WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

СЕВАЛКИН Дмитрий Алексеевич

ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННАЯ

ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

В ПРИСУТСВИИ СТРУКТУРНОГО ШУМА

Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе

системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2007

Работа выполнена на кафедре Основ радиотехники Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КАРТАШЕВ Владимир Герасимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ГРЕБЕНКО Юрий Александрович

кандидат технических наук

ТУРКИН Михаил Валентинович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт точных

приборов (г.Москва)

Защита состоится «20» декабря 2007 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу:

111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А–402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « » ________ 200__ г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.157.05

кандидат технических наук, доцент Т.И.Курочкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

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 неоднородностей 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 неэффективным; эта 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.

Публикация результатов.

По теме работы было опубликовано 6 печатных работ: 3 статьи в научных журналах( 2 – в журналах из перечня ВАК), 3 – в сборниках тезисов докладов на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (МЭИ, 2004, 2005, 2007г.

Использование результатов работы.

Результаты работы были использованы в учебном процессе и при выполнении НИР на кафедре электронных приборов МЭИ.

Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Объем работы 117 листов, включая 75 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность данной работы. Указаны основные проблемы. Поставлены цели и задачи работы. Отмечены научная новизна и основные практические результаты. Описываются структура и состав работы, публикации результатов. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются особенности УЗ дефектоскопии объектов с неоднородной структурой. Наличие большого числа неоднородностей приводит к рассеиванию и ослаблению сигнала, а в результате отражения зондирующего сигнала от неоднородностей возникает своеобразная помеха – структурный шум, который сильно коррелирован с «полезным», т.е. отраженным от дефекта, сигналом.

В связи с сильным ослаблением сигнала для успешного выделения его на фоне шума, в качестве зондирующего сигнала используются широкополосные сигналы с большой базой с последующей согласованной фильтрацией.

Однако в связи с тем, что структурный шум имеет почти такой же энергетический спектр, как и полезный сигнал, применение частотных фильтров не позволяет существенно ослабить структурный шум и увеличить отношение сигнал/шум.

При одноканальном зондировании для выделения сигнала из структурного шума применяются методы частотной и временной декорреляции, в которых используются некоторые различия спектров сигнала и структурного шума, а также вейвлет-анализ. Однако эти методы позволяют улучшить отношение сигнал/шум не более чем в 1,5–2 раза. Существенно ослабить структурный шум и повысить отношение сигнал/шум можно только с помощью пространственно-временной обработки сигналов.

Для построения оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов необходимо знать корреляционную матрицу помех, диагональные элементы которой – это автокорреляционные функции (АКФ) помех на приемных антенных элементах, а недиагональные элементы – взаимно корреляционные функции (ВКФ).

Рис.1. Структурная схема пространственно-временной обработки сигналов.

Пространственно-временная обработка сигналов в ультразвуковой дефектоскопии реализуется следующим образом. Зондирующий сигнал излучается одним или несколькими излучающими преобразователями, отражается от дефекта и неоднородностей объекта и воспринимается решеткой приемных преобразователей (рис.1).

Сигналы с каждого приемного преобразователя проходят через частотные фильтры и суммируются с учетом задержек. Чтобы найти частотные характеристики этих фильтров, нужно знать параметры сигнала и корреляционную матрицу помех, то есть автокорреляционные и взаимно корреляционные функции помех (в нашем случае помехой является структурный шум). По элементам корреляционной матрицы Rln(t1, t2) с помощью выражения

(1)

вычисляют элементы обратной корреляционной матрицы,

находят опорный сигнал

(m = 1,..., N) (2)

и по нему определяют импульсные характеристики фильтров

. (3)

Практическая реализация оптимальной пространственно-временной обработки сигналов чрезвычайно затруднена из-за того, что структурный шум случайный нестационарный процесс. Вследствие этого автокорреляционная и взаимно корреляционная функции являются функциями двух переменных, и для определения обратной корреляционной матрицы приходится решать сложную систему из N2 интегральных уравнений (1). Кроме того, неизвестна корреляционная матрица структурного шума.

Задача определения частотных характеристик оптимальных фильтров решается относительно просто только в том случае, когда реализации шума на соседних приемных элементах не коррелированны и корреляционная матрица помех оказывается диагональной. Поэтому до сих пор при реализации пространственно-временной обработки сигналов старались расположить приемные элементы на расстоянии друг от друга превышающем радиус корреляции, или взаимная корреляция реализаций структурного шума вообще игнорировалась.

Поэтому целью данной диссертационной работы было определение взаимно корреляционной функции структурного шума и на основе этого – построение оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов.

Вторая глава посвящена разработке оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов.

Чтобы преодолеть основное затруднение, связанное со сложностью системы уравнений (1), принимается упрощающее допущение, что на небольшом временном отрезке вблизи места расположения сигнала структурный шум можно считать локально стационарным. Такое допущение оправдано, так как в применяемых нами алгоритмах пространственно-временной обработки сигналов каждый раз рассматривается и отрабатывается небольшой отрезок принимаемого сигнала, соответствующий предполагаемому месту расположения дефекта.

Предположение локальной стационарности позволяет сильно упростить исходные уравнения.

(4)

Применяя к этому выражению преобразование Фурье, получим

, (5)

где – элементы матрицы энергетических спектров,

– элементы обратной матрицы энергетических спектров.

Выражение (5) является формулой обращения матрицы W(), а элементы обратной матрицы W1() позволяют определить частотные характеристики корректирующих фильтров.

(6)

Таким образом, для определения характеристик фильтров необходимо найти матрицу энергетических спектров, элементы которой можно вычислить как преобразование Фурье от элементов корреляционной матрицы структурного шума.

Для определения корреляционных характеристик структурного шума нужно знать вид его энергетического спектра, который практически совпадает с энергетическим спектром зондирующего сигнала.

Автокорреляционная функция структурного шума определяется как преобразование Фурье от его энергетического спектра.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»