Акустические методы
УДК 620.179.162:534.87
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПСЕВДООРТОГОНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ УРОВНЯ ШУМА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО
КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ С БОЛЬШИМ ПОГЛОЩЕНИЕМ
© 2019 г. Е.Г. Базулин1,*, В.К. Авагян2
1ООО «Научно-производственный центр «ЭХО+», Россия 123458 Москва, ул. Твардовского, 8,
Технопарк «Строгино»
2Московский энергетический институт (Национальный исследовательский университет), Россия 111250
Москва, ул. Красноказарменная, 14
Поступила в редакцию 25.03.2019; после доработки 25.04.2019
Принята к публикации 26.04.2019
Для повышения отношения сигнал/шум при контроле материалов с высоким уровнем поглощения предложено
использовать в качестве зондирующих сигналов сложные сигналы, сформированные на основе кодовых наборов, при-
меняемых в технологии Code Division Multiple Access (CDMA). Кодовые последовательности кодового набора обладают
низким уровнем функции взаимной корреляции и дельта-подобной функцией автокорреляции. Эхосигналы регистриру-
ются методом двойного сканирования, когда элементы антенной решетки последовательно излучают уникальные зонди-
рующие фазоманипулированные согласно коду Касами сигналы, а регистрация эхосигналов происходит одновременно
всеми элементами антенной решетки на каждом такте излучения. Так как форма «боковых лепестков» сжатых эхосигна-
лов для каждого выстрела разная, то восстановление изображения отражателей методом цифровой фокусировки антен-
ны (ЦФА) приведет к уменьшению уровня «боковых лепестков». В результате их уровень при использовании для каж-
дого элемента антенной решетки разных кодовых последовательностей длиной 15 может оказаться меньше, чем при
использовании для всех элементов одной последовательности длиной 63. Восстановление ЦФА-изображения при ска-
нировании антенной решеткой при условии, что для каждого положения используется уникальный кодовый набор,
должно дополнительно уменьшить уровень шума и уровень «боковых лепестков». В модельном эксперименте по вос-
становлению изображения отверстий бокового сверления в плексигласовом образце СО-1 продемонстрирована эффек-
тивность предложенного подхода при использовании кодов Касами длиной 15 и 63.
Ключевые слова: ультразвуковой неразрушающий контроль, двойное сканирование, тройное сканирование, цифро-
вая фокусировка антенной (ЦФА), метод максимальной энтропии (МЭ), C-SAFT, высокое поглощение, Code Division
Multiple Access (CDMA).
DOI: 10.1134/S0130308219080013
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в практике ультразвукового контроля (УЗК) широко применяются дефекто-
скопы, использующие антенные решетки. Для восстановления изображения отражателей в объекте
контроля используются две технологии: технология фазированных антенных решеток (ФАР) [1],
которая на сегодняшний день является наиболее распространенной, и технология цифровой фоку-
сировки антенной (ЦФА) [2, 3]. В статье [4], посвященной сравнению возможностей ФАР- и ЦФА-
дефектоскопов, сделан вывод, что ЦФА-технология более перспективна с алгоритмической точки
зрения и поэтому статья посвящена обработке эхосигналов, измеренных ЦФА-дефектоскопами.
Рассмотрим работу ЦФА-дефектоскопа подробнее. На первом этапе эхосигналы измеряются
при излучении и приеме всеми комбинациями пар элементов антенной решетки [5]. В [6] такой
режим регистрации эхосигналов называется режимом двойного сканирования, а в [7] — режимом
Full Matrix Capture (FMC). Регистрацию эхосигналов антенной решеткой, работающей в режиме
двойного сканирования, при ее механическом перемещении будем называть режимом тройного
сканирования [6]. На втором этапе по измеренным эхосигналам изображение отражателей восста-
навливается методом Combined Synthetic Aperture Focusing Technique (C-SAFT) [5, 8], который
можно модифицировать для учета многолучевого распространения ультразвука в объекте контро-
ля с неровными границами и при наличии областей с разными акустическими свойствами [9]. В
зарубежной литературе алгоритм C-SAFT называется Total Focusing Method (TFM) [7]. Возможность
совместной когерентной обработки эхосигналов методом C-SAFT для разных положений антенной
решетки позволяет получать высококачественное изображение отражателей, что принципиально
отличает ЦФА-дефектоскопы от ФАР-дефектоскопов [4].
В практике УЗК одним из источников белого шума является аппаратный шум приемных усили-
телей, который затрудняет выделение полезного сигнала из шума при контроле материалов с высо-
ким уровнем поглощения. Для снижения уровня белого шума можно многократно регистрировать
4
Е.Г. Базулин, В.К. Авагян
эхосигналы в одном положении антенной решетки и усреднять их. При таком подходе амплитуда
белого шума будет расти пропорционально корню квадратному из числа парциальных изображений,
а амплитуда полезных эхосигналов будет возрастать пропорционально числу парциальных изобра-
жений [10]. Получить требуемое отношение сигнал/шум можно за счет многократных измерений
эхосигналов и их усреднений, но время регистрации эхосигналов также многократно возрастет.
Для снижения уровня белого шума можно регистрировать сигналы в режиме тройного скани-
рования. Для каждого положения антенной решетки восстанавливаются парциальные ЦФА-
изображения, которые для получения итогового изображения когерентно складываются [11].
Далее по тексту просуммированное изображение будет называться ЦФА-X-изображение. При
таком подходе количество положений, в которых регистрируются эхосигналы, рассеянные отража-
телем, будет ограниченным. Поэтому при шаге сканирования в несколько миллиметров будет
существовать предел для повышения отношения сигнал/шум.
Работа со сложными сигналами позволяет повысить отношение сигнал/шум при формирова-
нии изображений отражателей в объектах с высоким поглощением [12] без увеличения времени
регистрации эхосигналов. Так, в практике ультразвукового контроля используются линейные
частотно-модулированные сигналы [13], сигналы, фазоманипулированные согласно коду Баркера
[11] или псевдослучайной последовательности [12] длиной Nc. Для получения качественного изо-
бражения отражателей нужно добиться того, чтобы при сжатии сложных сигналов уровень «боко-
вых лепестков» функции автокорреляции сложного сигнала был предельно малым, как минимум
N , то, увеличивая длину сложного сигнала,
можно получить требуемое значение уровня «боковых лепестков», но при этом увеличится размер
«мертвой зоны», в пределах которой не удается восстановить изображения отражателей.
Существуют комплементарные последовательности Голея (Golay) [14] и наборы дополнительных
кодов Велти (Welti) [11], корреляционная функция которых имеет низкий уровень «боковых
лепестков», пропорциональный 1/Nc. Отметим, что применение комплементарных кодов приводит
к удвоению времени регистрации эхосигналов.
Для технологии Code Division Multiple Access (CDMA), используемой в мобильной телефонии,
N
e
были разработаны специальные кодовые наборы сигналов {
}
s t)
, которые обладают свойством
n
n
=1
псевдоортогональности, то есть функция автокорреляции сигнала sn(t) в идеале стремится к
δ-функции, а функция взаимной корреляции между разными сигналами кодового набора близка к
нулю. Кодовые наборы последовательностей Касáми (Kasami) [15], Голда (Gold) [16], де Брейна
(de Bruijn) [17], Задова-Чу (Zadoff-Chu) [18] обладают свойством псевдоортогональности. Элемент
кодовой последовательности называется чипом.
Пусть каждый элемент номер n антенной решетки элементов излучает свой зондирующий фазо-
N
e
манипулированный сигнал из набора {
}
s t)
n
, а принимают эхосигналы все Ne элементов.
n
=1
Набор из Ne измеренных эхосигналов называется выстрелом. Обозначим через pn,m(t; sn(t)) эхосиг-
нал, измеренный элементом номер m антенной решетки при излучении зондирующего сигнала sn(t),
элементом номер n. После сжатия эхосигналов каждого выстрела со своим зондирующим импуль-
сом sn(t) функции автокорреляции будут иметь «боковые лепестки» разной формы с амплитудой,
равной примерно 1
c
N
от максимума амплитуды функции автокорреляции. При формировании
ЦФА-изображения уровень ложных бликов, вызванных наличием «боковых лепестков» у сжатых
сигналов, должен уменьшиться в 1
c e
N
N , то есть, применяя короткий код длиной 15, можно
получить уровень «боковых лепестков», характерный для сложного сигнала длиной 63 периода.
Распространенным методом сжатия сложных эхосигналов является согласованная фильтрация
эхосигнала pn,m(t; sn(t)) с зондирующим импульсом sn(t). Можно провести сжатие сложных эхосиг-
налов за счет фазовой коррекции в полосе частот ∆f спектра измеренного сигнала pn,m(f; sn(t))
*
s
(
f
)
-i2πf t
n
t)
p
(
f
;
s t))
e
df
,
(1)
n,m
= ∫
n,m
n
s
(
f
)
∆f
n
где s*n(f ) — комплексно сопряженный спектр зондирующего сигнала sn(t). Но и при таком способе
сжатия уровень «боковых лепестков» будет пропорционален 1
N
. Такие алгоритмы сжатия слож-
c
ных сигналов обладают высоким быстродействием, но не позволяют получить низкий уровень
«боковых лепестков» и достичь эффекта сверхразрешения.
Более сложный метод декодирования или деконволюции простых или сложных сигналов,
позволяющий уменьшить уровень «боковых лепестков» более чем в
N
c
раз и уменьшить дли-
тельность эхосигналов, основан на использовании метода максимальной энтропии (МЭ) [19].
Дефектоскопия
№ 8
2019
Использование псевдоортогональных сигналов для уменьшения уровня шума...
5
1. ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ УМЕНЬШЕНИЕ УРОВНЯ «БОКОВЫМИ ЛЕПЕСТКАМИ»
ЦФА-ИЗОБРАЖЕНИЯ
1.1. Использование нескольких кодовых наборов для разных положений антенной решетки
Как отмечалось выше, для увеличения пространственной апертуры излучения-приема эхосиг-
налы можно измерять в режиме тройного сканирования. Изображение отражателей можно полу-
чить когерентно, сложив Nw парциальных ЦФА-изображений [3], восстановленных для каждого
положения антенной решетки. В этом случае уровень «боковых лепестков» можно дополнительно
уменьшить, используя для каждого положения антенной решетки свой кодовый набор
N
N
w
N
N
N
e
e
e
e
{
n,w
s t)
}
}
=
{
n,1
s t)
}
,
{
n,2
s t)
}
,...
{
s
n,N
(t)
}
(2)
n=1
n=1
n=1
w
n=1
w
=1
При использовании такого приема можно ожидать, что уровень ложных бликов ЦФА-
X-изображения, сформированных «боковыми лепестками», будет равен 1
c e w
N
N N . Для случаев
Nc = 15, Ne = 32 и Nw = 10 уровень «боковых лепестков» должен составить величину примерно -37 дБ.
1.2. Использование сплит-сигналов
Уменьшить уровень ложных бликов ЦФА- или ЦФА-X-изображения можно, увеличивая длину
Nc кодовой последовательности, но при этом будет увеличиваться размер «мертвой зоны». Для раз-
решения этого противоречия можно воспользоваться сплит-сигналами [13], которые представляют
собой последовательность из Nsplit радиоимпульсов, смещенных относительно друг друга на один
измерительный такт дефектоскопа. Применение сплит-сигналов позволяет за счет заданного числа
Nsplit добиться дополнительного повышения отношения сигнал/шум в
N
раз. Например, при
split
излучении сплит-сигнала из четырех Nsplit = 4 разных зондирующих импульсов длиной Nc = 15
можно добиться того же уровня «боковых лепестков», как при излучении кодовой последователь-
ности длиной Nc = 63, но при этом размер «мертвой зоны» будет такой же, как если бы излучался
сложный сигнал длиной Nc = 15. К сожалению, при таком подходе время регистрации эхосигналов
возрастает в Nsplit раз.
2. ВЫБОР КОДОВЫХ НАБОРОВ
Как упоминалось ранее, для технологии CDMA разработано несколько типов кодовых наборов
из последовательностей длиной Nc, которые обладают свойствами псевдоортогональности. Закон
изменения фазы каждого периода фазоманипулированного зондирующего импульса может опре-
деляться кодами Касáми (Kasami) [15], Голда [16], де Брейна [17], у которых фаза чипа может при-
нимать значения либо 0, либо 180 градусов. Можно использовать последовательности Задова—Чу
[18], имеющие фазу каждого чипа в диапазоне от -180 до 180 градусов. Набор последовательно-
стей со случайной фазой также может рассматриваться как псевдоортогональный. Фазомани-
пулированный сигнал можно формировать на несущей частоте fc, а возможен вариант случайного
измерения частоты fc + δf от чипа к чипу [20], как это делается в технологии FH-CDMA. Для излу-
чения такого рода сигналов к излучающему генератору дефектоскопа предъявляются повышенные
требования по сравнению с обычным генератором ударного возбуждения.
Наборы зондирующих сигналов для модельных экспериментов выбирались следующими.
N
N
w
e
Для кодов Касами длиной 15 и 63 генерировалось Nw = 100 кодовых наборов
{
n,
s t)w
}
}
,
n=1
w
=1
в каждом из которых было по Ne = 32 зондирующих сигналов. Затем простейшим способом рассчи-
тывались эхосигналы pn,m(t;sn(t)) от точечного отражателя в предположении точечных излучателей и
приемников антенной решетки. В каждом ЦФА-изображении отражателя отношение сигнал/шум оце-
нивалось как отношение первого максимума ко второму. После такой оценки выбирались 20 кодовых
наборов, по которым были получены ЦФА-изображения с лучшим отношением сигнал/шум.
3. МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ОБРАЗЦЕ СО-1
Модельные эксперименты проводились с использованием ЦФА-дефектоскопа «АВГУР АРТ»,
с помощью которого можно излучать сложные сигналы заданной формы. Дефектоскоп разработан
и изготавливается в Научно-производственном центре «ЭХО+» [21].
Дефектоскопия
№ 8
2019
6
Е.Г. Базулин, В.К. Авагян
1
3
5
7
2
4
6
Рис. 1. Фотография образца СО-1.
На рис. 1 показана фотография образца СО-1. Двумя многоугольниками зеленого цвета схема-
тично показано начальное (слева) и конечное (справа) положения антенной решетки при переме-
щении ее 40 раз вдоль оси x с шагом 1,96 мм. Отверстия бокового сверления, изображения которых
восстанавливались, пронумерованы и указаны выносками с номерами от 1 до 7. Для регистрации
эхосигналов в режиме тройного сканирования использовалась антенная решетка (5 МГц, 32 эле-
мента, размер пьезоэлемента 0,5×10 мм, зазор между краями элементов 0,1 мм) без призмы.
Амплитуда зондирующих сигналов всех типов была равна 50 В. Малые размеры пьезоэлементов
и невысокое напряжение зондирующего импульса специально выбраны для того, чтобы при
использовании простых сигналов отношение сигнал/шум изображения отверстий боковых сверле-
ний при контроле на однократно отраженном луче было невысоким.
3.1. Простой сигнал длиной один период
На рис. 2 представлено изображение, восстановленное методом ЦФА-X по эхосигналам, изме-
ренным в режиме тройного сканирования для 40 положений антенной решетки. Здесь и далее при
×106
30
7
3
40
6
2
50
7
5
60
Дно
70
4
80
3
Тень
отверстия 5
90
2
100
1
110
120
0
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
x, мм
Рис. 2. Изображение отверстий бокового сверления при излучении простого сигнала длиной один период.
Дефектоскопия
№ 8
2019
Использование псевдоортогональных сигналов для уменьшения уровня шума...
7
восстановлении изображения компенсировалось уменьшение амплитуды импульсов из-за расхож-
дения лучевой трубки [22]. Для подчеркивания бликов малой амплитуды контрастность изображе-
ния установлена равной 0,25. Это означает, что цветовая кодировка амплитуд растрового изобра-
жения, превышающих 0,25 максимального значения изображения, не меняется и отображается
темно-красным цветом. Высокий уровень затухания в плексигласе, малые размеры элементов
антенной решетки и малая амплитуда зондирующего сигнала привели к тому, что блики отверстий
после однократного отражения эхосигналов от дна обнаружить не удалось. Блики отражателей
с номерами от 1 до 7 хорошо видны только на прямом луче в области, отмеченной на рис. 1 четы-
рехугольником с границей красного цвета. На блике дна образца хорошо видны тени отверстий
бокового сверления.
а
б
55
1
7
56
0,9
6
57
0,8
58
5
0,7
59
0,6
4
60
0,5
61
3
0,4
62
0,3
2
63
0,2
1
64
0,1
65
0
0
166
168
170
172
174
176
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
x, мм
z, мм
Рис. 3. Изображение отверстия 7 при однократном отражении от дна (а), срез изображения по оси z (б).
На рис. 3а показан фрагмент изображения на рис. 2, на котором уверенно обнаруживается блик
самого глубокого отверстия 7, а на рис. 3б — его срез по оси z (линия красного цвета на рис. 3а).
Отношение сигнал/шум изображения отверстия 7 на прямом луче можно оценить как 20 дБ.
3.2. Коды Касами длиной 15 периодов со случайной несущей, режим тройного сканирования
Для регистрации эхосигналов использовали Nw = 20 наборов из Ne = 32 фазоманипулированных
согласно коду Касами длиной Nc = 15 сигналов. Каждый период имел частоту, распределенную в
диапазоне от 3 до 7 МГц по равномерному закону.
На рис. 4 графиком черного цвета показан идеальный зондирующий импульс, синего —
импульс, пропущенный через полосовой фильтр, а эхосигнал, отраженный от дна плексигласового
образца толщиной 30 мм, — красного. Видно, что ограниченная полоса пропускания антенной
решетки искажает идеальный вид зондирующего сигнала: в принятом эхосигнале фактически про-
пали резкие скачки фазы при смене чипа, амплитуда сигнала меняется от чипа к чипу.
1
0,5
0
-0,5
-1
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
t, мкс
Рис. 4. Пример идеального зондирующего импульса (график черного цвета), зондирующего импульса, пропущенного
через полосовой фильтр (красного), и измеренного эхосигнала (синего).
Дефектоскопия
№ 8
2019
8
Е.Г. Базулин, В.К. Авагян
1
Дно
7
6
0,7
0,6
Ложный
0,5
импульс
«Боковые
лепестки»
0,2
0,1
0
50
52
54
56
58
60
62
64
66
68
70
t, мкс
Рис. 5. Огибающая эхосигнала при излучении простого сигнала (график черного цвета из точек), огибающая сжатого
эхосигнала при излучении сложного зондирующего импульса, фазоманипулированного согласно коду Касами длиной 15
(синего), результат сжатия эхосигнала при использовании кодов Касами длиной 63 (красного цвета).
На рис. 5 показана огибающая эхосигнала при излучении простого зондирующего сигнала
длиной один период (график черного цвета из черных точек) и огибающая эхосигнала, сжатого с
помощью фазовой коррекции согласно (1), при излучении зондирующего импульса, фазоманипу-
лированного согласно коду Касами, длиной 15 (синего). Графиком красного цвета показан резуль-
тат сжатия сложного эхосигнала при использовании кода Касами длиной 63, отношение сигнал/
шум эхосигнала — простого зондирующего сигнала около 0 дБ, что делает невозможным визуаль-
ное обнаружение даже эхосигнала, отраженного от дна образца СО-1. Использование кодов
Касами длиной 15 позволяет уверенно обнаружить эхосигнал, отраженный от дна образца СО-1.
Однако обращает на себя внимание высокий уровень «боковых лепестков» сжатого сигнала.
Только после излучения сложного сигнала, сформированного согласно коду Касами длиной 63,
эхосигналы отверстий бокового сверления с номерами 6 и 7 при однократном отражении импульса
×107
30
«Боковые
лепестки»
после сжатия
4,5
40
4
50
3,5
60
3
70
2,5
80
7
2
2
6
90
5
1,5
4
100
1
110
0,5
Блики отражателей
1 и 3
не обнаружены
120
0
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
x, мм
Рис. 6. Изображение отверстий бокового сверления при излучении фазоманипулированного сигнала согласно кодам
Касами длиной 15.
Дефектоскопия
№ 8
2019
Использование псевдоортогональных сигналов для уменьшения уровня шума...
9
от дна образца СО-1 стали более заметны, а уровень «боковых лепестков» уменьшился до прием-
лемого уровня -20 дБ от амплитуды импульса, отраженного от дна. Амплитуда «боковых лепест-
ков» при использовании кода Касами длиной 15 больше амплитуды «боковых лепестков» при
использовании кода Касами длиной 63 примерно на 9 дБ.
На рис. 6 показано ЦФА-X-изображение, восстановленное по эхосигналам, измеренным в
режиме тройного сканирования для 40 положений антенной решетки. Для подчеркивания бли-
ков малой амплитуды контрастность изображения установлена равной 0,25. Сжатие измеренных
сложных сигналов происходило за счет фазовой коррекции спектров идеальных зондирующих
импульсов согласно (1). Около бликов отражателей большой амплитуды, восстановленных по
эхосигналам на прямом луче, заметны «боковые лепестки». Уровень шума понизился не меньше,
чем на 6 дБ по сравнению с изображением на рис. 2, что позволило обнаружить блики отража-
телей с номерами от 2, 4, 5, 6 и 7, сформированные эхосигналами, однократно отраженными от
дна. Аналогичные блики отверстий номеров 1 и 3 достоверно обнаружить не удалось. Отметим,
что никакой дополнительной обработки изображения не проводилось.
а
б
101
0,8
4,5
102
0,7
4
103
0,6
104
3,5
3
0,5
105
106
2,5
0,4
107
2
0,3
108
1,5
0,2
109
1
0,1
110
0,5
111
0
0
106
108
110
112
114
116
101 102 103 104 105 106 107 108 109
110 111
x, мм
z, мм
Рис. 7. Изображение отверстия 3 при однократном отражении от дна (а), срез изображения по оси z (б).
На рис. 7а показан фрагмент изображения на рис. 6 с бликом отверстия 3 при однократном
отражении эхосигнала от дна, а на рис. 7б — его срез по линии красного цвета. Невысокое отно-
шение сигнал/шум изображения отверстия 3 не позволяет считать отражатель достоверно обнару-
женным.
3.3. Коды Касами длиной 63, режим двойного сканирования
Для регистрации эхосигналов использовали Nw = 20 наборов из Ne = 32, фазоманипулирован-
ных согласно коду Касами длиной Nc = 63 сигналов. Несущая частота каждого периода была равна
5,0 МГц.
На рис. 8 показано ЦФА-X-изображение, восстановленное по эхосигналам, измеренным в
режиме тройного сканирования для 40 положений антенной решетки. Контрастность изобра-
жения установлена равной 0,25. Сжатие измеренных сложных сигналов происходило за счет
фазовой коррекции спектров идеальных зондирующих импульсов согласно (1). Около бликов
отверстий, восстановленных по эхосигналам на прямом луче, заметны «боковые лепестки»,
которые из-за увеличения длины кода стали более протяженными по сравнению с рис. 6.
Уровень шума понизился не меньше, чем на 6 дБ по сравнению с изображением на рис. 6.
Однако блик отверстия номер 1 при однократном отражении эхосигналов от дна обнаружить
по-прежнему не удалось. Больший уровень «боковых лепестков» бликов отражателей у
поверхности объясняется тем, что чем глубже расположен отражатель, тем с больших положе-
ний антенной решетки регистрируются эхосигналы от него и тем большее количество кодовых
комбинаций участвуют в его формировании. Поэтому уровень «боковых лепестков» блика
отверстия 3 больше, чем у блика отверстия 7.
Дефектоскопия
№ 8
2019
10
Е.Г. Базулин, В.К. Авагян
×107
30
«Боковые
лепестки»
после сжатия
9
40
3
8
50
7
«Боковые
60
лепестки»
практически
пропали
70
5
80
4
6
2
90
5
4
3
100
3
2
110
1
Блики
отражателя 1
не обнаружены
120
0
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
x, мм
Рис. 8. Изображение отверстий бокового сверления при излучении фазоманипулированного сигнала согласно кодам
Касами длиной 63.
На рис. 9а показан фрагмент изображения на рис. 8 с бликом отверстия 3, восстановленного
при однократном отражении эхосигнала от дна, а на рис. 9б — его срез по линии красного цвета.
Отношение сигнал/шум изображения отверстия 3 можно оценить как 12 дБ (см. для сравнения
рис. 7), что позволяет считать отражатель обнаруженным.
а
б
101
0,15
102
9
103
8
104
7
0,1
105
6
106
5
107
4
0,05
108
3
109
2
110
1
111
0
106
108
110
112
114
116
0101 102 103 104 105 106 107 108 109
110 111
x, мм
z, мм
Рис. 9. Изображение отверстия 3 при однократном отражении от дна (а), срез изображения по оси z (б).
Как упоминалось ранее, сжатие сложных эхосигналов можно проводить с помощью метода
МЭ. На рис. 10 показаны огибающая эхосигнала дна образца СО-1 при излучении простого зон-
дирующего сигнала длиной один период (график из черных точек), огибающая сигнала, сжатого
Дефектоскопия
№ 8
2019
Использование псевдоортогональных сигналов для уменьшения уровня шума...
11
1
0,9
0,8
Ложные
импульсы
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
53
53,5
54
54,5
55
55,5
56
t, мкс
Рис. 10. Огибающая эхосигнала, отраженного от дна образца СО-1 при излучении простого зондирующего сигнала дли-
ной один период (график из черных точек), огибающая сигнала, сжатого фазовой фильтрацией (график красного цвета),
и огибающая эхосигнала при сжатии методом МЭ (синего).
фазовой коррекцией (график красного цвета), и огибающая эхосигнала при сжатии методом МЭ
(синего). Видно, что МЭ-импульс уменьшил свою длину до 0,08 мкс, что примерно в пять раз
меньше, чем ширина импульса при сжатии за счет фазовой коррекции согласно (1). К сожале-
нию, после сжатия эхосигналов методом МЭ появились ложные импульсы, амплитуда которых
составляет примерно 45 % от амплитуды основного импульса. В [23] рассмотрена причина появ-
ления ложных импульсов и предложен способ их устранения. Для этого нужно уметь рассчиты-
вать форму эхосигнала sn(t; z) от точечного отражателя на глубине z с учетом формы зондирую-
щего импульса sn(t), частотной характеристики электронной части измерительной системы,
резонансных свойств антенной решетки и дисперсии, влияние которой на форму сигнала в
образце СО-1 велико.
На рис. 11а показано ЦФА-изображение отверстия 3, восстановленного на прямом луче по
эхосигналам, сжатым с помощью коррекции фазы, а на рис. 11б — его срез по линии красного
цвета. Уровень «боковых лепестков» после сжатия с помощью коррекции фазы равен примерно
–28 дБ, но даже при таком малом их уровне они достаточно заметны на рис. 11.
а
б
36
1
2,5
38
0,9
3
40
0,8
2
42
0,7
44
1,5
0,6
46
0,5
48
1
0,4
0,3
«Боковые лепестки»
после сжатия
0,5
0,2
54
0,1
56
0
118
122
126
130
134 136
036
38
40 42
44
46
48
50
52
54
56
x, мм
z, мм
Рис. 11. ЦФА-изображение отверстия 3, восстановленное по эхосигналам, сжатым с помощью коррекции фазы.
На рис. 12а показано ЦФА-изображение отверстия 3, восстановленного на прямом луче по
эхосигналам, сжатым с помощью метода МЭ, а на рис. 12б — его срез по линии красного цвета.
Уровень «боковых лепестков» уменьшился примерно до -40 дБ, а лучевая разрешающая способ-
ность повысилась примерно в два раза. Такое небольшое повышение связано с тем, что ложные
импульсы (см. рис.10) усредняются для всех 1024 эхосигналов, участвующих в формировании
изображения.
Дефектоскопия
№ 8
2019
12
Е.Г. Базулин, В.К. Авагян
а
б
36
1
38
3,5
0,9
40
0,8
3
42
0,7
2,5
44
0,6
46
2
0,5
48
0,4
1,5
0,3
«Боковые лепестки»
1
практически исчезли
0,2
0,5
54
0,1
56
0
118
122
126
130
134 136
036
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
x, мм
z, мм
Рис. 12. ЦФА-изображение отверстия 3, восстановленное по эхосигналам, сжатым с помощью метода МЭ для одного
положения антенной решетки.
К сожалению, сжатие эхосигналов методом МЭ не позволило заметно повысить отношение
сигнал/шум бликов отверстий боковых сверлений, восстановленных по эхосигналам, однократно
отраженных от дна образца СО-1. Возможно, это связано с тем, что необходимо использовать при
сжатии методом МЭ не сигналы sn(t), а сигналы sn(t, z), учитывающие частотные особенности
тракта используемой для регистрации аппаратуры и дисперсию.
ВЫВОДЫ
По результатам исследований, изложенных в данной статье, можно сделать следующие выво-
ды.
1. Предложенный в данной работе метод повышения отношения сигнал/шум за счет использо-
вания псевдоортогональных кодовых последовательностей продемонстрировал свою эффектив-
ность:
отношение сигнал/шум ЦФА-X-изображения при использовании кодов Касами длиной 63 воз-
росло на 16 дБ по сравнению с вариантом использования простого сигнала длиной в один период.
Применение кодов Касами позволило обнаружить на ЦФА-X-изображении блики отверстий, вос-
становленные по эхосигналам, отраженным от дна образца СО-1;
уровень «боковых лепестков» ЦФА-X-изображения при использовании кодов Касами стал
меньше -20 дБ.
2. Сжатие сложных эхосигналов методом МЭ позволило уменьшить уровень «боковых лепест-
ков» до -40 дБ, и повысить лучевую разрешающую способность примерно в два раза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Advances in Phased Array Ultrasonic Technology Applications // Publisher: Waltham, MA: Olympus
2. Воронков В.А., Воронков И.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. О применимости
технологии антенных решеток в решении задач ультразвукового контроля опасных производственных
объектов // В мире неразрушающего контроля. 2011. № 1. С. 64—70.
3. Базулин Е.Г., Вопилкин А.Х., Тихонов Д.С. Повышение достоверности ультразвукового контроля.
Часть 1. Определение типа несплошности при проведении ультразвукового контроля антенными
решетками // Контроль. Диагностика. 2015. № 8. C. 7—22.
4. Базулин Е.Г. Сравнение систем для ультразвукового неразрушающего контроля, использующих
антенные решетки или фазированные антенные решетки // Дефектоскопия. 2013. № 7. С. 51—75.
5. Ковалев А.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г., Яковлев Н.Н. Импульсный эхо-
метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция // Дефектоскопия. 1990. № 2.
С. 29—41.
6. Базулин Е.Г. О возможности использования в ультразвуковом контроле двойного сканирования
для повышения качества изображения рассеивателей // Акуст. журн. 2001. Т. 47. № 6. С. 741—745.
7. Chatillon S., Fidahoussen A., Iakovleva E., Calmon P. Time of flight inverse matching reconstruction
of ultrasonic array data exploiting forwards models / NDT National Conference, Aug 25—27, 2009. Canada.
Дефектоскопия
№ 8
2019
Использование псевдоортогональных сигналов для уменьшения уровня шума...
13
8. Bolotina I., Dennis M., Mohr F., Kröning M., Reddy K.M., Zhantlessov Y. 3D Ultrasonic Imaging by
Cone Scans and Acoustic Antennas / 18th World Conference on Nondestructive Testing, 16—20 April 2012.
Durban. South Africa.
9. Базулин Е.Г. Восстановление изображения отражателей методом C-SAFT с учетом анизотропии
материала объекта контроля // Дефектоскопия. 2015. № 4. С. 42—52.
10. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.
11. Базулин Е.Г., Коколев С.А. Повышение отношения сигнал/шум при проведении ультразвуко-
вого контроля ремонтных заварок с использованием технологии прореженных антенных решеток //
Дефектоскопия. 2013. № 5. С. 45—58.
12. Качанов В.К. Применение ортогональных фазоманипулированных сигналов в УЗ дефектоско-
пии // Дефектоскопия. 1990. № 9. С. 39—46.
13. Качанов В.К., Карташев В.Г., Соколов И.В., Шалимов Е.В. Методы обработки сигналов в уль-
тразвуковой дефектоскопии / Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлениям
«Электроника и микроэлектроника», «Радиотехника». М.: Издательский дом МЭИ, 2010. 220 с.
14. Golay M.J.E. Complementary series // IRE Trans., Inf. Th. 1961. V. IT-7. No. 2. P. 82—87.
15. Kasami T. Weight Distribution Formula for Some Class of Cyclic Codes // Tech. Report No. R-285,
Univ. of Illinois. 1966. April.
16. Gold R. Optimal binary sequences for spread spectrum multiplexing // IEEE Transactions on
Information Theory. 1967. October. V. 13 (4). P. 619—621. DOI:10.1109/TIT.1967.1054048.
17. de Bruijn N.G. A combinatorial problem // Koninklijke Nederlandse Akademie v. Wetenschappen.
1946. V. 49. P. 758—764.
18. Chu D.C. Polyphase codes with good periodic correlation properties // IEEE Trans. Inform. Theory.
July. 1972. P. 531-532. DOI:10.1109/TIT.1972.1054840.
19. Базулин А.Е., Базулин Е.Г. Деконволюция сложных эхосигналов методом максимальной энтро-
пии в ультразвуковом неразрушающем контроле // Акуст. журн. 2009. № 6. С. 772—783.
20. Zigangirov K.Sh. Theory of Code Division Multiple Access Communication. N.-Y. IEEE Press, 2004.
412 p.
22. Базулин Е.Г. Использование метода инверсного C-SAFT для выравнивания пространственной
чувствительности изображения отражателей // Дефектоскопия. 2015. № 1. С. 58—71.
23. Базулин Е.Г., Вовк А.С. Применение метода максимальной энтропии в ультразвуковой дефекто-
скопии с учетом переменной формы эхосигнала // Научные труды МЭИ. 2018. № 5. С. 111—119.
Дефектоскопия
№ 8
2019
