Пространственно-временная обработка сигналов в ультразвуковой дефектоскопии в присутствии структурного шума

Актуальность темы

.

При ультразвуковом зондировании материалов и объектов со сложной неоднородной структурой, таких, как полимерные композиционные материалы, бетоны, некоторые виды чугуна, серьезной помехой при выделении сигнала и измерении его характеристик является так называемый структурный шум, возникающий при отражении зондирующего сигнала от неоднородно-стей объекта.

Сложность выделения полезного, то есть отраженного от дефекта или задней границы объекта, сигнала на фоне структурного шума обусловлена следующими обстоятельствами.

Каждая составляющая структурного шума — это результат отражения зондирующего сигнала от локальной неоднородности, которая практически повторяет по форме зондирующий сигнал. Поэтому структурный шум оказывается сильно коррелированным с зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от дефекта, его спектр почти совпадает со спектром «полезного» сигнала. Поэтому применение частотных фильтров для выделения сигнала из структурного шума оказывается неэффективнымэта задача может быть решена только с помощью пространственно-временной обработки сигналов.

В отличие от шума приемной усилительной аппаратуры, который условно можно считать белым, структурный шум не ослабляется ни при согласованной фильтрации, ни при многократном зондировании объекта из одного и того же положения. Поэтому в процессе обработки сигнала при зондировании материалов обычно «белый» шум аппаратуры удается значительно ослабить, и структурный шум становиться преобладающим.

Теория и методы пространственно-временной обработки сигналов в настоящее время достаточно хорошо разработаны, для ее реализации нужно знать корреляционную матрицу помех. Однако статистические характеристики структурного шума практически не исследованы, практически ничего не известно о корреляционных характеристиках структурного шума и особенно о взаимно корреляционных функциях структурного шума на соседних приемных элементах.

Цель работы:

Основной целью работы является разработка эффективных алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов для задач ультразвуковой дефектоскопии материалов и объектов со сложной неоднородной структурой, позволяющих выделить сигнал из структурного шума. Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

1. Определение корреляционной матрицы структурного шума путем построения теоретической модели и экспериментальной проверки.

2. Разработка эффективного алгоритма пространственно-временной обработки сигналов, учитывающего корреляционные характеристики структурного шума.

3. Математическое моделирование алгоритма пространственно-временной обработки сигналов и его экспериментальная проверка.

Решению этих задач и посвящена данная работа.

Методы исследования.

При выполнении работы использовались методы теории вероятностей, матричного анализа. Для проверки достоверности теоретических результатов использовались методы математического моделирования и эксперименты, проводимые на реальных образцах мелкозернистого материала.

Научная новизна.

1. Изучены статистические характеристики структурного шума, возникающего при ультразвуковой дефектоскопии изделий с неоднородной структурой. Обнаружено и экспериментально подтверждено существование отрицательной взаимной корреляции реализации структурного шума на соседних приемных элементах.

2. Разработан метод математического моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками, в том числе с заданной взаимно корреляционной функцией соседних реализаций структурного шума.

3. Разработана методика построения оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигнала в присутствии структурного шума.

4. Осуществлено математическое моделирование оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов с учетом корреляционных характеристик структурного шума.

5. Разработан эффективный квазиоптимальный алгоритм обработки сигналов, учитывающий характер взаимной корреляции реализаций структурного шума.

Основные практические результаты.

1. Разработана компьютерная программа моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками.

2. Разработан и реализован оптимальный алгоритм пространственно-временной обработки сигналов в присутствии структурного шума с заданными корреляционными свойствами.

3. Разработан и реализован эффективный квазиоптимальный алгоритм пространственно-временной обработки сигналов в присутствии структурного шума.

4. Разработаны практические рекомендации по выбору расстояния между приемными антенными элементами, их диаграммы направленности, обеспечивающие наиболее эффективное выделение сигнала из структурного шума.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Статистические характеристики структурного шума, возникающего при ультразвуковом зондировании материалов и объектов с неоднородной структурой. Характер взаимно корреляционных функций реализаций структурного шума на соседних приемных элементах. Наличие отрицательной взаимной корреляции реализаций структурного шума.

2. Алгоритмы оптимальной и квазиоптимальной пространственно-временной обработки сигналов, учитывающие характер взаимно корреляционных свойств структурного шума.

3. Метод математического моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками, в том числе с заданными взаимно корреляционными свойствами.

4. Рекомендации по практической реализации пространственно-временной обработки сигналов в ультразвуковой дефектоскопии материалов с неоднородной структурой.

Структура и состав работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы.

4.5. Выводы по главе 4.

В данной главе были экспериментально подтверждены основные теоретические результаты, полученные в предыдущих главах. Результаты экспериментов в целом можно считать удовлетворительными, поскольку был подтвержден главный факт наличия отрицательной взаимной корреляции. Также была проверена возможность работы с квазиоптимальным способом обработки.

При получении характеристик фильтров, чтобы установить корреляционные зависимости структурного шума нужно иметь эталонный образец исследуемого материала, который не должен содержать крупные неоднородности и вторичные отражения от боковых стенок объекта. Также нужно иметь более равномерные характеристики используемых преобразователей. И нужно стараться располагать преобразователи с шагом, близким к 0,7А,.

Надо отметить, что результаты экспериментов в сильной степени зависят от методики проведения эксперимента. Одним из основных требований успешного проведения эксперимента является хороший акустический контакт излучающего и приемного преобразователей с поверхностью объекта.

По результатам анализа экспериментов были даны некоторые практические рекомендации по обработке сигналов при наличии структурного шума, которые должны помочь при разработке ультразвуковых дефектоскопов и добиться наилучшего выигрыша в отношении сигнал/шум.

Заключение

.

В результате выполнения данной диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1. Исследованы статистические характеристики структурного шума, возникающего при ультразвуковом зондировании материалов с неоднородной структурой с мелкомасштабными неоднородностями. Проанализированы корреляционные характеристики структурного шума. В результате теоретического анализа обнаружено и экспериментально подтверждено существование отрицательной взаимной корреляции реализаций структурного шума на соседних приемных элементах.

2. Разработана методика построения оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов в присутствии структурного шума.

3. Разработан метод математического моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками, в том числе с заданной взаимно корреляционной функцией соседних реализаций структурного шума.

4. Осуществлено математическое моделирование оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигнала в присутствии структурного шума и оценена его эффективность.

5. Разработан эффективный квазиоптимальный алгоритм обработки сигналов, учитывающий характер взаимной корреляции реализаций структурного шума. Сравнение квазиоптимального алгоритма с оптимальным показало, что по величине отношения сигнал/шум он лишь на 10% уступает оптимальному алгоритму.

6. Составлен комплекс компьютерных программ, включающих программы моделирования структурного шума с заданными статистическими характеристиками, программы моделирования оптимального и квазиоптимального алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, а также программы для обработки экспериментальных результатов.

7. Осуществлена экспериментальная проверка разработанных алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов и доказана их эффективность.

8. Составлены практические рекомендации по целесообразной организации процедуры ультразвуковой дефектоскопии материалов со сложной структурой, включая выбор диаграммы направленности преобразователей, шага зондирования, а также алгоритма обработки сигналов.