УДК 534.8+620
СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ ИЛИ ФАЗИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ
Е.Г. Базулин
Рассмотрены особенности формирования изображения отражателей при использовании технологии фазированных антенных решеток и изображений, полученных методом С-БАЕТ по эхосигналам, измеренным в режиме двойного сканирования. Показано, что в некоторых случаях изображения, полученные по технологии фазированных антенных решеток, менее информативны. В то время как изображения, полученные методом С-БАЕТ, имеют более высокое фронтальное разрешение во всей области восстановления изображения, парциальные изображения, восстановленные при разных положениях антенной решетки, можно когерентно складывать, что позволяет получить высокое и однородное разрешение во всем объеме толстостенных изделий и увеличить отношение сигнал/шум. Регистрацию эхосигналов в режиме двойного сканирования и восстановление изображения отражателей методом С-БАЕТ для краткости будем называть цифровой фокусировкой антенной решеткой (ЦФА). Возможность по единожды измеренным эхосигналам восстанавливать парциальные изображения отражателей по многим акустическим схемам с последующим их объединением в одно высококачественное изображение должна позволить надежно автоматизировать процесс распознавания и образмеривания рассеивателей. Еще одно достоинство изображений, полученных методом С^АЕТ с трехмерной фокусировкой, — это возможность восстанавливать изображения в единой системе координат при использовании антенных решеток на призмах разной конфигурации. Это облегчает совместный анализ изображений. Скорости формирования изображений по технологии фазированных антенных решеток и изображений, полученных методом С-БАЕТ, соизмеримы. Если методика контроля основана на использовании нелинейных эффектов, то в этом случае ФАР-дефектоскопы имеют неоспоримое преимущество перед ЦФА-де-фектоскопами. Но в рамках линейной акустики у ФАР-дефектоскопов нет принципиальных преимуществ перед ЦФА-дефектоскопами. Справедливее сказать, что у ФАР-дефектоскопов есть недостатки. В статье приведены изображения, иллюстрирующие особенности изображений, полученных ФАР- и ЦФА-дефектоскопами.
Ключевые слова: у. з. неразрушающий контроль, антенные решетки, антенные матрицы, цифровая фокусировка антенной решеткой (ЦФА), С-БАЕТ, ТЕМ, двойное сканирование, ЕМС, тройное сканирование, фокусирующая антенная решетка (ФАР).
1. ВВЕДЕНИЕ
Активная разработка радиолокационных станций в 50—60-х годах прошлого века [1] (как размещенных на борту летательных аппаратов, так и наземных стационарных систем, например, типа "Дон") привела к созданию многоканальной аппаратуры для управления антенными решетками и матрицами. Естественное развитие подобных технологий привело к созданию в 80-х годах прошлого века у. з. медицинской диагностической аппаратуры [2] и, несколько позже, в начале XXI века, приборов для у. з. неразру-шающего контроля на основе применения антенных решеток (АР) или антенных матриц (АМ). Этому способствовало совершенствование технологий изготовления у. з. антенных решеток (матриц) и многоканальных систем для излучения и приема ультразвука.
Являясь коммерческим продуктом, дефектоскопы, использующие технологию фазированных антенных решеток (ФАР-дефектоскопы), активно рекламируются. При этом, естественно, делается акцент только на их положительных свойствах, что может создать излишне радужное впечатление.
Евгений Геннадиевич Базулин, канд. физ.-мат. наук, начальник научно-методического отдела ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-50. E-mail: bazulin@echoplus.ru
4*
Такую ситуацию Гурвич А.К. охарактеризовал следующим образом [3]: "Дефектоскопы с ПЭП на фазированной антенной решетке завораживают обывателей и даже некоторых специалистов своим непрерывно качающимся лучом в сопровождении причитаний экспонентов-"шаманов".
В данной статье сделана попытка проанализировать сильные и слабые стороны ФАР-дефектоскопов и сравнить их с альтернативными системами получения высококачественных изображений дефектов, также использующих АР или АМ, но без аппаратной фокусировки.
1.1. Принцип работы ФАР-дефектоскопа
Принцип работы ФАР-дефектоскопа рассмотрен в [4], поэтому здесь приведено только его конспективное изложение. Под ФАР-дефектоскопом будем подразумевать антенную решетку или матрицу, работающую с многоканальной аппаратурой излучения и приема у. з. импульсов с регулировкой задержек при излучении и приеме. Многоканальность аппаратуры излучения и приема является принципиальным требованием работы ФАР -дефектоскопа.
Перед проведением контроля оператор задает тип фокусировки, по которому для конкретной АР или АМ, призмы и объекта контроля рассчитываются задержки при излучении и приеме в заданном диапазоне углов. После процедуры расчета задержек, которая может длиться несколько секунд, ФАР-дефектоскоп начинает формировать секторное изображение отражателей (изображение S-типа) либо с некоторым периодом, либо по сигналам с датчика положения. Применяемый дефектоскоп должен обеспечить тип фокусировки согласно требованиям утвержденной методики. Оператор делает заключение о размерах и типе обнаруженного отражателя не по одному эхосигналу, как в традиционной дефектоскопии, а по двумерному растровому изображению S-типа, которое значительно информативнее. Тем не менее ФАР-дефектоскопы имеют ряд недостатков [5], из которых самый существенный заключается в ухудшении разрешающей способности при удалении от линии фокусировки. Причем увеличение апертуры антенной решетки или матрицы приводит к парадоксальной ситуации: с одной стороны, к повышению качества изображения в области фокусировки, а с другой стороны, к уменьшению размеров этой зоны. Такая особенность формирования изображения особенно заметна при контроле толстостенных изделий антенными решетками с количеством элементов больше, чем 32 [6]. Для устранения этого недостатка некоторые ФАР-дефектоскопы способны работать в режиме динамической фокусировки [7]. В этом режиме излучение происходит при фокусировке по одному закону, а принятые эхо-сигналы обрабатываются несколько раз с использованием законов фокусировки для нескольких глубин. Однако такой режим замедляет скорость формирования изображения отражателей и не позволяет достичь предельной фокусировки, так как при излучении поле все равно фокусируется на одну глубину.
1.2. Принцип получения изображения антенной решеткой
Альтернативный способ восстановления изображения отражателей при использовании антенных решеток или антенных матриц состоит из двух этапов. На первом этапе регистрируются эхосигналы, излученные и принятые всеми парами элементов АР или АМ. Такой режим регистрации будем называть режимом двойного сканирования [8]. В [9] регистрация эхо сигналов методом двойного сканирования называется Full Matrix Capture (FMC), а в [11] — Sampling Phased Array. На втором этапе по измеренным эхосигналам восстанавливаются изображения отражателей.
Так как размеры элементов АР или АМ соизмеримы с длиной волны, то это обеспечивает широкую диаграмму направленности [10] каждого элемента и позволяет регистрировать большое количество импульсов на продольных и поперечных волнах, отраженных от границ объекта контроля и от отражателя. Регистрация эхосигналов движущейся антенной, работающей в режиме двойного сканирования, логично назвать режимом тройного сканирования.
Один из алгоритмов, который позволяет обработать этот богатейший объем информации, — метод комбинированного SAFT (C-SAFT) [11, 12], который легко модифицируется для учета многолучевого распространения ультразвука в объекте контроля с неровными границами как для случая применения АР, так и для случая применения АМ [13]. В зарубежной литературе алгоритм C-SAFT называется Total Focusing Method (TFM) [9]. С его помощью восстанавливаются изображения, на которых блики, соответствующие отражателям, не смещены по осям xyz и имеют предельно высокую фокусировку по всей области восстановления изображения (ОВИ). ОВИ, как правило, выбирают в виде прямоугольной сетки, хотя алгоритм восстановления изображения C-SAFT может работать на любой сетке в трехмерном пространстве.
Авторы [5] регистрацию эхосигналов в режиме двойного сканирования и получение изображения методом C-SAFT предлагают называть цифровой фокусировкой антенной решетки (ЦФА), поэтому дефектоскоп, работающий в режиме ЦФА, далее будем назвать ЦФА-дефектоскопом, а изображение, полученное таким дефектоскопом, — ЦФА-изображением.
1.3. Описание акустических схем
Под акустической схемой будем подразумевать тип траектории лучей с учетом отражения у. з. импульсов от дна и поверхности объекта контроля при излучении и приеме. Для описания акустических схем такое событие, как преломление на поверхности или отражение от поверхности, будем обозначать буквой T, а буквой B - отражение от дна, тип волны после события - буквами L (продольная) и S (поперечная). Запись T(S)-T(L) обозначает обычный прямой луч на поперечной волне при излучении и с приемом на прямом луче, но уже продольной волны. Схема TB(LL)-TBT(SSS) описывает ситуацию, когда при излучении анализируются лучи, однократно отраженные на продольной волне, а при приеме - двукратно отраженные на поперечной волне; акустическая схема T(L)-TB(SL) соответствует схеме, называемой "самотандем" [14]. Более подробно обозначение акустических схем рассмотрено в [32].
1.4. Коммутационная матрица
Для описания пар излучатель-приемник введем понятие коммутационной матрицы C размерами N*N, где N — количество элементов АР. По-видимому, такое описание работы антенной решетки послужило основанием для создания термина Full Matrix Capture. Если Cnm = 1, то это означает, что элемент антенной решетки с номером n излучает импульс, а элемент с номером m принимает эхосигнал. Так как эхосигналы, измеренные при C = 1 и C = 1, совпадают с точностью до шумовой составляющей, то
nm mn
можно заполнять единицами только верхний (или нижний) треугольник матрицы Cnm = 1, m > n. С такой коммутационной матрицей проводят регистрацию эхосигналов в приборе "
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.