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

На правах рукописи

СЕВАЛКИН Дмитрий Алексеевич

ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ В ПРИСУТСВИИ СТРУКТУРНОГО ШУМА

Специальность 05 12 04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00317Т1В1

Москва - 2007

003177161

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

ГРЕБЕНКО Юрий Александрович

кандидат технических наук ТУРКИН Михаил Валентинович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт точных

приборов (г.Москва)

Защита состоится «20» декабря 2007 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 направл. ть по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул , д 14, Ученый совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан «14 » ИОШЪ^ 200 7 г

Учен: ш секретарь диссертационного

совета Д 212 157 05

кандидат технических наук, доцент

Т И Курочкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

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

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

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

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

Теория и методы пространственно-временной обработки сигналов в настоящее время достаточно хорошо разработаны, для ее реализации нужно знать корреляционную матрицу помех Однако статистические характеристики структурного шума практически не исследованы, практически ничего

не известно о корреляционных характеристиках структурного шума и особенно о взаимно корреляционных функциях структурного шума на соседних приемных элементах

Цель работы

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

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

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

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

Решению этих задач и посвящена данная работа

Методы исследования.

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

Научная новизна.

1 Изучены статистические характеристики структурного шума, возникающего при ультразвуковой дефектоскопии изделий с неоднородной структурой Обнаружено и экспериментально подтверждено существование

отрицательной взаимной корреляции реализации структурного шума на соседних приемных элементах

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

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

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

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

Основные практические результаты.

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту.

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

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

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

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

Публикация результатов.

По теме работы было опубликовано 6 печатных работ 3 статьи в научных журналах( 2 - в журналах из перечня ВАК), 3 - в сборниках тезисов докладов на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (МЭИ, 2004, 2005,2007г

Использование результатов работы.

Результаты работы были использованы в учебном процессе и при выполнении НИР на кафедре электронных приборов МЭИ

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка читерату-ры и 2 приложений Объем работы 117 листов, включая 75 рисунков

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность данной работы Указаны основные проблемы Поставлены цели и задачи работы Отмечены научная новизна и основные практические результаты Описываются структура и состав работы, публикации результатов Сформулированы основные положения, выносимые на защиту

В первой главе рассматриваются особенности УЗ дефектоскопии объектов с неоднородной структурой Наличие большого числа неоднородностей приводит к рассеиванию и ослаблению сигнала, а в результате отражения зондирующего сигнала от неоднородностей возникает своеобразная помеха -структурный шум, который сильно коррелирован с «полезным», т е отраженным от дефекта, сигналом

В связи с сильным ослаблением сигнала для успешного выделения его на фоне шума, в качестве зондирующего сигнала используются широкополосные сигналы с большой базой с последующей согласованной фильтрацией

Однако в связи с тем, что структурный шум имеет почти такой же энергетический спектр, как и полезный сигнал, применение частотных фильтров не позволяет существенно ослабить структурный шум и увеличить отношение сигнал/шум

При одноканальном зондировании для выделения сигнала из структурного шума применяются методы частотной и временной декорреляции, в которых используются некоторые различия спектров сигнала и структурного шума, а также вейвлет-анализ Однако эти методы позволяют улучшить отношение сигнал/шум не более чем в 1,5-2 раза Существенно ослабить структурный шум и повысить отношение сигнал/шум можно только с помощью пространственно-временной обработки сигначов

Дта построения оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов необходимо знать корреляционную матрицу помех, диа-

тональные элементы которой - это автокорреляционные функции (АКФ) помех на приемных антенных элементах, а недиагональные элементы - взаимно корреляционные функции (ВКФ).

Пространственно-временная обработка сигналов в ультразвуковой дефектоскопии реализуется следующим образом. Зондирующий сигнал излучается одним или ^ —у несколькими излучающими преобразователями, отражается от дефекта и неоднородностей объекта и воспринимается решеткой

Рис.1. Структурная схема пространственно- приемных преобразователей

временной обработки сигналов. (рис 11

Сигналы с каждого приемного преобразователя проходят через частотные фильтры и суммируются с учетом задержек. Чтобы найти частотные характеристики этих фильтров, нужно знать параметры сигнала и корреляционную матрицу помех, то есть автокорреляционные и взаимно корреляционные функции помех (в нашем случае помехой является структурный шум). По элементам корреляционной матрицы *г) с помощью выражения

N »

X = <5(1, - и) • 5пт (1)

—со

вычисляют элементы обратной корреляционной матрицы ) >

находят опорный сигнал

= I к) ' (т = 1,ЛО (2)

и по нему определяют импульсные характеристики фильтров

Практическая реализация оптимальной пространственно-временной обработки сигналов чрезвычайно затруднена из-за того, что структурный шум случайный нестационарный процесс Вследствие этого автокорреляционная и взаимно корреляционная функции являются функциями двух переменных, и для определения обратной корреляционной матрицы приходится решать сложную систему из Л^2 интегральных уравнений (1) Кроме того, неизвестна корреляционная матрица структурного шума

Задача определения частотных характеристик оптимальных фильтров решается относительно просто только в том случае, когда реализации шума на соседних приемных элементах не коррелированны и корреляционная матрица помех оказывается диагональной Поэтому до сих пор при реализации пространственно-временной обработки сигналов старались расположить приемные элементы на расстоянии друг от друга превышающем радиус корреляции, или взаимная корреляция реализаций структурного шума вообще игнорировалась

Поэтому целью данной диссертационной работы было определение взаимно корреляционной функции структурного шума и на основе этого -построение оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов.

Вторая глава посвящена разработке оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов

Чтобы преодолеть основное затруднение, связанное со сложностью системы уравнений (1), принимается упрощающее допущение, что на небольшом временном отрезке вблизи места расположения сигнала сгруктур-ный шум можно считать тонально стационарным Такое допущение оправдано, так как в применяемых нами алгоритмах пространственно-временной обработки сигналов каждый раз рассматривается и отрабатывается небольшой отрезок принимаемого сигнала, соответствующий предполагаемому месту расположения дефекта

Предположение локальной стационарности позволяет сильно упростить исходные уравнения

£ ];?,>,; к!п(т2 - д(т2) 5тп (4)

/ = 1 —00

Применяя к этому выражению преобразование Фурье, получим

= (5)

где К (¿У) - элементы матрицы энер1 етических спектров,

- элементы обратной матрицы энергетических спектров

Выражение (5) является формулой обращения матрицы Щсо), а элементы обратной матрицы Цг\а>) позволяют определить частотные характеристики корректирующих фильтров

¿=1

Таким образом, для определения характеристик фильтров необходимо найти матрицу энергетических спектров, элементы которой можно вычислить как преобразование Фурье от элементов корреляционной матрицы структурного шума

Для определения корреляционных характеристик структурного шума нужно знать вид его энергетического спектра, который практически совпадает с энергетическим спектром зондирующего сигнала

Автокорреляционная функция структурного ш\ма определяется как преобразование Фурье от его энергетического спектра

Для определения взаимных корреляционных функций структурного шума была использована модель с одним излучающим и двумя приемными преобразователями Среда предполагалась меткоструктурной, то есть предполагалось, что размеры неоднородностей значительно меньше длины волны и в объеме размером в длину волны размещается большое число неоднород-

ностеи; предполагалось, что неоднородности располагаются в пространстве по случайному равномерному закону. Кроме того, накладывались ограничения на геометрию задачи. Предполагалось, что расстояние до области зондирования значительно больше расстояния между приемными преобразователями. Считалось, что сигналы, отраженные от элементарной неоднородности, пришедшие на соседние приемные преобразователи, равны по величине и различаются временной задержкой At (рис.2).

Усреднение по пространству позволило определить закон распределения временной задержки p(Af),

Этот закон распределения зависит от диаграммы направленности преобразователей. Вид плотности вероятности задержек при диаграмме направленности вида F{0) = cos в описывается выражением:

(хь Уь Zi)

Рис.2. Структурная схема расположения приемных преобразователей.

p(At) .

3'М

(

hi \ t,

(7)

-1 -0.S -0.6 -0.4

0.2 0.-1 0.6 О.й 1 ЛГ.МГ

'о2 \

График этой плотности вероятности представлен на (рис. 3). Зная плотность вероятности задержек можно определить взаимно корреляционные функции (ВКФ) с помощью выражения

'о

ад = к ■ +ф(дгде) (6)

Рис.3. Плотность вероятности задержки где ц = ¿¡с __ время пробега УЗ сигна-сигналов при диаграмме направленности антенны F{d) = cos в. лом пути d.

Используя полученные формулы, были рассчитаны АКФ и ВКФ структурного шума (рис.4 - 5) при диаграмме направленности антенных преобразователей F(6l) = cos(9 в предположении, что в качестве зондирующего сигнала используется широкополосный сигнал с большой базой, например, сигнал с линейной частотной модуляцией.

1

ад

-0.2 -0.4

-40 -зо -го -и

30 43 шс

Рис, 4. Автокорреляционная функция структурного шума.

•40 -39 -20 -10 0 10 10 30 ¿0

Рис.5. Взаимно корреляционная функция структурного шума при ¿М),7Х.

Было обнаружено, что с увеличением расстояния между приемными преобразователями й происходит уменьшение уровня взаимной корреляции (рис.6). При ¿¿>0,4л. (X - длина волны в матери&те на средней частоте) наблюдается отрицательная взаимная корреляция. При ВКФ имеет наибольшее по модулю отрицательное значение.

вд« 1

С.8

-о.г

-8.3 -0.4 -С.?

■ * и Т 1

N 1 1 1 ;

\ 1 1

\ 1 |

\

|

\ !

1 ]

\

Г,-0 г—я Д—О.б---0.8- / 3—1 —1—н--- 4—1.«-1.8--(1 | ; ■

1 \ ■ /1 1 )

1 !

! _ .„..1 ..I.......1.....

Рис.б. Значения ВКФ при г=0 в зависимости от расстояния в длинах волны между щуча приемными преобразователям.

Наличие отрицательной взаимной корреляции имеет существенное значение для процесса обработки сигналов, так как в этом случае дисперсия двух случайных процессов оказывается меньше суммы дисперсий этих процессов. В итоге это позволяет увеличить отношение сигнал/шум при выделении сигнала из структурного

Рис.7. Взаимный энергетический спектр Рис.8. Взаимный энергетический

структурного шума при (¡=0,4%. спектр структурного шума при аЮ,8Я..

По полученным корреляционным характеристикам были рассчитаны взаимные энергетические спектры структурного шума (рис.7-8). Был предложен еще один способ вычисления взаимных энергетических спектров - как произведение собственного энергетического спектра и характеристической функции закона распределения задержек А(.

Для проверки достоверности полученных результатов был проведен эксперимент на образце мелкозернистого бетона.

Зондирование проводилось сигналом с линейной частотной модуляцией. Центральная частота 350кГц, полоса 100%,

Экспериментально подтверждено наличие отрицательной взаимной корреляции. Характер корреляционных функций и их зависимость от расстояния между приемными элементами находятся в хорошем соответствии с теоретическими результатами, что подтверждает адекватность используемой модели.

В третьей главе производилась оценка эффективности пространственно временной обработки сигналов при помощи математического моделирования. Было разработано 2 способа моделирования отдельных реализаций структурного шума с заданными статистическими характеристиками и составлены соответствующие компьютерные программы.

В первом способе производилось суммирование со случайной задержкой элементарных сигналов, как бы отраженных от отдельных неоднородно-стей Во втором методе формировался сначала белый шум, потом он подвергался частотной фильтрации Так формировались отдельные не коррелированные друг с другом реализации структурного шума Сравнение статистических характеристик промоделированного шума и реального показало их полную адекватность Эксперимент проводился на образце бетона толщиной 300 мм Зондирование проводилось сигналом с линейной частотной модуляцией с центральной частотой 500 кГц полосой 100%

На основе моде чей отде1ьных реализаций структурного шума была разработана модель структурного шума с заданной взаимной корреляцией на соседних элементах антенной решетки Суть этой модели заключается в том, что каждая последующая реализация структурного шума на приемном элементе получается с использованием реализации структурного шума на предыдущем приемном элементе путем ее суммирования с независимой случайной реализацией структурного шума Вычислялись спектры коррелированных друг с другом реализаций в соответствии с рекуррентной формулой

Анализ ВКФ структурного шума, промоделированного таким образом, доказало адекватность модели

Для моделирования процесса пространственной обработки сигналов был разработан пакет программ, позволяющий работать как с моделями, так и с полученными экспериментально реализациями сигнала Разработанные программы позволяют вычисчять корреляционные функции структурного шума, энергетические спектры, производить обращение матриц энергетических спектров, определять частотные характеристики фильтров и обрабатывать сигнал, используя алгоритм пространственно-временной обработки сигналов

= а(а)-(со)+Ъ(а>) 5 (а?),

(7)

М®) = у1-я2И (8)

Моделирование проводилось в предположении, что среда мелкозернистая, имеется достаточно большое число неоднородностей на единицу длину волны Зондирующий сигнат широкополосный типа сигнала с линеиной частотной модуляцией Средняя частота зондирования 150кГц и полоса модуляции 100% Оценка эффективности способа обработки производилась по отношению сигнал/шум Было произведено сравнение полученных результатов обработки сигналов с помощью оптимального алгоритма с традиционным способом обработки, когда взаимная корреляция реализаций структурного шума не учитывается

Установлено, чю за счет охрицагельной взаимной корреляции удае1ся улучшить отношение сигнал/шум по сравнению с традиционным методом обработки Например, для 20 приемных элементов увеличение в отношении сигнал/шум будет при классической обработке в л/20 »4.47 раза, а вследствие обработки предлагаемым способом в 7,4 раза Максимальный выигрыш в отношении сигнал/шум получался при <1=0,7%, когда наблюдается наибольшее по модулю отрицательное значение взаимной корреляции (рис 9)

Затем было проведено моде-

Дс'ш 4 00 350 300 250 200 150 109 050 000

к

/ ?

_ . Л -1 - _ -

-1 - -

лирование процесса получения характеристик фильтров по реализациям структурного шума В результате было установлено, что по результатам эксперимента очень трудно получить достаточно точные значения взаимных энергети-

0.2 03 04 05 06 07

9 8 0 9 А1Х ческих спектров Рассчитанные по

имные энергетические спектры

Рис 9 Изменение отношения сиг- экспериментальным данным вча-нал/шум по сравнению с входным значением при 7-элементной антенне, 1 — оптимальная пространственно-временная обработка сигна- оказываются сильно изрезанными тов, 2 — квазиоптимальная пространственно-

временная обработка сигналов, 3 - обработка и Для получения достаточно гладких зависимостей нужно провести

оез учета корретяции структурного шума

усреднение по очень большому числу реализаций, что трудно реализовать на практике Поэтому возникла задача поиска другого, более простого, но эффективного алгоритма пространственно-временной обработки сигналов, где не требуется определять частотные характеристики фильтров по снятым экспериментально энергетическим спектрам В качестве такого алгоритма (его условно назвали квазиоптимальным) было предложено суммировать реализации сигналов без умножения на частотные характеристики фильтров При этом расстояние между приемными антенными элементами должно быть таким, чтобы получалось наибольшее значение отрицательной взаимной корреляции структурного шума, то есть около 0,7л (рис 9)

Для проверки эффективности квазиоптимальной обработки сигналов было проведено моделирование при таких же условиях, как и ранее В результате было установлено, что отношение сигнал/шум при квазиоптимальной обработке лишь на 10% меньше, чем при оптимальной обработке сигналов и на 50% больше, чем при суммировании некоррелированных реализаций Поэтому для практического применения можно рекомендовать квазиоптимальную пространственно-временную обработку сигналов

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальной проверки и отработки алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов Эксперименты проводились на образцах мелкозернистого бетона с помощью компьютеризированного комплекса-дефектоскопа В качестве зондирующего сигнала использовался сигнал с линейной частотной модуляцией с центральной частотой 350 кГц, полосой в 100%

В целом результаты эксперимента подтвердили теоретические результаты Наблюдалась отрицательная корреляция структурного шума на соседних элементах и как следствие - выигрыш в отношении сигнал/шум при квазиоптимальной обработке

Однако в величине отношения сигнал/шум в отдельных опытах наблюдался сильный, примерно двукратный разброс Детальное исследование этого

явления позволило найти одну из причин этого разброса Если в образце имеется крупная неоднородность, то по мере приближения к этой неоднородности характер взаимной корреляции изменяется отрицательная взаимная корреляция постепенно становиться почожительной Отсюда следует, что при наличии крупных неоднородностей эффективность пространственно-временной обработки сигналов снижается Такие неоднородности надо рассматривать с точки зрения сигналов как дефекты, поскольку уровень интенсивности отраженного сигнала от таких неоднородностей в значительной мере превосходит уровень отраженных сигналов от мелких неоднородностей

По результатам работы были сформулированы практические рекомендации по выбору типов антенных элементов, их диаграммы направленности, их взаимного расположения и по методам обработки сигналов при ультразвуковой дефектоскопии материалов с неоднородной структурой На основании этих рекомендаций была изготовлена специализированная антенная система для зондирования бетонных конструкций

В заключении диссертации приводятся основные результаты выполненной работы

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

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

3 Разработан метод математического моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками, в том числе с заданной ВКФ соседних реализаций структурного шума

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

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

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

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

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

В приложениях приводятся результаты моделирования алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов.

Список публикаций по теме диссертации.

1 Севалкин Д.А. Методы математического моделирования структурного шума в ультразвуковой дефектоскопии.// Вестник МЭИ. -2007. -Ш. С.109-116.

2 Карташев В.Г., Севалкин Д.А.. Корреляционные характеристики структурного шума в ультразвуковой дефектоскопии. Н Вестник МЭИ. -2007. -№3. С.100-105.

3 Карташев В Г, Севалкин Д А , Шалимова Е В Погрешность измерений толщины изделий со сложной структурой при ультразвуковом зондировании // Радиотехнические тетради -2007 -№34 С 66-69

4 Карташев В Г Севалкин Д А Пространственно-временная обработка сплит-сигнала в ультразвуковой дефектоскопии // Радиотехника, электроника и энергетика Тез докл 10 Междунар НТК студентов и аспирантов 2-3 марта 2С04-М, МЭИ, 2004 -С 10-11

5 Карташев В Г Севалкин Д А Алгоритм пространственно-временной обработки сигналов в ультразвуковой дефектоскопии// Радиотехника, электроника и энергетика Тез докл 11 Междунар НТК студентов и аспирантов 1-2 марта 2005- М, МЭИ. 2005 - С. 8-9

6 Карташев В Г Севалкин Д А Корреляционные характеристики структурного шума // Радиотехника, электроника и энергетика Тез докл 13 Междунар НТК студентов и аспирантов 1-2 марта 2007- М, МЭИ, 2007 - С 15

' ц

" / \

Подписано в печать /к '.¿>7/'Зак. Тир. ¡С{) П.л. Ф Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Аналитический обзор и постановка задачи.

1.1.Особенности ультразвуковой дефектоскопии объектов с неоднородной структурой.

1.2.Основные характеристики структурного шума.

1.3 .Методы выделения сигнала из структурного шума.

1 АОсновные положения теории пространственно-временной обработки сигналов.

1.5.Постановка задачи.

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

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

2.2.Анализ корреляционных характеристик структурного шума.

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

2.4.Выводы по главе 2.

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

3.1.Модель структурного шума.

3.2.Модель коррелированного структурного шума.

3.3.Моделирование алгоритма пространственно-временной обработки сигналов.

3.4.Результаты моделирования алгоритма пространственно-временной обработки сигналов.

3.5.Выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментальная апробация алгоритма пространственновременной обработки сигналов.

4.1 .Описание экспериментов.

4.2.Измерение характеристик структурного шума.

4.3.Результаты пространственно-временной обработки сигналов.

4.4.0сновные практические рекомендации.

4.5.Выводы по главе 4.

Актуальность темы.

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

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

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

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

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

Цель работы:

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

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

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

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

Решению этих задач и посвящена данная работа.

Методы исследования.

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

Научная новизна.

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

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

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

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

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

Основные практические результаты.

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту.

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

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

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

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

Структура и состав работы.

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

4.5. Выводы по главе 4.

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

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

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

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

Заключение.

В результате выполнения данной диссертационной работы получены следующие основные результаты.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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