WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Для определения взаимных корреляционных функций структурного шума была использована модель с одним излучающим и двумя приемными преобразователями. Среда предполагалась мелкоструктурной, то есть предполагалось, что размеры неоднородностей значительно меньше длины волны и в объеме размером в длину волны размещается большое число неоднородностей; предполагалось, что неоднородности располагаются в пространстве по случайному равномерному закону. Кроме того, накладывались ограничения на геометрию задачи. Предполагалось, что расстояние до области зондирования значительно больше расстояния между приемными преобразователями. Считалось, что сигналы, отраженные от элементарной неоднородности, пришедшие на соседние приемные преобразователи, равны по величине и различаются временной задержкой t (рис.2).

Рис.2. Структурная схема расположения приемных преобразователей.

Рис.3. Плотность вероятности задержки сигналов при диаграмме направленности антенны.

Усреднение по пространству позволило определить закон распределения временной задержки р(t).

Этот закон распределения зависит от диаграммы направленности преобразователей. Вид плотности вероятности задержек при диаграмме направленности вида описывается выражением:

. (7)

График этой плотности вероятности представлен на (рис. 3). Зная плотность вероятности задержек можно определить взаимно корреляционные функции (ВКФ) с помощью выражения

,(6)

где t0 = d/c – время пробега УЗ сигналом пути d.

Используя полученные формулы, были рассчитаны АКФ и ВКФ структурного шума (рис.4 – 5) при диаграмме направленности антенных преобразователей в предположении, что в качестве зондирующего сигнала используется широкополосный сигнал с большой базой, например, сигнал с линейной частотной модуляцией.

Рис. 4. Автокорреляционная функция структурного шума.

Рис.5. Взаимно корреляционная функция структурного шума при d=0,7.

Было обнаружено, что с увеличением расстояния между приемными преобразователями d происходит уменьшение уровня взаимной корреляции (рис.6). При d>0,4 ( – длина волны в материале на средней частоте) наблюдается отрицательная взаимная корреляция. При d0,7 ВКФ имеет наибольшее по модулю отрицательное значение.

Рис.6. Значения ВКФ при =0 в зависимости от расстояния в длинах волны между приемными преобразователям.

Наличие отрицательной взаимной корреляции имеет существенное значение для процесса обработки сигналов, так как в этом случае дисперсия двух случайных процессов оказывается меньше суммы дисперсий этих процессов. В итоге это позволяет увеличить отношение сигнал/шум при выделении сигнала из структурного шума.

Рис.7. Взаимный энергетический спектр структурного шума при d=0,4.

Рис.8. Взаимный энергетический спектр структурного шума при d=0,8.

По полученным корреляционным характеристикам были рассчитаны взаимные энергетические спектры структурного шума (рис.7–8). Был предложен еще один способ вычисления взаимных энергетических спектров – как произведение собственного энергетического спектра и характеристической функции закона распределения задержек t.

Для проверки достоверности полученных результатов был проведен эксперимент на образце мелкозернистого бетона.

Зондирование проводилось сигналом с линейной частотной модуляцией. Центральная частота 350кГц, полоса 100%.

Экспериментально подтверждено наличие отрицательной взаимной корреляции. Характер корреляционных функций и их зависимость от расстояния между приемными элементами находятся в хорошем соответствии с теоретическими результатами, что подтверждает адекватность используемой модели.

В третьей главе производилась оценка эффективности пространственно временной обработки сигналов при помощи математического моделирования. Было разработано 2 способа моделирования отдельных реализаций структурного шума с заданными статистическими характеристиками и составлены соответствующие компьютерные программы.

В первом способе производилось суммирование со случайной задержкой элементарных сигналов, как бы отраженных от отдельных неоднородностей. Во втором методе формировался сначала белый шум, потом он подвергался частотной фильтрации. Так формировались отдельные не коррелированные друг с другом реализации структурного шума. Сравнение статистических характеристик промоделированного шума и реального показало их полную адекватность. Эксперимент проводился на образце бетона толщиной 300 мм. Зондирование проводилось сигналом с линейной частотной модуляцией с центральной частотой 500 кГц, полосой 100%.

На основе моделей отдельных реализаций структурного шума была разработана модель структурного шума с заданной взаимной корреляцией на соседних элементах антенной решетки. Суть этой модели заключается в том, что каждая последующая реализация структурного шума на приемном элементе получается с использованием реализации структурного шума на предыдущем приемном элементе путем ее суммирования с независимой случайной реализацией структурного шума. Вычислялись спектры коррелированных друг с другом реализаций в соответствии с рекуррентной формулой

, (7)

где,. (8)

Анализ ВКФ структурного шума, промоделированного таким образом, доказало адекватность модели.

Для моделирования процесса пространственной обработки сигналов был разработан пакет программ, позволяющий работать как с моделями, так и с полученными экспериментально реализациями сигнала. Разработанные программы позволяют вычислять корреляционные функции структурного шума, энергетические спектры, производить обращение матриц энергетических спектров, определять частотные характеристики фильтров и обрабатывать сигнал, используя алгоритм пространственно-временной обработки сигналов.

Моделирование проводилось в предположении, что среда мелкозернистая, имеется достаточно большое число неоднородностей на единицу длину волны. Зондирующий сигнал широкополосный типа сигнала с линейной частотной модуляцией. Средняя частота зондирования 150кГц и полоса модуляции 100%. Оценка эффективности способа обработки производилась по отношению сигнал/шум. Было произведено сравнение полученных результатов обработки сигналов с помощью оптимального алгоритма с традиционным способом обработки, когда взаимная корреляция реализаций структурного шума не учитывается.

Установлено, что за счет отрицательной взаимной корреляции удается улучшить отношение сигнал/шум по сравнению с традиционным методом обработки. Например, для 20 приемных элементов увеличение в отношении сигнал/шум будет при классической обработке в 4,47 раза, а вследствие обработки предлагаемым способом в 7,4 раза. Максимальный выигрыш в отношении сигнал/шум получался при d=0,7, когда наблюдается наибольшее по модулю отрицательное значение взаимной корреляции (рис.9).

Рис.9 Изменение отношения сигнал/шум по сравнению с входным значением при 7-элементной антенне; 1 – оптимальная пространственно-временная обработка сигналов, 2 – квазиоптимальная пространственно-временная обработка сигналов, 3 – обработка без учета корреляции структурного шума.

Затем было проведено моделирование процесса получения характеристик фильтров по реализациям структурного шума. В результате было установлено, что по результатам эксперимента очень трудно получить достаточно точные значения взаимных энергетических спектров. Рассчитанные по экспериментальным данным взаимные энергетические спектры оказываются сильно изрезанными и для получения достаточно гладких зависимостей нужно провести

усреднение по очень большому числу реализаций, что трудно реализовать на практике. Поэтому возникла задача поиска другого, более простого, но эффективного алгоритма пространственно-временной обработки сигналов, где не требуется определять частотные характеристики фильтров по снятым экспериментально энергетическим спектрам. В качестве такого алгоритма (его условно назвали квазиоптимальным) было предложено суммировать реализации сигналов без умножения на частотные характеристики фильтров. При этом расстояние между приемными антенными элементами должно быть таким, чтобы получалось наибольшее значение отрицательной взаимной корреляции структурного шума, то есть около 0,7 (рис.9).

Для проверки эффективности квазиоптимальной обработки сигналов было проведено моделирование при таких же условиях, как и ранее. В результате было установлено, что отношение сигнал/шум при квазиоптимальной обработке лишь на 10% меньше, чем при оптимальной обработке сигналов и на 50% больше, чем при суммировании некоррелированных реализаций. Поэтому для практического применения можно рекомендовать квазиоптимальную пространственно-временную обработку сигналов.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальной проверки и отработки алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов. Эксперименты проводились на образцах мелкозернистого бетона с помощью компьютеризированного комплекса-дефектоскопа. В качестве зондирующего сигнала использовался сигнал с линейной частотной модуляцией с центральной частотой 350 кГц, полосой в 100%.

В целом результаты эксперимента подтвердили теоретические результаты. Наблюдалась отрицательная корреляция структурного шума на соседних элементах и как следствие – выигрыш в отношении сигнал/шум при квазиоптимальной обработке.

Однако в величине отношения сигнал/шум в отдельных опытах наблюдался сильный, примерно двукратный разброс. Детальное исследование этого явления позволило найти одну из причин этого разброса. Если в образце имеется крупная неоднородность, то по мере приближения к этой неоднородности характер взаимной корреляции изменяется: отрицательная взаимная корреляция постепенно становиться положительной. Отсюда следует, что при наличии крупных неоднородностей эффективность пространственно-временной обработки сигналов снижается. Такие неоднородности надо рассматривать с точки зрения сигналов как дефекты, поскольку уровень интенсивности отраженного сигнала от таких неоднородностей в значительной мере превосходит уровень отраженных сигналов от мелких неоднородностей.

По результатам работы были сформулированы практические рекомендации по выбору типов антенных элементов, их диаграммы направленности, их взаимного расположения и по методам обработки сигналов при ультразвуковой дефектоскопии материалов с неоднородной структурой. На основании этих рекомендаций была изготовлена специализированная антенная система для зондирования бетонных конструкций.

В заключении диссертации приводятся основные результаты выполненной работы:

1. Исследованы статистические характеристики структурного шума, возникающего при ультразвуковом зондировании материалов с неоднородной структурой с мелкомасштабными неоднородностями. 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 ВКФ соседних реализаций структурного шума.

4. Осуществлено математическое моделирование оптимального алгоритма пространственно-временной обработки сигналов 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.

В приложениях приводятся результаты моделирования алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов.

Список публикаций по теме диссертации.

  1. Севалкин Д.А. Методы математического моделирования структурного шума в ультразвуковой дефектоскопии.// Вестник МЭИ. -2007. -№2. С.109-116.
  2. Карташев В.Г., Севалкин Д.А.. Корреляционные характеристики структурного шума в ультразвуковой дефектоскопии. // Вестник МЭИ. -2007. -№3. С.100-105.

3. Карташев В.Г., Севалкин Д.А., Шалимова Е.В. Погрешность измерений толщины изделий со сложной структурой при ультразвуковом зондировании // Радиотехнические тетради. -2007. -№34. С.66-69.

4. Карташев В.Г. Севалкин Д.А. Пространственно-временная обработка сплит-сигнала в ультразвуковой дефектоскопии // Радиотехника, электроника и энергетика: Тез. докл. 10 Междунар. НТК студентов и аспирантов 2-3 марта 2004– М, МЭИ, 2004. – С. 10-11.

5. Карташев В.Г. Севалкин Д.А. Алгоритм пространственно-временной обработки сигналов в ультразвуковой дефектоскопии// Радиотехника, электроника и энергетика: Тез. докл. 11 Междунар. НТК студентов и аспирантов 1-2 марта 2005– М, МЭИ, 2005. – С. 8-9.

6. Карташев В.Г. Севалкин Д.А. Корреляционные характеристики структурного шума. // Радиотехника, электроника и энергетика: Тез. докл. 13 Междунар. НТК студентов и аспирантов 1-2 марта 2007– М, МЭИ, 2007. – С. 15.

Подписано в печать Зак. Тир. П.л.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

Красноказарменная ул., д. 13

Pages:     | 1 ||






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