автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Пространственно-временная обработка широкополосных сигналов в ультразвуковой дефектоскопии

На правах рукописи

ШАЛИМОВА Елена Владимировна

ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННАЯ ОБРАБОТКА ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена на кафедре Основ радиотехники Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КАРТАШЕВ Владимир Герасимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

СМОЛЬСКИЙ Сергей Михайлович

кандидат технических наук ТУРКИН Михаил Валентинович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

точного приборостроения (г. Москва)

Защита состоится «22» декабря 2005 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ

(ТУ).

Автореферат разослан ноября 2005

г.

Ученый секретарь диссертационнс

совета Д 212.157.05

кандидат технических наук, доцен

/ЮПбб ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Проблема ультразвукового (УЗ) зондирования и исследования объектов с неоднородной внутренней структурой и сильным частотно зависимым (43) затуханием возникает в различных областях техники и народного хозяйства: при УЗ диагностике таких материалов, как бетоны, полимерные композитные материалы, биологические объекты.

В настоящее время весьма актуальной является задача увеличения глубины зондирования, улучшения разрешающей способности, а также уменьшения габаритов УЗ датчиков с целью создания малогабаритных и переносных УЗ дефектоскопов одностороннего контроля Для решения этой задачи представляется целесообразным применение известной в радиолокации пространственно-временной обработки сложных сигналов.

Методы оптимальной пространственно-временной обработки сигналов применительно к задачам радиолокации разработаны достаточно хорошо. Целью насюящей работы является применение методов пространственно-временной обработки сложных сигналов в специфических условиях УЗ дефектоскопии.

Основные проблемы, возникающие при УЗ исследованиях сложнострук-турных материалов, следующие:

1) Сильное затухание, которое, как правило, увеличивается с ростом частоты сигнала, что приводит к противоречивым требованиям к зондирующему си1нал> для получения минимального затухания желательно работать при низкой частоте сигнала, а для получения хорошей разрешающей способности частота сигнала должна быть как можно выше. Эту проблему можно решить путем использования сложных широкополосных сигналов с большой базой.

2) Применение широкополосных сигналов вследствие сильной зависимости затухания от частоты осложняется сильными искажениями спектра и его сужением. В результате возникает новая проблема -— проблема выбора (или синтеза) сигналов, обладающих желаемыми корреляционными свойствами и разработка методов обработки этих сигналов, включая, возможно, использование предискажений сигнала перед его излучением.

3) Наряду со значительным ослаблением эхо-сигнала при условии, когда длина волны УЗ колебаний сопоставима с размером структурных неоднородно-стей, наблюдаются реверберационные помехи, называемые структурным шумом. В связи с тем, что спектры структурного шума и принимаемого сигнала практически полностью совпадают, временные алгоритмы выделения сигнала оказываются неэффективными. Возникает необходимость применять пространственно-временную обработку сигналов.

4) Для реализации пространственно-временной обработки должны использоваться многоэлементные приемные антенны. Кроме того, применение широкополосных сигналов приводит к необхсшЮСсНА игрокополосных

3| ВНБЛИОТЕКА |

УЗ преобразователей. Однако практическая реализация широкополосных УЗ преобразователей наталкивается на ряд специфических проблем. Основная из них состоит в том, что УЗ пьезопреобразователь в первом приближении можно рассматривать как резонансную систему с добротностью Q « 5-10, что недостаточно для излучения широкополосных сигналов. Выходом служит создание мозаичных датчиков из разночастотных элементов, что сильно усложняет их анализ и проектирование. Кроме того, УЗ антенные решетки работают в ближней или средней зоне, где вследствие интерференции волн, излучаемых отдельными преобразователями, суммарное распределение поля имеет сильно изрезанный характер. Диаграмма направленности (ДН) таких преобразователей и распределение поля в ближней зоне оказываются сильно зависящими от частоты. Методы анализа и проектирования широкополосных мозаичных преобразователей с заданными характеристиками практически отсутствуют. Поэтому разработка методов анализа и, по возможности, методов проектирования таких преобразователей с приемлемыми характеристиками является актуальной.

Цель работы

Эффективность пространственно-временной обработки зависит от нескольких составляющих: выбора типа зондирующего прос гране гвенно-временного сигнала, выбора топологии приемной антенной решетки (АР) и алгоритмов обработки принятых сигналов. Все эти задачи взаимосвязаны. Например. оптимальный алгоритм обработки сигналов зависит от соотношения между уровнями полезного сигнала, структурного шума и собственного шума аппаратуры и поэтому его практическая реализация проблематична. Это заставляет искать эффективные квазиоптимальные методы обработки сигналов.

Данная диссертационная работа посвящена решению следующих задач.

1 Выбор сигналов, наиболее подходящих для осуществления УЗ дефектоскопии материалов и объектов с сильным частотно зависимым затуханием. Изучение характеристик таких сигналов и составление рекомендаций по их практическому применению.

2. Разработка эффективных методов обработки выбранных сигналов с целью получения высокой чувствительности дефектоскопов одновременно с высокой разрешающей способностью.

3. Изучение характеристик структурного шума с целью разработки эффективного метода выделения сигнала на фоне структурного шума.

4. Изучение характеристик мозаичных антенн, разработка метода адекватного описания характеристик антенн, ориентируясь на итоговые характеристики системы обработки сигналов. Разработка методов расчета и подходов к проектированию мозаичных антенн с требуемыми характеристиками.

5. Разработка эффективного метода и алгоритма пространственно-временной обработки сигналов, позволяющего по возможности получить достаточно полную информацию об исследуемом объекте.

Главная цель работы - разработка и реализация эффективных методов пространственно-временной обработки сигналов для решения поставленных задач УЗ дефектоскопии.

Методы исследования

При выполнении работы использовались методы статистической теории измерительных радиосистем, теории сигналов, теории антенн. Для отладки алгоритмов обработки сигналов применялись методы математического моделирования. Экспериментальная проверка работоспособности алгоритмов проводилась путем зондирования реальных объектов.

Научная новизна диссертации

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

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

3. Изучены характеристики многоэлементных широкополосных УЗ антенных решеток (АР) как в дальней, так и в ближней зонах. Введены новые интегральные характеристики широкополосной АР — корреляционная диаграмма направленности (КДН) и корреляционное распределение поля (КРП) в ближней зоне. Разработаны принципы проектирования широкополосных АР с заданными характеристиками.

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

5. Разработан эффективный квазиоптимальный алгоритм фильтрации сплит-сигнала на фоне белого и структурного шумов. Оценена эффективность этого алгоритма при зондировании объектов с сильным 43 затуханием.

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

Практическая ценность работы

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

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

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

Положения, выносимые на защиту

1. Характеристики сплит-сигнала. Эффективный алгоритм согласованной фильтрации сплит-сигнала.

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

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

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

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

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

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались на XIII научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (Санкт-Петербург, 1993г.), международной научно-технической конференции "Проблемы радиоэлектроники" (к 100-летию радио) (МЭИ 1995 г.), XIV научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Москва, 1996 г.), научно-технической конференции «Научно-инновационное сотрудничество» (МИФИ, 2002 г.), Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2003 г.), Международной научной конференции «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А. Котельникова» (Москва, 2003 г.).

Использование результатов работы

Результаты работы использовались при выполнении нескольких госбюджетных и хозрасчетных НИР, а также в учебном процессе МЭИ.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы. Объем работы 162 страницы, включая 58 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных в ходе выполнения работы исследований. Дается общая характеристика диссертационной работы: описана структура и состав работы, перечислены признаки научной новизны и основные практические результаты. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации на основании литературных сведений излагается общее состояние проблемы и намечаются пути ее решения.

Большинство современных приборов УЗ дефектоскопии используют наиболее информативный эхо-импульсный метод. Зондирующим сигналом является, как правило, короткий импульс ударного возбуждения максимально большой амплитуды. Добротность УЗ пьезопреобразователей невелика 5 т 10) и на его выходе получается короткий импульс из нескольких периодов гармонического колебания, частота которого определяется толщиной пьезопреобразо-вателя. Приборы с ударным возбуждением позволяют надежно контролировать большинство материалов со слабым затуханием ультразвука без какой-либо специальной обработки приемных эхо-сигналов.

При УЗ дефектоскопии материалов со сложной структурой приходится сталкиваться со следующими проблемами:

— сильное затухание УЗ в зондируемой среде, которое сильно растет с увеличением частоты зондирующего сигнала;

— наличие структурного шума, энергетический спектр которого совпадает со спектром зондирующего сигнала.

Для получения высокой разрешающей способности и чувствительности УЗ аппаратуры можно использовать известные в радиолокации методы помехоустойчивой обработки сигналов - применение в качестве зондирующих слож-номодулированных широкополосных сигналов с их последующей согласованной фильтрацией.

Наличие структурного шума усложняет задачу выделения полезного сигнала. Одновременное присутствие белого и структурного шумов приводит к необходимости разработки методов и алгоритмов пространственно-временной обработки сигнала.

Сильная зависимость затухания УЗ от частоты приводит к необходимости работать на относительно низких частотах. При этом относительная полоса "сложных" сигналов оказывается очень широкой. Наличие 43 затухания приводит к тому, что эхо-сигнал оказывается искаженным, что ухудшает его фильтрацию.

Применение широкополосных сигналов требует создания эффективных широкополосных преобразователей. Наиболее перспективными оказываются АР, составленные из пьезоэлементов с разной резонансной частотой. Дополнительные сложности возникают также из-за того, что, в отличие от радиолока-

ции, зондирование происходит в ближней и промежуточной зонах. Это приводит к тому, что описание мозаичной антенны с помощью ДН оказывается недостаточным. Кроме нее необходима дополнительная информация о распределении поля в промежуточной и ближней зонах.

Таким образом, задача построения УЗ дефектоскопа, позволяющего оптимальным образом обнаружить и выделить сигнал от дефекта, определить его координаты при наличии сильного частотно зависимого затухания, а также шума и структурных помех, распадается на следующие подзадачи:

1) выбор вида зондирующего сигнала;

2) выбор структуры (топологии) приемной АР;

3) исследование характеристик структурного шума контролируемого материала, определение корреляционной функции (корреляционной матрицы) структурного шума;

4) нахождение алгоритма оптимальной пространственно-временной обработки принятых сигналов;

5) аппаратурная реализация алгоритма оптимальной обработки сигналов.

Все эти задачи взаимосвязаны: например, характеристики структурного

шума зависят от вида зондирующего сигнала; размещение приемных антенных элементов влияет как на корреляционную матрицу шума, так и на алгоритм последующей обработки сигнала и т.д. Поэтому все рассмотренные составляющие этой большой проблемы необходимо решать совместно.

Во второй главе рассматриваются основные положения теории пространственно-временной обработки сигналов применительно к задачам УЗ дефектоскопии. Основная сложность заключается в присутствии, помимо собственного шума усилительной аппаратуры, структурного шума, который возникает при отражении и рассеянии зондирующего сигнала на неоднородностях материала. Совпадение (с точностью до коэффициента) энергетических спектров полезного сигнала и структурного шума приводит к тому, что при одноканальном контроле возможности выделения сигнала на фоне структурного шума невелики. Отношение сигнал/помеха на выходе дефектоскопа можно улучшить, только осуществляя пространственную многоканальную обработку сигнала.

Задачей пространственно-временной обработки может быть либо обнаружение полезного эхо-сигнала от дефекта (задача обнаружения), либо измерение (оценка) с максимально возможной точностью информационного параметра X (задача оценки параметров сигнала). Возможна постановка комбинированной задачи (обнаружение—оценка параметров). В данной работе применен наиболее универсальный и часто употребляемый критерий максимального правдоподобия. Для акустического зондирования материала используются один или несколько излучающих преобразователей, а для приема сигнала - У-элементная решетка преобразователей,

Структурная схема оптимальной обработки представлена на рис.1. Здесь

сигналы с выходов приемной антенной решетки ъф)подаются на стационарные линейные фильтры. Для определения характеристик этих фильтров необходимо знать корреляционную матрицу шума (помех) Щ1хЛг). Далее, с помощью системы интегральных уравнений

N <*>

I = Щ -ч) • дпп,

(1)

1=1-а

(где дтп - символ Кронекера (т, п= 1, ..., Щ) можно найти обратную корреляционную матрицу КХ(1Х,12) и затем найти опорный сигнал мт(1):

N ®

а(0 = Ё ■ (т= 1,..., АО,

(2)

/=1 -«

где ¡¡([,Х) - сигнал на/-том приемном преобразователе.

Импульсные

Рис. 1. Структурная схема УЗ дефектоскопа с использованием оптимальной обработки сигналов

характеристики фильтров с точностью до постоянного коэффициента к определяются элементами опорного сигнала

= (3)

Структурный шум представляет собой нестационарный случайный процесс, элементы корреляционной матрицы которого

зависят от обеих переменных 1\ и ?2- В этом случае процедура определения обратной корреляционной матрицы сильно усложняется.

Рассмотрены некоторые упрощения, которые позволяют получить решение поставленной задачи. Функции /^/^.г) можно представить в виде

V.т)= В//0 ■ г1п(х) > где г = г2 - • Дальнейшее упрощение возможно в двух случаях. Во-первых, когда структурный шум на соседних приемных преобразователях можно считать некоррелированным. В этом случае оптимальный фильтр представляет собой каскадное соединения выбеливающего фильтра и согласованного фильтра с импульсной характеристикой

Ви(1 „-*/

Во-вторых, когда спектральный состав структурного шума на всех преобразователях одинаков, процедура обработки, как и в предыдущем случае, сводится к выбеливанию, согласованной фильтрации сигналов в каждом канале и последующему суммированию канальных сигналов, при этом характеристики

(4)

согласованных фильтров определяются выражением

Ког» п(*) = М/'о -У'*, (*0 ~ *) ■ (5)

1=1

Таким образом, разработка оптимального линейного алгоритма обработки сигналов требует знания АКФ и ВКФ структурного шума.

Структурный шум представляет собой нестационарный случайный процесс. В работе предложено временную зависимость определять на основании теоретической модели, а нормировку амплитуды, т.е. определение дисперсии, производить на основании эксперимента.

С помощью модели среды с равномерным распределением точечных неод-нородностей были получены выражения для расчета корреляционной матрицы помех при произвольном зондирующем сигнале. Для короткого импульса была рассчитана АКФ (диагональные элементы корреляционной матрицы) и построена зависимость дисперсии структурного шума от времени, а также проведен расчет ВКФ структурного шума (недиагональные элементы корреляционной матрицы).

Однако при практической реализации решение задачи в полном объеме наталкивается на серьезные математические трудности. Проведенный анализ показал, что во многих случаях можно применять упрощенный алгоритм пространственно-временной обработки сигналов, основанный на том, что корреляционную матрицу структурного шума можно считать диагональной, а спектральный состав структурного шума на соседних приемных элементах - одинаковым В результате можно сформулировать квазиоптимальный алгоритм обработки сигналов, который сводится к выбеливанию, согласованной фильтрации принятых сигналов и последующему их суммированию с учетом задержки.

Третья глава посвящена исследованию характеристик нового типа сложных широкополосных сигналов - сплит-сигнала.

Объекты исследования в УЗ дефектоскопии, как правило, неподвижны, поэтому отсутствуют ограничения на длительность зондирующего сигнала, и увеличивать энергию сигнала можно за счет увеличения длительности импульса.

Сплит-сигнал представляет собой последовательность радиоимпульсов (РИ) одинаковой длительности Т0 (рис. 2) Огибающая импульсов может быть как прямоугольной, так и произвольной формы. РИ смещены друг относительно друга на Г0. Каждый РИ имеет свою частоту заполнения. Эти частоты выбираются так, чтобы на длительности импульса умещалось целое число периодов и один импульс плавно переходил в другой. При достаточно большом числе разночастотных импульсов зависимость модуля спектральной плотности от частоты имеет вид, близкий к прямоугольному в диапазоне частот ог/„„„ до/тш, где /тт и /тах " соответственно наименьшая и наибольшая частоты заполнения отдельных импульсов (рис. За).

Спектр и АКФ сплит-сигнала (рис. 36) с большой базой практически сов-

падает с характеристиками сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ-сигнала). Ширина спектра определяется максимальной и минимальной частотами импульсов, составляющих сплит-сигнал. Ширина главного лепестка АКФ, определяющая разрешающую способность дефектоскопов при использовании оптимальной обработки, равна величине, обратной ширине спектра сигнала.

Í i К и ШТПТ "ПГГ г 111 1Ш

0 J i 5 м II lili filíJl 1 2¡5 ш

к!1

Рис. 2 Сплит-сигнал

Рис 3 Зависимость модуля спектральной плотности сплиг-сигнала от частоты (а) и автокорреляционная функция сплиг-сигнала (б).

Таким образом, сплит-сигнал обладает хорошими корреляционными свойствами. Кроме того, можно существенно снизить уровень боковых лепестков АКФ, используя различные оконные функции. Улучшать чувствительность аппаратуры можно за счет увеличения длительности каждого импульса и одновременного увеличения числа составляющих сплит-сигнал импульсов. Потери разрешающей способности при этом не происходит.

Порядок следования частот практически не влияет на корреляционные свойства сплит-сигнала, что позволяет создавать эффективные алгоритмы оптимальной его фильтрации.

Согласованная фильтрация сплит-сигнала сводится к согласованной фильтрации каждого в отдельности РИ с последующим их накоплением (суммированием). В настоящей работе рассмотрен один из вариантов реализации алгоритма оптимальной обработки сплит-сигнала.

Для реализации алгоритма достаточно иметь два перестраиваемых фильтра, согласованных с прямоугольным РИ. Первый фильтр начинает работать с момента начала излучения зондирующего сигнала и настраивается на частоту первого импульса, составляющего сплит-сигнал. Второй фильтр начинает работать с момента начала излучения второго импульса, составляющего сплит-сигнал, и настраивается на его частоту. Когда начинает излучаться третий составляющий сплит-сигнал импульс, первый фильтр перестраивается на его час-

п

тоту и т.д. Таким образом, оптимальной обработке подвергается только часть принимаемого сигнала, длительность которого равна двум длительностям составляющих сплит-сигнал радиоимпульсов.

При оптимальной фильтрации сигнала, состоящего из N импульсов, можно уменьшить объем обрабатываемых данных в N12 раз. При этом существенно повышается быстродействие алгоритма оптимальной фильтрации.

Еще одно преимущество сплит-сигнала состоит в том, что он позволяет легко осуществлять коррекцию алгоритма оптимальной фильтрации сплит-сигнала в условиях сильного затухания. Частотно зависимый характер затухания приводит к тому, что вид зондирующего широкополосного УЗ сигнала изменяется по мере увеличения расстояния, которое он проходит. В этом случае фильтр не будет являться оптимальным для принимаемого сигнала.

Рассмотрены два варианта коррекции фильтра. Для улучшения отношения сигнал/шум на выходе можно осуществить коррекцию фильтра, подстраивая его под принимаемый сигнал. Отношение сигнал/шум при таком способе обработки получится оптимальным, однако, сигнал на выходе такого фильтра будет иметь более широкий главный лепесток.

Для сужения выходного сигнала и, следовательно, улучшения разрешающей способности по дальности можно корректировать спектр сигнала, прошедшего через среду с 43 затуханием. При этом высокочастотные составляющие сигнала будут проходить с большим коэффициентом передачи, и на выходе корректирующего фильтра спектр сигнала с точностью до коэффициента повторит спектр излучаемого зондирующего сигнала. Однако при таком способе коррекции уменьшается отношение сигнал/шум.

Рассмотренный выше алгоритм оптимальной обработки сплит-сигнала позволяет легко реализовать оба вида коррекции, для чего достаточно произвести перед согласованным фильтром умножение на коэффициент, определяющий затухание УЗ на частоте РИ, с которым согласован фильтр. Для коррекции сигнала перед согласованным фильтром нужно произвести умножение на число, обратное этому коэффициенту.

Способы ошимальной обработки сигналов с коррекцией можно использовать при построении адаптивных дефектоскопов.

В четвертой главе рассмотрены особенности описания широкополосных мозаичных АР, а также разработаны основные принципы построения широкополосных УЗ антенных решеток.

В отличие от классических АР, применяемых в радиотехнике, антенны в УЗ дефектоскопии используются для излучения широкополосных сигналов. Кроме того, работать приходится в ближней или промежуточной зоне антенны. Попытки описать пространственные и частотные свойства широкополосного преобразователя в виде набора монохроматических распределений поля оказываются весьма громоздкими и неудобными. К тому же, при этом не учитываются возможные интерференционные явления, приводящие к искажению акустического поля в пространстве.

В диссертационной работе предложено оценивать широкополосную систему «преобразователь - сигнал» по конечному результату обработки сигнала -ВКФ принятого сигнала с зондирующим. В качестве вариантов характеристики системы «преобразователь - сигнал» рассмотрена зависимость максимального значения ВКФ от направления излучения в дальней зоне - корреляционная диаграмма направленности (КДН), — а для ближней и промежуточной зоны зависимость от пространственных координат (х,у,х)~ корреляционное распределение поля (КРП).

Преимуществом такой характеристики преобразователя является то, что она описывает не только пространственные свойства преобразователя, но и охватывает всю область частот, занимаемую спектром сигнала. Ограничением КДН (КРП) является то, что она привязана к конкретному сигналу и виду обработки. Для устранения этого ограничения в качестве зондирующего можно использовать идеальный широкополосный сигнал с полосой, соответствующей полосе пропускания УЗ преобразователя.

КРП преобразователей при использовании широкополосных сигналов имеет более равномерный характер, чем при использовании узкополосных зондирующих сигналов - РИ. Это обстоятельство является дополнительным аргументом в пользу применения в качестве зондирующих сложных широкополосных сигналов.

КДН (КРП) является достаточно полной и, в то же время, лаконичной характеристикой системы «преобразователь - сигнал». Они дают информацию, позволяющую сравнивать эффективность работы разных преобразователей, а также сравнивать различные виды зондирующих сигналов и выбирать сигнал, обеспечивающий максимальную эффективность работы дефектоскопа.

Методика проектирования широкополосных ультразвуковых мозаичных антенн существенно отличается от методики проектирования АР, предназначенных для излучения и приема электромагнитных волн, так как структура УЗ АР также имеет значительную специфику. Мозаичные преобразователи (АР) составляются из элементарных преобразователей с разными размерами и, следовательно, с различными резонансными частотами. Очевидно, что анализ и особенно синтез таких АР значительно сложнее, чем обычных АР, состоящих из одинаковых элементов. Кроме того, проектирование широкополосной мозаичной антенны с требуемыми характеристиками должно выполняться с учетом ограничивающих факторов, таких, как размеры апертуры антенны, ее форма, допустимое количество элементов и необходимость акустической развязки между ними.

Разработана процедура проектирования топологии широкополосных АР с заданными характеристиками, представляющих собой совокупность вложенных друг в друга идентичных узкополосных АР. По этой методике была решена частная задача расчета топологии антенны с заданной шириной ДН и минимальным уровнем боковых лепестков, а также были рассчитаны ее пространст-

венно-временные характеристики.

В пятой главе рассмотрены вопросы построения алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов в УЗ дефектоскопии материалов со сложной структурой и сильным частотно зависимым затуханием с использованием широкополосных сигналов с большой базой.

Наиболее важно отделить сигнал от составляющих структурного шума, совпадающих по времени с моментом прихода сигнала, которые имеют такой же энергетический спектр, как сигнал, и отделение их частотными методами невозможно. Это может быть осуществлено только с помощью пространственной фильтрации. Для задач, возникающих в УЗ дефектоскопии, пространственная и временная обработка сигналов могут быть разделены.

Был проведен расчет характеристик временных фильтров для оптимального выделения сигнала на фоне суммы структурного и белого шума. ЧХ оптимального фильтра, которая равна произведению ЧХ выбеливающего и согласованного фильтров, имеет вид:

к • ^ (о) • ехр - а0 ■ а 1 • ехр(-уа) ■ г0) Кф(а» =-—\--г-, (6)

Ч ®1 ;

где к - произвольный коэффициент пропорциональности, 5о(со) - спектр зондирующего сигнала, ао — затухание на частоте Неп; со\ — нижняя частота спектра сигнала, -энергетический спектр белого шума, /^(со) — энергетический спектр структурного шума без учета частотно зависимого затухания.

Рассмотрены два крайних случая. Если уровень структурного шума многократно превышает уровень белого шума, то частотная характеристика суммарного фильтра с точностью до коэффициента пропорциональности имеет вид

Кф(®) = —~• expfа0 'а 1'ехр(-7<и•/<,). (7)

50(й>) V °>\ )

Физический смысл этого результата - следующий: амплитуды и фазы всех составляющих спектра уравниваются, в момент /0 наблюдается максимальное значение сигнала. При этом обеспечивается максимальное сжатие сигнала и наилучшая разрешающая способность.

Если уровень структурного шума значительно меньше уровня белого шума, ЧХ определяется выражением

Кф(со) = -4— • ехр а0 ■

ехр(-у©'?0). (8)

Это - характеристика фильтра, согласованного с принимаемым сигналом. Такой фильтр обеспечивает максимальное отношение сигнала к шуму, подавляя более сильно высокочастотные составляющие, где принимаемый сигнал может оказаться слабее шума.

При использовании в качестве зондирующего сигнала сплит-сигнала с большой базой (#>1000) частотная характеристика принимает вид

, ( а>-а>х к ■ 50 ехта -I— —

Кф(со) =

\

-«0 "

а I

ехр(-у<у-г0)

1 р\

1 + — ■ ехр

-2а0

аз-щ щ

(0\<(0< й>2

(9)

0 вне интервала

Получено выражение для отношения сигнал/шум, которое равно

4 =

-1п

1 +

1 р\ 1 + -- ехр

- 2а,

со2 - со 1 щ

о

(10)

Рассмотрен квазиоптимальный алгоритм, в качестве которого предложено использовать для временной обработки сигнала фильтр, согласованный с неискаженным зондирующим сигналом. Такой фильтр будет оптимальным при отсутствии частотных искажений сигнала, а при наличии частотных искажений -являться неким компромиссным вариантом, обеспечивающим нехудшую разрешающую способность при нехудшем отношении сигнала к шуму. Получено выражение для отношения сигнал/шум при квазиоптимальной обработке:

)) - (11)

Чг =-

50®, • 1 - ехр -а0

(

■ехр)^-

2а,

0"

Были проведены расчеты, которые позволили сравнить эффективность квазиоптимальной фильтрации по сравнению с оптимальной. Отношение сигнал/шум при квазиоптимальной фильтрации получается немногим хуже, чем при оптимальной фильтрации, особенно, если величина затухания не очень велика. Что же касается ширины сжатого сигнала, то при небольшом уровне структурного шума ширина сжатого сигнала при квазиоптимальной фильтрации получается существенно меньше, чем при оптимальной. Однако при большом уровне структурного шума ситуация изменяется: ширина сжатого сигнала при оптимальной фильтрации заметно уменьшается и в некоторых случаях становится даже меньше, чем при квазиоптимальной фильтрации.

В работе рассмотрена задача об обнаружении полезного сигнала и определения его координат при наличии структурного шума. Приведены статистические характеристики структурного шума при использовании в качестве зондирующего сплит-сигнала. Проведен анализ погрешностей определения временной задержки сигнала, получены выражения для минимальной погрешности

оценивания времени задержки. Так как зондируемая среда обладает сильным частотно зависимым затуханием, а зондирование проводится широкополосным сплит-сигналом, проведена оценка влияния частотно зависимого затухания на погрешность определения временной задержки.

Неоднородность структуры материала приводит к изменению фазовой скорости УЗ волны на пути распространения. Эти факторы в сильной степени зависят от частоты сигнала. Чем выше частота, тем больше уровень структурного шума и колебания скорости ультразвука, вызванные неоднородностью структуры. Проведено исследование влияния структурного шума и неодинаковости фазовой скорости в разных местах объекта на точность измерения, которое показало, что в случае сильного разброса фазовых скоростей следует в дополнение к согласованной фильтрации применять синхронное детектирование сигнала и суммирование сигнала проводить после детектирования.

Шестая глава посвяшена применению разработанных методов и алгоритмов для решения конкретной прикладной задачи определения внутренней структуры и положения внешней границы бетонной конструкции при УЗ зондировании из цилиндрического канала. Специфика поставленной задачи состоит в том, что диаметр канала не должен превышать 50 мм, а протяженность канала может составлять десятки метров.

Фиксированный размер диаметра канала не позволяют расположить в канале многоэлементные АР. Однако возможность перемещения измерительного устройства вдоль канала позволила применить метод синтезированной аперту-а2 ры. Преимуществом метода синтезированной апертуры является максимальная про; ! стота измерительного устройства. Даже ------»_' простейший вариант позволяет получить

достаточно полную информацию о структу-Рис. 4. Структура измерительного объекта

устройства

Применительно к рассматриваемой задаче метод синтезированной апертуры реализуется следующим образом. Измерительное устройство состоит из одного излучающего и одного приемного преобразователя (рис. 4). При каждом положении измерительного устройства излучается зондирующий сложный сигнал, который после отражения от дефектов воспринимается приемными элементами, усиливается, подвергается согласованной фильтрации и сохраняется в памяти компьютера.

Для получения информации о внутренней структуре в виде томограммы или послойного изображения был разработан алгоритм пространственно-временной обработки сигналов.

Процедура построения изображения состоит в том, что для какой-либо выбранной точки пространства все находящиеся в памяти компьютера сигналы складываются с такими задержками, которые компенсируют задержки сигналов, отраженных от выбранной точки. При этом все сигналы, отраженные от

/

лг

данной точки, складываются в фазе. В соответствии с принципом согласованной фильтрации амплитуда каждого сигнала умножается на множитель, пропорциональный амплитуде принятого сигнала, при этом учитывается и длина пути сигнала, и диаграмма направленности преобразователей.

После этого аналогичным путем осуществляется фокусировка в соседнюю точку пространства, в результате которой определяется значение сигнала, отраженного от этой точки. Аналогично этому, точка за точкой, просматривается вся интересующая нас область пространства и создается трехмерный массив чисел, характеризующих внутреннюю структуру исследуемого объекта.

Проведено математическое моделирование, которое позволило выбрать шаг перемещения измерительного устройства по длине й и по углу Д(р, а также шаг сканирования, т.е. расстояние между соседними точками фокусировки, чтобы, с одной стороны, получить высокую разрешающую способность, и, с другой стороны, чтобы время обработки не оказалось чрезмерно большим.

На рис. 5 приведена томограмма с изображением пяти точечных отражающих объектов и отражающей плоскости, полученная в результате матемагического моделирования.

Для получения более точной информации о положении отражающей границы объекта был разработан алгоритм определения координат отражающей плоскости. Он строится аналогично изложенному выше алгоритму построения изображения. Составляется первоначальная гипотеза о значениях координат плоскости й0 > , , в качестве которых берутся значения, полученные из анализа изображения, или близкие к ним. Рассчитываются длины путей для всевозможных положений измерительного устройства, вычисляются соответствующие значения задержки сигналов и полученные ранее реализации сигналов складываются с учетом этих задержек.

В результате получается некоторое суммарное значение сигнала. После этого координаты плоскости несколько изменяются и процедура обработки повторяется. В качестве измеренного положения плоскости принимаются те значения Яо, щ , в о, при которых суммарное значение сигнала оказывается наибольшим.

Было проведено математическое моделирование, которое подтвердило работоспособность метода и позволило оценить точность определения координат плоскости.

см 30-1

»1

ю.

Рис 5. Томограмма 5-ти отражающих точек и плоскости.

Проведен анализ погрешностей определения расстояния до отражающей плоскости и углов ее наклона при наличии структурного шума и частотно зависимого затухания.

Проведена проверка работоспособности алгоритма на экспериментальных данных, полученных в результате зондирования бетонного блока толщиной 300 мм. На рис. 6а приведена томограмма, полученная по интенсивности сигнала без фокусировки, а на рис. 66 - томограмма, построенная с помощью алгоритма пространственно-временной обработки, разработанной в диссертации. На рис. 66 изображение отражающей границы блока получается более четким, существенно уменьшается структурный шум. а б

Рис. 6 Томограммы, полученные при зондировании бетонного блока: а - по интенсивности сигнала, б - при применении алгоритма пространственно-временной обработки.

В заключении подводятся итоги работы, приводится сводка основных

научных резулматов.

Список публикаций по теме диссертации

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

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

3. Карташев В.Г., Шалимова Е.В., Соколов И.В., Качанов В.К., Залеткин A.B. Математическое моделирование структурного шума при ультразвуковом контроле сред с равномерным распределением неоднородностей // 14 НТ конференция "Неразрушающий контроль и диагностика": Тез. докл. -М., 1996 Г.-Т.1.-С.122.

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

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

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

7. В.Г.Карташев, В.П.Попко, М.М.Конов, Шалимова Е.В. Проектирование широкополосных мозаичных антенн // Научная сессия МИФИ-2002. Научно-техническая конференция «Научно-инновационное сотрудничество». Сборник научных трудов в 3 частях. 4.1. -М., МИФИ, 2002. - С.78-79.

8. Качанов В.К, Карташев В.Г., Зорин А.Ю., Закутаев И.Л., Шалимова Е.В., Соколов И.В., Залеткин A.B. Вопросы повышения точности УЗ тол-щинометрии материалов с высоким затуханием //14 НТ конференция "Не-разрушающий контроль и диагностика": тез. докл. Т.1. - М., 1996. - С. 120.

9. Качанов В.К., Шалимова Е.В., Соколов И.В., Залеткин A.B., Булаев Ю.В., Попко В.П. Опыт ультразвукового контроля колоколов Московского Кремля и Храма Христа Спасителя //14 НТ конференция "Неразрушающий контроль и диагностика": тез. докл. Т.1. -М., 1996. -С.123.

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

11. Шалимова Е.В., Карташев В.Г. Сравнение различных методов обработки сигналов в ультразвуковой толщинометрии посредством математического моделирования // Международная научно-техническая конференция "Проблемы радиоэлектроники" (к 100-летию радио): "Магистр"№2(25), тез. докл.-М.,МЭИ,, 1995.-С.61.

12. Шалимова Е.В., Карташев В.Г. Математическое моделирование излучения и распространения ультразвуковых сигналов в задачах дефектоскопии // Международная научно-техническая конференция "Проблемы радиоэлектроники" (к 100-летию радио): "Магистр"№2(25), тез. докл. - М.,МЭИ, 1995. - С.62.

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

Подписано в печать fd.it. С'Ь г. Зак. за Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Тир. Iii П.л. i.l!>

«2180 8

РНБ Русский фонд

2006-4 19066

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Аналитический обзор и постановка задачи.

1.1. Ультразвуковая дефектоскопия объектов с сильным частотно зависимым затуханием.

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

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

1.4. Широкополосные ультразвуковые преобразователи.

1.5. Выводы по главе и постановка задачи.

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

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

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

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

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

2.5. Вопросы практической реализации оптимального алгоритма обработки сигналов.

2.6. Выводы.

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

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

3.2. Сплит-сигнал и его характеристики.

3.3. Алгоритм согласованной фильтрации сплит-сигнала.

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

3.5. Выводы.

Глава 4. Особенности описания широкополосных мозаичных антенных решеток.

4.1. Широкополосные мозаичные ультразвуковые преобразователи и их характеристики.

4.2. Обобщенная характеристика широкополосного мозаичного ультразвукового преобразователя.

4.3. Основные подходы к синтезу мозаичных широкополосных преобразователей.

4.4. Выводы.

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

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

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

5.3. Квазиоптимальная временная обработка сплит-сигнала.

5.4. Анализ погрешностей измерений.

5.4.1. Факторы, влияющие на погрешность измерения.

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

5.4.3. Задача оптимального обнаружения сигнала.

5.4.4. Задача оценки расстояния.

5.4.5. Влияние частотно зависимого затухания.

5.5.6. Влияние непостоянства скорости ультразвука.

5.6. Выводы.

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

6.1. Постановка задачи.

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

6.3. Моделирование алгоритма пространственно-временной обработки сигналов.

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

6.4.1. Алгоритм обработки сигналов для определения координат плоскости.

6.4.2. Оценка погрешности определения координат.

6.5. Экспериментальная проверка алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов.

6.6. Выводы.

Актуальность темы.

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

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

Решению этих задач посвящена данная диссертационная работа.

Научная новизна.

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

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

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

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

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

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

Основные практические результаты.

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту.

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

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

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

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

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

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

Структура и состав работы.

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

6.6 Выводы

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

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

Проведена оценка погрешностей измерения координат плоской границы объекта.

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения данной диссертационной работы получены следующие основные результаты.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

39. B.C. — М.: Советское радио, 1971.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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