Введение к работе
Актуальность темы. Звуковидение - метод интроскопии, при котором изображение объекта, не видимого невооруженным глазом, получают с помощью звука, используя его свойство распространяться в различных средах с неодинаковой скоростью. В конце XX - начале XXI веков проникновение человека под воду приняло массовые масштабы, причем цели проникновения стали самыми разнообразными. Это военные цели, подводная добыча полезных ископаемых, научные исследования мирового океана, строительство подводных индустриальных объектов и другие. Водная среда в большинстве случаев не является оптически прозрачной, поскольку содержит разнообразные взвешенные частицы — замутнения, препятствующие получению оптического изображения. Замутнения имеют как естественную, так и техногенную природу. Чем сильнее оказывается физическое воздействие сил природы или деятельности человека на водную среду, тем более сильное замутнение в ней образуется. Сфера интересов человека зачастую связана с получением изображения именно в оптически слабо прозрачной или совершенно непрозрачной воде. Этим и объясняется пристальный интерес к акустическим средствам визуализации объектов, намного менее чувствительным к содержанию взвешенных частиц, в сравнении с оптическими средствами визуализации.
Проблемы звуковидения, вызывают интерес специалистов достаточно давно, с начала XX века. В этой области исследований и технических приложений человечеством накоплен определенный опыт и получены ощутимые результаты. Устройство визуализации, получившее название звуковизор, работает по принципу, похожему на принцип действия телевизионной камеры в условиях недостаточного внешнего освещения, когда используется прожектор. Только наблюдаемый объект в данном случае облучается источником ультразвуковых волн, а матричное звукоприемное устройство преобразует отраженные от объекта волны в электрические сигналы и передает их для отображения на устройство отображения. Способ получения изображения основан на использовании амплитудного различия сигналов, приходящих от объекта, по отношению к окружающему фону.
За свою историю, звуковидение прошло серьезный эволюционный путь. Проведены многочисленные научные исследования в области взаимодействия звуковых волн со средой, звуковой оптики, акустоэлектрического преобразования и обработки сигналов. В звуковидении выделились специфические направления, связанные с различными прикладными задачами, такими как собственно
подводное звуковидение, медицинская диагностика, дефектоскопия и другие. Был разработан ряд, как чисто экспериментальных приборов, так и вполне пригодных для практического применения звуковизоров. Среди последних можно выделить звуковизор, предложенный к производству по заказам Акустическим институтом, поисково-разведочный гидроакустический комплекс "Кедр", созданный в ЦНИИ "Гидроприбор" и ЦНИИ " Морфизприбор", трехмерная акустическая камера реального времени "Echoscope", созданная Норвежской нефтяной компанией Statoil и компанией OmniTech из Бергена.
Проведенный анализ имеющихся данных позволил выявить определенные недостатки в качестве получаемых изображений, и новые, перспективные направления визуализации в оптически непрозрачной среде. Основным принципиальным недостатком классического звуковидения является достаточно низкий контраст изображения, или даже полное отсутствие контраста в случае, когда отражающая способность элементов исследуемого объекта одинакова или мало отличается.
Главной предпосылкой для дальнейшего развития классического звуковидения является достигнутый уровень развития полупроводниковой микроэлектроники. Технологический уровень интеграции современных полупроводниковых элементов вполне позволяет создать устройство визуализации, удовлетворяющее требованиям по качеству изображения. В то же время уровень развития компьютерной техники позволяет производить обработку и восстановление изображения с высокой скоростью в режиме реального времени.
Актуальность поставленной в диссертационной работе задачи определяется практической важностью получения более качественных, и более информативных акустических изображений с учетом возрастающих современных требований, при невысокой стоимости устройства визуализации. В частности остро стоит вопрос о создании "электронного глаза" для подводных робототех-нических систем.
Цель диссертационной работы. Разработать метод повышения качества, контраста и информативности изображения звуковизора. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
провести критический анализ более ранних разработок в области звуковидения;
сформулировать начальные технические требования к прибору визуализации;
исследовать возможность применения зеркальной звуковой оптики для повышения технологичности и снижения стоимости прибора;
провести исследования характеристик отражения коротких импульсных сигналов от твердых предметов в водной среде;
разработать и изготовить экспериментальный макет прибора для практических экспериментов по получению изображений;
провести качественную и количественную оценку акустических и электрических параметров звуковизора на основе полученных экспериментальных данных;
разработать структурную и принципиальную схемы прибора для постановки на производство.
Научная новизна. Большинство результатов диссертационной работы являются новыми. На момент начала работы автора по представленной тематике в открытой печати отсутствовала информация о разработках звуковизора, открывающего возможность построения изображения в трехмерной проекции. В работе впервые предложена оригинальная теоретическая модель, позволяющая использовать звукооптическую систему для построения изображения в трехмерной проекции путем использования нестационарного акустического сигнала. Теоретически и экспериментально изучены характеристики отражения звуковых волн от твердых предметов в водной среде при нестационарном характере звукового сигнала, в частности, детально исследованы параметры акустического поля в фокальной плоскости зеркала для различных внешних условий. Проведены анализ и компьютерное моделирование пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости.
В диссертации разработаны разнообразные методы регистрации коротких импульсных звуковых сигналов и проведено компьютерное моделирование различных методик регистрации. Показано, что обработка отраженного сигнала дает информацию, достаточную для построения трехмерных изображений разнотипных исследуемых объектов. На экспериментальном макете, использующем зеркальную звуковую оптику, получены изображения различных типов объектов посредством последовательного сканирования их короткими звуковыми импульсами. Разработаны и предложены к практической реализации структурные, принципиальные и конструктивные схемотехнические решения.
Практическая значимость работы. В отличие от классического звуковизора с двумерным изображением, трехмерный звуковизор позволяет отображать рельеф поверхности, даже если отражающая способность всех элементов объекта одинакова. Трехмерный звуковизор позволяет достаточно точно определять линейные размеры объекта, а также позиционировать объект, определяя расстояние до его составных элементов. Эти возможности значительно расширяют сферу применения звуковидения.
Основными достоинствами трехмерного звуковидения являются значительно лучшая способность идентификации объекта и возможность различения объекта, сливающегося с фоном, например дном водоема. Также становится возможной автоматическая идентификация объектов, что позволяет использовать звуковидение в качестве "электронного глаза" различных роботизированных подводных технических систем.
Улучшенные возможности позволят более широко применять звуковидение в военных целях, аварийно-спасательных работах, криминалистике, строительстве подводных объектов, дефектоскопии и других видах деятельности человека в водной среде.
Положения, выносимые на защиту.
Математическая модель, позволяющая моделировать характеристики пространственного и временного распределения звукового поля в фокальной плоскости зеркала.
Параметры акустического поля в фокальной плоскости и ее окрестности для различных условий, полученные посредством компьютерного моделирования.
Оригинальная методика регистрации коротких сигналов, разработанная на основе анализа модели фазового детектора.
Макет трехмерного звуковизора, позволяющий исследовать параметры акустического поля в фокальной плоскости зеркала и получать изображения неподвижных объектов методом механического сканирования.
Результаты экспериментального исследования акустического поля в фокальной плоскости при нестационарном характере звукового сигнала.
Схемотехнические решения для создания матричного акустического преобразователя, полученные на основе разработанной методики регистрации коротких сигналов.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в МИРЭА в учебном процессе, в Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН, внедрены в Федеральном государственном унитарном предприятии "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева".
Достоверность основных положений и выводов подтверждена экспериментально в процессе исследований разработанных макетов звуковизоров, а также точностью расчетов их параметров (1,0... 0,5)% и характеристик, примерно соизмеримой с погрешностью применяемых измерительных приборов, совпадением результатов настоящей работы с данными, полученными другими авторами, а также актами о внедрении и использовании научных и практических результатов настоящей диссертации.
Апробация работы. Результаты работы по этапам регулярно докладывались и обсуждались на семинарах факультета электроники и НТК МИРЭА, конференциях разного уровня, опубликованы в открытой печати. На основании результатов экспериментов и модельных расчетов автором самостоятельно сконструирован макет звуковизора, предназначенного для получения трехмерного изображения статических объектов, посредством пространственно-временной имитации матрицы 100x100 элементов одним акустическим приемником. Получены трехмерные акустические изображения тестовых объектов с вполне удовлетворительным качеством.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в десяти печатных работах, из которых 1 статья в ведущем российском научном журнале, рекомендованном ВАК для публикации материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений. Объем диссертации составляет 229 страниц, в том числе 92 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 111 наименований.
