Введение к работе
Актуальность темы. Ультразвуковая (УЗ) дефектоскопия возникла в 30-е годы ХХ века. Сначала УЗ дефектоскопия использовалась, в основном, для контроля изделий из металлов, как основного конструкционного материала в промышленности. Контроль изделий из металлов не вызывал затруднений, благодаря тому, что УЗ волны распространяются в металлах с незначительным затуханием и практически не искажаются. При этом в качестве зондирующих сигналов использовались простейшие импульсы ударного возбуждения с минимальной радиотехнической обработкой.
Начиная с 60-х годов 20 века в авиационной промышленности, ракетной технике, судостроении и некоторых других отраслях промышленности стали использоваться полимерные композиционные материалы (ПКМ, или композиты). Из композитов изготавливали очень ответственные изделия, и возникла проблема контроля качества этих изделий. Традиционные методы УЗ дефектоскопии, применяемые для контроля изделий из металлов, не могли использоваться для контроля изделий из композитов из-за сильного затухания УЗ волн в этих материалах. Кроме того, серьезной помехой является структурный шум (СШ), который возникает в результате отражения зондирующего сигнала от многочисленных не-однородностей объекта. СШ имеет почти такой же спектр, как и полезный сигнал, что сильно усложняет проблему выделения сигнала из СШ. Аналогичные проблемы возникают при дефектоскопии изделий из других материалов со сложной неоднородной структурой, таких как бетон, чугун, бронза старинного литья и др. Возникшие проблемы привели к необходимости использования радиотехнических методов обработки сигналов в УЗ дефектоскопии.
Приоритет в использовании радиотехнических методов для решения задач УЗ дефектоскопии принадлежит научной группе под руководством В.К. Качанова. В качестве зондирующих сигналов стали использоваться сложномодулированные сигналы с последующей оптимальной фильтрацией. Для выделения сигнала из шума стали применять накопление сигналов и синхронное детектирование; были разработаны теоретические основы пространственно-временной обработки сигналов (ПВОС) в УЗ дефектоскопии. И.В. Соколов предложил использовать в УЗ дефектоскопии новый тип сигнала – сплит-сигнал.
Большой вклад в развитие методов обработки сигналов в УЗ дефектоскопии внесли M.Schicket и M.Krause, предложившие алгоритм SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique). А.А. Самокрутов, В.Г. Шевалдыкин и В.Н. Козлов реализовали алгоритмы ПВОС в аппаратуре для дефектоскопии бетонных изделий.
Несмотря на достигнутые успехи, проблему УЗ дефектоскопии изделий из материалов со сложной структурой нельзя считать решенной. Общая теория оптимальной пространственно-временной обработки сигналов в УЗ дефектоскопии при наличии структурно шума была изложена еще в 1992 году. В последующие годы теория ПВОС получила дальнейшее развитие, однако до сих пор оптимальный алгоритм ПВОС не был никем реализован из-за его трудоемкости. Неизвестно, насколько велик выигрыш, даваемый оптимальным алгоритмом по сравнению с более простым квазиоптимальным, когда принимаемые сигналы просто суммируются. Неясно, насколько оправданны большие затраты труда, связанные с реализацией оптимального алгоритма.
Наиболее простой путь к решению этой проблемы связан с использованием математического моделирования. Экспериментальная проверка алгоритма, безусловно, очень важна, однако, для решения этой задачи экспериментальным путем необходимо иметь достоверные и точные сведения о статистических характеристиках СШ в конкретном образце, что практически очень трудно реализовать. Моделированием алгоритмов ПВОС в УЗ дефектоскопии занимались Е.В.Шалимова и Д.А.Севалкин, однако они при моделировании не учитывали корреляционные характеристики СШ. В связи с этим возникает необходимость разработки методов математического моделирования СШ с учетом взаимной корреляции реализаций СШ. Решение этой задачи позволит построить адекватные методы моделирования различных алгоритмов ПВОС.
Таким образом, основная цель данной диссертационной работы состоит в дальнейшем развитии и совершенствовании методов и алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов в УЗ дефектоскопии.
Для достижения этой цели предстоит решить следующие задачи. 1. Разработать методы математического моделирования реализаций структурного шума с учетом их взаимно корреляционных характеристик.
-
Провести математическое моделирование алгоритмов пространственно-временной обработка сигналов в УЗ дефектоскопии с учетом структурного шума.
-
Провести сравнительный анализ оптимального и квазиоптимального алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов с учетом корреляционных характеристик структурного шума и на основании результатов этого анализа составить рекомендации по выбору наиболее целесообразного алгоритма обработки сигналов.
-
Провести анализ влияния шага антенной решетки на эффективность выделения полезного сигнала из структурного шума и составить практические рекомендации по выбору шага антенной решетки или шага перемещения датчика в режиме синтезированной апертуры.
Методы исследования. Основным методом исследования является математическое моделирование, в том числе имитационное моделирование; кроме того, используется математический аппарат теории случайных процессов.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
-
Впервые разработана методика математического моделирования структурного шума в УЗ дефектоскопии с учетом взаимной корреляции реализаций СШ на элементах одномерных и двумерных антенных решеток. На основе разработанной методики создана математическая модель реализации структурного шума на выходе 4-х элементной антенной решетки.
-
Разработана новая математическая модель алгоритма пространственно-временной обработки сигналов с использованием разработанной методики моделирования структурного шума.
-
Проведено сравнительное исследование эффективности оптимального и квазиоптимального алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов с учетом собственного шума и структурного шума для задачи УЗ толщино-метрии; при этом впервые реализован оптимальный алгоритм ПВОС. Выявлены проблемы, возникающие при реализации оптимального алгоритма. Определена величина выигрыша в отношении сигнал/шум, который обеспечивает оптимальный алгоритм ПВОС по сравнению с квазиоптимальным алгоритмом при различных условиях.
4. Исследовано влияние шага антенной решетки при УЗ толщинометрии сложноструктурных материалов на отношение сигнал/шум, получающееся в результате обработки сигналов. Определены оптимальные значения шага антенной решетки и шага перемещения датчика в режиме синтезированной апертуры. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментально.
Основные практические результаты
-
Разработана программа моделирования реализаций структурного шума с учетом их взаимной корреляции.
-
Составлены практические рекомендации по выбору наиболее целесообразного алгоритма обработки сигналов при УЗ толщинометрии изделий из неоднородных материалов.
-
Составлены практические рекомендации по выбору шага антенной решетки или шага перемещения датчика в режиме синтезированной апертуры для УЗ толщинометрии изделий из материалов с неоднородной структурой.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается корректным применением математического аппарата и подтверждается результатами математического моделирования и экспериментальными результатами.
Основные научные положения работы, выносимые на защиту.
-
Методика математического моделирования реализаций структурного шума с заданными взаимно корреляционными характеристиками.
-
Результаты математического моделирования алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов с учетом структурного шума.
-
Результаты сравнительного анализа оптимального и квазиоптимального алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов в УЗ толщино-метрии с учетом структурного шума и собственного шума аппаратуры.
-
Результаты анализа влияния шага антенной решетки на величину отношения сигнал/шум при УЗ толщинометрии изделий из материалов с неоднородной структурой. Рекомендации по выбору оптимального шага антенной решетки и оптимального шага перемещения датчика при работе в режиме синтезированной апертуры.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на пяти международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, НИУ «МЭИ») в 2011, 2012, 2013, 2014, 2015 г.г.
Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации были опубликованы в девяти печатных работах, среди которых три статьи [1-3] опубликованы в журнале «Вестник МЭИ», входящем в перечень ВАК РФ, одна статья в журнале «Радиотехнические тетради» [4] и пять публикации - в сборниках тезисов докладов конференций [5-9].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 48 наименований и двух приложений. Работа содержит 126 страниц, 51 рисунок и 1 таблицу.