автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Алгоритм пространственно-временной обработки эхо-сигналов при скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути

На правах рукописи

Угольков Андрей Викторович

АЛГОРИТМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ЭХО-СИГНАЛОВ ПРИ СКОРОСТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ РЕЛЬСОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

05.12.04

Специальность:

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005543603

Таганрог - 2013

005543603

Работа выполнена на кафедре теоретических основ радиотехники (ТОР) «Инженерно-технологической академии Южного федерального университета» (ИТА ЮФУ).

Научный руководитель:

Федосов Валентин Петрович доктор технических наук, профессор ИТА ЮФУ г. Таганрог

Официальные оппоненты:

Есипов Юрий Вениаминович доктор технических наук, профессор Донского государственного технического университета г. Ростов-на-Дону

Бросалин Андрей Витальевич кандидат технических наук ООО «Акустика» г. Таганрог

Ведущая организация:

ОАО «Таганрогский научно-исследовательский институт связи» г. Таганрог

Защита состоится «23» декабря 2013 г. в 1610 часов в ауд. Д-406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» по адресу: 347928, Ростовская область, г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, д. 44.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке «Южного федерального университета» по адресу: ул. Пушкинская 148, г. Ростов-на-Дону, Ростовская область, 344049.

Автореферат разослан «¿2» ноября 2013

года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.208.20 кандидат технических наук, доцент

^—

Савельев В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Неразрушающий контроль обеспечивает безопасность движения поездов, эксплуатацию различных железнодорожных систем и своевременное обнаружение дефектов рельсов. Применение пространственно-временных алгоритмов обработки эхо-сигналов позволяет существенным образом расширить возможности дефектоскопных систем и повысить вероятности обнаружения дефектов рельсов.

В настоящее время пространственно-временная обработка сигналов нашла широкое применение в портативных многоканальных дефектоскопных системах. В них широко применяется системы разнесенных в пространстве преобразователей акустических сигналов в электрические и последующая обработка этих сигналов, обеспечивающая высокую разрешающую способность. Исследованиями в этой области занимаются специалисты НПО «ЦНИИТМАШ», «ЭХО+», фирм «АКС», «Olympus NDT», а также МЭИ, ИТА ЮФУ и другие.

Характерной особенностью таких систем является использование множества излучателей и приемников на основе пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) с широкими диаграммами направленности и, как правило, они отделены от блока формирования и обработки сигналов. Такая архитектура обладает универсальностью и позволяет применять системы преобразователей с различными конфигурациями и параметрами, используя одно и тоже вычислительное устройство, но с разными настройками.

В основе существующих алгоритмов формирования и обработки сигналов для массива преобразователей по большей части лежит формировании диаграмм направленности, ориентированных в определенную зону пространства, за счет чего достигается высокая пространственная разрешающая способность. Однако, эти методы обладают низкой скоростью сканирования, что препятствует непосредственному их использованию в скоростной дефектоскопии рельсов.

Особенностью скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути является достаточно быстрое перемещение датчиков вдоль поверхности рельса, что сопровождает взаимное изменение пространственного положения и ориентации датчика относительно дефекта в рельсе. Тогда основная задача дефектоскопии рельсов сводится к формированию и обработке сигналов, для ориентации диаграммы направленности на дефект и получения его пространственных координат, за короткий промежуток времени. Такая задача может быть решена путем применения алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, которые представлены в работах А.И Леонова, К.И. Фомичева, И.Я. Кремера, В.Г. Карташева, В.К. Качанова, A.A. Самокрутова, В.Г. Шевалдыкина и других.

Таким образом, актуальным является развитие алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов от многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей (МПЭП) применительно к скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути.

Целью диссертационной работы является повышение надежности контроля рельсов железнодорожного пути на основе пространственно-временной обработки эхо-сигналов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Разработать пространственно-временную модель распространения и отражения сигналов в дефектоскопном тракте (ПЭП —> призма —» рельс —»• дефект —» рельс —> призма —»■ ПЭП).

2) Выполнить расчет эхо-сигналов с помощью разработанной модели методом компьютерного моделирования при различных дефектах рельса железнодорожного пути.

3) Разработать адаптивные алгоритмы, позволяющие определить пространственные параметры дефекта на основе анализа эхо-сигналов на выходах многоэлементного датчика.

4) Провести обработку эхо-сигналов по разработанным адаптивным алгоритмам при различных типах и положениях дефектов.

5) Разработать и изготовить экспериментальную установку для проведения натурных экспериментов.

6) Проверить работоспособность разработанных алгоритмов с помощью натурных экспериментов, сравнить результаты моделирования и натурных экспериментов.

Объектом исследования являются алгоритмы и цифровые устройства обработки эхо-сигналов для обнаружения и определения пространственных координат дефектов в рельсах железнодорожного пути.

Методы исследования основаны на использовании теории сигналов, линейной и матричной алгебры, методов статистического анализа, упругих колебаний и волн, а также теории электроакустических систем. Численные расчеты и компьютерное моделирование выполнено с использованием численным методов прикладной математики и имитационного моделирования на языках Matlab и С. Экспериментальные исследования проводились с использованием установки на основе N1 РХ1-платфор-мы (аппаратно-программная установка корпорации National Instruments для формирования и сбора сигналов) и в среде графического программирования LabVIEW.

Научная новизна. В диссертационной работе получен ряд новых результатов, основные из которых сводятся к следующему:

1) Предложен метод расчета эхо-сигналов с помощью импульсных характеристик тракта «ПЭП —> призма —> рельс —> дефект —> рельс —► призма —> ПЭП» с учетом их взаимного расположения в 3-мерном пространстве.

2) Получены аналитические выражения для расчета эхо-сигналов при различных дефектах в рельсе.

3) Разработаны адаптивные алгоритмы оценки зоны расположения дефекта в горизонтальной плоскости и угла ориентации плоского дефекта при скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути. Практическая значимость.

1) Предложен метод численного моделирования импульсных характеристик дефектоскопного тракта, позволяющий рассчитать эхо-сигналы для МПЭП от точечного дефекта. Модель допускает обобщение для плоских дефектов состоящих из К точек, причем время расчета эхо-сигналов увеличивается в (0,8... 1,0)Л' раз.

2) Разработан адаптивный алгоритм обработки эхо-сигналов, определяющий местоположение дефекта в головке рельса при скоростной дефектоскопии рельсов, что позволяет в 3 раза уменьшить зону поиска при вторичном контроле участка рельса.

3) Разработан адаптивный алгоритм обработки эхо-сигналов, позволяющий оценить угол ориентации плоского дефекта, расширить диапазон применения датчика и надежность контроля рельсов железнодорожного пути, путем обнаружения дефектов развивающихся под углами от 35° до 90° относительно нормали к поверхности катания рельса. Основные положения, выносимые на защиту:

1) Разработан метод численного моделирования импульсных характеристик тракта «ПЭП -н> призма —> рельс —дефект —> рельс —> призма —> ПЭП», позволяющий рассчитать эхо-сигналы на выходе элементов МПЭП с учетом свойств всех компонентов тракта.

2) Разработаны адаптивные алгоритмы, позволяющие определить местоположение дефекта в головке рельса и угол ориентации плоского дефекта в шейке рельса.

3) Результаты модельных и экспериментальных исследований показали возможность использования информации о местоположении и угле ориентации дефектов в качестве дополнительных параметров для классификации и автоматического распознавания дефектов.

Внедрение результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной работы № 301*38-11/2013-3 и мероприятия 2.1 программы развития Южного федерального университета на 2011 г. (грант № 7-К-11-4). Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «НПСП ИнТехно» г. Таганрога при разработке перспективного дефектоскопного комплекса для скоростных средств дефектоскопии рельсов железнодорожного пути. Полученные в работе результаты используются также в учебном процессе на кафедре теоретических основ радиотехники «Южного федерального университета» для дисциплин: «Современные алгоритмы обработки сигналов», «Математические модели сигналов и помех» подготовки магистров по направлению «Радиотехника», магистерская программа «Системы и устройства передачи, приема и обработки сигналов». Внедрение и использование результатов работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная научная конференция «Современные исследовательские и образовательные технологии», Таганрог, 2010 г.; Международная научная конференция «Информационное общество: идеи, технологии, системы», Таганрог, 2010 г.; Всероссийская научная конференция «Молодежь XXI века - будущее российской науки», Ростов-на-Дону, 2010 г.; Всероссийская научная конференция «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, 2010 г.; Международная научная конференция «Актуальные вопросы исследования общественных систем», Таганрог, 2011 г.; Международная научная конференция «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций», Санкт-Петербург, 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей и тезисов докладов в трудах Международных и Всероссийских научных и научно-технических конференций (2 статьи в журналах из списка ВАК).

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа написана на русском языке, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 175 страницах, из которых 134 машинописных страниц, 68 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 102 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены основные квалификационных характеристики работы: обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи исследования; представлены объект и методы исследования; указаны научная новизна и практическая значимость; приведены результаты выносимые на защиту, апробация и структура диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены процессы формирования и распространения сигналов в ультразвуковых дефектоскопах. Описаны типы и группы дефектов рельсов. Приведены способы представления эхо-сигналов. Проанализированы алгоритмы и методы обнаружения дефектов с помощью одноэлементных и многоэлементных преобразователей. Обоснована цель и задачи исследований.

В трехмерном пространстве ультразвуковое колебание (УЗК) представляет собой две независимо распространяющиеся волны: продольную со скоростью с; и поперечную со скоростью С£, причем продольная волна всегда распространяется с большей скоростью, чем поперечная сг = 0,55 с;.

В основе ультразвукового метода неразрушающего контроля (НК) лежит изменение направления распространения УЗК при отражении волны от неоднородностей в исследуемом образце. Неоднородностями в материале могут служить как небольшие трещины (дефекты), так и стенки исследуемого образца. Существенным недостатком ультразвукового метода является невысокая вероятность обнаружения дефектов, у которых обратная диаграмма рассеяния пространственно не ориентирована на приемный

Генератор

Синхронизаци

Приемник

Индикатор

датчик. Однако, не смотря на эти недостаток, ультразвуковой метод получил наибольшее распространение в дефектоскопии рельсов ж/д пути.

В современных дефектоскопах в основном используется импульсный режим излучения УЗК. На рис. 1 показана упрощенная структурная схема ультразвуковой дефектоскопной системы. Генератор формирует радиосигнал с заданными параметрами, который с помощью пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) излучается в рельс в виде упругих волн, то есть УЗК. Наталкиваясь в рельсе на дефект, зондирующий Дефектоскоп сигнал отражается от

него и часть этой волны попадает обратно на ПЭП, который принимает УЗК. Также часть энергии зондирующего сигнала отражается и от участка донной поверхности рельса. Далее рис ^ приемник детектирует эхо-

сигнал «(£). огибающая II(£) которого отображается на индикаторе.

На рис. 2 представлены огибающие сигналов, и(£). отображаемые на индикаторе. В случае присутствия огибающей эхо-сигнала 2, в промежутке между огибающими зондирующего 1 и донного сигна- ^ ла 3 можно предполагать наличие дефекта в рельсе. Хотя возможна и ситуация, когда зондирующий Рис. 2 сигнал отразится от стенок рельса и будет являться помехой. Расстояние г между датчиком и дефектом равно г = С{т/2, где с^ - скорость распространения УЗК в материале (рельсе).

Для выявления различных дефектов с различным местоположением и ориентацией в рельсе необходимо изменять направление распространения УЗК в рельсе, то есть вводить зондирующий сигнал в исследуе-

Дефект

VI

Л

011 71 К

т^У

. а

щ

"2 уРГ^

Рис. 3

соотношением Снеллиуса

между пьезоэлементом и контролируемым изделием пх обычно располагают призму из оргстекла (п1). На границе раздела сред падающая волна I = {/1} распадается на две: отраженную Я = {1[, 1\} и преломленную Т = {/2, /-2}• Кроме того, в твердых телах происходит преобразование типов волн, а именно появляются продольные (/) и поперечные (£) волны, что отображено на рис. 3. Угол падения а связан с углом преломления

8т(а)

С1

яш(/3) с2'

где сх - скорость падающей волны, а сг - преломленной.

Среди всех видов представлений результатов контроля рельсового пути, наибольшее распространение получили дефектограмма (изоб-

ражение результатов дефектоскопирования) в виде В-развертки. Развертка типа В - это способ представления дефектограммы на коор-0 —

*ПЭП1 > динатной плоскости: по одной оси рас-

?!

оф

О

и0

полагается время распространения í зондирующего сигнала а по дру-- гой время перемещения £пэш или координата ггпэп датчика вдоль рельса. На рис. 4 показано формирование В-развертки (справа) из огибающий сиг-Рис. 4 налов (слева).

На В-развертке огибающие 1/(хпэп,£) эхо-сигналов отображаются не полностью, а только те части, которые превышают пороговый уровень Цо

т~и .ч /1, при г/(хПэп,0 ^ Щ; и{хПэп,1) = < , хПэп = Ув • £пэп,

[0, при I/(хПэп<и0.

где Ув — скорость перемещения вагона-дефектоскопа.

Одним из направлений совершенствования системы дефектоскопирования является применение многоэлементных датчиков, которые широко используются в ультразвуковой томографии и других разделах акустики.

В томографии широко используется методы сбора полной матрицы и и общей фокусировки. Суть метода заключается в излучении и сборе эхо-сигналов и(у, £) с каждого элемента МПЭП состоящего из N преобразователей и последующей обработкой матрицы и эхо-сигналов и = 11^(2/^)11, {¡,3'}€{1...4

Метод общей фокусировки применяется для реконструкции изображения внутренней структуры исследуемого образца. Для этого определяется расчетная сетка {у1...к,21...р} и для каждой клетки вычисляется набор задержек Ат1...л',й,р сигналов к каждому элементу МПЭП так, чтобы суммарный сигнал был сфокусирован в заданной клетке.

йк,Р{У> *) = EZl Е^х £ - Дт^р),

где г - номер излучающего элемента МПЭП, а.] - принимающего, йк,Р{у, ¿) -эхо-сигнал, сфокусированный для клетки {уь гр}.

Другой метод обработки эхо-сигналов от МПЭП - это фокусировка синтезированной апертуры, путем сбора и обработки нескольких эхо-сигналов, при перемещении излучающих и принимающих ПЭП. Также метод общей фокусировки, фокусировка синтезированной апертуры применяется для реконструкции изображения в заданной расчетной сетке путем когерентного суммирования эхо-сигналов при соответствующих положениях у элемента МПЭП

£) = 5^1 щ(у, t -где г — номер излучающего и принимающего элемента МПЭП.

Во второй главе проведен анализ алгоритмов расчета сигналов в пространственно-временной области и разработана модель распространения сигналов в МПЭП, призме и рельсе. Предложен алгоритм расчета импульсных характеристик сред распространения зондирующего сигнала

на основе принципа Гюйгенса-Френеля. Разработан алгоритм расчета эхо-сигналов от точечного и плоского отражателя в рельсе, при помощи импульсных характеристик.

На рис. 5 показана структурная модель распространения и отражения сигналов для дсфсктоскопной системы с многоэлементным датчиком на ко- Рис. 5

торые поступают сигналы: отраженные s'1N(y. t) от дефекта, различного рода шумы Ci...n(j/) t)i и сигналы -si...jv(?;, t), переотраженные от граней рельса и других его конструктивных особенностей. Эхо-сигнал un{y,t) на выходе n-го элемента МПЭП описывается следующим выражением ип(у, t) = s{t) * д'п(у, t) + СП(У, t) + sn{y, t),

КЛу^)

где д'п(у, t) - импульсная характеристика дефектоскопной тракта для п-го элемента МПЭП, s(t) - зондирующий сигнал, п £ {1... N}, у - смещение датчика вдоль рельса, а символ (*) - обозначает операцию свертки. Однако, уровень шумов Ci..-N(jj,t), применительно к дефектоскопии рельсов, пренебрежимо мал по сравнению уровнем сигналов, отраженных от дефекта, поэтому un(y,t) « s'n(y,t).

Импульсная характеристика g'n(y,t) характеризует среду распространения сигналов и зависит от взаимного пространственного положения МПЭП, призмы, рельса и дефекта.

Блок-схема алгоритма расчета импульсной характеристики g'n(y,t) среды распространения от излучателя до приемника Sn изображена на рис. б.

9n(y,t)

т.

ПЭП 1 1 1 1 Призма Рельс Дефект Рельс Призма 9RPn(y,t) I I < I ПЭП 9'ЛУЛ)

9SW 1 ? 1 1 1 1 ярп{уЛ) 9D(V* t) J ? t • 1 9s(t)

Рис. 6

Зондирующий сигнал s(t) с помощью ПЭП, с импульсной характеристикой gs(t), возбуждает УЗК в призме, с импульсной характеристикой gp{t). Далее он распространяется в рельсе, с импульсной характеристикой gn.(y,t), до дефекта. Эта часть тракта обозначается как прямой путь распространения зондирующего сигнала s(t). После этого он отражается от дефекта и проходит обратный путь с импульсными характеристиками: рельс gRn(y,t) —> призма gpn(t) —> ПЭП gs(t). Импульсные характери-

стики распространения УЗК при прямом и обратном прохождении сигналов отличаются, так как излучающий и принимающий элемент МПЭП имеют разное пространственное положение.

Основной проблемой при определении эхо-сигналов и1...лг(у, £) является определение импульсных характеристик <71...лКу> 0 от излучателя до приемников 51...л- дп(у,г)

ип(у^) = * дря(у^) * до(у,г) * дЯРп(у,Ь) *дз(г),

4-V-'

где 55<?р(£), дц{у, - импульсные характеристики излучающего элемента МПЭП, призмы и рельса соответственно, при распространении зондирующего сигнала gsn.it), дрп{^: днп(у, - импульсные характеристики п-го приемного элемента МПЭП, призмы и рельса соответственно, при отражении сигналов от дефекта. Импульсные характеристики элемента МПЭП gsn.it) и призмы gpn.it) не зависят от смещения у датчика вдоль рельса относительно дефекта. до(у, £) — импульсная характеристика дефекта.

Импульсная характеристики дп(у,среды распространения сигналов, зависит от многих факторов: взаимного пространственного расположения элементов МПЭП, призмы, дефекта, а также от их геометрических размеров и свойств сред. Для вычисления импульсных характеристик д$(у, ^,др(у, £),дп{у, £) используется методика расчета на основе принципа Гюйгенса-Френеля.

Согласно принципу Гюйгенса каждый точечный источник является центром излучения новых волн. В данном случае источниками излучения будут являться - МПЭП, основание призмы и точечный дефект, и для расчета импульсных характеристик в этих средах необходимо разбить их поверхности на элементарные зоны, как показано на рис. 7.

Модель допускает обобщение для плоских дефектов состоящих из множества точечных дефектов.

Алгоритм расчета и аналитические выражения для определения импульсной характеристики д'п(у,Ь) приведены в тексте диссертации.

В третьей главе разработаны адаптивные алгоритмы обнаружения дефектов с использованием многоэлементных датчиков. Предложена схема разбиения головки рельса на зоны для получения информации о местопо-

ложении дефекта. Также предложен алгоритм определения угла ориентации плоского дефекта в шейке рельса. Проведены модельные эксперименты для определения параметров дефекта с использованием разработанных алгоритмов. '"

Реальные дефекты имеют слабо предсказуемый характер и, в некоторых случаях, сигнал, отраженный от таких дефектов, будет слабым, так как обратная диаграмма рассеяния дефекта не направлена в сторону приемника. При высокой скорости движения вагона-дефектоскопа время одного контроля (период следования радиоимпульсов) может снизиться до Т = 200 мкс. По этой причине практически невозможно применить в реальном времени многие алгоритмы томографии, которые требуют значительно больше времени на формирование и обработку сигналов.

Частичным решением этой проблемы является излучение только одного зондирующего сигнала и запись всех эхо-сигналов и1...дг(у, £), принимаемых на каждом элементе МПЭП, с последующей обработкой этих сигналов. Таким образом, для одного излучающего и N принимающих ПЭП матрица эхо-сигналов и будет записываться в виде вектора-строки:

и = |КЫ) ••• ип(у,г) ... ии(у,г)||.

На рис. 8 показана упрощенная структурная схема дефектоскопа с использованием МПЭП. Генератор 2 формирует зондирующий радиосигнал который отправляется на один из элементов МПЭП. Далее зондирующий сигнал5(4) распространяется в исследуемом рельсе и отражается от дефекта 1 назад. Эхо-сигналы и-1 ...лг(у>£) на каждом приемном ПЭП будут отличаться по размаху и задержке, так как все ПЭП имеют разное пространственное положение. Однако, чтобы сохранить преемственность с существующими системами дефектоскопирования, все эхо-сигналы складываются в блоке 3, затем детектируется по амплитуде в блоке 4 и в блоке 6 происходит пороговая обработка огибающей эхо-сигнала. На индикато-Рис. 8 ре 7, в привычном опера-

тору виде, отображается дефектограмма в виде В-развсртки. Также для обеспечения преемственности с обычными (одноэлемнтными) датчиками суммарная площадь всех элементов МПЭП должна быть близка по площади с одноэлементным ПЭП.

Кроме основной обработки эхо-сигналов (суммирование + детектирование), в блоке 5 производится обработка радиосигналов. Местоположение дефекта вычисляется по задержке эхо-сигналов и\...м{у, ¿)- И только в случае присутствия дефекта (превышение определенного порога по размаху

огибающей U(y, t) суммарного эхо-сигнала) записывается информация о его положении.

Головка рельса подвергается неравномерной нагрузке в плоскости поперечного сечения. Воздействие колесной пары подвижного состава на головку рельса наиболее сильно прояв- , „

Л 1 - М11сШ; 2 - дефект; 3 - проекция шеики рель-

ляется СО стороны реборды КО- са; 4 _ проекция болтового отверстия, леса, то есть рабочая грань ис- рис g

пытывает большую нагрузку. Из этого следует, что головку рельса целесообразно разбить на три зоны, в которых может располагаться дефект и обрабатывать эхо-сигналы для каждой зоны, как представлено на рис. 9.

Адаптивный алгоритм определения местоположения дефекта в головке рельса при перемещении у датчика вдоль оси Y следующий:

1) определить расстояние Ro{y) до дефекта;

2) вычислить матрицу углов отклонения основного лепестка ДН для каждой зоны <76 {1,2,3} головки рельса

®=\\Чу)\\ = \Ыу),вйу),вг{у)\\\

3) рассчитать матрицу весовых коэффициентов для эхо-сигналов U, направленных в определенную зону q головки рельса

W = ||rin,(y)|| = \\wnq(y) •

4) провести весовую, обработку сигналов для каждой зоны q

Ü = UW;

5) определить огибающую Uq(y,t) суммарного сигнала в каждой зоне q с помощью амплитудного детектора

Uq(y, t) = + v%(y,t); vq(y, t) ñq(y, í),

где Ж - операция преобразования по Гильберту;

6) выполнить пороговую обработку огибающих сигналов

(j(vt\ = {ПРИ Uq(y,t)^U0-, Я[У' \0, при Uq{y,t) < U0. '

7) принять решение о местоположении дефекта на основании превышения огибающей Uq(y,t) порогового уровня Uq (В-развертка) в зоне q.

В плоскости продольного сечения рельса целесообразно определять угол ориентации 0¿ плоского дефекта относительно нормали к поверхности катания рельса. Алгоритм определения угла ориентации плоского дефекта в шейке рельса будет подобен алгоритму определения местоположения дефекта в головке рельса. За исключением количества Q зон в плоскости вдоль шейки рельса и определения матрицы весовых коэффициентов

W = WRO(IP),

где Р = || Api, Ар2,..., Apjv|| ~ вектор-строка ослаблений сигнала в призме для МПЭП из-за различных расстояний от основания призмы до элемента МПЭП, I - единичный вектор-столбец размером Q, Wr = \\wnq(y) || - матри-

ца весовых коэффициентов для эхо-сигналов, (о) - операция поэлементного умножения матриц, п & {1... А/"}, N - количество элементов МПЭП.

Оценка угла оринетации в ¿(у) плоского дефекта определяется выражениями: = 90о _ р _

Ш =

к =

Рч(у) = Р + Ш,

У, при ия(у,Ь) = 1;

О, при йд(у, £) = 0. ' Ук & У, в которых сигнал ич(у, £)

1, а

где К - количество позиций вд(Ук)\к=0 = 0.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования разработанных адаптивных алгоритмов определения местоположения дефекта в головке рельса и угла ориентации плоского дефекта в шейке рельса. Выполнен сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования и натурного эксперимента.

На рис. 10 изображено схематичное расположение элементов экспериментальной установки для выявления дефекта в плоскости продольного сечения рельса. Элемент ^ МПЭП излучает зондирующий сигнал 5'(£), а остальные элементы МПЭП 51,2,3 являются приемниками эхо-сигналов «1,2,з(?У, £)■ Использование дополнительного излучающего элемента ¿>4 связано с ограничениями экспериментальной установки, а именно из-за низкой скорости переключения каналов приемника и передатчика по временному интервалу. Поэтому зондирующий сигнал б'(£) излучается отдельным элементом МПЭП.

Для этого эксперимента использовался датчик с углом наклона призмы а = 34° (угол ввода /3 = 42°), плоскость шейки рельса разбивалась на <5 = 3 зон. При этом углы отклонения основного лепестка составляли ()д « =р80. На рис. 10 показаны дефектограммы в виде В-развертки для каждой зоны д.

Дефект 1

Рельс

Болтовое отверстие \

Дефект 2

и 1 =^2 = 2 мм; вЛ1 = 42°; вй2 = 66°

Рис. 10

В скоростной дефектоскопии рельсов, основное применение датчиков с углом ввода /? = 42° - это обнаружение дефектов, развивающихся от болтовых отверстий. Такой угол ввода выведен из практических соображений, так как он является оптимальным для обнаружения дефектов в шейке и подошве рельса (в зоне проекции шейки рельса). В зоне <7 = 2, угол ввода /3 и приема /Зч{у) одинаков и на дефектограмме отображаются линии огибающих от болтового отверстия и дефектов 1, 2.

В зоне д = 1 для угол приема /Зг/ < /3, поэтому обнаруживается только дефект 2. Это объясняется тем, что дефект 2 имеет больший угол наклона в¿2, чем дефект 1. Соответственно эффективная поверхность отражения

для дефекта 2 и уровень эхо-сигналов, будет больше, чем дефекта 1, при угле ввода Ря. На дефектограмме, пороговый уровень превышают только сигналы от дефекта 2 и от болтового отверстия, линии огибающих которых отображены на рис. 11 (верхняя В-развертка).

В зоне д = 3 угол приема /Зд > р и ситуация противоположна ранее описанной. На дефектограмме отображаются только линии огибающих от дефекта 1 и от болтового отверстия. Угол (¡¿\ ориентации дефекта 1 меньше, чем у дефекта 2, то есть в этой зоне обратная диаграмма рассеяния направлена на датчик, а у дефекта 1 она направлена в другую сторону.

На основании изложенного, можно сделать выводы, что дефект 1 ориентирован более вертикально, чем дефект 2.

Угол в¿¡, при котором развивается дефект, также может служить дополнительным информационным параметром для классификации и систем автоматического распознавания дефектов. Кроме того контроль рельсов в области сварных швов должен проводиться датчиками с углом ввода (3 = 50°, который можно получить, отклоняя главный лепесток ДН на больший угол, чем это было сделано в эксперименте. Это позволяет расширить диапазон применения датчика - одновременно контролируется, и болтовые отверстия и область сварных швов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В результате проведенных в диссертационной работе исследований были получены следующие новые научные и практические результаты:

1) Проанализирована пространственно-временная модель распространения сигналов в ПЭП, призме и рельсе, а также его отражения от различных дефектов.

2) Разработан метод численного моделирования импульсных характеристик тракта «ПЭП —» призма —> рельс —> дефект —>• рельс —> призма —> ПЭП», позволяющий определить эхо-сигналы на выходах элементов МПЭП с учетом свойств всех компонентов тракта. Эхо-сигналы рассчитываются путем свертки зондирующего сигнала с импульсной характеристикой тракта, в которой распространялся зондирующий сигнал.

2100

200

Линии огибающих от дефекта" 1

-140-130-120-110-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 у, мм

Рис. 11

3) Выполнено численное моделирование тракта для точечного и плоского дефектов в условиях характерных для скоростной дефектоскопии рельсов: ПЭП с призмой перемещаются вдоль рельса с дефектом. Компьютерное моделирование учитывает расположение компонентов в 3-мерном пространстве-времени.

4) Разработан адаптивный алгоритм пространственно-временной обработки эхо-сигналов с МПЭП, позволяющий определить местоположение дефекта в головке рельса и угол ориентации плоского дефекта, развивающийся иод углами от 35° до 90°, в шейке рельса путем синтезирования диаграмм направленности на прием в нескольких направлениях.

5) Разработана программа, реализующая адаптивный алгоритм пространственно-временной обработки эхо-сигналов с МПЭП.

6) Проведено компьютерное моделирование и обработка эхо-сигналов для 2-х случаев:

- МПЭП с углом ввода ß = 65° и отклонением основного лепестка ДН в плоскости поперечного сечения рельса;

- МПЭП с утлом ввода ß = 42° и отклонением основного лепестка ДН в плоскости продольного сечения рельса.

Показано, что использование МПЭП позволяет уточнить пространственное положение дефекта по сравнению с обычным (одноэлементным) ПЭП.

7) Разработана экспериментальная установка на базе N1 РХ1-нлатфор-мы, позволяющая:

формировать зондирующие сигналы произвольной формы; принимать и накапливать эхо-сигналы с выводов МПЭП;

- применять обработку эхо-сигналов по произвольным программируемым алгоритмам с возможностью быстрого их изменения.

8) Проведены экспериментальные исследования работы установки на основе МПЭП на участке рельса с искусственными дефектами: засверленные отверстия в головке рельса и прорези от болтового отверстия в шейке рельса.

9) Проверка разработанных адаптивных алгоритмов в натурном эксперименте подтвердила высокую степень сходства с результатами компьютерного моделирования. Это позволяет использовать разработанную компьютерную модель тракта для предварительной обработки эхо-сигналов с выводов МПЭП.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Угольков A.B., Цветков Ф.А. Расчет эхо-сигнала ультразвукового дефектоскопа от точечного дефекта при малых расстояниях до излучателя импульсного зондирующего сигнала /7 Материалы международной научной конференции «Совреременные исследовательские и образовательные технологии», ч. 3. Таганрог, 2010. С. 66-72.

2. Угольков A.B., Цветков Ф.А. Моделирование поля пьезоэлектрических излучателей на языке программирования Lab VIEW / / Материалы международной научной конференции «Информационное общество: идеи, технологии, системы», ч. 3. Таганрог, 2010. С. 83-86.

3. Угольков A.B., Цветков Ф.А. Моделирование отраженного ультразвукового сигнала от плоского дефекта в рельсе // Материалы международной научной конференции «Информационное общество: идеи, технологии, системы», ч. 2. Таганрог, 2010. С. 68-75.

4. Угольков A.B. Расчет амплитуды эхо-сигнала на пьезоэлектрическом преобразователе от цилиндрического отверстия // X Всероссийская научная конференция «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». Таганрог, 2010. Т. 1. С. 16.

5. Угольков A.B. Расчет эхо-сигнала ультразвукового дефектоскопа от плоского дефекта при малых расстояниях до излучателя импульсного зондирующего сигнала // Материалы международной научной конференции «Актуальные вопросы исследования общественных систем» ч. 3. Таганрог, 2011. С. 57-60.

6. Угольков A.B. Расчет импульсных характеристик пьезопреобразовате-лей для различных дефектов при ультразвуковой дефектоскопии // «Известия ЮФУ. Технические науки». Таганрог, 2013. № 1. С. 26-32.

7. Угольков A.B. Применение многоэлементных пьезопреобразователей при скоростной ультразвуковой дефектоскопии рельсов железнодорожного пути // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона». Ростов-на-Дону, 2013. № 1. URL: http://ivdon.ru/ magazine/archive/nly2013/1579 (дата обращения: 12.06.2013).

8. Угольков A.B. Исследование поля пьезоэлектрических излучателей в ближней зоне // Сборник тезисов конференции «Молодежь XXI века -будущее российской науки», г. Ростов-на-Дону: 2010.

9. Угольков A.B. Скоростная ультразвуковая дефектоскопия рельсов с использованием многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей // Сборник тезисов конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций» / НИИ мостов и дефектоскопии // Федеральное агентство железнодорожного транспорта // Петербургский государственный университет путей сообщения. СПб.: 2013.

Личный вклад диссертанта в работах, выполненных в соавторстве, заключается в разработке программы расчета эхо-сигналов, компьютерном моделировании импульсных характеристик дефектоскопного тракта, разработке и изготовлении экспериментальной установки и проведении натурных экспериментов.

Типография Инженерно-технологической академии Южного федерального университета в г. Таганроге пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928. Заказ № 291 Тираж 100 экз.

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201 452781

Угольков Андрей Викторович

Алгоритм пространственно-временной обработки эхо-сигналов при скоростной дефектоскопии рельсов

железнодорожного пути

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность «05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Научный руководитель, д.т.н., профессор Федосов В.П.

Таганрог 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.........................'...... 5

ВВЕДЕНИЕ.............................................. 7

ГЛАВА 1 Системы неразрушающего контроля на железной дороге и оборудование, используемое в существующих вагонах-дефектоскопах 16

1.1 Назначение и принципы обработки эхо-сигналов ультразвукового вагона-дефектоскопа................................... 17

1.2 Дефекты рельсов, эхо-сигналы от которых обнаруживаются ультразвуковыми методами................................. 30

1.3 Способы представления эхо-сигналов....................... 33

1.4 Приборы и средства, используемые в ультразвуковых вагонах-дефектоскопах............................................. 36

1.5 Методы и алгоритмы обнаружения дефектов с использованием одноэлементных и многоэлементных датчиков...... 40

1.6 Постановка и структура решения задачи получения дополнительных параметров дефекта в рельсе.................... 46

1.7 Выводы......................................................... 48

ГЛАВА 2 Модель распространения и отражения ультразвуковых сигналов от различных дефектов в рельсе для многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей 50

2.1 Пространственно-временная модель распространения и отражения сигналов в рельсе...................................... 50

2.2 Алгоритмы расчета пространственно-временной модели распространения ультразвуковых сигналов...................... 53

2.3 Модель датчика ультразвуковых колебаний............... 60

2.4 Алгоритм расчета эхо-сигналов в призме и рельсе для точечного дефекта.................................................. 62

2.5 Алгоритм расчета эхо-сигналов в рельсе для плоских дефектов с различной ориентацией в пространстве............... 72

2.6 Результаты моделирования алгоритма расчета эхо-сигналов в призме и рельсе для точечного дефекта............ 75

2.7 Выводы......................................................... 80

ГЛАВА 3 Алгоритм определения пространственных координат дефекта в рельсе с использованием многоэлементных пьезопреобразователей 81

3.1 Алгоритм оценки местоположения дефекта в плоскости поперечного сечения рельса....................................... 82

3.2 Результаты компьютерного моделирования адаптивного алгоритма определения местоположения дефекта.............. 90

3.3 Алгоритм оценки угла ориентации плоского дефекта в плоскости продольного сечения рельса........................... 97

3.4 Результаты компьютерного моделирования адаптивного алгоритма определения угла ориентации плоского дефекта ... 101

3.5 Выводы......................................................... 107

ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование алгоритма оценки параметров дефекта в рельсе с использованием многоэлементных датчиков 109

4.1 Разработка и изготовление экспериментальной установки 109

4.2 Разработка и изготовление многоэлементных датчиков .. 116

4.3 Экспериментальное исследование алгоритма оценки местоположения дефекта в плоскости поперечного сечения рельса................................................................ 120

4.4 Экспериментальное исследование алгоритма оценки дополнительных угловых координат дефекта в плоскости продольного сечения рельса........................................... 125

4.5 Выводы......................................................... 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................... 132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................ 135

ПРИЛОЖЕНИЕ А Лицевая панель программы для моделирования эхо-сигналов от МПЭП, на языке МаЫаЬ........ 145

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Программа расчета эхо-сигналов для МПЭП, на языке МаЫаЬ.................................. 146

ПРИЛОЖЕНИЕ В Программа расчета импульсных характеристик канала распространения сигналов в призме и рельсе для точечного дефекта, на языке С ................ 149

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Программа расчета импульсных характеристик канала распространения сигналов в призме и рельсе для плоского дефекта, на языке С ................. 156

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Программа расчета матрицы весовых коэффициентов, на языке МаЫаЬ.......................... 163

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Программа отображения дефекто-грамм, на языке МаЫаЬ................................... 164

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Блок-диаграмма формирования и генерирования зондирующего сигнала, на языке ЬаЬУ1Е\¥ . . . 168

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Блок-диаграмма записи и отображения эхо-сигналов от МПЭП, на языке ЬаЪУ1Е\\г ............... 169

ПРИЛОЖЕНИЕ И Блок-диаграмма обработки эхо-сигналов от МПЭП, на языке ЬаЪУТЕ................... 170

ПРИЛОЖЕНИЕ К Блок-диаграмма весовой обработки эхо-сигналов от МПЭП, на языке Lab VIEW ............... 171

DSP FDTD

FMC NDT SAFT

TMF

АЦП

ВРЧ

ДН

KPBO

МПЭП

HK

ОЗУ

ПК

плис

ПФ

пэп

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ

Digital Signal Processor (Цифровой сигнальный процессор)

Finite Différence Time Domain (Конечные разности во временной области)

Full Matrix Capture (Сбор полной матрицы)

Non-Destructive Testing (Неразрушающий контроль)

Synthetic Aperture Focusing Technique (Метод фокусировки синтезированной апертуры)

Total Focusing Method (Метод общей фокусировки) Аналого-цифровой преобразователь Временная регулировка чувствительности Диаграмма направленности Конечные разности во временной области Многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь Неразрушающий контроль Оперативное запоминающее устройство Персональный компьютер

Программируемая логическая интегральная схема Полосовой фильтр

Пьезоэлектрический преобразователь

• -» Л т-г Л -I-T- т- тт /~ч /"-» /Л ГЧ 1 ГЛТТТЛТТТТТ ТТТ

СО Стандартный образец

УЗК Ультразвуковое колебание

ФАР Фазовая антенная решетка

ЦАП Цифро-аналоговый преобразователь

ЦФА Цифровая фокусировка антенной решетки

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Неразрушающий контроль обеспечивает безопасность движения поездов, эксплуатацию различных железнодорожных систем и своевременное обнаружение дефектов рельсов, состояние которых характеризуется их физико-механическими параметрами, условиями эксплуатации, состоянием проезжающего по ним транспорта и др. Поэтому своевременное диагностирование рельсового пути определяет надежность и безаварийность работы железнодорожного транспорта. Применение пространственно-временных алгоритмов обработки сигналов позволяет существенным образом расширить возможности дефектоскопных систем, повысить надежность контроля рельсов, а также увеличить вероятность обнаружения и количество признаков для классификации дефектов рельсов.

Теория пространственно-временной обработки сигналов находит применение во многих областях науки: радиолокации, радиосвязи, гидролокации, радионавигации, радиоастрономии и других [1, 2]. Кроме того, пространственно-временная обработка сигналов применяется для обнаружения и классификации дефектов рельсов железнодорожного пути, использующих магнитных методы дефектоскопии [3, 4].

Поскольку дефекты не точечные, а протяженные, возникает большая трудность разделения обработки эхо-сигналов на пространственную и временную. Она может быть разделена только для точечного объекта, но в дефектоскопии рельсов объект (дефект) таковым не является, поэтому пространственно-временная обработка сигналов, в общем виде, часто практически не реализуема.

Кроме того, каждый протяженный дефект обладает своей обратной диаграммой рассеяния, то есть дефект превращается в «антенну». Объект (дефект) возбуждается зондирующим сигналом, а потом превращается в излучатель со своей диаграммой направленности и значит максимум эффективной поверхности рассеяния имеет какую-то направленность. Это является естественным, если посмотреть с точки зрения антенной техники, протяженный объект имеет направленность поля, максимальную при от-

ражении перпендикулярно наибольшей плоскости. Поэтому возникает проблема установки облучающего и приемного датчика так, чтобы максимум отражения был направлен от дефекта на датчик.

Еще одной проблемой в дефектоскопии рельсового пути является возможность установки датчиков только на поверхности катания рельса. А в связи со сложной формой железнодорожного рельса области сканирования ограничиваются. Например, участок под болтовым отверстием и перья рельса не подвергаются контролю при скоростной дефектоскопии.

Неравномерный износ поверхности катания рельса также способствует образованию и развитию трещин со стороны рабочей грани рельса, то есть у реборды колеса. Вследствие чего становится актуальной задача определения местоположения дефекта в головке рельса железнодорожного пути.

Распространенной проблемой в дефектоскопии рельсового пути является влияние температуры на параметры ультразвуковых датчиков. Изменение температурного режима от —50°С до +50°С существенным образом сказывается на скорости распространения упругих колебаний в отклоняющей призме датчика. Откуда возникает необходимость в изменении угла наклона призмы, чтобы использовать датчики с требуемыми углами ввода ультразвуковых колебаний в рельс.

Узкий диапазон частот зондирующего сигнала также накладывает дополнительные ограничения. Применение более высокочастотных сигналов позволяет повысить разрешающую способность. Но из-за физических свойств материала рельса увеличение частоты зондирующего сигнала приводит к его сильному затуханию и появлению структурного шума, связанного с многочисленными переотражениями сигнала от неоднородно-стей (зернистости) материала рельса. Это приводит к тому, что простейшие алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов не всегда позволяют решить проблему контроля изделий сложной формы [5, 6].

Уменьшение частоты приводит к уменьшению затухания, но одновременно с этим увеличивается мертвая зона датчика и повышаются размеры обнаруживаемых дефектов.

Также недостатками традиционных методов ультразвуковой дефек-

тоскопии является низкая точность определения параметров дефектов и проблема их классификации. В результате чего повышаются требования к нормам контроля, действующим в различных областях. Между тем именно правильно выявленный тип дефекта, его пространственное положение и ориентация позволяет судить о возможной его опасности и определении возможности дальнейшей эксплуатации контролируемого объекта [7-9].

В ультразвуковой дефектоскопии рельсов пространственно-временная обработка сигналов нашла применение в портативных многоканальных системах [10-12]. В них широко применяется массивы разнесенных в пространстве преобразователей акустических сигналов в электрические и последующая обработка этих сигналов, обеспечивающая высокую разрешающую способность. Исследованиями в этой области занимаются специалисты НПО «ЦНИИТМАШ», «ЭХО+», фирм «АКС», «Olympus NDT», а также МЭИ, ИТА ЮФУ и другие.

Характерной особенностью таких систем является использование множества излучателей и приемников на основе пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) с широкими диаграммами направленности и, как правило, они отделены от блока формирования и обработки сигналов. Такая архитектура обладает универсальностью и позволяет применять системы преобразователей с различными конфигурациями и параметрами, используя одно и тоже вычислительное устройство, но с разными настройками.

Система разнесенных в пространстве преобразователей является фазовой антенной решеткой (ФАР) и представляет собой массив слабонаправленных датчиков (элементов), разнесенных в пространстве.

Применение ФАР по сравнению с другими антеннами (одноэлементными датчиками) дает следующие преимущества:

- формировать необходимую диаграмму направленности (ДН) антенны;

- изменять направление сканирования основного лепестка ДН без перемещения антенны и практически без инерции;

- управлять формой ДН (изменять ширину, уровень боковых лепестков).

К недостаткам следует отнести:

- дополнительные технические трудности, связанные с обработкой множества сигналов и учетом пространственного расположения элементов ФАР;

- увеличение стоимости датчика;

Однако все эти недостатки не являются ограничивающими факторами при использовании современных высокопроизводительных цифровых устройств обработки сигналов.

Основой существующих алгоритмов формирования и обработки сигналов для массива преобразователей в ультразвуковой дефектоскопии является формирование диаграмм направленности, ориентированных в определенную зону пространства, за счет чего достигается высокая пространственная разрешающая способность [13-19]. Чаще всего эти методы применяются для реконструкции изображения внутренней структуры исследуемого образца (рельса). В их основе лежит последовательное излучение зондирующих и сбор эхо-сигналов с различных элементов фазовой решетки. Далее выполняется процесс реконструкции путем когерентной обработки полученных эхо-сигналов.

Преимуществом излучения и приема сигналов со всевозможных позиций является сбор полной информации о дефекте(ах) и дальнейший ее анализ. Однако, эти методы обладают низкой скоростью сканирования, что препятствует непосредственному их использованию в скоростной дефектоскопии рельсов.

Особенностью скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути является достаточно быстрое перемещение датчиков вдоль поверхности рельса, что сопровождает взаимное изменение пространственного положения и ориентации датчика относительно дефекта в рельсе. Тогда основная задача скоростной дефектоскопии рельсов сводится к формированию и обработке сигналов, чтобы ориентировать диаграммы направленности на дефект и получить его пространственные координаты, за короткий промежуток времени. Такая задача может быть решена путем применения алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, которые представлены в работах А.И. Леонова, К.И. Фомичева, И.Я. Кремера, В.Г. Кар-

и

ташева, B.K. Качанова, A.A. Самокрутова, В.Г. Шевалдыкина и других.

Таким образом, актуальным является развитие алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов от многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей (МПЭП) применительно к скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути.

Целью диссертационной работы является повышение надежности контроля рельсов железнодорожного пути на основе пространственно-временной обработки эхо-сигналов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Разработать пространственно-временную модель распространения и отражения сигналов в дефектоскопном тракте (ПЭП —» призма —> рельс —>■ дефект —» рельс -» призма —ПЭП).

2) Выполнить расчет эхо-сигналов с помощью разработанной модели методом компьютерного моделирования при различных дефектах рельса железнодорожного пути.

3) Разработать адаптивные алгоритмы, позволяющие определить пространственные параметры дефекта на основе анализа эхо-сигналов на выходах многоэлементного датчика.

4) Провести обработку эхо-сигналов по разработанным адаптивным алгоритмам при различных типах и положениях дефектов.

5) Разработать и изготовить экспериментальную установку для проведения натурных экспериментов.

6) Проверить работоспособность разработанных алгоритмов с помощью натурных экспериментов, сравнить результаты моделирования и натурных экспериментов.

Объектом, исследования являются алгоритмы и цифровые устройства обработки эхо-сигналов для обнаружения и определения пространственных координат дефектов в рельсах железнодорожного пути.

Методы исследования основаны на использовании теории сигналов, линейной и матричной алгебры, методов статистического анализа, упругих колебаний и волн, а также теории электроакустических систем. Численные расчеты и компьютерное моделирование выполнено с и с-

пользованием численным методов прикладной математики и имитационного моделирования на языках Matlab и С. Экспериментальные исследования проводились с использованием установки на основе N1 РХ1-платфор-мы (аппаратно-программная установка корпорации National Instruments для формирования и сбора сигналов) и в среде графического программирования LabVIEW.

Научная новизна. В диссертационной работе получен ряд новых результатов, основные из которых сводятся к следующему:

1) Предложен метод расчета эхо-сигналов с помощью импульсных характеристик тракта «ПЭП —> призма —»■ рельс —» дефект —> рельс —> призма —» ПЭП» с учетом их взаимного расположения в 3-мерном пространстве.

2) Получены аналитические выражения для расчета эхо-сигналов при различных дефектах в рельсе.

3) Разработаны адаптивные алгоритмы оценки зоны расположения дефекта в горизонтальной плоскости и угла ориентации плоского дефекта при скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути.

Практическая значимость.

1) Предложен метод численного моделирования импульсных характеристик дефектоскопного тракта, позволяющий рассчитать эхо-сигналы для МПЭП от точечного дефект