Введение к работе
Актуальность темы. Последнее время развитие техники, расширение областей её применения и значимость задач, связанных с безопасностью эксплуатации технических средств обусловило параллельное развитие средств и методов решения обратных задач акустики для целей интроскопии, и, в частности, ульразвукового неразрушающего контроля.
Рассматриваемый в диссертации метод реконструкции изображения внутреннего строения исследуемого тела направлен на выполнение следующих задач:
выявление посторонних, включений и несплошностей (как локальных, так и протяжённых произвольной ориентации) внутренней структуры материалов;
определение местоположения и эквивалентных размеров неоднородностеи;
оценка реальных размеров и экспертное решение о классификации неоднородности;
реконструкция внутреннего строения исследуемого образца при доступности измерений только на части его поверхности.
Кроме того сходные задачи интроскопии возникают при геологоразведке, подводном видении и медицинской диагностике.
В частных случаях решение этих задач требуется для изотропного однородного тела с внутренними включениями локальных неоднородностеи скорости звука, плотности материала (или других) в рамках скалярной модели излучения (при лучевой модели распространения звука), для первых приближениях Борна, Рытова или Кирхгофа, но в ряде случаев задача может быть осложнена наличием внутренних слоев (прослоек) материала с различными физико-акустическими свойствами; учётом многократного переотражения звукового импульса от элементов конструктива и внутренних неоднородностеи, а также наличием сильных рассеивателей.
С середины 80- годов начинаются разработки, направленные на применение томографических методов в технике; к середине 90- годов появляются первое промышленное оборудование. В настоящее время существенный акцент в перспективах развития методов интроскопии ставится на использование методов синтезированной апертуры, что обуславливается их широкими возможностями по обнаружению произвольных неоднородностеи и относительно простой аппаратной частью (основная обработка данных производится на ЭВМ, которые к настоящему времени достигли достаточной
)
мощности пя расчёта результатов в реальном масштабе времени). При этом
о новизне данного подхода свидетельствует факт наличия в настоящее время
для данных методов только начальной проработки методик и метрологии
контроля. ;
Данная диссертация посвящена анализу особенностей алгоритма SAFT /Synthetic Aperture Focusing Technique/ и разработке нового метода синтезированной апертуры, базирующегося на SAFT, обеспечивающего равномерную чувствительность к протяжённым и точечным (локальным) неоднородностям без учёта эффектов дифракции за счёт введения нелинейного нормирования NL-SAFT /Non-Linear SAFT/. Проведено моделирование реконструкции изображений неоднородностеи предлагаемым методом и исследованы параметры метода.
Целью диссертационной работы являлось:
анализ особенностей отражения звука для различных видов неоднородностеи (локальные или протяженные) при широко направленном возбуждении и приеме волн;
исследование особенностей реконструкции различных типов неоднородностеи в "классическом" методе синтезированной апертуры /SAFT/ в условиях лучевой модели отражения, проявляющихся в маскировании изображений протяженных неоднородностеи на фоне локальных;
разработка и исследование нового метода синтезированной апертуры, обеспечивающего одновременную реконструкцию протяжённых и локальных неоднородностеи.
Научная новизна работы заключается в следующем:
проанализировано взаимозависимость ограничений "классического" SAFT-метода: — о способе представления неоднородности в виде точечных скалярных невзаимодействующих рассеивателей при конечной длительности импульса, — на реконструкцию протяжённых и локальных неоднородностеи в рамках лучевой скалярной модели волнового поля;
разработан метод реконструкции, обеспечивающий коррекцию подавления протяжённых неоднородностеи на основании учёта размера зоны видимости этой неоднородности по апертуре сканирования;
исследованы особенности разработанного метода и влияние его параметров на разрешающую способность и помехоустойчивость; на основании проведённого моделирования выработаны рекомендации по его практическому использованию;
— предложены дополнительные направления использования метода,
направленные на оценку размеров неоднородностей.
Научные положения, выносимые на защиту.
Допущение "классического" SAFT о представлении неоднородности как совокупности локальных невзаимодействующих скалярных рассеивателей необходимо дополнить условием, что расстояние между проекциями этих рассеивателей в направлении на датчик должно превышать пространственную длительность акустического импульса. При этом, представление протяжённой неоднородности в виде совокупности точечных невзаимодействующих скалярных рассеивателей при реконструкции методом "классического" SAFT корректно для длительности импульса, не приводящей к подавлению уровня изображения протяжённой неоднородности по сравнению с уровнем локальной неоднородности с тем же значением отражательной способности.
При реконструкции произвольно ориентированной протяжённой неоднородности подавление уровня реконструируемого по SAFT изображения относительно уровня изображения локальной неоднородности можно считать пропорциональным отношению размеров зон регистрации отраженного от этих неоднородностей сигнала.
Степень компенсации подавления уровня изображения элемента протяжённой неоднородности определяется отношением размера её зоны регистрации (видимости) к размеру апертуры локальной неоднородности, расположенной в точке реконструкции, и должна быть ограничена отношением интервала корреляции шума, превышающем пороговое значение уровня сигнала, к размеру апертуры локальной неоднородности.
Соотношение сигнал/шум и предельная ошибка определения уровня реконструированного изображения ограничены и определяются значением степени нормирования. Вид функции рассеяния точки определяется формой импульса и видом характеристик направленности датчика и имеет слабую зависимость продольного разрешения от степени нормирования.
Практическая ценность работы:
Разработан и исследован метод синтезированной апертуры с
нелинейным нормированием, обеспечивающим равномерную
чувствительность к неоднородностям различных типов.
Выявлено некорректное представление протяжённых неоднородностей в "классическом" SAFT и рассмотрена взаимосвязь такого представления и ограничения на длительность импульса.
Реализация результатов работы:
в совместной работе с ЦНИИМ по исследованию реконструкции изображений трещино-образных неоднородностей внутреннего строения толстостенных цилиндрических загртовок методами синтезированной апертуры и созданию экспериментального образца ультразвукового томографа типа 54-417;
в работе по договору № 1140, раздел 4 "Создание головного образца аппаратуры на основе ПЭВМ для автоматической регистрации и визуализации отображаемой информации, получаемой при механизированном и ручном контроле качества (дефектоскопии, толщинометрии и других) изделий ультразвуковым и другими методами" /ЦНИИМ';
— в научно-исследовательских работах кафедры ЭУТ СПбГЭТУ
№ 34/НК/ЭУТ-12/1-95 "Установка для реконструкции, анализа и
визуализации акустических изображений на базе ультразвукового
дефектоскопа", № ГБ-2/ЭУТ-17 "Разработка научных основ, аппаратуры и
математического обеспечения акустической томографии", № 5404/ЭУТ-192—
ТОНК 3/93 "Разработка и математическое моделирование алгоритмов
формирования акустических изображений при неразрушающем контроле
изделий".
Апробтшя. Результаты и разработки диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
XII Всесоюзной научно-технической конференции "неразрушаюшие
физические методы контроля" (г.Свердловск, 1990 г.).
Конференции "Системы цифровой обработки и анализа изображений" (г.Рига, 1991 г.).
XIII научно-технической конференции "Неразрушаюшие физические
методы и средства контроля" (г.Санкт-Петербург, 1993 г.).
Научно-технической конференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии - 94" (г.Москва, 1994 г.).
XV конференции "Ультразвуковая дефектоскопия
металлоконструкций" (г.Санкт-Петербург, 1995 г.).
XIV Российская конференция "Неразрушающий контроль и
диагностика" (г.Москва, 1996 г.).
Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского электротехнического университета им. В.И.Ульянова /Ленина/ (г.Санкт-Петербург, 1993-1996 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них I описание к патенту и 7 тезисов конференций.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, заключения и списка литературы, включающего 112 наименований. Основная часть работы изложена на 154 страницах машинописного текста и содержит 55 рисунков.
