автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование характеристик трехмерного звуковизора на основе твердотельного акустического преобразователя

На правах рукописи

004612077

Волков Алексей Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХМЕРНОГО ЗВУКОВИЗОРА НА ОСНОВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 НОЯ 2010

Москва-2010

004612077

Работа выполнена на кафедре физики конденспрошчного состояния Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета)

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, чл.-корр. РАН, профессор Сигов Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тумковский Сергей Ростиславович доктор физико-математических наук, с.н.с. Гусейн-заде Намик Гусейнага оглы

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт», г. Москва

Защита состоится 18 ноября 2010 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 в Московском государственном институте электроники и математики (технического университета) по адресу:

109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ (ТУ)

Автореферат разослан « » сентября 2010 г.

Ученый секретарь .....-.

диссертационного совета

к.т.н., профессор 4..j) \ H.H. Грачев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Звуковидение - метод интроскопии, при котором изображение объекта, не видимого невооруженным глазом, получают с помощью звука, используя его свойство распространяться в различных средах с неодинаковой скоростью. В конце XX - начале XXI веков проникновение человека под воду приняло массовые масштабы, причем цели проникновения стали самыми разнообразными. Это военные цели, подводная добыча полезных ископаемых, научные исследования мирового океана, строительство подводных индустриальных объектов и другие. Водная среда в большинстве случаев не является оптически прозрачной, поскольку содержит разнообразные взвешенные частицы — замутнения, препятствующие получению оптического изображения. Замутнения имеют как естественную, так и техногенную природу. Чем сильнее оказывается физическое воздействие сил природы или деятельности человека на водную среду, тем более сильное замутнение в ней образуется. Сфера интересов человека зачастую связана с получением изображения именно в оптически слабо прозрачной или совершенно непрозрачной воде. Этим и объясняется пристальный интерес к акустическим средствам визуализации объектов, намного менее чувствительным к содержанию взвешенных частиц, в сравнении с оптическими средствами визуализации.

Проблемы звуковидения, вызывают интерес специалистов достаточно давно, с начала XX века. В этой области исследований и технических приложений человечеством накоплен определенный опыт и получены ощутимые результаты. Устройство визуализации, получившее название звуковизор, работает по принципу, похожему на принцип действия телевизионной камеры в условиях недостаточного внешнего освещения, когда используется прожектор. Только наблюдаемый объект в данном случае облучается источником ультразвуковых волн, а матричное звукоприемное устройство преобразует отраженные от объекта волны в электрические сигналы и передает их для отображения на устройство отображения. Способ получеши изображения основан на использовании амплшудного различия сигналов, приходящих от объекта, по отношению к окружающему фону.

За свою историю, звуковидение прошло серьезный эволюционный путь. Проведены многочисленные научные исследования в области взаимодействия звуковых волн со средой, звуковой оптики, акустоэлектриче-

ского преобразования и обработки сигналов. В звуковидении выделились специфические направления, связанные с различными прикладными задачами, такими как собственно подводное звуковидение, медицинская диагностика, дефектоскопия и другие. Был разработан ряд, как чисто экспериментальных приборов, так и вполне пригодных для практического применения звуковгооров. Среди последних можно выделить звуковизор, предложенный к производству по заказам Акустическим институтом, поисково-разведочный гидроакустический комплекс "Кедр", созданный в ЦНИИ "Гидроприбор" и ЦНИИ " Морфизприбор", трехмерная акустическая камера реального времени "ЕсЬозсоре", созданная Норвежской нефтяной компанией 81аим1 и компанией ОтшТесЬ из Бергена.

Проведенный анализ имеющихся данных позволил выявить определенные недостатки в качестве получаемых изображений, и новые, перспективные направления визуализации в оптически непрозрачной среде. Основным принципиальным недостатком классического звуковидения является достаточно низкий контраст изображения, или даже полное отсутствие контраста в случае, когда отражающая способность элементов исследуемого объекта одинакова или мало отличается.

Главной предпосылкой для дальнейшего развития классического звуковидения является достигнутый уровень развития полупроводниковой микроэлектроники. Технологический уровень интеграции современных полупроводниковых элементов вполне позволяет создать устройство визуализации, удовлетворяющее требованиям по качеству изображения. В то же время уровень развития компьютерной техники позволяет производить обработку и восстановление изображения с высокой скоростью в режиме реального времени.

Актуальность поставленной в диссертациошюй работе задачи определяется практической важностью получения более качественных, и более информативных акустических изображений с учетом возрастающих современных требований, при невысокой стоимости устройства визуализации. В частности остро стоит вопрос о создании "электронного глаза" для подводных робототехнических систем.

Цель диссертационной работы. Разработать метод повышения качества, контраста и информативности изображения звуковизора. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• провести критический анализ более ранних разработок в области звуковидения;

• сформулировать начальные технические требования к прибору визуализации;

• исследовать возможность применения зеркальной звуковой оптики для повышения технологичности и снижения стоимости прибора;

• провести исследоваши характеристик отражещи коротких импульсных сигналов от твердых предметов в водной среде;

• разработать и изготовить экспериментальный макет прибора для практических экспериментов по получению изображений;

• провести качественную и количественную оценку акустических и электрических параметров звуковшора на основе полученных экспериментальных данных;

• разработать структурную и принципиальную схемы прибора для постановки на производство.

Научная новизна. Большинство результатов диссертационной работы являются новыми. На момент начала работы автора по представленной тематике в открытой печати отсутствовала информация о разработках звуковшора, открывающего возможность построения изображения в трехмерной проекции. В работе впервые предложена оригинальная теоретическая модель, позволяющая использовать звукооптическую систему для построения изображения в трехмерной проекции путем использования нестационарного акустического сигнала. Теоретически и экспериментально изучены характеристики отражения звуковых волн от твердых предметов в водной среде при нестационарном характере звукового сигнала, в частности, детально исследованы параметры акустического поля в фокальной плоскости зеркала для различных внешних условий. Проведены анализ и компьютерное моделирование пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости.

В диссертации разработаны разнообразные методы регистрации коротких импульсных звуковых сигналов и проведено компьютерное моделирование различных методик регистрации. Показано, что обработка отраженного сигнала дает информацию, достаточную для построения трехмерных изображений разнотипных исследуемых объектов. На экспериментальном макете, использующем зеркальную звуковую оптику, получены изображения различных типов объектов посредством последовательного сканирования их короткими звуковыми импульсами. Разработаны и предложены к практической реализации структурные, принципиальные и конструктивные схемотехнические решения.

Практическая значимость работы. В отличие от классического зву-ковизора с двумерным изображением, трехмерный звуковизор позволяет

отображать рельеф поверхности, даже если отражающая способность всех элементов объекта одинакова. Трехмерный звуковизор позволяет достаточно точно определять линейные размеры объекта, а также позиционировать объект, определяя расстояние до его составных элементов. Эти возможности значительно расширяют сферу применения звуковидения.

Основными достоинствами трехмерного звуковидения являются значительно лучшая способность идентификации объекта и возможность различения объекта, сливающегося с фоном, например дном водоема. Также становится возможной автоматическая идентификация объектов, что позволяет использовать звуковидение в качестве "электронного глаза" различных роботизированных подводных технических систем.

Улучшенные возможности позволят более широко применять звуковидение в военных целях, аварийно-спасательных работах, криминалистике, строительстве подводных объектов, дефектоскопии и других видах деятельности человека в водной среде.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель, позволяющая моделировать характеристики пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости зеркала.

2. Параметры акустического поля в фокальной плоскости и ее окрестности для различных условий, полученные посредством компьютерного моделирования.

3. Оригинальная методика регистрации коротких сигналов, разработанная на основе анализа модели фазового детектора.

4. Макет трехмерного звуковизора, позволяющий исследовать параметры акустического поля в фокальной плоскости зеркала и получать изображения неподвижных объектов методом механического сканирования.

5. Результаты экспериментального исследования акустического поля в фокальной плоскости при нестационарном характере звукового сигнала.

6. Схемотехнические решения для создания матричного акустического преобразователя, полученные на основе разработанной методики регистрации коротких сигналов.

Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в МИРЭА в учебном процессе, в Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН, внедрены в Федеральном государственном унитарном предприятии "Акустический институт имени академика H.H. Андреева".

Достоверность основных положений и выводов подтверждена экспериментально в процессе исследований разработанных макетов зву-

ковизоров, а также точностью расчетов их параметров (1,0...0,5)% и характеристик, примерно соизмеримой с погрешностью применяемых измерительных приборов, совпадением результатов настоящей работы с данными, полученными другими авторами, а также актами о внедрении и использовании научных и практических результатов настоящей диссертации.

Апробация работы. Результаты работы по этапам регулярно докладывались и обсуждались на семинарах факультета электроники и НТК МИРЭА, конференциях разного уровня, опубликованы в открытой печати. На основании результатов экспериментов и модельных расчетов автором самостоятельно сконструирован макет звуковизора, предназначенного для получения трехмерного изображения статических объектов, посредством пространственно-временной имитации матрицы 100x100 элементов одним акустическим приемником. Получены трехмерные акустические изображения тестовых объектов с вполне удовлетворительным качеством.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в десяти печатных работах, из которых 1 статья в ведущем российском научном журнале, рекомендованном ВАК для публикации материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, гати глав, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений. Объем диссертации составляет 229 страниц, в том числе 92 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 111 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи, предложены методы исследования, представлены новизна, научная и практическая ценность, положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание и основные результаты работы.

Первая глава содержит обзор научно-технической литературы в области звуковидения за последние годы и разнообразные материалы, поясняющие постановку задач, связанных с решением актуальных проблем звуковидения. Определены принципы визуализации различных типов изображений. Приведены технические характеристики серийно выпускаемых приборов, производящих визуализацию изображений для оптически непро-

зрачных сред. Проведен краткий анализ других современных методов визуализации изображений объектов.

Вторая глава носит оригинальный характер и посвящена анализу характеристик зеркальной фокусирующей системы при стационарном и нестационарном характере звукового сигнала.

При эхо-импульсном режиме визуализации локалгоация изображения объекта происходит путем выбора пространственно-временных срезов исследуемого объекта. При этом от выбора фокусирующей системы зависит линейность воспроизведения размеров в плоскости, перпендикулярной оси фокусирующей системы, и поперечная разрешающая способность.

Определены основные задачи при анализе фокусирующей системы:

1. Определить характер временной зависимости функции отклика точечного источника (ФОТИ) при немонохроматическом сигнале в точке Ы(х„,0,0) при фиксированном значении хи и гм = 0.

2. Найти характер временной зависимости ФОТИ при немонохроматическом сигнале в точке N(xK, г,,, q>H) при изменении положения точечного источника хм Роль фокусирующей системы в "отстраивании" от изображения по глубине и в плоскости изображения.

3. Найти характер зависимости ФОТИ от Аг„ и Ах„ при фиксированном значении хм,гм и перейти к определению Ar„,im— понятию, аналогичному радиусу кружка Эйри при непрерывном излучении. Необходимо сформулировать понятие (Дги) — для широкополосного излучения km]n<k< kma и нестационарного процесса.

4. Вычислить значение параметра ArN, соответствующее максимуму ФОТИ PN (xN, rN + Arw, <pN) при смещении источника на Дг„ в плоскости

Д г

изображения. Проверить, что —- = const (отсутствие геометрических ис-

Агм

кажений в плоскости изображения). Найти разрешение в центре и на краю при гм =0 и гм *0.

На основе представлений, использующих интегральные преобразования Кирхгофа для расчета акустических полей с учетом конкретной геометрии фокусирующей системы в виде сферического зеркала получены выражения, позволяющие рассчитать поле изображения точечного источника, находящегося на некотором расстоянии от заданной системы. Эти выражения получены как для стационарного, так и для нестационарного характера излучения источника. Анализ поля, возникающего в плоскости изображения источника, позволяет определить основные характеристики

фокусирующей системы, такие как наличие (или отсутствие) геометрических искажений и разрешающую способность.

Выдвинуто предположение, что излучение от объекта строго гармоническое.

1. Источник описывается функцией:

"(0=

К 0

сое(0„Г 0<Г<

ПК

СО •

ПК

г>— со

2. Спектр сигнала источшша имеет сравнительно небольшую полосу Дк,

к0<к<к0+Ак.

При стационарном режиме / > /0 + т0 формирование сигнала в фокальной области определяется только поведением подынтегральной функции

Ф

X-

П + г2

2 С„

Г, +г,

2с,

Хп

Я

Чк +—Мг

¿ф,

(1)

где

Г1 - ^(Н

1-—(1-сов^)

X г,

2 'К ^

\Х О ;

вш2 в

На первом этапе находится характер зависимости давления в фокусе при X = 0 и г = 0. В этом случае интегральное уравнение упрощается, интегрирование по <р дает 2л:

Р(л=МЕ^21 У ' 2с

Г.+П

Ф\ г—!—^

М-5

Г. 1 • Г2

вш в

Хп. К

V п

Чк +-М2

<1в. (2)

'2 У

Задачи анализа распределения поля звуковой фокусирующей системы не имеют аналитического решения. В связи с большим объемом вычислений численное моделирование можно выполнить лишь посредством мощных вычислительных средств.

В диссертации проведено компьютерное моделирование пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости зеркала. Расчет по формуле (2) определяет результирующую осциллограмму принятого сигнала, сфокусированного зеркалом. Пример окна с результатом расчета сигнала представлен на рис.1.

Счжие усло/ие**; Акалиа

и 5.Б88Е+03

Л1 | И II I Щ|Цдал.

1 1 1 I! ррм-

-Б.602Е+03

Рис. 1. Результат расчета сигнала

При расчете осциллограммы принятого сигнала в качестве начальных условий задаются фокусное расстояние зеркала, апертура (диаметр) зеркала, расстояние до источника или до отражающего объекта, частота и длительность сигнала, вводимые в таблицу параметров. Данный пример показывает амплитудные и временные искажения получаемого сигнала в процессе фокусирования зеркала. Расчет по формуле (1) показывает распределение давления звуковой волны в области точки изображения акустического зеркала.

На рис. 2 показан пример расчета давления для источника волны, расположенного на оси зеркала.

3>айл Сет* йи*>лв»*> Апало

и

ит

0.7 ит I I

' лЛ^

-15.0 -12.5 -10.0 -7.5 -5 0 -2 5 0 2.5 5.0 7.5 10 0 )2.Б 15 0 Х| акувя^гяач»^

Рис.2. Пример расчета давления волны

Для получения более достоверных результатов распределения энергии звукового поля в фокальной плоскости предусмотрена возможность моделирования с учетом аберрации и построения результатов в трехмерной проекции.

При смещении источника с оси зеркала распределение звукового поля также смещается с оси и приобретает форму, представленную на рис. 3.

Рис.3. Пример моделирования в трехмерной проекции для смещенного с оси зеркала источника

Третья глава посвящена определению особенностей распространения звуковых волн в водной среде. Проведен сравнительный анализ из-

вестных методов приема, и регистрации сигналов применительно к случаю приема и регистрации отраженного акустического сигнала. Предложены оригинальные методы детектирования акустического сигнала.

Характеристики подводного распространения звука по каналу связи, образуемому водной средой, определяются неоднородности! границ канала — поверхностью и дном, а также пространственным и временным распределениями скорости звука и, хотя и в меньшей степени, скоростями частиц жидкости в потоках объема среды. Объемные неоднородности канала связи, отображаемые распределениями скорости звука и плотности, характеризуются высокой степенно изменчивости. Значительные флуктуации объемных неоднородностей в зависимости от глубины, расстояния по горизонтали и времени имеют множество различных пространственных и временных масштабов. Анизотропный (по вертикали размеры существенно меньше, чем по горизонтали) и неоднородный характер водной толщи сильно влияет на качество передата звука и часто может приводить к заметным изменениям амплитуды и фазы сигнала. Распространение звука между источником и приемником на большие расстояния в воде обычно происходит по нескольким траекториям.

Многолучевое распространите объясняется тем, что акустическая волна в процессе распространения через среду теряет поперечную когерентность, так как различные части фазовой поверхности рассеиваются по-разному, что приводит к распаду когерентного волнового фронта на ряд некоррелированных волн. Флуктуации при многолучевом распространении вызываются не-однородностями с различными масштабами, и принимаемое акустическое поле в условиях многолучевости в большей степени определяется случайным наложением независимых сигналов, чем деталями структуры среды. Подобная характеристика канала распространеши ультразвуковой волны накладывает ряд существенных особенностей на методы обработки сигналов изображения в звуковизионной системе с импульсным характером облучающей волны. Следовательно, особенности приема акустических волн в водной среде определяются следующими факторами:

1. Высокий уровень посторонних акустических сигналов, особенно сильный в нижней части частотного диапазона.

2. Случайная характеристика фазы пригашаемого сигнала относительно фазы облучающего, а также возможное наличие допплеровского сдвига частоты принимаемого сигнала.

3. Случайная характеристика амплитуды принимаемого сигнала в некотором диапазоне значений.

4. Искажение формы и длительности акустического импульса звукооп-тической системой.

Выявлена невозможность применения обычных методов амплитуд-

ного и фазового детектирования сигнала для регистрации отраженного акустического сигнала в связи с высоким уровнем помех и со случайной характеристикой фазы принимаемого сигнала относительно фазы опорного сигнала. Проведена работа по поиску подходящих решений. За основу был взят классический фазовый детектор, поскольку многие его свойства являются очень привлекательными для обработки сигналов. Необходимо лишь, путем применения некоторых оригинальных решений, добиться возможности детектировать сигнал при случайной фазе входного сигнала. И такие решения были найдены. Их оказалось как минимум два.

Первое решение проблемы относится к случаю небольшого различия между частотами детектируемого и опорного сигналов. Тогда детектор еще вполне удовлетворительно производит свою работу, но оказывается не чувствителен к случайной фазе детектируемого сигнала. Такой детектор называют асинхронным (рис.4).

На выходе ключа 81 имитируется принятый акустический сигнал, задаваемый синусоидальным источником VI и прямоугольным VI. Источник УЗ с инвертором Е4 образует генератор опорной частоты. Его частота меньше (но может быть и больше) частоты источника V1 на такую величину, что сдвиг фазы двух сигналов между началом и концом ультразвукового сигнала (набора из определенного количества периодов), определяемого единичным состоянием источника У2, составляет одну четверть периода источника V1 или ХУ4 для реального ультразвукового сигнала.

Вторым, более сложным, решением является использование двух па-

................ЮОп. ........

Рис. 4. Модель асинхронного фазового детектора

раллельных фазовых детекторов, в которых фаза опорных сигналов сдвинута на 90°, а их частота совпадает с частотой детектируемого сигнала. Такой детектор будет называться синхронным. После детектирования сигналы от двух детекторов складываются, и также получается нечувствительность по отношению к случайной фазе детектируемого сигнала (рис. 5).

Рис. 5. Модель синхронного фазового детектора со сдвинутыми по фазе на 90° двумя опорными источниками

На выходе ключа S1 имитируется принятый акустический сигнал, задаваемый синусоидальным источником VI и прямоугольным V2. Фазовый детектор состоит из двух самостоятельных цепей детектирования. Источник V10 с инвертором Е12 образуют источник опорной частоты, синхронной с частотой входного сигнала. Ключи Sil, S12 и цепь R27, С6 образуют первую цепь фазового детектирования. Источник V3 с инвертором Е4 образуют источник опорной частоты, синхронной с частотой входного сигнала, но сдвинутый по фазе относительно V10 на 1/4 периода.

Ключи S2, S3 и цепь R26, С7 образуют вторую цепь фазового детектирования. Элементы ABS преобразуют значения сигналов с выходов цепей фазового детектора в абсолютные и суммируют их. На выходе сумматора (R29) образуется результирующий сигнал. Исследования показали, что вышеперечисленные методики фазового детектирования позволяют преодолевать высокий уровень посторонних акустических сигналов в нижней части частотного диапазона. Отсутствует чувствительность к случайной характеристике фазы принимаемого сигнала относительно фазы облучающего и к наличию допплеровского сдвига частоты принимаемого сигнала. Тем самым разработанные методики удовлетворяют требованиям, которые накладываются особенностями распространения акустических волн от излучателя до приемника в водной среде.

Также рассмотрен вопрос построения трехмерных изображений, так называемой ЗБ графики, и метод повышения качества изображения посредством суммирования сигналов с нескольких кадров для случаев очень слабых отраженных сигналов.

Четвертая глава посвящена рассмотрению вопросов разработки составляющих частей экспериментальной установки для получения акустических изображений в лабораторных условиях.

Установка (рис.6) состоит из устройства механического сканирования (1), зеркальной фокусирующей системы (2), ультразвукового микрофона (3), излучателя ультразвука (4), электронного блока управления (5) и персонального компьютера (6,7), блока источников питания (8).

Рис. 6. Фотография установки

В основе экспериментальной установки лежит принцип механического сканирования фокальной плоскости акустического зеркала с одним единственным приемным элементом. Акустическое изображение формируется путем последовательного накопления данных с каждой позиции приемного элемента в оперативной памяти управляющего персонального компьютера. Приведены полученные посредством макета трехмерные акустические изображения различных объектов.

В экспериментальной установке использовано сферическое стеклянное оптическое зеркало диаметром 240 мм и радиусом кривизны 320 мм, усеченное с двух сторон до ширины 120 мм. Подобное зеркало обладает достаточно высокой аберрацией, особенно на краях фокальной плоскости, размером 100x100м. С экспериментальной точки зрения этот факт являлся интересным, так как позволил выявить реальное влияние аберраций на качество акустических изображений.

На рис. 7 представлена фотография тестового объекта, а на рис. 8 приведено изображение этого объекта, полученное с помощью макета разработанного звуковизора.

Рис. 7. Объект Рис. 8. Изображение объекта

Пятая глава посвящена вопросам разработки матричного акусто-электрического преобразователя. Устройство, преобразующее акустическое изображение в электрические сигналы, является самой сложной и дорогостоящей частью звуковизора. Как показывает практика построения изображения в других областях техники, для получения изображения с удовлетворительной разрешающей способностью, такое устройство должно представлять собой матрицу около 100x100 пикселей, что составляет, соответственно, около 10000 приемных элементов. Для каждого приемного элемента устройство должно иметь усилитель и детектор электрического сигнала. Для передачи информации на устройство отображения необходимо устройство коммутации и преобразования данных об изображении в последовательный формат. Весь этот многочисленный набор элементов должен быть упакован в достаточно малый объем. Размер фронтальной стороны определяется размерами плотно лежащих друг к другу приемных элементов размером 1x1мм, и составляет немногим более 100x100 мм. Толщина матричного преобразователя физических ограничений не имеет и определяется технологическими особенностями производства.

Основными критериями разработки столь масштабного устройства, помимо обеспечения надлежащих качественных характеристик приема и преобразования акустических сигналов, являются технологичность и экономичность. Оценивая масштаб данного устройства, можно прийти к однозначному выводу, что его производство целиком, в виде одной интегральной схемы не вписывается в названные критерии. Поэтому предлагается собирать преобразователь из небольших однотипных модулей. Размеры модуля и его составляющие с легкостью можно адаптировать к возможностям промышленного производства интегральных микросхем. Дальнейшая

сборка матричного преобразователя из модулей в таком случае может быть выполнена на сборочном производстве.

Проведя анализ производства современных интегральных и гибридных микросхем можно сделать вывод, что оптимальной формой модуля может быть плоская, с рядным расположением приемных элементов. Число приемных элементов в модуле равно 16 и определяется оптимальной шириной модуля 16мм с учетом полного использования четырех адресных разрядов коммутатора сигнала. Используя подобную модульную структуру, не сложно собрать матрицу акустических приемников любого требуемого размера с кратностью 16 по одной стороне и кратностью 1 по другой.

При разработке схемотехнических решений приемника и детектора акустического сигнала использовалась система проектирования DtsignLab Е\'а1 8. Основой для разработки электронной схемы послужили оценочные расчеты, описанные в третьей главе.

В данной главе приведены разработанные схемотехнические решения приемника, двух вариантов детектора, сумматора, выходного усилителя, коммутатора и дешифратора. Представлены результаты моделирования воздействия короткого ультразвукового сигнала на разработанные схемы.

Основные результаты и выводы

1. Получены выражения, позволяющие рассчитать поле изображения точечного источника, находящегося на некотором расстоянии от заданной системы, как для стационарного, так и для нестационарного характера излучения источника. Анализ поля, возникающего в плоскости изображения источника, позволяет определить основные характеристики фокусирующей системы, геометрические искажения и разрешающую способность.

2. На основе полученных выражений построена математическая модель акустического зеркала и создана компьютерная программа, способная моделировать характеристики пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости зеркала.

3. В результате компьютерного моделирования процессов регистрации коротких звуковых импульсов разработаны новые методы приема и обработки сигналов для целей получения трехмерных акустических изображений.

4. На основании результатов математического моделирования схемотехнических решений выполнена разработка экспериментального макета, предназначенного для исследования акустического поля в фокальной плоскости и получения акустического изображения методом последовательного сканирования короткими звуковыми импульсами.

5. Экспериментально определены характеристики отражения звуковых волн от твердых объектов и характеристики распространения волн в жидкой среде при нестационарном характере звукового сигнала.

6. На экспериментальном макете получены изображения различных типов объектов с использованием разработанных методик приема и обработки сигналов.

7. Разработаны схемотехнические решения для выполнения действующего образца матричного преобразователя. Проведено компьютерное моделирование процессов приема и обработки коротких ультразвуковых сигналов разработанными схемами.

Список публикаций автора по теме диссертации

1. Волков A.B. "Методика получения трехмерных изображений в зву-ковидении". Наукоемкие технологии №8 2008г. Москва, С. 67-72.

2. Волков A.B. "Методы обработки акустическою сигнала для трехмерного звуковидения" Материалы Международной научно-технической школы-конференции "Молодые ученые - пауке, технологиям и профессиональному образованию в электронике" Москва 2006 г.

3. Волков A.B. "Получение трехмерных акустических изображений посредством звуковой оптики" Материалы Международной научно-технической школы-конференции "Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике", Москва 2006 г.

4. Казанцев В.Ф., Волков A.B. Анализ характеристик зеркальной фокусирующей системы при нестационарном характере звукового сигнала. Материалы юбилейной научной конференции. Москва. 2001 г., С. 103-109.

5. Волков A.B. Принципы построешга трехмерных систем звуковидения на основе пьезоэлектрической матрицы. Международная научно-техническая конференция "Межфазная релаксация в полиматериалах" Москва. 2001г.

6. Казанцев В.Ф. Волков A.B. Математическое моделирование пространственно-временного звукового поля систем звуковидения с пьезоиз-лучателем". Международная научно-техническая конференция "Межфазная релаксация в полиматериалах. Москва. 2001 г.

7. Волков A.B. Мостовой генератор для пьезоизлучателя, журнал "Радио", №6, 1995 г.

8. Волков A.B. УЗ датчик системы охранной сигнализации, "Радио" №5 1996 г.

9. Volkov A.V. Three-dimensional sound-vision system based on piezoelectric matrix. Proceedings of II Russian-Japanese Seminar "Perspective Technologies, Materials and Equipments of Solid-State Electronic Components", MISA-ULVAC 06.04.2004, Москва, С. 436-443.

10. Volkov A.V. Computer simulation of space and time distribution of acoustic field in focal plane of mirror focusing system. International Seminar "Matériaux et composants piezo-, pyro-, ferroelectriques", Resumes des Journees d'etudes 19-20 mars 1996, Limoges, France., P. 6A-10A.

Подписано в печать ' ' , .2010. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 70 экз. Заказ 546

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

Введение

Г л а в а 1. Обзор состояния исследований и существующих систем в области звуковидения к моменту начала работы

1.1 Становление звуковидения

1.2 Промышленные системы визуализации

1.2.1 Ультразвуковая система визуализации объектов в 36 водной среде (звуковизор)

1.2.2 Гидролокаторы

1.2.3 Трехмерная акустическая камера реального времени

1.3 Прочие методы визуализации

1.3.1 Трансмиссионная визуализация

1.3.2 Трансмиссионная реконструктивная визуализация полей затухания и скорости звука

1.3.3 Визуализация в режиме обратного рассеяния с реконструкцией по двум параметрам

1.3.4 Акустическая голография

1.3.5 Акустическая микроскопия

1.4 Выводы

Г л а в а 2. Анализ характеристик зеркальной фокусирующей системы при нестационарном характере звукового сигнала

2.1 Анализ характеристик зеркальной фокусирующей системы

2.2 Анализ поля в фокальной области сферического зеркала при стационарном и импульсном характере акустического сигнала

2.3 Анализ поля вблизи точки изображения

2.4 Компьютерное моделирование пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости зеркала 88 2.54 Выводы

Глава 3. Методы регистрации и обработки нестационарных сигналов для построения трехмерных акустических изображений

3.5 Исследование классических методик детектирования сигналов применительно к задачам трехмерного звуковидения

3.6 Разработка новых методик детектирования сигналов применительно к задачам трехмерного звуковидения

3.1 Оценка уровня помех в канале связи звуковизора

3.2 Особенности распространения звуковых волн в канале связи звуковизора

3.3 Оценка чувствительности и дальности действия звуковизора

3.4 Особенности преобразования звуковых волн в трехмерном звуковидении

3.7 Построение трехмерных изображений

3.8 Метод повышения качества изображения суммированием кадров

3.9 Выводы

Глава 4. Экспериментальная установка и результаты

Исследований.

4.1 Описание установки

4.2 Описание программы управления

4.3 Описание механического устройства сканирования изображений

4.4 Устройство приема ультразвуковых волн

4.5 Результаты исследований

4.6 Выводы

Глава 5. Разработка матричного акустоэлектрического преобразователя

5.1 Конструкция

5.2 Схемотехника

Актуальность темы. Звуковидение - метод интроскопии, при котором изображение объекта, не видимого невооруженным глазом, получают с помощью звука, используя его свойство распространяться в различных средах с неодинаковой скоростью. В конце XX - начале XXI веков проникновение человека под воду приняло массовые масштабы, причем цели проникновения стали самыми разнообразными. Это военные цели, подводная добыча полезных ископаемых, научные исследования мирового океана, строительство подводных индустриальных объектов и другие. Водная среда в большинстве случаев не является оптически прозрачной, поскольку содержит разнообразные взвешенные частицы — замутнения, препятствующие получению оптического изображения. Замутнения имеют как естественную, так и техногенную природу. Чем сильнее оказывается физическое воздействие сил природы или деятельности человека на водную среду, тем более сильное замутнение в ней образуется. Сфера интересов человека зачастую связана с получением изображения именно в оптически слабо прозрачной или совершенно непрозрачной воде. Этим и объясняется пристальный интерес к акустическим средствам визуализации объектов, намного менее чувствительным к содержанию взвешенных частиц, в сравнении с оптическими средствами визуализации.

Проблемы звуковидения, вызывают интерес специалистов достаточно давно, с начала XX века. В этой области исследований и технических приложений человечеством накоплен определенный опыт и получены ощутимые результаты. Устройство визуализации, получившее название звуковизор, работает по принципу, похожему на принцип действия $ телевизионной камеры в условиях недостаточного внешнего освещения, когда используется прожектор. Только наблюдаемый объект в данном случае облучается источником ультразвуковых волн, а матричное звукоприемное устройство преобразует отраженные от объекта волны в электрические сигналы и передает их для отображения на устройство отображения. Способ получения изображения основан на использовании амплитудного различия сигналов, приходящих от объекта, по отношению к окружающему фону.

За свою историю, звуковидение прошло серьезный эволюционный путь. Проведены многочисленные научные исследования в области взаимодействия звуковых волн со средой, звуковой оптики, акустоэлектрического преобразования и обработки сигналов. В звуковидении выделились специфические направления, связанные с различными прикладными задачами, такими как собственно подводное звуковидение, медицинская диагностика, дефектоскопия и другие. Был разработан ряд, как чисто экспериментальных приборов, так и вполне пригодных для практического применения звуковизоров. Среди последних можно выделить звуковизор, предложенный к производству по заказам Акустическим институтом, поисково-разведочный гидроакустический комплекс "Кедр", созданный в ЦНИИ "Гидроприбор" и ЦНИИ " Морфизприбор", трехмерная акустическая камера реального времени* "ЕсЬоБсоре", созданная Норвежской нефтяной компанией 81аЫ1 и компанией ОшшТесЬ из Бергена.

Проведенный анализ имеющихся данных позволил выявить определенные недостатки в качестве получаемых изображений, и новые, перспективные направления визуализации в оптически непрозрачной среде. Основным принципиальным недостатком классического звуковидения является б достаточно низкий контраст изображения, или даже полное отсутствие контраста в случае, когда отражающая способность элементов исследуемого объекта одинакова или мало отличается.

Главной предпосылкой для дальнейшего развития классического звуковидения является достигнутый уровень развития полупроводниковой микроэлектроники. Технологический уровень интеграции современных полупроводниковых элементов вполне позволяет создать устройство визуализации, удовлетворяющее требованиям по качеству изображения. В то же время уровень развития компьютерной техники позволяет производить обработку и восстановление изображения с высокой скоростью в режиме реального времени.

Актуальность поставленной в диссертационной работе задачи определяется практической важностью получения более качественных, и более информативных акустических изображений с учетом возрастающих современных требований, при невысокой стоимости устройства визуализации. В частности остро стоит вопрос о создании "электронного глаза" для подводных робототехнических систем.

Цель диссертационной работы. Разработать метод повышения качества, контраста и информативности изображения звуковизора. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• провести критический анализ более ранних разработок в области звуковидения;

• сформулировать начальные технические требования к прибору визуализации;

• исследовать возможность применения зеркальной звуковой оптики для повышения технологичности и снижения стоимости прибора;

• провести исследования характеристик отражения коротких импульсных сигналов от твердых предметов в водной среде;

• разработать и изготовить экспериментальный макет прибора для практических экспериментов по получению изображений;

• провести качественную и количественную оценку акустических и электрических параметров звуковизора на основе полученных экспериментальных данных;

• разработать структурную и принципиальную схемы прибора для постановки на производство.

Научная новизна. Большинство результатов диссертационной работы являются новыми. На момент начала работы автора по представленной тематике в открытой печати отсутствовала информация о разработках « звуковизора, открывающего возможность построения изображения в трехмерной проекции. В работе впервые предложена оригинальная теоретическая модель, позволяющая использовать звукооптическую систему для построения изображения в трехмерной проекции путем использования нестационарного акустического сигнала. Теоретически и экспериментально изучены характеристики отражения звуковых волн от твердых предметов в водной среде при нестационарном характере звукового сигнала, в частности, детально исследованы параметры акустического поля в фокальной плоскости зеркала для различных внешних условий. Проведены анализ и компьютерное моделирование пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости.

В диссертации разработаны разнообразные методы регистрации коротких импульсных звуковых сигналов и проведено компьютерное моделирование различных методик регистрации. Показано, что обработка отраженного сигнала дает информацию, достаточную для построения трехмерных изображений разнотипных исследуемых объектов. На экспериментальном макете, использующем зеркальную звуковую оптику, получены изображения различных типов объектов посредством последовательного сканирования их короткими звуковыми импульсами. Разработаны и предложены к практической реализации структурные, принципиальные и конструктивные схемотехнические решения.

Практическая значимость работы. В отличие от классического звуковизора с двумерным изображением, трехмерный звуковизор позволяет отображать рельеф поверхности, даже если отражающая способность всех элементов объекта одинакова. Трехмерный звуковизор позволяет достаточно точно определять линейные размеры объекта, а также позиционировать объект, определяя расстояние до его составных элементов. Эти возможности значительно расширяют сферу применения звуковидения.

Основными достоинствами трехмерного звуковидения являются значительно лучшая способность идентификации объекта и возможность различения объекта, сливающегося с фоном, например дном водоема. Также становится возможной автоматическая идентификация объектов, что позволяет использовать звуковидение в качестве "электронного глаза" различных роботизированных подводных технических систем.

Улучшенные возможности позволят более широко применять звуковидение в военных целях, аварийно-спасательных работах, криминалистике, строительстве подводных объектов, дефектоскопии и других видах деятельности человека в водной среде.

Апробация работы. Результаты работы по этапам регулярно докладывались и обсуждались на объединенных семинарах факультета электроники МИРЭА, НТК МИРЭА, конференциях, опубликованы в открытой печати[1-5]. На основании результатов экспериментов и модельных расчетов автором самостоятельно сконструирован макет звуковизора, предназначенного, для получения трехмерного изображения статических объектов, посредством пространственно-временной имитации матрицы 100x100 элементов одним акустическим приемником. Получены трехмерные акустические изображения тестовых объектов с вполне удовлетворительным качеством.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель, позволяющая моделировать характеристики пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости зеркала.

2. Параметры акустического поля в фокальной плоскости и ее окрестности для различных условий, полученные посредством компьютерного моделирования.

3. Оригинальная методика регистрации коротких сигналов, разработанная на основе анализа модели асинхронного фазового детектора.

4. Макет трехмерного звуковизора, позволяющий исследовать параметры акустического поля в фокальной плоскости зеркала и получать изображения неподвижных объектов методом механического сканирования.

5. Результаты экспериментального исследования акустического поля в фокальной плоскости при нестационарном характере звукового сигнала.

6. Схемотехнические решения для создания матричного акустического преобразователя, полученные на основе разработанной методики регистрации коротких сигналов.

Основные результаты и выводы.

1. Получены выражения, позволяющие рассчитать поле изображения точечного источника, находящегося на некотором расстоянии от заданной системы, как для стационарного, так и для нестационарного характера излучения источника. Анализ поля, возникающего в плоскости изображения источника, позволяет определить основные характеристики фокусирующей системы, геометрические искажения и разрешающую способность.

2. На основе полученных выражений построена математическая модель акустического зеркала и создана компьютерная программа, способная моделировать характеристики пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости зеркала.

3. В результате проведения компьютерного моделирования процессов регистрации коротких звуковых импульсов, разработаны новые методы приема и обработки сигналов для целей получения трехмерных акустических изображений.

4. На основании результатов математического моделирования схемотехнических решений выполнена разработка экспериментального макета, предназначенного для исследования акустического поля в фокальной плоскости и получения акустического изображения методом последовательного сканирования короткими звуковыми импульсами.

5. Экспериментально определены характеристики отражения звуковых волн от твердых объектов и характеристики распространения волн в жидкой среде при нестационарном характере звукового сигнала.

6. На экспериментальном макете получены изображения различных типов объектов с использованием разработанных методик приема и обработки сигналов.

7. Разработаны схемотехнические решения для выполнения действующего образца матричного преобразователя. Проведено компьютерное моделирование процессов приема и обработки коротких ультразвуковых сигналов разработанными схемами.

4 - выводы;

5 - подложка;

Модуль представляет собой гибридную интегральную микросхему, залитую эпоксидным компаундом, приблизительным размером 16x1 Ох 1мм.

Используя подобную модульную структуру, не сложно собрать матрицу акустических приемников любого требуемого размера с кратностью 16 по

-А 5

Рис. 5.1 Структура модуля одной стороне и кратностью 1 по другой. В качестве примера приводится внешний вид матрицы, размером 96x96 элементов рис. 5.2.

2 1

О «ОС-ЛХ^Хс •:*:<.»> «WWOWWW »«•»•XX'Xr-ttX' ? **,** 4

Рис. 5.2 Общий вид матрицы

1 - модули приемных элементов;

2 - печатная плата;

3 - разъемы для подключения внешних электрических цепей;

4 - общая плата матрицы;

Для сборки матрицы размером 96x96 элементов потребуется 576 модулей. Сборка матрицы осуществляется на общей прочной плате с соответствующими проводниками, точками крепления и полосой герметизации. Прочность необходима для предотвращения деформации под давлением воды. Модули устанавливаются практически вплотную, образуя квадрат. После сборки матрица заливается влагостойким высоко текучим компаундом, превращающим ее в монолитную конструкцию и защищающим звукоприемную поверхность от повреждений и проникновения воды.

5.2 Схемотехника. При разработке схемотехнических решений приемника и детектора акустического сигнала использовалась система проектирования Еуа1 8. Основой для разработки электронной схемы послужили теоретические изыскания, описанные в главе 3.

Для усиления и последующего детектирования электрического сигнала с приемного пьезоэлектрического элемента требуется усилитель с коэффициентом усиления порядка 4000 и двумя противофазными выходными сигналами. Также необходима возможность регулирования коэффициента усиления для осуществления возможности изменения контраста изображения непосредственно во входном каскаде. Схема такого усилителя рис. 5.3.

Рис. 5.3 Схема усилителя Первый каскад представляет собой резонансный усилитель. Его усиление оказывается максимальным только на резонансной частоте пьезоэлектрического приемного элемента. На постоянном токе усиление равно 1. Он выполнен на полевом транзисторе Л с п-каналом, биполярном транзисторе структуры п-р-п работающим по схеме с общей базой, и биполярном транзисторе структуры р-п-р 02. Полевой транзистор 32 с п-каналом осуществляет регулирование коэффициента усиления каскада в широком диапазоне посредством изменения напряжения на его затворе. С целью имитации принятого короткого ультразвукового сигнала и пьезоэлектрического приемного элемента в системе проектирования использован генератор синусоидального сигнала У2 с частотой 2МГц, ключ Э1, управляемый генератором прямоугольного сигнала VI, и емкость С1. В результате на входе усилителя имеется сигнал рис. 5.4.

1201111-г

Пне

Рис. 5.4 Сигнал на входе усилителя

Второй каскад усиления представляет собой два параллельных усилителя, один из которых является не инвертирующим, второй инвертирующим. Не инвертирующий усилитель представляет собой дифференциальный усилитель с двухтактным выходным каскадом и высоким коэффициентом усиления, охваченный частотно-зависимой ООС. Он выполнен на полевых транзисторах 13 и ]4 с п-каналом, биполярных транзисторах структуры р-п-р С>3 и С>5, и структуры п-р-п (^4. Коэффициент усиления по постоянному току равен 1. Посредством частотозадающих цепей С2Д5 и СЗД8, коэффициент усиления максимален на рабочей частоте 2МГц и выше. Инвертирующий усилитель представляет собой дифференциальный усилитель с двухтактным выходным каскадом и высоким коэффициентом усиления, охваченный частотно-зависимой ООС. Он выполнен на полевых транзисторах J5 и J6 с п-каналом, биполярных транзисторах структуры p-n-p Q5 и Q7, и структуры n-p-n Q6. Коэффициент усиления по постоянному току равен 1. Посредством частотозадающей цепи C4R13, коэффициент усиления максимален на рабочей частоте 2МГц и выше. Применение двухтактного выходного каскада вызвано необходимостью обеспечения равно низкого выходного сопротивления для положительной и отрицательной составляющей сигнала. Что в свою очередь необходимо для обеспечения нормальной работы последующего детектора сигнала. В результате на выходе усилителя имеются два сигнала противоположной полярности рис. 5.5.

Рис. 5.5 Сигналы на входах усилителя

Питание усилителя, как и всей матрицы, осуществляется от двуполярного источника напряжением ±5В.

Следуя теоретическим изысканиям, приведенным в главе 3, в качестве детекторов рассматриваются две альтернативные схемы, каждая из которых может быть использована для различных вариантов акустической матрицы. Первая схема представляет собой асинхронный фазовый детектор рис. 5.6.

Рис. 5.6 Схема асинхронного фазового детектора

На входы и Э- приходят сигналы со схемы рис.5.3. Полевые транзисторы М1 и М2 МДП структуры, представляют собой ключи, управляемые прямоугольными тактовыми сигналами С+ и С-, общими для всей матрицы, с периодом 45 мкс но противоположными по фазе и полярности. Собственно транзисторы М1, М2 и цепь, Ш,С1 и образуют фазовый детектор. Далее сигнал проходит вторую фазу детектирования посредством двух детекторов пиковых значений сигнала, являющихся одновременно и устройствами временного хранения значений. Первый детектор положительных значений выполнен с использованием дифференциального усилителя с высокими входным сопротивлением и коэффициентом усиления на полевых транзисторах Л и 12 с п-каналом и биполярном транзисторе структуры р-п-р С21 и диоде 01. Второй выполнен с использованием дифференциального усилителя с высокими входным сопротивлением и коэффициентом усиления на полевых транзисторах

189

13 и 14 с п-каналом и биполярном транзисторе структуры р-п-р С)2 и диоде Б2. Применение дифференциальных усилителей с большим коэффициентом усиления, обусловлено необходимостью получить линейную характеристику детектора при малых амплитудах входных сигналов и иметь очень близкое к нулю значение напряжения на выходе в отсутствии входного сигнала. В процессе получения изображения в реальных условиях величина положительной и отрицательной полуволн на выходе фазового детектора (С1) может быть различной. Поэтому результирующим сигналом является разность пиковых значений полуволн на выходах Б+ и Б-. В качестве примера работы детектора на рис. 5.7 и 5.8 отображены его выходные сигналы для разницы начальной фазы 0° и 90°. В процессе детектирования емкости С2 и СЗ получают заряд, соответствующий полученному сигналу. Эти емкости производят временное хранение заряда до окончания процесса считывания изображения внешним управляющим устройством. После окончания процесса считывания сигнала, цепи временного хранения и емкость фазового детектора должны быть приведена в исходное нулевое состояние. Для этого служат ключи на полевых транзисторах МЗ - Мб МДП структуры, управляемые сигналами сброса Я+ и К- соответствующей полярности, общими для всей матрицы. Транзисторы МЗ и М4 образуют двуполярный ключ для приведения в исходное состояние емкости фазового детектора, конечный заряд которой может иметь любую полярность. Ключи на транзисторах М5 и Мб предназначены для разряда С2 и СЗ соответственно, полярность конечного заряда которых предопределена полярностью соответствующего детектора. Суммирование, усиление и коммутация сигналов 81+ и 81-, приходящих с выходов детектора, осуществляется схемой рис. 5.9.

-8.0nU + -Os

U5 6US rlae

Рис. 5.7 Выходные сигналы для разницы начальной фазы 0°

----н

10us

-12*U + -0S

Mis 6us

Tine

Рис. 5.9 Схема сумматора, выходного усилителя, коммутатора и дешифратора

Каскад на полевых транзисторах J1 и J2 с n-каналом, биполярных транзисторах структуры p-n-p Q1 и Q3, и структуры n-p-n Q2 представляет собой дифференциальный усилитель с не инвертирующим S1+ и инвертирующим S1-входами. Напряжение на выходе дифференциального усилителя определяется соотношением Uout=R3/Rl- ((Sl+)-(Sl-)). Полевые транзисторы Ml и М2 МДП структуры, представляют собой ключ, подключающий выходной каскад детектора к последовательной шине данных матрицы при условии установления адреса данного модуля внешним управляющим устройством. Полевые транзисторы МЗ - Ml2 МДП структуры, представляют собой в сущности логический элемент ЗИ с не инвертирующим и инвертирующим выходами, для управления состоянием ключа. Два входа этого элемента определены как адресные АО и А1, третий как стробирующий SE.

Результат детектирования представлен для различных сдвигов фаз входного и стробирующего сигналов. Рис. 5.10 - 0°, рис. 5.11 - 90° рис. 5.12 -180°, рис. 5.13 -270°.

1.2Ut

2U

----Ц

Kus flM-t—' 9S

Tims

Рис. 5.10 Результат детектирования сигнала для сдвига фаз 0е

8.Ш

-----1 leus

Tine

ЯНОпи-г

----н

10US

9s

Tin

Рис. 5.12 Результат детектирования сигнала для сдвига фаз 180е

1.6U

Иве

Результаты компьютерного моделирования работы детектора показывают относительное постоянство выходного напряжения в зависимости от фазы приходящего короткого ультразвукового сигнала. Для получения качественного трехмерного изображения полученной стабильности вполне достаточно, поскольку амплитуда сигнала не носит основной информации об объекте в большинстве случаев.

В главе 3 был теоретически рассмотрен еще один метод детектирования короткого ультразвукового сигнала, обладающий сходными свойствами, но отличающийся принципом действия. Рассмотрим альтернативную электронную схему, осуществляющую детектирование по этой методике рис. 5.14.

Рис. 5.14 Схема дифференциального фазового детектора

Схема представляет собой дифференциальный фазовый детектор. На входы и Б- приходят сигналы со схемы рис.5.3. Полевые транзисторы М2, МЗ, М5 и Мб МДП структуры, представляют собой ключи, управляемые прямоугольными тактовыми сигналами С1+ и С1- общими для всей матрицы, с периодом 45 мкс. Сигналы С1+ и С1- противоположны по фазе, и сдвинуты по фазе на 90°. Цепь (Ш, 112, С1+) выделяет положительную составляющую сигнала, цепь (ЯЗ, 114, С1-) - отрицательную. Передача сигналов для последующей обработки осуществляется через усилители тока, выполненные по дифференциальной схеме с высоким входным сопротивлением. Применение дифференциальных усилителей обусловлено необходимостью иметь очень близкое к нулю значение напряжения на выходе в отсутствии входного сигнала. Это достигается применением 100% ООС по постоянному току. Результат детектирования представлен для различных сдвигов фаз входного и стробирующего сигналов. Рис. 5.15 - 0°, рис. 5.16 - 45° рис. 5.17 -90°, рис. 5.18 -135°, рис. 5.19 -180°, рис. 5.20 -270°,.

5.аиХ'

Т1к

Tine

Рис. 5.16 Результат детектирования сигнала для сдвига фаз 45°

5.BUt

Рис. 5.17 Результат детектирования сигнала для сдвига фаз 90°

S.«T.1

Tine

Рис. 5.18 Результат детектирования сигнала для сдвига фаз 135°

5.04т

Time s.ou li.OU 3.0U 2.0U 1.0U -a. ou -1.0U

0s 2us IHIS 6us 8us 10U5

Tine

Рис. 5.20 Результат детектирования сигнала для сдвига фаз 270°

Результаты компьютерного моделирования работы детектора показывают очень высокое постоянство выходного напряжения в зависимости от фазы приходящего короткого ультразвукового сигнала. По данной характеристике данный вариант детектора превосходит детектор по схеме рис.5.6. У него несколько ниже скорость нарастания выходного напряжения. Из этого можно сделать вывод, что схема рис. 5.6 более подходит для матрицы, предназначенной для работы с более высоким разрешением по дальности с более коротким облучающим сигналом. А, следовательно, на коротких расстояниях до объекта. Схема рис.5.14 более подходит для получения качественных изображений на больших расстояниях. К тому же данная схема детектора обладает частотной избирательностью. Частота среза находится на границе звукового диапазона 20 кГц. Это позволяет полностью избавить звуковизор от акустических помех. Частотная характеристика детектора приведена на рис. 5.21,

Ргециепс^

Рис. 5.21 Частотная характеристика детектора

Методы коммутации сигналов в цифровой технике хорошо известны. Однако метод считывания сигналов с модулей матрицы является узко специальной задачей. Поэтому рассмотрению этого вопроса следует уделить особое внимание. Модульная структура матрицы и большое число ячеек требуют поиска оптимального варианта адресации. Использование классических методов для данной задачи не подходит. Если расположить дешифратор адреса полностью во внешнем управляющем устройстве, это потребовало бы подведения отдельных сигналов выборки к каждой ячейки. Число сигналов и соответственно проводников равнялось бы числу ячеек. Около 10000 проводников в матрице совсем не оптимальный выбор. Если расположить дешифратор адреса полностью в модулях, это потребует ввести в каждый модуль достаточно объемную электронную схему, потребляющую достаточную мощность, что тоже не оптимально. Оптимальным решением является разделение дешифратора адреса: ячеек между модулями и внешним управляющим устройством с возможностью параллельно-последовательного считывания данных. Для этого наилучшим образом подходит вариант так, называемого прямоугольного дешифратора; Прямоугольный дешифратор состоит из двух дешифраторов первой ступени и одного матричного дешифратора второй ступени рис. 5.22 [95]. Старшие и младшие группы разрядов обрабатываются независимо дешифраторами БС1 и 13С2. На выходе матричного дешифратора: второй ступени активный сигнал формируется схемой 2И-НЕ на месте пересечения возбужденных входных шин.

Рис. 5.22 Схема прямоугольного дешифратора

Это позволяет расположить дешифраторы первой ступени в управляющем " устройстве. А в каждой ячейке модулей иметь логический элемент 2И и стробирующий сигнал выбора каждого модуля. Данная методика позволяет иметь минимальную электронную схему дешифратора в каждой ячейке модуля. На рис. 5.22 (а, б) приведена схема такого дешифратора. Она действительно содержит не большое число транзисторов. На рис 5.23 приведена схема соединения ячеек модуля.

Рис. 5.23 Схема соединения ячеек модуля

Каждая ячейка С1-С16 содержит приведенные выше схемы. Все сигналы, кроме входов дешифратора, соединены параллельно, включая выводы питания. На схемах они обозначены в виде символов источников питания, что обусловлено требованиями системы проектирования для проведения анализа. Число соединений на печатной плате оказывается в рамках возможностей современной технологии. Для каждого столбца лежащих друг на друге модулей, требуется всего 8 адресных линий; условно идущих вертикально и параллельно. Они являются общими для всех модулей и могут находиться в одном слое. Число стробирующих линий ЭЕ, идущих условно горизонтально, равно числу модулей в столбце и равняется в данном случае 96. Считывание данных с различных столбцов следует вести параллельно. Это выгодно с точки зрения скорости обработки изображения и тогда стробирующие линии будут являться общими для всех модулей в разных столбцах, находящихся на одной горизонтальной линии в другом слое. 5.3 Выводы.

Изложенный выше материал составляет всего лишь схемотехническую основу для разработки твердотельного акусто-электрического матричного преобразователя. Разработка модулей в интегральном исполнении является отдельной задачей, которая не смогла войти в рамки данной работы. Теоретические основы по проектированию полупроводниковых интегральных электронных устройств подробно изложены в [96]. Практическая реализация акусто-электрического матричного преобразователя также будет являться для автора предметом дальнейшей работы.

Заключение.

1. Получены выражения, позволяющие рассчитать поле изображения точечного источника, находящегося на некотором расстоянии от заданной системы, как для стационарного, так и для нестационарного характера излучения источника. Анализ поля, возникающего в плоскости изображения источника, позволяет определить основные характеристики фокусирующей системы, геометрические искажения и разрешающую способность.

2. На основе полученных выражений построена математическая» модель акустического зеркала и создана', компьютерная' программа, способная моделировать характеристики пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости зеркала.

3. В* результате проведения компьютерного моделирования- процессов регистрации коротких звуковых импульсов; разработаны новые методы приема и обработки сигналов для целей получения трехмерных акустических изображений.

4. На основании результатов математического моделирования схемотехнических решений выполнена разработка экспериментального макета, предназначенного для .исследования акустического поля в фокальной плоскости и получения акустического* изображения методом последовательного сканирования короткими звуковыми импульсами.

5. Экспериментально определены характеристики отражения звуковых волн от твердых объектов и характеристики распространения волн в жидкой среде при нестационарном характере звукового сигнала.

6. На экспериментальном макете получены изображения различных типов объектов с использованием разработанных методик приема и обработки сигналов.

7. Разработаны схемотехнические решения для выполнения действующего образца матричного преобразователя. Проведено компьютерное моделирование процессов приема и обработки коротких ультразвуковых сигналов разработанными схемами.