Акустические методы
УДК 534.8+620
ПОВЫШЕНИЕ СКОРОСТИ РЕГИСТРАЦИИ
УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ЭХОСИГНАЛОВ В РЕЖИМЕ ДВОЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Е.Г. Базулин
Для уменьшения времени регистрации эхосигналов антенной решеткой, работающей в режиме двойного сканирования, предложено использовать набор псевдоортогональных кодирующих сигналов. В качестве кодирующих сигналов можно использовать частотно-модулированные сигналы или фазоманипулированные согласно коду Касами сигналы по аналогии с техникой FDMA или CDMA для многоканальной связи. Использование для декодирования эхосигналов метода максимальной энтропии позволило уменьшить уровень шума и повысить продольную разрешающую способность изображения отражателей в сравнении с применением согласованной фильтрации. Если изображение формируется как когерентная сумма нескольких парциальных изображений, восстановленных методом C-SAFT для разных положений антенной решетки, то для дополнительного уменьшения уровня шума более чем на 6 дБ предложено использовать несколько наборов кодов Касами. В численных экспериментах показана эффективность предложенного подхода.
Ключевые слова: у.з. неразрушающий контроль, антенные решетки, двойное сканирование, FMC, цифровая фокусировка антенной (ЦФА), C-SAFT, TFM, FDMA, CDMA, коды Касами, метод максимальной энтропии (ММЭ).
1. ВВЕДЕНИЕ
В практике у.з. контроля широко применяются дефектоскопы, использующие антенные решетки. Для визуализации внутреннего объема объектов контроля используются две технологии: технология фазированных антенных решеток (ФАР) [1], которая на сегодняшний день является наиболее распространенной, и технология цифровой фокусировки антенной (ЦФА) [2]. На первом этапе применения ЦФА-технологии эхосигналы измеряются при излучении и приеме всеми комбинациями пар элементов антенной решетки [3]. В [4] такой режим регистрации эхосигналов называется режимом двойного сканирования, а в [5] — режимом Full Matrix Capture (FMC). Регистрация эхосигналов антенной решеткой, работающей в режиме двойного сканирования, при ее механическом перемещении называется режимом тройного сканирования [4]. На втором этапе изображение отражателей по измеренным эхосигналам восстанавливается методом комбинированного SAFT (C-SAFT) [3], который легко модифицируется для учета многолучевого распространения ультразвука в объекте контроля с неровными границами [4]. В зарубежной литературе алгоритм C-SAFT называется Total Focusing Method (TFM) [5]. В [4], посвященной сравнению возможностей ФАР - и ЦФА-дефектоскопов, отмечалось, что недостатком регистрации эхосигна-лов методом двойного сканирования является большой объем измеренных данных. При увеличении количества элементов антенной решетки Ne объем эхосигналов растет квадратично. Поэтому передача эхосигналов от блока измерения в управляющий компьютер может потребовать много времени, что приведет к уменьшению скорости регистрации эхосигналов. Это может оказаться критичным для проведения контроля на ряде объектов.
Еще одна область, где скорость регистрации эхосигналов очень важна, — это медицинская диагностика, так как для получения качественного изображения движущихся внутренних органов требуется предельно уменьшить время регистрации эхосигналов. В медицине для визуализации используются антенные решетки, состоящие примерно из сотни элемен-
Евгений Геннадиевич Базулин, канд. физ.-мат. наук, начальник научно-методического отдела ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48. E-mail: bazulin@echoplus.ru
тов. Для получения ФАР-изображения в виде ^-скана нужно сфокусировать луч для двухсот и более углов, на что может понадобиться время, соизмеримое с характерным временем смещений внутренних органов. В результате получить их качественное изображение не удастся. Регистрация эхосигналов в режиме двойного сканирования позволит уменьшить время в несколько раз, но и этого может оказаться недостаточно для качественной визуализации движущихся объектов [6].
Поэтому задача повышения скорости регистрации эхосигналов и уменьшения объема регистрируемых эхосигналов является весьма актуальной для у.з. контроля.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Пусть антенная решетка состоит из N элементов размерами 5х и расстоянием между центрами элементов, равным Ах. Порядок регистрации эхосигналов определяется коммутационной матрицей С размерами ЫхЫе. Если Спт = 1, то это означает, что излучает элемент антенной решетки с номером п, а принимает элемент с номером т. Так как в данной статье акустическая сторона вопроса является второстепенной, то воспользуемся простейшей акустической моделью. Антенная решетка, состоящая из N точечных элементов, без призмы размещена на поверхности объекта контроля, у.з. импульсы распространяются в однородной изотропной среде со скоростью звука с, отражение происходит от N точечных рассеивателей с коэффициентом перерассеивания в(г ), расположенных в точках г . Поле ртп(0, принятое т-м элементом решетки при излучении п-м элеме нтом, запишем в виде
,('И lC М * (Т - О Л, p-„ (t)=£s(r, )
Г - r I +
r - r
p m
))
P=1
r - r
r - r
P m
(1)
где гп и гт — вектора, характеризующие положения излучающего и принимающего элементов антенной решетки; s(t) — реакция системы на воз-
1 ^ 1:4
2 ^ 1:4
3 ^ 1:4
4 ^ 1:4
1:4 ^ 1:4
Режим двойного сканирования (4 излучения, измерено 16 эхосигналов)
т У т т
Режим CDMA (1 излучение, измерено 4 эхосигнала)
Рис. 1. Принцип повышения скорости регистрации эхосигналов в режиме двойного сканирования.
буждение 5-функцией. На рис. 1 слева схематически показаны четыре группы эхосигналов от одного точечного рассеивателя для антенной решетки, состоящей из четырех элементов. Для наглядности каждому элементу приписан свой цвет, совпадающий с цветом импульсов при излучении и приеме. Если все элементы коммутационной матрицы C равны единице, то за Ne раз излучения зондирующего импульса измеряются NxNe эхосигналов, то есть для антенной решетки из 32 элементов, излучив 32 раза зондирующий импульс, нужно зарегистрировать 1024 эхосигнала. Для антенной решетки из 128 элементов, излучив 128 раз зондирующий сигнал, регистрируют уже 16 348 эхосигналов. Если излучение зондирующих импульсов происходит с частотой 1 КГц, то в первом случае для регистрации набора эхосигналов, необходимых для восстановления изображения, понадобится 32 мс, а во втором — уже 0,128 с, что может оказаться очень большим временем, особенно для медицинских приложений. Простейший способ уменьшить объем измеренных данных заключается в заполнении единицами только нижнего или верхнего треугольника матрицы С, что уменьшит примерно вдвое объем измеренных эхосигналов, но не уменьшит время регистрации. Можно случайным образом дополнительно более чем в два раза проредить матрицу С, но такой подход приведет к повышению уровня шума в восстановленном изображении. Применение нелинейных методов восстановления изображения отражателей позволяет использовать около 10 % от полного набора эхосигналов [7], то есть вместо 16 348 эхосигналов можно измерить около 1600. Но такие методы достаточно сложны и требуют больше времени для восстановления изображения, чем метод C-SAFT.
С точки зрения теории многоканальной связи, режим двойного сканирования подобен ситуации, когда абоненты по очереди посылают сообщение, которое принимается всеми абонентами. Последовательный характер излучения зондирующего импульса позволяет понять: "Кто является источником сообщения?" Такой режим связи, когда каждой паре приемник-передатчик выделяется весь спектр или большая его часть на выделенный отрезок времени, называется множественный доступ с разделением по времени, в англоязычной литературе — Time Division Multiple Access (TDMA). Если бы все абоненты одновременно могли послать сообщение, а при приеме понять, от кого оно поступило, то это позволило бы принципиально уменьшить скорость регистрации эхосигналов и их объем. Эффективные решения этой проблемы разработаны в теории многоканальной связи [8]. Для этого каждому элементу антенной решетки нужно приписать уникальный зондирующий сигнал, sn(t), который они излучают и принимают одновременно всеми элементами антенной решетки. Измеренные эхосигналы, с учетом (1), можно записать в виде
Ne c
Pm(t) = ZPnm (t) Pnm(t) = f P'L (t) sn (t - t) dX. (2)
П=1 -co
Для применения метода C-SAFT эхосигналы Pm(t) нужно декодировать, чтобы m-й абонент мог выделить сообщение p (t) от абонента с номером n. В идеальном случае при Ne = 128 такой подход позволяет вместо 128 измерений провести только одно, а количество эхосигналов с 16 348 уменьшить до 128. Схематически этот процесс показан на рис. 1 справа. Понятно, что за ускорение измерений эхосигналов и уменьшение их объема придется заплатить временем на декодирование эхосигналов pm(t) и система может перестать формировать изображения с частотой более 10 Гц, но для автоматизированной системы контроля это не принципиально.
Подобный подход используется в системе высокоскоростного контроля рельсов с одновременным излучением фазированной антенной решеткой зондирующих импульсов, позволяющих сформировать поле для нескольких углов ввода [9]. Однако в публикациях, посвященных данной системе, не упоминаются тип используемого сигнала и способ декодирования.
Таким образом, задачу можно сформулировать так: нужно подобрать такой набор кодирующих сигналов sn(t) и способ декодирования, чтобы, согласно формуле (2), по измеренным эхосигналам рт(0 восстановить сигналы рпт(0, которые можно использовать для восстановления изображения отражателей методом С^ЛБТ.
3. ТИПЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СИГНАЛОВ
Для эффективного декодирования корреляционная функция ^пт(т) набора сигналов sn(t), предназначенных для возбуждения элементов антенной решетки, должна обладать следующим свойством:
оо
Япт(0 =| (0 ^ + Т ^ = 5„„8(т), П, т = 1,2,...^, (3)
где Ъпт — символ Кронекера. Набор сигналов, обладающий свойством (3), называется ортогональным для любого т. Сигналов для практического использования с таким свойством не известно, но разработано несколько наборов кодирующих сигналов £п(0, которые в той или иной степени приближаются к идеальному набору со свойс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.