Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Спскл-интерферометрия (современное состояние) 9
-
Методы спекл-интерферометрии в оптике и астрономии 9
-
Спекл-интерферометрия в акустике 17
Глава 2.
2.1.
2.1.1. 2.1.2. 2.1.3.
Спекл-интерферометрия точечного источника звука, 34 движущегося в свободном пространстве
Оценка угловых координат и скорости перемещения 34
точечного источника звука
Постановка задачи 34
Метод деления спектров 38
Сравнение метода деления спектров и функции 39
корреляции
-
Связь между параметрами антенны, объекта и 41 неоднородного слоя
-
Временные соотношения 42
-
Оценка траектории движения'й скорости перемещения 43 источника (численное моделирование)
-
Результаты экспериментальных исследований 45
-
Методика проведения эксперимента 45
-
Результаты эксперимента 49
-
Выводы 69
2.4. Определение расстояния до источника звука, 78
находящегося за слоем рассеивателей
-
Постановка задачи 78
-
Результаты численного моделирования 80
-
Выводы 86
Глава 3.
3.1.
3.1.1. 3.1.2.
3.1.3. 3.1.4.
3.2.
3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4.
Спекл-интерферометрия точечного источника звука, 87 движущегося в слоисто-неоднородной среде
Перемещение источника звука в океаническом 87
волноводе
Многолучевость и спекл-структура 87
Оценка углового перемещения источника звука в 88
многомодовом волноводе
Результаты численного моделирования 91
Выводы 96
Измерение траектории движения источника 97
сейсмоколебаний в многослойной твердой среде
Практическое обоснование 97
Постановка задачи 98
Результаты численного моделирования 102
Выводы 109
Глава 4. Получение изображений динамических объектов, 110
расположенных под неоднородным слоем, методами спекл-интерферометрии
-
Возможный алгоритм восстановления изображения ПО объектов
-
Определение фазы 112
-
Восстановление изображения точечного динамического 112 объекта через неоднородный слой
-
Восстановление изображения протяженного 115 динамического объекта через неоднородный слой
-
Вычисление фазы, функция корреляции и алгоритм 119 деления спектров
-
Получение изображения кровотока через толстые кости 121 черепа (ультразвуковая ангиография)
-
Постановка задачи 121
-
Описание метода 123
-
Связь между параметрами антенны, неоднородного слоя 125 и сосуда
-
Временные соотношения 126
-
Результаты численного моделирования 127
4.7. Выводы 130
Выводы Заключение Литература Приложения
Введение к работе
Проблема восстановления изображений и оценки координат источников звука расположенных в неоднородных и рассеивающих средах является одной из фундаментальных задач акустики океана, сейсмологии и геофизики, медицинской ультразвуковой диагностики, ультразвукового неразрушающего контроля и многих других областей, где упругие колебания являются единственным источников информации об исследуемом объекте.
Общепринятыми и интенсивно развиваемыми методами решения подобных задач являются методы, основанные на вычислении (или измерении) функции Грина (передаточной характеристики канала распространения звука) и последующей свертке принятого сигнального поля с этой функцией. В теории обработки сигналов такие методы получили название «согласованной со средой когерентной обработки сигналов». С физической точки зрения согласованная обработка является одним из методов обращения и восстановления волнового фронта. Восстановив волновой фронт, а, следовательно, и функцию источника, в дальнейшем можно определить его координаты и параметры движения. На этом принципе «работают» любые известные системы подводного наблюдения как ближнего, так и дальнего радиуса действия. Вместе с тем согласованным методам обработки полей, как и всем когерентным фазовым методам, свойственен целый ряд ограничений. Главное из них - очень высокая чувствительность к амплитудно-фазовым флуктуациям сигналов и априорной точности задания исходных параметров волновода. Амплитудно-фазовые флуктуации полей, как правило, мультипликативные, и это серьезно усложняет процедуру обработки сигналов.
Более двадцати пяти лет тому назад в оптике появился новый подход к решению некоторых обратных задач в средах с сильным рассеянием, основанный на идее использования корреляции флуктуации рассеянного поля. Группа методов, объединенная этим подходом, получила название "спекл-голографии" и "спекл-интерферометрии" [1]. В акустике океана схожие идеи были, по-видимому, высказаны гораздо раньше в работе Ю.П.Лысанова [2] и развиты в его последующих работах с сотрудниками [3,4]. Хотя авторы работ [2,3,4] не использовали подобную терминологию и в то время не могли быть знакомы с оптикой спеклов, предложенные ими методы прецизионного измерения скорости и смещений источника звука основаны на оценках параметров корреляции флуктуации рассеянного звукового поля неоднородностями дна, т.е. источником полезной информации о параметрах движения являются именно случайные флуктуации сигналов.
В конце 80-х годов Зверевым В.А. в работах [5-11] был предложен и развит метод, названный «обращенным апертурным синтезом в темном поле». С точки зрения классической теории обнаружения, основу которой составляет выделение когерентной и стабильной части сигнала, в предложенном «методе темного поля» все происходит с точностью «наоборот», поскольку помехой как раз является сильная когерентная компонента. Заметим, что основные идеи такого подхода были опубликованы Зверевым В.А ещё в 1975 в монографии [5]. В основе метода «темного поля» лежат нелинейные операции, осуществляемые над принятыми сигналами, и восстановление изображения по информации, содержащейся в разности фаз мультипликативных рассеянных компонент поля.
В настоящей работе предлагается новый подход к оценке параметров акустического источника, расположенного в неоднородной среде, идеологически близкий к методу темного поля и основанный на методах спекл-интерферометрии и на идеях фазовой голографии с двойной экспозицией. Основная особенность его заключается в том, что для оценки координат движущегося источника в рассеивающей среде не требуется решать обратную задачу по восстановлению функции источника. При определенных условиях координатную информацию можно получить путем обработки пространственных спектров рассеянных неоднородностями полей, воспользовавшись тем, что амплитудно-фазовые флуктуации рассеянного поля при различных угловых положениях источника остаются коррелированными. Таким образом, мультипликативная помеха, которая в согласованной обработке является основной причиной невозможности измерения координат, в спекл-интерферометрических методах, наоборот, является источником полезной информации.
Принципиальным в этих методах является наличие фазовых флуктуации в принятых сигналах. В большинстве разнообразных задач акустики океана такие фазовые флуктуации всегда присутствуют. При этом часто возникают ситуации, когда отношение сигнал/шум большое и аддитивную помеху можно не учитывать, а главной является именно мультипликативная помеха. Методы акустической спекл-интерферометрии основаны на анализе именно таких мультипликативных флуктуации сигналов.
Целью диссертационной работы является исследование акустической спекл-интерферометрии и разработка на ее основе методов и алгоритмов определения координат, построения траектории движения источников звука и восстановления изображений объектов, находящихся в неоднородных и рассеивающих средах.
В диссертационной работе были поставлены следующие задачи: разработать методы акустической спекл-интерферометрии для измерения координат и скорости перемещения источника звука движущегося в случайных слоисто-неоднородных и рассеивающих средах; провести численное моделирование и экспериментальные исследования предложенного метода спекл-интерферометрии; разработать метод получения изображений динамических (меняющих свою структуру во времени) объектов, расположенных под неоднородным слоем, в частности, динамического кровотока.
Диссертация состоит из четырех глав, введения, выводов, заключения и приложений.
Первая глава посвящена современному состоянию спекл-интерферометрии. В ней содержится обзор методов спекл-интерферометрии, используемых в оптике и астрономии. Рассмотрены методы и подходы, используемые в акустике для получения информации о среде и объектах расположенных в неоднородных и рассеивающих средах, основанные на обработке мультипликативных компонент принятого звукового поля.
Во второй главе рассмотрена спекл-интерферометрия точечного источника звука, движущегося в свободном пространстве: проведена оценка угловых координат и скорости перемещения точечного источника звука. Показано, что при определенных условиях пространственные спектры принятого звукового поля аналогичны оптическим спекл-структурам, и к ним применимы методы спекл-интерферометрии. Предложен новый метод обработки сигналов - «метод деления спектров», позволяющий определять угловые перемещения источника с точностью до аппаратного разрешения и устранять возможную неоднозначность измерений. Проведены оценки параметров антенны, объекта и неоднородного слоя. Работоспособность методов акустической спекл-интерферометрии по восстановлению траектории движения источника подтверждена численным моделированием. Проведенные экспериментальные исследования практически показали, что в среде с фазовыми искажениями, когда обычная Фурье-обработка оказывается не работоспособной, методы акустической спекл-интерферометрии дают возможность измерять траекторию движения источника звука с точностью до элемента разрешения антенны.
Разработан новый метод определения расстояния до точечного и протяженного объектов, расположенных за неоднородным рассеивающим слоем, а также определения расстояния до слоя.
В третьей главе рассмотрена спекл-интерферометрия точечного источника звука, движущегося в слоисто-неоднородной среде. Показано, что угловой спектр мод можно рассматривать как случайную спекл-структуру. Описан метод измерения азимутального смещения точечного источника в многомодовом волноводе. Аналитические соотношения получены для идеального волновода. Проведенное численное моделирование показало, что метод работает и при частичном нарушении этих условий.
Показано, что предложенный метод акустической спекл-интерферометрии применим для задач геофизики, геолого-географического сопровождения и проводки нефтегазовых скважин, измерения профиля буровой скважины по собственному шуму бурового инструмента. Проведенное численное моделирование определения траектории движения бурового инструмента в трехслойной среде с параметрами, соответствующими реальному геологическому разрезу, показало хорошее соответствие между профилем заданным и измеренным.
Четвертая глава посвящена исследованию методов спекл-интерферометрии для восстановления изображения протяженных динамических (меняющих свою структуру во времени) объектов через неоднородный рассеивающий слой. Разработан новый метод восстановления изображения, основанный на обращении волнового фронта по разности фазовых распределений, зарегистрированных на антенне. Проведены численные исследования по восстановлению через неоднородный слой изображения точечных и протяженных объектов, окруженных стабильными границами. Показано, что предложенный метод является ультразвуковым аналогом рентгеновской ангиографии. Численным моделированием решена задача восстановления изображения динамического кровотока через толстые кости черепа. Проведены оценки параметров антенны, неоднородного слоя и кровеносного сосуда.
В выводах и заключении кратко сформулированы основные результаты работы и рассмотрены перспективные области их практического применения.
В приложениях приведено описание алгоритмов (программ), использованных при численном моделировании и для обработки экспериментальных данных.
Работа докладывалась на:
На 23ом Симпозиуме по Акустическим изображениям, Бостон, США, 1997; на 24ом Симпозиумах по Акустическим изображениям, Санта-Барбара, Калифорния, США, 1998; на 20М Международном симпозиуме по гидроакустике, Гданьск, Польша, 1999; на семинарах Акустического института в т.ч. на семинаре научной школы проф. Рыбака С.А. «Акустика неоднородных сред», 2002.
Часть исследований по теме диссертации проводились при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (коды проектов: №94-02-04541-а, № 96-02-16372-а, №99-05-65162).
Результаты диссертации, опубликованы в следующих работах:
Зуйкова Н.В., Кондратьева Т.В., Свет.В.Д. Применение методов акустической спекл-интерферометрии в некоторых задачах акустики океана // Акуст.журн. 1996, т.42, №2, с.225-231.
Зуйкова Н.В., Кондратьева Т.В., Свет.В.Д. Определение расстояния до объекта, находящегося под слоем рассеивателей звука // Акуст.журн. 1997,т.43,№2, с.187-193. Svet V.D., Kondratieva T.V., Zuikova N.V. Trajectory estimation of moving target in the medium with a strong scatteringV/Acoustical imaging. Plenum Press, NY. 1997, v.23, p.555-562. Svet V.D, Kondratieva T.V., Zuikova N.V. Trajectory Estimation of the Moving Target in Inhomogeneous Medium by Acoustic Speckle Interferometry Methods, 24th Symposium on Acoustical Imaging, September 23-26, 1998, University of California, Santa Barbara, CA, USA.
Зуйкова H.B., Кондратьева T.B., Свет.В.Д. Оценка углового перемещения движущегося источника звука в многомодовом волноводе // Акуст.журн. 1998,т.44,№2,с.220-225.
Зуйкова Н.В., Кондратьева Т.В., Свет.В.Д. Применение методов акустической спекл-интерферометрии для контроля и измерения профиля нефтяной скважины // Акуст. журн. 1998, т.44, №6, с.779-785. Svet V.D., Kondratieva T.V., Zuikova N.V. Acoustic Speckle-Interferometry Methods of Coordinate Estimation of Moving Source in Inhomogeneous Medium. 2nd EAA International Symposium on Hydroacoustics, 24-27 May, 1999, Gdansk-Jurata, Poland.
Зуйкова H.B., Кондратьева T.B., Свет.В.Д. Получение изображения кровотока методом ультразвуковой спекл-интерферометрии (ультразвуковая ангиография) // Акуст.журн. 2001, т.47, №5, с.652-658.
Зуйкова Н.В., Кондратьева Т.В., Свет.В.Д. Акустическое изображение объектов, движущихся под неоднородным слоем. // Акуст.журн. 2003, т.49,№2,с.183-193.
Зуйкова Н.В., Кондратьева Т.В., Свет.В.Д. Фазовые флуктуации сигналов и акустические изображения. // Акустика неоднородных сред. Сб.трудов семинара научной школы проф. С.А.Рыбака, РАО, Ежегодник, М., 2002.
На защиту выносятся: новый метод акустической спекл-интерферометрии для определения координат источника звука в случайно-неоднородной среде; результаты численного моделирования исследований по восстановлению траектории движения источника в условиях сильного рассеивания; результаты экспериментальных исследований по восстановлению траектории движения источника в условиях слабого и сильного рассеивания; метод акустической спекл-интерферометрии для определения расстояния до объекта (точечного или протяженного), находящегося за слоем рассеивателей; спекл-интерферометрия точечного источника звука, движущегося в многолучевой слоисто-неоднородной среде; алгоритм восстановления изображения динамического (меняющего свою структуру во времени) объекта через неоднородный слой; новый метод визуализации динамического кровотока через неоднородные биологические слои.
