым. Этот шум можно убрать, если использовать 32-элементную антенную решетку с шагом 0.5 мм. Во-вторых, если при работе с одним отражателем в суммарном эхо-сигнале pm(t) было только восемь эхо-сигналов, то увеличение отражателей в пять раз увеличило число эхо-сигналов до сорока. Это не могло не привести к ошибкам работы ММЭ, выразившимся в случайных смещениях импульсов в декодированных эхо-сигналах В результате блики не удалось восстановить с максимальной фокусировкой.

Полученные изображения пяти отражателей не позволяют обнаружить блики отражателей номер 4 и 5 при декодировании сигналов как согласованной фильтрацией, так и ММЭ. Однако изображение, полученное по эхо-сигналам после декодирования ММЭ, имеет более высокое отношение сигнал/шум особенно в лучевом направлении. Как и ожидалось, уменьшение объема измеряемых эхо-сигналов и ускорение процесса их регистрации привело к повышению уровня шума, на фоне которого оказались незаметны блики отражателей с малой рассеивающей способностью ε(rp).

Для уменьшения уровня фонового шума можно воспользоваться следующим приемом - для каждого из четырех измерений подрешетками использовать отдельный набор кодов Касами где n=1, 2…Nk, k=1, 2…Ns, Nk=8, Ns=4. Так как у каждого набора своя функция корреляции, то естественно ожидать уменьшение уровня фонового шума примерно на 6 дБ из-за его не когерентного сложения. Для длины кода равной 63 можно выделить около 130 наборов. На фигуре 6 слева показан результат восстановления методом C-SAFT изображения отражателя по эхо-сигналам декодированным с помощью согласованной фильтрации по формуле (5) в полосе частот [0.5, 8.5] МГц. В сравнении с изображением на фигуре 5 слева уровень фонового шума уменьшился примерно на 3 дБ, и блики отражателей номер 4 и 5 стали заметнее. Однако амплитуда блика номер 5 находится на уровне фоновых шумов, а блик отражателя номер 4 практически слился с бликом отражателя номер 3. Если для декодирования сигналов воспользоваться ММЭ согласно (8) (α=5, µ=10-4), то, несмотря на понижение уровня шума более чем на 6 дБ в лучевом направлении (фиг. 6, справа), блик рассеивателя номер 4 можно уверено обнаружить, чего не скажешь о блике рассеивателя номер 5. Но в сравнении с результатом, показанным на фигуре 5 справа, использование четырех наборов кодов Касами позволяет заметно повысить качество изображения.

Такой подход тем эффективнее, чем больше элементов в антенной решетке и чем больше можно использовать наборов кодирующих сигналов. При проведении расчетов для антенной решетки из 32 элементов ее нужно разбить на четыре подрешетки и использовать наборы кодов Касами где n=1, 2…Nk, k=1, 2…Ns, Nk=8, Ns=16. Для того чтобы апертуры обеих решеток совпадали шаг 32-элементной решетки был равен 0.5 мм. На фигуре 7 слева показан результат восстановления методом C-SAFT изображения рассеивателей по эхо-сигналам декодированным с помощью согласованной фильтрации по формуле (5) в полосе частот [0.5, 8.5] МГц. В сравнении с изображением на фигуре 5 слева уровень фонового шума уменьшился более чем на 9 дБ, и стали хорошо заметны блики всех пяти отражателей. Полученное изображение по качеству приблизилось к изображению на фигуре 4 слева, восстановленному по эхо-сигналам, измеренным в режиме двойного сканирования согласно (1). Применение ММЭ согласно (8) (α=5, µ=10-4) для декодирования сигналов позволяет восстановить изображение с еще меньшим уровнем шума, на фоне которого видны блики всех рассеивателей, а блики рассеивателей с номерами 3 и 4 уверено разделились.

Если изображение восстанавливается по эхо-сигналам, измеренным в режиме тройного сканирования, или методом 3D-C-SAFT, то уровень шума можно уменьшить за счет приема, рассмотренного ранее. Так как в упомянутых случаях итоговое изображение формируется при суммировании Nw парциальных изображений, восстановленных для разных положений антенной решетки, то для каждого положения можно использовать разные кодирующие последовательности Касами где n=1, 2…Nk, k=1, 2…Ns, w=1, 2…Nw. Естественно ожидать дополнительного уменьшения уровня шума примерно в раз в итоговом изображении при когерентном суммировании Nw парциальных изображений.

Для «измерения» эхо-сигналов использовалась 16-элементная антенная решетка с шагом 1 мм. На фигуре 8 слева показан результат восстановления методом C-SAFT изображения отражателей по эхо-сигналам декодированным с помощью согласованной фильтрации по формуле (5) в полосе частот [0.5, 8.5] МГц для случая Nk=8, Ns=1 и Nw=S. Максимальная амплитуда шума уменьшилась до -22.7 дБ и на изображении хорошо различимы блики отражателей номер 4 и 5 в отличие от изображения на фигуре 5 слева. Если для декодирования сигналов pm(t) воспользоваться ММЭ согласно (8) (α=20, µ=10-4), то максимальное значение шума изображения в лучевом направлении уменьшается до -28.7 дБ, продольная разрешающая способность возрастает более чем в 2 раза. Однако возросший уровень шума во фронтальном направлении сделал блик рассеивателя номер 5 малозаметным.

Таким образом, предлагаемый способ регистрации эхо-сигналов с помощью антенной решетки или матрицы позволит более чем в четыре раза повысить скорость регистрации и более чем в восемь раз уменьшить объем измеренных эхо-сигналов, в сравнении с регистрацией в режиме двойного сканирования, и за счет декодирования эхо-сигналов нелинейным методом максимальной энтропии восстанавливать изображения отражателей с уменьшенным не менее чем на 3 дБ уровнем шума и лучевой разрешающей способностью, увеличенной не менее чем в два раза, что позволит повысить производительность ультразвукового контроля.

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение (изд. 3-е, исправл.): Пер. с англ. // М.: Вильямс, 2003. - 1104 с.

2. Базулин Е.Г. Восстановление изображения отражателей методом C-SAFT при многократном отражении эхо-сигналов от границ цилиндрического объекта контроля // Дефектоскопия. - 2013, №2. - С. 23-42.

3. Базулин А.Е., Базулин Е.Г. Деконволюция сложных эхо-сигналов методом максимальной энтропии в ультразвуковом неразрушающем контроле // Акуст. журн… - 2009, Т. 55, №6. - С. 772-783.

Способ повышения скорости регистрации эхо-сигналов антенной решеткой, заключающийся в разбиении ее пьезоэлементов на одну или несколько подрешеток, присваивании каждому излучающему элементу подрешетки своего зондирующего сигнала из набора псевдоортогональных сигналов, одновременном излучении в объект контроля всеми элементами подрешетки и приеме из него ультразвуковых сигналов с помощью любой подрешетки с последующим декодированием принятых эхо-сигналов для формирования набора эхо-сигналов, который можно было бы получить при излучении и приеме всеми парами элементов антенной решетки, отличающийся тем, что для каждой из пар подрешеток и для каждого положения антенной решетки используется свой набор псевдоортогональных сигналов, например кодов Касами или линейно-частотно-модулированных сигналов, а декодирование для формирования набора эхо-сигналов для восстановления изображения отражателей методом C-SAFT производится методом максимальной энтропии.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к перинатологии и предназначено для снижения перинатальной заболеваемости при поздних преждевременных родах. Сущность способа: в сроках 34-36 недель беременности при угрозе преждевременных родов проводят ультразвуковую фетометрию.

Изобретение относится к технике горного дела, добыче полезных ископаемых, в частности к устройствам для изучения физико-механических свойств горных пород, и может быть использовано в геологии, горной, газовой и нефтяной промышленности для расчета предельной величины давления гидроразрыва пласта.
Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам для измерения звукопоглощающих свойств жидкостей. Устройство содержит тональный аудиометр, к которому подключен костный телефон-вибратор с ремешком для его фиксации в заданном положении.

Использование: для определения коэффициента акустоупругой связи. Сущность изобретения заключается в том, что образец нагружают до заданного значения напряжения в материале и измеряют время распространения акустической волны в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, при этом растягивают или сжимают образец до напряжения σ, меньшего предела пропорциональности материала, измеряют время t1 распространения акустической волны между двумя параллельными поверхностями образца, разгружают образец, соответственно сжимают или растягивают образец до напряжения σ, измеряют время t2 распространения акустической волны между указанными поверхностями образца и определяют коэффициент акустоупругой связи по заданному математическому выражению.

Использование: для относительной калибровки преобразователей акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что размещают на калибровочном блоке калибруемый преобразователь акустической эмиссии, возбуждают в калибровочном блоке импульсы смещения, регистрируют полученные сигналы и выполняют их сравнение, при этом возбуждение импульсов смещения осуществляют с помощью источника акустической эмиссии трения, полученные при этом сигналы акустической эмиссии трения регистрируют, затем по ним определяют их автокорреляцию, производя, таким образом, относительную калибровку калибруемого преобразователя акустической эмиссии.

Изобретение относится к системе для выполнения калибровочных отражателей на трубе. Переносная система электроэрозионной обработки для выполнения калибровочных отражателей на трубе содержит основание, монтируемое на трубу, режущий инструмент, электродвигатель, функционально соединенный с режущим инструментом для перемещения режущего инструмента в соответствии предварительно выбранной схемой, электрод, функционально соединенный с режущим инструментом, источник питания, функционально соединенный с электродом и функционально соединяемый с трубой, при этом источник питания выполнен с возможностью электрической подачи напряжения от электрода на трубу для удаления материала с трубы, источник диэлектрической текучей среды, находящийся во взаимодействии по текучей среде с трубой для удаления материала, удаляемого с трубы, при этом электродвигатель и источник питания и/или источник диэлектрической текучей среды установлены на основании.

Изобретение относится к области сейсмоакустических исследований и касается устройства контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей.

Использование: для измерения объемной концентрации водорода. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют измерение температуры и скорости ультразвука в измеряемом газе, при этом определяют скорость в чистом водороде при той же температуре, а концентрацию водорода в газовой смеси вычисляют из математического выражения, учитывающего отношение квадрата скорости ультразвука в чистом водороде к квадрату скорости ультразвука в измеряемой смеси газов и отношение молярной массы примесей в водороде к молярной массе чистого водорода.

Изобретение относится к способам испытаний и эксплуатационного ультразвукового контроля изделий. Для повышения достоверности ультразвукового неразрушающего контроля перед проведением контроля изделие нагружают нагрузкой, достаточной для раскрытия гипотетического дефекта типа трещины в месте контроля до величины, которая обеспечила бы отражение ультразвуковой волны от дефекта и сделала его выявляемым.

Использование: для определения коэффициентов звукопоглощения материалов. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют измерение эталонных аналоговых сигналов с помощью первого и второго микрофонов акустического интерферометра, их аналогово-цифровое преобразование, вычисление передаточной функции с помощью непрерывного вейвлет-преобразования каждого из измеренных эталонных сигналов, вычисление коэффициентов отражения и коэффициентов звукопоглощения, представление результатов вычислений в графической форме в виде графика зависимости коэффициентов звукопоглощения от частоты или среднегеометрических частот 1/n - октавных полос, где n - целое число, при этом в качестве эталонного используют детерминированный аналоговый сигнал длительностью не менее 13 секунд с экспоненциально возрастающей частотой в диапазоне 100-4000 Гц.

Использование: для акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют формирование между пьезоэлементом и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента демпфера, при этом толщину пьезоэлемента и толщину протектора определяют исходя из резонансной частоты пьезоэлемента fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2), где f - эффективная частота эхо-импульса, а материалы протектора и демпфера выбирают с акустическими сопротивлениями из диапазонов, удовлетворяющих определенным соотношениям. Технический результат: улучшение акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой. 2 табл., 14 ил.

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для измерения скорости звука в естественных водоемах. Предложен способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающийся в формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, которой включает измерение скорости распространения звука, температуры и давления в образцовой зоне водоема на фиксированных горизонтах, свободной от загрязнений техногенного характера, при этом полученные значения измеренной скорости распространения звука являются эталонными значениями для данного водоема и заносятся в память вычислительного устройства средства акустического мониторинга, при формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, измерения скорости распространения звука выполняют при температуре и давлении, соответствующих температуре и давлению полученных эталонных значений скорости распространения звука на фиксированных горизонтах акватории исследуемого водоема. Технический результат заключается в повышении достоверности способа акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, а также расширении функциональных возможностей. 1 ил.

Использование: для измерения акустического сопротивления однородных сред. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемой и контрольной средами соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад, входы которого подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, связанный с выходом делителя, при этом в состав устройства введены дифференциальный усилитель и блок возведения в степень, причем первый вход дифференциального усилителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а второй вход этого усилителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, первый вход делителя подключен к выходу дифференциального усилителя, а второй его вход подключен к выходу суммирующего каскада, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень, а выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость. Технический результат: повышение чувствительности к акустическому сопротивлению исследуемой среды. 1 ил.

Использование: для измерения акустического сопротивления материалов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, при этом второй вход делителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а выход делителя связан с блоком функционального преобразования, при этом первый вход делителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, между выходом делителя и входом блока функционального преобразования введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины и экспоненциального преобразования, а блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость или в устройство введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, аналогового инвертирования и экспоненциального преобразования, причем блок функционального преобразования в этом случае реализует другую заданную функциональную зависимость. Технический результат: повышение чувствительности к акустическому сопротивлению исследуемого материала. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для тестирования жидкости, используемой как восстановитель, в связи с очисткой выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания. Устройство содержит датчик (6) температуры и модуль (8) измерения скорости звука. Датчик температуры выполнен с возможностью определения первой температуры T1 для жидкости и подачи на ее основе сигнала (12) температуры в вычислительный модуль (10). Модуль (8) измерения скорости звука выполнен с возможностью определения первой скорости v1 звука для жидкости при температуре T1 и подачи на ее основе сигнала (14) скорости звука в вычислительный модуль (10). Датчик (6) температуры дополнительно выполнен с возможностью определения второй температуры T2 для жидкости. Вычислительный модуль (10) выполнен с возможностью вычисления абсолютного значения разности ΔT температур между T1 и T2 и сравнения ΔT с заданным пороговым значением TTH. Если ΔT превышает TTH , то определяют вторую скорость звука v2 для жидкости при температуре T2. Вычислительный модуль (10) выполнен с возможностью сравнения v1 и v2 с соответствующими первым и вторым эталонными значениями vrefl и vref2 скорости для эталонной жидкости при соответствующих температурах T1 и T2. На основе результата сравнения генерируют индикаторный сигнал. Технический результат - повышение точности и достоверности получаемых данных. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое устройство относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборах контроля расхода высокотемпературных жидких и газовых потоков. Волноводный ультразвуковой преобразователь расходомера содержит пьезоэлектрический преобразователь, волноводную пластину, имеющую поверхности для контактирования с пьезоэлектрическим преобразователем и поверхностью трубы с контролируемой средой, и устройства прижима волноводной пластины к трубе и преобразователю. В нем волноводная пластина выполнена в форме удлиненного параллелограмма, один конец которого прижимается к поверхности трубы, а на втором установлен преобразователь сдвиговых волн, при этом угол острого угла параллелограмма выбирается преимущественно в диапазоне 20-50°. Технический результат − улучшение эксплуатационных характеристик устройства, а именно снижение количества тепла, поступающего по волноводу к преобразователю, а также возможность выровнять температурное поле в волноводной пластине. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для определения эрозионной стойкости твердых микро- и нанообъектов при воздействии кавитации. Сущность изобретения заключается в том, что одну грань исследуемого объекта упрочняют, после чего проводят кавитационное воздействие в герметичной камере с жидкостью при избыточном гидростатическом давлении, обработку исследуемого объекта ведут гидроакустическим потоком при плотности мощности ультразвукового излучения, достаточной для нахождения исследуемого образца во взвешенном состоянии, оценивают эрозионную стойкость по состоянию рельефа поверхности, его геометрическим и объемным параметрам по сравнению с первоначальным состоянием объекта. Технический результат: обеспечение возможности полной и объективной оценки эрозионной стойкости твердых микро- и нанообъектов. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для сбора данных при помощи акустических волн, в частности к фотоакустической томографии. Устройство содержит детектор, включающий множество регистрирующих элементов для приема на соответствующих приемных поверхностях акустических волн от области измерения объекта, причем приемные поверхности, по меньшей мере, некоторых из регистрирующих элементов, ориентированных под различными углами, зафиксированы относительно друг друга, блок сканирования для перемещения, по меньшей мере, одного из объекта и детектора, блок управления для управления блоком сканирования так, что регистрирующие элементы принимают акустические волны от области измерения и относительное положение объекта и области с самой высокой разрешающей способностью области измерения изменяется, причем область с самой высокой разрешающей способностью определена в зависимости от размещения регистрирующих элементов. Использование изобретения позволяет повысить равномерность разрешающей способности. 17 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к строительству, а именно к способам контроля качества укладки бетонной смеси, и может быть использовано при операционном контроле качества выполнения строительно-монтажных работ при бетонировании бетонных и железобетонных конструкций. Технический результат - упрощение процедуры контроля укладки бетонной смеси и обеспечение возможности оперативного устранения выявленных дефектов непосредственно в процессе бетонирования. Способ включает использование несъемной опалубки и выявление наличия дефектов укладки на основе регистрации скорости распространения ультразвукового импульса. В качестве несъемной опалубки используют опалубку из фибробетона. Наличие дефектов укладки выявляют в неотвержденной бетонной смеси путем измерения разности скоростей распространения ультразвукового импульса при сквозном прозвучивании до укладки бетонной смеси в опалубку и по нескольким различным трассам после укладки, но до начала отвержения бетонной смеси. При этом используют ультразвуковой импульс частотой 20-100 кГц. 2 з.п. ф-лы.

Использование: для анализа экологического состояния морской среды. Сущность изобретения заключается в том, что оптоакустический анализатор экологического состояния среды содержит импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезоприемники, при этом он снабжен оптоакустической ячейкой, состоящей из входной и выходной призм, между которыми образована кювета для исследуемого образца среды, а на внешней поверхности выходной призмы установлены два акустических пьезоприемника, один из которых расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси. Технический результат: обеспечение возможности обнаруживать неоднородные включения в жидкости за счет разных теплофизических характеристик их микронеоднородностей. 1 ил.
Наверх