УДК 621.396.96
МЕТОД СИНТЕЗИРОВАННОГО ВИДЕОСИГНАЛА В ЗАДАЧАХ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Ю.Е. Седельников, Л.Ю. Фадеева
Описан метод построения диагностической аппаратуры, который может быть эффективным при обнаружении как одиночных, так и множественных комбинационных дефектов с достаточно высокой точностью на основе предложенного способа эхолокационной диагностики (Пат. РФ 2446407 от 27.03.2012 г.). Сущность метода — использование в качестве зондирующего сигнала последовательно формируемых во времени гармонических колебаний ряда различных частот с последующей совместной обработкой принятых отраженных сигналов. Рассмотрены возможности улучшения качественных показателей диагностической аппаратуры, выполненной на основе предложенного метода.
Ключевые слова: синтезированный сигнал, диагностируемый кабель, место повреждений линий электропередачи и связи, коэффициент отражения, дисперсия, весовая функция.
ВВЕДЕНИЕ
Эхолокационные методы, в основу которых положен принцип регистрации отраженных волн, получили широкое распространение в различных задачах неразрушающего радиоволнового и акустического контроля [1—3]. Известны различные варианты их реализации, отличающиеся как видом и способами формирования зондирующих сигналов — амплитудные, частотные, фазовые, так и алгоритмами обработки принимаемых отраженных сигналов. Несмотря на значительные достижения в области неразрушающего контроля, продолжается работа по совершенствованию аппаратуры для эхо-локационной, акустической и радиоволновой диагностики материалов и изделий. К числу важнейших показателей средств эхолокационной диагностики относится дальность обнаружения дефектов, точность оценки их местоположения и разрешающая способность. В качестве одного из направлений разработки аппаратуры с улучшенными техническими показателями предлагается подход, основанный на идее синтезирования видеоимпульсного сигнала, близкий по смыслу используемому в радиолокации для зондирования земных покровов [4]. В статье рассмотрена возможность использования указанного метода в задачах неразрушающего контроля.
1. МЕТОД СИНТЕЗИРОВАННОГО ВИДЕОСИГНАЛА
Сущность метода заключается в том, что излучается зондирующий сигнал в виде квазинепрерывных колебаний ряда различных частот. Принятый отраженный сигнал подвергается комплексному весовому суммированию, что обеспечивает формирование видеоимпульса малой длительности. Указанная обработка представляет собой искусственное синтезирование видеоимпульсного сигнала из физически существующих гармонических составляющих. Применительно к задачам неразрушающего контроля использование этого метода возможно, по крайней мере, в двух направлениях.
Первое из них — использование принципа синтезирования в задачах одномерной эхолокации. Подобные задачи характерны для эхолокационно-
Юрий Евгеньевич Седельников, доктор техн. наук, профессор кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем Института радиоэлектроники и телекоммуникаций Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.Туполева (КАИ). Тел. 8-9050-26-16-92. E-mail: sedhome2013@yandex.ru; sed@ru.kstu-kai.ru
Людмила Юрьевна Фадеева, доцент кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем Института радиоэлектроники и телекоммуникаций Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.Туполева (КАИ). Тел. 8-9600-48-60-36. E-mail: milafadeeva@yandex.ru
го контроля линейных протяженных объектов, например, радиоволновый контроль различных кабельных линий электропередачи и связи. В этих случаях в волноведущей структуре возбуждают электромагнитные волны ряда различных частот, регистрируют суммарный коэффициент отражения от существующих нерегулярностей (рис.1).
_ Падающая волна
Нерегулярности
Рис. 1. Кабельная линия связи с двумя нерегулярностями. Одномерный случай.
В случае единичной нерегулярности с коэффициентом отражения Г0(ю) измеряемый коэффициент отражения равен
Г (ш) = Г0(ш) ■ е-2хо(Р(ю) + ja(ra»
(1)
где в (ю) и а (ю) — коэффициенты фазы и затухания волны в структуре. Принятый сигнал подвергается весовой обработке по правилу
U (x) = | 2 Гвх (ю, x0)К (ю, x)dю
(2)
В базовом варианте используется весовая функция, аргумент которой
arg К(ш, x) = 2/'Р(ш, x) ■ x. (3)
В этом случае синтезированный сигнал U(x) представляет собой импульсную функцию, главный максимум которой достигается при значении х, равному расстоянию до физически существующей нерегулярности. При наличии нескольких нерегулярностей наблюдаются два или более «пиков» U(x), соответствующих нерегулярностям. В качестве иллюстрации на рис. 2 приведены расчетные зависимости для случая радиоволновой диагностики кабельной линии связи.
Второе направление — использование принципа синтезирования видеоимпульса в задачах контроля или диагностики объемных или плоскостных объектов. В этих случаях зондирующий сигнал также представляет собой некоторый набор гармонических колебаний. Волны в объеме объекта создаются на каждой из частот, возбуждение распространяющихся волн и прием отраженных волн от границ объекта и нерегулярностей осуществляется соответствующим преобразователем (антенной) (рис. 3).
В простейшем случае наличия единственной точечной нерегулярности коэффициент отражения на частоте ш равен
-2 'о (ßH+'«И)
Гвх (ю, Го) = с(0, Ф, ю)-2-, (4)
r0
Ц(х)
0,66
Рис. 2. Зависимость нормированной и(х) для случая наличия двух нерегулярностей:
1 — обрыв на расстоянии 110 м;
2 — несанкционированное разветвление основной линии на расстоянии 100 м. Разветвление представлено эквивалентной схемой с различными сопротивлениями: а — г = 75 Ом; б — г = 750 и 2. = 75 Ом. Отношение С/Ш = да.
0,33
80
90
100
110
Цх)
0,66
0,33
/ \
1 1
80
90
100
110 х0, м
а
^ м
б
0
Нерегулярности
Рис. 3. Синтезирование видеоимпульса в трехмерном случае при наличии двух нерегулярностей.
Отраженная волна
Падающая волна
Излучение юГ и прием
где г0 — дальность до нерегулярности, С(9, ф, ю) — величина, определяемая направленными и частотными свойствами устройства преобразования (антенны).
Обработку принятых отраженных сигналов проводили аналогично случаю одномерной эхолокации, но в сочетании с пространственным сканированием антенны. В результате синтезирование видеосигнала обеспечивает селекцию по дальности, а наличие угловых направленных свойств преобразователей (антенн) — возможность раздельного наблюдения отражающих свойств по угловым координатам. На рис. 4 показаны расчетные зависимости наблюдаемой интенсивности синтезированного видеоимпульсного сигнала для модельного случая двух точечных нерегулярностей в неограниченной среде.
Способ синтезированного видеосигнала допускает ряд модификаций, позволяющих существенно улучшить технические показатели устройств эхо-локационной диагностики. В основу всех модификаций положено то, что выбор весовой функции К(ю) в виде постоянной по модулю величины |К(ю)| = =const не является единственно возможным. Использование весовых функций различного вида, предоставляя дополнительную степень свободы, открывает широкие возможности для улучшения характеристик обнаружения, измерения
У
Полоса частот
100—200 кГц
Координаты точечных
дефектов
Я1 = 100 мм
К2 = 120 мм
Ф1 = 0
Ф2 = 28,7 град
У,(0)
Полоса частот
100—200 кГц
Координаты точечных
дефектов
Я1 = 100 мм
Я2 = 120 мм
Ф1 = 0
Ф2 = 28,7 град
Рис. 4. Синтезирование видеоимпульса для диагностики объемных объектов в неограниченной области с параметрами Уф = 103 м/с, = 100 кГц, координатами точечных дефектов R1 = 100 и R2 = 120 мм. По горизонтальной оси — угол в радианах, по вертикальной — расстояние в метрах.
и распознавания вида дефектов. Особенно ярко эти возможности проявляются при эхолокации одномерных протяженных структур. Ниже представлены некоторые из открывающихся возможностей на примере эхолокационной радиоволновой диагностики кабельных линий электропередачи и связи.
2. ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВ ДИАГНОСТИКИ ДЕФЕКТОВ КАБЕЛЕЙ МЕТОДОМ СИНТЕЗИРОВАННОГО
ВИДЕОИМПУЛЬСА
Технические показатели существующих средств диагностики кабельных линий связи не всегда отвечают желаемым требованиям. К числу недостатков типичных импульсных рефлектометров относятся: недостаточная надежность обнаружения некоторых видов дефектов, наличие «мертвой зоны», не всегда удовлетворительные точность и разрешающая способность, а также ухудшение качественных показателей при диагностике протяженных линий вследствие влияния потерь и дисперсии в кабеле. Перечисленные обстоятельства стимулируют продолжение усилий по совершенствованию указанных средств [7—14]. В этом плане использование метода синтезированного видеосигнала [15—16] открывает довольно широкие возможности для улучшения качественных показателей. Продемонстрируем наиболее важные из них.
2.1. Компенсация влияния потерь в линиях передачи и дисперсии
Компенсация потерь и искажений вследствие дисперсии осуществляется путем использования весовой функции К(ю) = е2а(т)хег2тх/Уф(ю), где а(ю) и Уф(ю) — известные частотные зависимости коэффициента затухания и фазовой скорости в используемой линии передачи. В этом случае ширина «пика» и его положение на оси дальностей не зависят от местоположения нерегулярности (рис. 5). Побочным эффектом компенсации такого рода является снижение отношения сигнал/шум для синтезированного сигнала.
2.2. Снижение уровня боковых лепестков
К числу недостатков базового варианта синтезирования видеосигнала с весовой функцией К(ш) = const относится высокий уровень боковых лепестков — вторичных локальных максимумов, окружающих область максимальных значений U(x) в окрестности точки расположения нерегулярности х0. Указанные лепестки имеют явно выраженный характер при малых расстояниях до дефекта, а также при малом затухании в линии передачи, а по мере роста расстояния до нерегулярности (или затухания в линии передачи) происходит «заплывание» при сохранении их уровня в среднем. Это явление хорошо заметно на рис. 2, 5. Присутствие в структуре синтезированного сигнала боковых лепестков имеет тот недостаток, что ими мо
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.