Акустические методы
УДК 620.179.162: 534.87
УВЕЛИЧЕНИЕ СКОРОСТИ РЕГИСТРАЦИИ ЭХОСИГНАЛОВ
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ
ТЕХНОЛОГИИ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ
© 2020 г. В.К. Авагян1, Е.Г. Базулин1,*
1ООО «Научно-производственный центр «ЭХО+», Россия 123458 Москва, ул. Твардовского, 8,
Технопарк «Строгино»
*E-mail: bazulin@echoplus.ru
Поступила в редакцию 16.07.2020; после доработки 31.08.2020
Принята к публикации 11.09.2020
Недостатком использования метода цифровой фокусировки антенны (ЦФА) для получения изображения отражате-
лей является большой объем эхосигналов и недостаточно высокая скорость их регистрации. Для ее повышения пред-
лагается одновременно всеми элементами антенной решетки (АР) излучать зондирующие импульсы, сформированные
по наборам кодовых последовательностей, используемых в технологии Code Division Multiple Access (CDMA).
Измеренные эхосигналы можно декодировать с помощью согласованной фильтрации (СФ) и восстановить изображение
отражателей методом комбинированного SAFT (C-SAFT). Восстановить изображение без декодирования измеренных
эхосигналов можно методом МЭ. Предложенная технология была испытана для получения изображений отражателей в
образцах из дюралюминия, стали 20 и стали 40.
Ключевые слова: ультразвуковой неразрушающий контроль, двойное сканирование, тройное сканирование, цифро-
вая фокусировка антенной, метод максимальной энтропии, Code Division Multiple Access.
DOI: 10.31857/S0130308220110019
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в практике ультразвукового контроля (УЗК) широко применяются дефекто-
скопы, использующие антенные решетки (АР). Для визуализации внутреннего объема объектов
контроля (ОК), как правило, применяются две технологии: технология фазированных антенных
решеток (ФАР) [1], которая на сегодняшний день является наиболее распространенной, и техноло-
гия цифровой фокусировки антенной (ЦФА) [2]. В статье [3], посвященной сравнению возмож-
ностей ФАР- и ЦФА-дефектоскопов, сделан вывод, что ЦФА-технология более перспективна с
алгоритмической точки зрения, но обладает таким недостатком, как большой объем регистрируе-
мых эхосигналов, число которых пропорционально квадрату числа элементов АР. Передача эхо-
сигналов от блока измерения в управляющий компьютер может потребовать много времени, что
приводит к снижению скорости регистрации. Данное обстоятельство может оказаться критичным
для проведения контроля на ряде объектов, и поэтому задача увеличения скорости регистрации
эхосигналов в режиме ЦФА является актуальной.
Еще одна область ультразвукового контроля, где скорость регистрации эхосигналов очень
важна, — это медицинская диагностика, так как для получения качественного изображения вну-
тренних органов, находящихся в постоянном движении, требуется предельно уменьшить время
регистрации эхосигналов. В медицине для визуализации используются АР, состоящие более чем
из сотни элементов. Для получения ФАР-изображения в виде S-скана нужно сфокусировать луч
для двухсот и более углов, на что может понадобиться время, соизмеримое с характерным време-
нем смещений внутренних органов. В результате получить их качественное изображение не удаст-
ся. Регистрация эхосигналов в режиме двойного сканирования позволит сократить время получе-
ния ЦФА-изображения в несколько раз, но и этого может оказаться недостаточно для качественной
визуализации движущихся объектов [4]. Это еще раз подтверждает актуальность решаемой задачи.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
2.1. Методы регистрации эхосигналов и восстановления изображения
Рассмотрим принцип работы ЦФА-дефектоскопа. На первом этапе эхосигналы измеряются при
излучении и приеме всеми комбинациями пар элементов антенной решетки [5]. В статье [6] такой
режим регистрации эхосигналов называется режимом двойного сканирования, а в статье [7] —
режимом Full Matrix Capture (FMC).
4
В.К. Авагян, Е.Г. Базулин
Режим TDMA (двойное сканирование)
Режим CDMA
(4 такта излучения, залп из 16 эхосигналов)
(1 такт излучения, измерено 4 эхосигнала)
p
nm
(t)
Декодирование
pm(t)
ЦФА-изображение
МЭ-изображение
Рис. 1. Схематическое представление регистрации в режиме двойного сканирования и CDMA.
Порядок регистрации эхосигналов определяется коммутационной матрицей C размерами
Ne×Ne, где Ne — число элементов АР. Если все элементы коммутационной матрицы C равны
единице, то за Ne излучений зондирующего импульса каждым элементом будет измерено Ne×Ne
эхосигналов. Для наглядности рассмотрим АР, состоящую из Ne = 4 элементов, каждому элемен-
ту присвоим свой цвет, совпадающий с цветом эхосигналов при излучении и приеме (рис. 1,
слева).
Сначала первый элемент АР излучает зондирующий сигнал, а отраженные эхосигналы
регистрируется всеми элементами (прямоугольники красного цвета). Далее излучение произ-
водит второй, а прием вновь осуществляется всеми элементами АР (прямоугольники синего
цвета), и так до тех пор, пока все элементы не осуществят свои выстрелы. С точки зрения
теории многоканальной связи, регистрация в режиме двойного сканирования подобна ситуа-
ции, когда абоненты по очереди посылают сообщения, которые принимаются всеми абонента-
ми. Последовательный характер излучения зондирующего импульса позволяет ответить на
вопрос: «От какого источника было получено сообщение?» Такой режим связи называется
множественным доступом с разделением каналов по времени (в англоязычной литературе —
Time Division Multiple Access (TDMA)). Режим регистрации эхосигналов, когда АР, работаю-
щая в режиме двойного сканирования, механически перемещается, называется режимом трой-
ного сканирования [6]. Когерентное объединение парциальных изображений для всех положе-
ний АР позволяет повысить фронтальную разрешающую способность объединенного изобра-
жения, а также снизить уровень белого шума.
На втором этапе работы в режиме ЦФА по измеренным эхосигналам восстанавливается изо-
бражение отражателей методом Combined Synthetic Aperture Focusing Technique (C-SAFT) [5, 8],
который можно модифицировать для учета многолучевого распространения ультразвука в ОК с
неровными границами и при наличии областей с разными акустическими свойствами [9]. В зару-
бежной литературе алгоритм C-SAFT называется Total Focusing Method (TFM) [7]. Изображения,
полученные в режиме двойного сканирования, будем называть ЦФА-изображениями, а в режиме
тройного сканирования — ЦФА-Х-изображениями.
Дефектоскопия
№ 11
2020
Увеличение скорости регистрации эхосигналов ультразвуковой антенной решеткой...
5
2.2. Методы ускорения регистрации эхосигналов
2.2.1. Прореживание коммутационной матрицы
Простейшим способом уменьшения объема регистрируемых эхосигналов является прорежива-
ние коммутационной матрицы C. Заполнив единицами только нижний или верхний треугольник
матрицы C, можно примерно вдвое уменьшить объем измеренных эхосигналов, но добиться повы-
шения скорости регистрации не удастся. Такая матрица называется Half Matrix Capture (HMC) и
используется, например, в приборе А1550 IntroVisor компании ООО «АКС» [10]. Также матрицу
коммутации C можно проредить случайным образом более чем в 2 раза, но такой подход приведет
к повышению уровня шума в восстановленном ЦФА-изображении. Можно воспользоваться специ-
альной методикой прореживания C, которая описана в патенте [11]. Однако при увеличении числа
нулевых элементов матрицы C более чем на 70 % повышается общий уровень шума и заметно
искажается форма блика.
2.2.2. Излучение набора плоских волн
Для повышения скорости регистрации эхосигналов в медицинской диагностике [12] разрабо-
тан метод излучения набора плоских волн (Plane Wave Image (PWI)). Излучение около десяти
плоских волн под разными углами позволяет получать изображения с высоким отношением сиг-
нал/шум и высокой фронтальной разрешающей способностью как у ЦФА-изображений.
Применение такого метода для АР, состоящих из 32 элементов, позволяет повысить скорость реги-
страции в 1,5—2 раза. Особенно эффективно применение метода PWI для АР, состоящих из 64 и
более элементов. В этом случае скорость регистрации эхосигналов без потери качества изображе-
ния отражателей можно повысить более чем в три раза.
2.2.3. Применение технологии CDMA
Для уменьшения времени регистрации эхосигналов АР, работающей в режиме двойного скани-
рования, можно излучать одновременно всеми элементами АР сложные фазоманипулированные
сигналы, сформированные на основе наборов специальных кодовых последовательностей, разра-
ботанных для технологии множественного доступа с кодовым разделением каналов связи (в англо-
язычной литературе — Code Division Multiple Access (CDMA)). В идеальном случае ЦФА-
изображение отражателей можно получить по эхосигналам, измеренным за один такт, а не за Ne,
как в режиме двойного сканирования.
В технологии CDMA используются кодовые последовательности Касáми (Kasami) [13], Голда
(Gold) [14], де Брейна (de Bruijn) [15], Задова—Чу (Zadoff-Chu)[16]. Элемент [13] кодовой после-
довательности называется чипом, и число чипов Ne характеризует длину кодовой последователь-
ности. На основе кодовых наборов генерируются фазоманипулированные зондирующие сигналы
sn(t) для возбуждения элементов АР. Для эффективного декодирования корреляционная функция
Rnm(τ) набора сигналов sn(t), предназначенных для возбуждения элементов антенной решетки,
должна обладать следующим свойством:
∞
R
(τ)
=
s t)s
(t
+τ)dt
=δ
δ τ),
n,m
=1,2, ...
N
,
(1)
nm
∫
n
m
nm
e
−∞
где δnm — символ Кронекера. Набор сигналов, обладающий свойством (1), называется ортогональ-
ным. На рис. 2а в растровом виде показаны корреляционные функции набора из 16 ортогональных
кодовых последовательностей для восьмой последовательности s8(t). Пунктирной линией желтого
цвета показана функция взаимной корреляции (ФВК) кодовой последовательности под номером
восемь с кодовой последовательностью под номером четыре, которая для ортогональных сигналов
равна нулю. Сплошной линией представлена функция автокорреляции (ФАК) восьмой кодовой
последовательности, которая в идеальном случае равна δ-функции. На практике сигналов, облада-
ющих такими свойствами, не существует. Используемые в технологии CDMA наборы кодовых
последовательностей, которые в той или иной степени приближаются к идеальному набору со
свойством (1), называются псевдоортогональными. На рис. 2б представлена корреляционная
характеристика набора, состоящего из 16 сигналов кодовых последовательностей Касами, длиной
Ne = 63 чипа. На ФАК наблюдаются «боковые лепестки», уровень которых равен примерно -10 дБ,
а на ФВК присутствуют межканальные помехи уровня 12 дБ, которые возникают из-за сигналов
соседних каналов.
Принцип работы дефектоскопа в режиме CDMA поясняется на рис. 1, справа. Излучение и реги-
страция эхосигналов выполняются за один такт. При этом каждый элемент АР излучает свой уни-
Дефектоскопия
№ 11
2020
6
В.К. Авагян, Е.Г. Базулин
а
б
Межканальные
помехи
ФАК
"Боковые
лепестки" ФАК
Сдвиг
Рис. 2. Корреляционная характеристика сигналов кодового набора, обладающего свойством ортогональности (а), и кодо-
вого набора Касами. длиной 63 чипа (б).
кальный сложный сигнал, сформированный с помощью псевдоортогональной кодовой последова-
тельности. Чем больше число элементов АР, тем больше выигрыш в скорости регистрации и объеме
данных в сравнении с режимом двойного сканирования, однако при этом возрастает уровень межка-
нальных помех.
3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОТРАЖАТЕЛЕЙ ПО ЭХОСИГНАЛАМ,
ИЗМЕРЕННЫМ В РЕЖИМЕ CDMA
Восстановить изображение отражателей по зарегистрированной сумме сложных сигналов pm(t)
можно двумя способами. Первый способ (см. рис. 1, желтая стрелка) заключается в декодировании
суммы сложных сигналов pm(t) методом согласованной фильтрации (СФ) или методом максималь-
ной энтропии (МЭ). Это позволяет из зарегистрированной суммы эхосигналов pm(t) выделить
сообщение p
(t) , то есть получить оценку эхосигналов, как если бы регистрация проводилась в
nm
режиме двойного сканирования и восстановить ЦФА-изображение отражателей по декодирован-
ным эхосигналам p
(t)
nm
Второй способ (рис. 1, стрелка зеленого цвета) заключается в восстановлении изображения
отражателей с применением нелинейного метода МЭ без операции декодирования суммы сложных
сигналов pm(t).
3.1. Декодирование эхосигналов и восстановление изображений методом ЦФА
Одним из методов декодирования pm(t) является его сжатие с кодовым сигналом sn(t) методом
СФ [17]. Такой алгоритм сжатия обладает высоким быстродействием и позволяет получать изо-
бражения с частотой более 10 Гц, но он не обеспечивает низкий уровень межканальных помех, и
эффект сверхразрешения не достигается.
Более сложный метод декодирования простых или сложных сигналов основан на использова-
нии метода МЭ [18, 19]. За счет нелинейности алгоритма можно получать изображения со сверх-
разрешением. Недостатком метода является долгое время постобработки эхосигналов.
Метод разделения суммы сигналов на аддитивные подкомпоненты заключается в анализе неза-
висимых компонент (МНК) в предположении, что подкомпоненты являются негауссовыми сигнала-
ми и что они статистически независимы друг от друга. Так как метод МНК позволяет выделить для
каждого принимающего абонента только одно «сообщение» из суммы статистически независимых
«сообщений», то он не подходит для декорреляции эхосигнала pm(t), поскольку число «сообщений»
одинаковой формы, но с разной амплитудой и задержками при регистрации эхосигналов будет опре-
деляться количеством отражателей, число которых, как правило, будет больше единицы.
3.2. Методы уменьшения уровня «боковых лепестков» и межканального шума
Уровень «боковых лепестков» ФАК и уровень межканального шума при излучении эхосигна-
N [17]. При восста-
Дефектоскопия
№ 11
2020
Увеличение скорости регистрации эхосигналов ультразвуковой антенной решеткой...
7
новлении ЦФА-изображения «боковые лепестки» ФАК приводят к возникновению ложных бли-
ков, искажающих форму блика отражателя. Уровень «боковых лепестков» и уровень межканаль-
ных помех на ЦФА-изображении будем оценивать как отношение амплитуды главного максимума
к амплитуде второго максимума изображения SNR12. Отношение сигнал/шум изображения, оцени-
ваемое как отношение амплитуды главного максимума к среднему значению изображения, обо-
значим SNRσ.
В табл. 1 перечислены методы уменьшения уровня «боковых лепестков», выигрыш при их
использовании и их недостатки. Увеличивая длину кодовой последовательности Nc, можно добить-
ся желаемого уровня «боковых лепестков», но выбор длины ограничен толщиной ОК из-за «мерт-
вой зоны» АР на призме.
Таблица
1
Методы уменьшения уровня «боковых лепестков» ФАК для режима TDMA
Уровень «боковых
№
Параметр
Недостатки предложенных методов
лепестков»
Выбор Nc ограничен толщиной ОК
1
Одна кодовая последовательность
1/
N
c
из-за «мертвой зоны»
2
Ne кодовых последовательностей
1/
N
N
c e
Если регистрировать эхосигналы в режиме TDMA, излучая каждым элементом АР свой уникаль-
ный сигнал кодовой последовательности, то уровень «боковых лепестков» в восстановленном ЦФА-
N N . Связано это с тем, что «боковые лепестки» функции
корреляции эхосигналов кодовых последовательностей при формировании изображения складыва-
ются не когерентно.
Уровень межканальных помех при корреляционной обработке можно оценить по формуле:
N
e
-1
k
=
L
n
,
(2)
N
c
где k — коэффициент, значения которого для разных типов последовательностей приведены в
работе [17].
В табл. 2 перечислены некоторые методы уменьшения уровня межканальных помех, выигрыш
при их использовании и их недостатки. Если разбить АР на Nsub подрешеток, для того чтобы в
единый момент времени излучение и прием осуществлялись меньшим числом элементов АР, то,
согласно формуле (2), это приведет к уменьшению уровня межканальных помех примерно
на
sub
N
. К сожалению, такой подход приведет к снижению скорости регистрации эхосигналов
в Nsub раз.
Таблица
2
Методы уменьшения уровня межканальных помех изображения
Уровень межканальных
№
Недостатки предложенных методов
помех
Понижение скорости регистрации
1
Разбиение АР на Nsub подрешеток
1/
N
N
sub
c
эхосигналов в Nsub×Nsub
Понижение скорости регистрации
2
Применение сплит-сигналов
1/
N
c
N
split
эхосигналов в Nsplit
Необходимость иметь Nw кодовых
3
ЦФА-X, ЦФА-Y, ЦФА-XY
1/
N
N
c w
наборов
Для уменьшения уровня межканальных помех можно воспользоваться сплит-сигналами [20].
Как было сказано выше, выбор длины кодовой последовательности Nс ограничен толщиной ОК.
Данный метод позволяет дополнительно снизить уровень межканальных помех в
N
раз, где
split
Nsplit — число сигналов в сплит-сигнале. Например, вместо использования наборов кодовых после-
Дефектоскопия
№ 11
2020
8
В.К. Авагян, Е.Г. Базулин
довательностей длиной Nс = 63, можно 4 раза излучить сигналы длиной Nс = 15. Скорости реги-
страции эхосигналов при использовании сплит-сигналов снижается в Nsplit раз.
Если же в режиме тройного сканирования использовать в каждом положении АР свой набо-
ров уникальных кодовых последовательностей, то при когерентном объединении парциальных
ЦФА-изображений всех положений АР можно снизить уровень межканальных помех в
w
N
раз, где Nw — количество положений АР, но для этого необходимо иметь Nw наборов уникальных
кодовых последовательностей, каждый из которых обладает свойством псевдоортогональности.
Объединять ЦФА-изображения можно разными способами, в данной статье ЦФА-Х-изображение
получалось в результате когерентного сложения парциальных ЦФА-изображений. Для объеди-
нения парциальных ЦФА-изображений применялась операция попиксельного поиска медианы с
отсечкой амплитуды каждого ЦФА-изображения по уровню, равному матожиданию парциально-
го ЦФА-изображения.
Подводя итоги, можно сказать, что для получения изображения с уровнем межканального
шума менее -20 дБ необходимо, чтобы через каждый элемент АР проходило более 100 чипов. Для
этого можно воспользоваться разными комбинациями предложенных методов, приведенных
выше. Следует отметить, что для качественного декодирования сообщений в технологии CDMA,
применяемой в сотовой связи, используются сигналы длиной 32 000 чипов, в то время как в нашем
случае имеются ограничения в выборе длины сигнала (от 15 до 255 чипов).
3.3. Метод МЭ без декодирования сигналов
Восстановить изображение отражателей в ОК можно, воспользовавшись методом МЭ без деко-
дирования эхосигналов. В работах [21, 22] предложено использовать такой подход (см. рис. 1,
зеленая стрелка) для восстановления изображения отражателей по эхосигналам, измеренным в
режиме двойного или тройного сканирования с использованием прореженной коммутационной
матрицы С. Нелинейность метода МЭ позволяет дополнительно уменьшить объем измеренных
эхосигналов. Используя около 10 % эхосигналов полного набора, удается восстанавливать изобра-
жения отражателей с высокой разрешающей способностью и низким уровнем шума. Если в каче-
стве исходных данных использовать не прореженные эхосигналы pnm(t), а суммарные эхосигналы
pnm(t), то метод МЭ позволит получить изображения отражателей с продольным и фронтальным
сверхразрешением и низким уровнем шума, обусловленным грубым шагом между излучающим и
приемным элементами антенной решетки.
4. МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Для регистрации эхосигналов в режиме двойного и тройного сканирования использовался
дефектоскоп «АВГУР-АРТ», разработанный и изготовленный в Научно-производственном центре
«ЭХО+» [23]. Регистрация эхосигналов проводилась в режиме TDMA, а режим CDMA эмулировал-
ся сложением эхосигналов всех выстрелов. В качестве зондирующих импульсов использовались:
простой сигнал длиной в один период;
набор фазоманипулированных сигналов согласно кодовой последовательности Касами длиной
15 чипов (далее Касами-15). Несущая частота чипа изменялась в диапазоне от 2 до 5 МГц, как в
технологии FH-CDMA [24];
четыре набора фазоманипулированных сигналов согласно кодовой последовательности Касами
длиной 15 чипов, используемые как сплит-сигнал (далее Касами-15×4). Несущая частота чипа
изменялась в диапазоне от 2 до 5 МГц;
набор фазоманипулированных сигналов согласно кодовой последовательности Касами длиной
63 чипов (далее Касами-63). Несущая частота каждого чипа равна 5 МГц.
Если время регистрации и объем эхосигналов удастся сократить как минимум в 8 раз и полу-
чить высококачественное изображение (SNR12 > 20 дБ), то поставленную задачу будем считать
решенной.
4.1. Выбор кодовых комбинаций
Оптимальные зондирующие сигналы были выбраны следующим образом. Для последова-
N
N
w
e
тельностей Касами-15 и Касами-63 генерировались Nw = 100 кодовых наборов
{
{sn,
w
(t)
}
}
, в
n=1
w
=1
каждом из которых было по Ne = 32 зондирующих сигнала. Затем рассчитывались эхосигналы
Дефектоскопия
№ 11
2020
Увеличение скорости регистрации эхосигналов ультразвуковой антенной решеткой...
9
pn,m(t; s(t)) от точечного отражателя в предположении, что излучение и прием происходят точеч-
ными элементами АР. Из 100 кодовых наборов отбиралось только 20, ЦФА-изображения кото-
рых имели наивысший уровень SNR12.
4.2. Регистрация в режиме тройного сканирования
4.2.1. Образец «тест перерассеивания» из дюралюминия
В дюралюминиевом образце толщиной 90 мм было сделано двенадцать боковых отверстий
(БЦО) диаметром 0,5 мм. Эхосигналы регистрировались АР (5 МГц, 32 элемента, размеры пье-
зоэлемента 0,9×10 мм, зазор 0,1 мм), установленной на рексолитовую 35-градусную призму.
На рис. 3 приведено схематическое изображение образца и АР на призме. Измерения эхосигна-
лов проводились в режиме тройного сканирования в Nw = 20 положениях с шагом 4 мм. Для
каждого положения использовался свой набор кодовых сигналов (см. раздел 3.2). АР на призме
синего цвета схематически показана в начальном положении, а серого — в конечном. Стрелкой
желтого цвета показана примерная величина апертуры и направление сканирования. Квадратом
красного цвета выделена область восстановления ЦФА-изображения (ОВИ).
x
ОВИ
z
Рис. 3. Схематическое изображение образца «тест перерассеивания» из дюралюминия и области сканирования.
ЦФА-изображения восстанавливались по эхосигналам в предположении, что изучение и прием
происходит на поперечной волне. На рис. 4а приведено ЦФА-Х-изображение, полученное при
излучении простого сигнала в режиме TDMA. Блики границ БЦО различимы, но на изображении
присутствуют ложные блики, связанные с эффектом перерассеивания импульсов между БЦО и
эффектом возникновения волны обегания-соскальзывания, которые не позволяют уверено решить
даже задачу определения количества отражателей. При регистрации эхосигналов в режиме трой-
ного сканирования межканальные помехи отсутствуют. ЦФА-Х-изображение на рис. 4а будем
считать эталонным. Время и объем эхосигналов при регистрации их в режиме тройного сканиро-
вания будем полагать равными 100 %. При оценке времени регистрации не учитывается время,
необходимое для работы системы сканирования.
На рис. 4б показано ЦФА-Х-изображение, полученное при сложении двадцати парциальных
ЦФА-изображений при использовании кодового набора Касами-15 в режиме CDMA. Декодиро-
вание суммы сложных сигналов проводилось методом СФ. Для получения данного изображения
потребовалось всего 3 % времени и 3 % объема эхосигналов по сравнению с режимом тройного
сканирования. К сожалению, значение SNR12 =14 дБ не позволяет считать восстановленное изо-
бражение высококачественным. Если те же парциальные ЦФА-изображения объединить как меди-
ану с отсечкой каждого ЦФА-изображения по уровню его матожидания (рис. 4в), то SNR12 удается
повысить на 4 дБ, однако и в этом случае изображение нельзя считать высококачественным.
Дефектоскопия
№ 11
2020
10
В.К. Авагян, Е.Г. Базулин
а
б
-14 дБ
Межканальный
шум
Ложные
блики из-за
перерассеива-
ния
x, мм
x, мм
в
г
–18 дБ
-24 дБ
Ложный блик
x, мм
x, мм
Рис. 4. ЦФА-Х-изображение при излучении:
а — простого сигнала, режим TDMA; б — Касами-15, режим CDMA, СФ, сумма 20; в — Касами-15, режим СDMA, СФ, медиана 20;
г — Касами-15×4, режим СDMA, СФ, медиана 80.
При излучении сплит-сигналов Касами-15×4 в режиме СDMA и объединении восьмидесяти
ЦФА-изображений как медианы с отсечкой каждого ЦФА-изображения по уровню его матожида-
ния можно получить ЦФА-Х-изображение (рис. 4г), удовлетворяющее условию высококачествен-
ного изображения (SNR12 = 24 дБ). Время регистрации составит 12 % от требуемого для режима
тройного сканирования (см. рис. 4а), а объем эхосигналов уменьшится до 12 %.
Несмотря на то, что поставленную задачу удалось решить, на рис. 5 показано изображение,
полученное методом МЭ без декодирования эхосигналов (см. раздел 3.3) для четырех положений
Блики
дальнего
-35 дБ
отверстия
Ложный блик
x, мм
Рис. 5. МЭ-изображение, Касами-15, четыре положения АР.
Дефектоскопия
№ 11
2020
Увеличение скорости регистрации эхосигналов ультразвуковой антенной решеткой...
11
АР. Уровень бликов межканального шума уменьшился примерно до -35 дБ, а амплитуда многих
бликов, сформированных при перерассеивании импульсов на БЦО и трансформации типа волны,
уменьшилась на 10 дБ. Однако на МЭ-изображении присутствует ложный блик большой амплиту-
ды, сформированный перерассеянными на БЦО импульсами. Этот же ложный блик есть и на изо-
бражении рис. 4, и его наличие на обеих изображениях связано с тем, что метод ЦФА и метод МЭ
не учитывают такой эффект, как перерассеивание импульсов между отражателями. При сравнении
с режимом тройного сканирования для регистрации 0,2 % эхосигналов было затрачено всего 0,5 %
времени. Отметим, что разрешающая способность МЭ-изображения возросла примерно в 2 раза
по сравнению с изображением на рис. 4г.
Необходимо отметить, что образец обладал слабой анизотропией, что учитывалось при вос-
становлении изображений БЦО [9].
4.2.2. Образец из стали 20 с одиннадцатью БЦО
В образце толщиной 90 мм, изготовленном из стали 20, было просверлено одиннадцать
сквозных БЦО диаметром 2 мм, расположенных равномерно на глубине от 5 до 85 мм.
Эхосигналы регистрировались АР (5 МГц, 32 элемента, размеры пьезоэлемента 0,75×10 мм,
зазор 0,25 мм), установленной на рексолитовую 35-градусную призму. На рис. 6 приведено схе-
матическое изображение образца и АР на призме. Измерения эхосигналов проводились в режиме
тройного сканирования в Nw = 20 положениях с шагом 3,74 мм. АР на призме синего цвета схе-
матически показана в начальном положении, а серого — в конечном. Стрелкой желтого цвета
показана примерная величина апертуры и направление сканирования. Квадратом красного цвета
выделена часть ОВИ.
x
ОВИ
z
Рис. 6. Фотография образца толщиной 90 мм из стали 20 и схематическое изображение области сканирования.
ЦФА-изображения восстанавливались по эхосигналам в предположении, что изучение и
прием происходят на поперечной волне. На рис. 7а приведено ЦФА-Х-изображение, полученное
при излучении простого сигнала в режиме TDMA. На изображение нанесена маска образца.
Различимы блики границ десяти БЦО и блик угла образца на прямом луче. Время, требуемое для
регистрации эхосигналов в режиме тройного сканирования, и их объем для дальнейшего срав-
нения будем полагать равным 100 %. Для получения ЦФА-Х-изображения при сложении двад-
цати парциальных ЦФА-изображений, восстановленных при использовании кодового набора
Касами-15 в режиме CDMA, требуется всего 3 % времени и объема эхосигналов по сравнению
с режимом тройного сканирования. Однако значение SNR12 =7 дБ не позволяет считать восста-
новленное изображение высококачественным. Использование сплит-сигналов Касами-15×4 в
режиме СDMA при когерентном суммировании восьмидесяти парциальных ЦФА-изображений
позволило получить SNR12 = 11 дБ, что снова не удовлетворяет критерию высококачественного
изображения. Если же восемьдесят парциальных ЦФА-изображений объединить как медиану с
отсечкой каждого ЦФА-изображения по уровню его матожидания, то снова SNR12 удается повы-
сить незначительно — только до 13 дБ (рис. 7б), что, к сожалению, не позволяет считать изо-
бражение высококачественным. Высокий уровень межканальных помех связан с тем, что самые
Дефектоскопия
№ 11
2020
12
В.К. Авагян, Е.Г. Базулин
а
б
-13 дБ
Межканальный
шум
x, мм
Блик угла
образца
x, мм
x, мм
Рис. 7. ЦФА-Х-изображения:
а — простой сигнал, режим TDMA; б — Касами-15×4, режим СDMA, СФ, медиана 80.
верхние отражатели «освещаются» не с двадцати положений антенной решетки, а примерно с
пяти, что и приводит к повышенному уровню межканального шума (см. раздел 3.2).
На рис. 8а показано корреляционное изображение отражателей, а на рис. 8б — изображение,
полученное методом МЭ без декодирования эхосигналов (см. раздел 3.3) для двух положений
АР — 17-е и 20-е положения. Так как метод МЭ для работы требует значительного объема памя-
ти, то изображение восстанавливалось на меньшей ОВИ. Уровень межканального шума значи-
тельно уменьшился с -13 дБ примерно до -35 дБ. По сравнению с режимом тройного сканиро-
вания для регистрации 0,3 % эхосигналов было затрачено всего 0,3 % времени. Это очень суще-
ственный выигрыш в скорости регистрации эхосигналов и их объеме, но не следует забывать,
что для восстановления МЭ-изображения требуется около 10 мин на современном персональном
компьютере. На врезках рис. 8 показаны увеличенные фрагменты изображений. Разрешающая
способность МЭ-изображения возросла примерно в 2 раза по сравнению с корреляционным изо-
бражением на рис. 8а.
а
б
0,09
10
10
-13 дБ
-35 дБ
0,08
120
15
15
0,07
20
25
30
35
40
-20 -15
-10
-5
0
5
10
15
20
-20 -15
-10
-5
0
5
10
15
20
x, мм
x, мм
Рис. 8. Корреляционное изображение и МЭ-изображение для набора Касами-15 и положений АР 17 и 20.
Дефектоскопия
№ 11
2020
Увеличение скорости регистрации эхосигналов ультразвуковой антенной решеткой...
13
а
б
-21 дБ
Межканаль-
ный шум
x, мм
-11 дБ
x, мм
x, мм
Рис. 9. Изображения, полученные при использовании кодов Касами-63, режим CDMA, СФ:
а — 17 положение; б — сумма 20.
На рис. 9а показано ЦФА-изображение границ БЦО, восстановленное по эхосигналам поло-
жения 17 антенной решетки, измеренных в режиме CDMA для кодовых последовательностей
Касами-63 и при декодировании суммарных эхосигналов согласованной фильтрацией. Уровень
межканального шума недопустимо высок и равен -11 дБ. На рис. 9б представлено ЦФА-X-
изображение по всем двадцати положениям при излучении эхосигналов в режиме CDMA, деко-
дировании их согласованной фильтрацией и когерентным сложением парциальных ЦФА-
изображений, каждое из которых было подвергнуто операции отсечки по уровню, равному его
матожиданию. Максимальной уровень межканальной помехи равен -21 дБ, что позволяет счи-
тать полученное изображение высококачественным в отличие от изображений на рис. 7в и г.
Время регистрации и объем измеренных эхосигналов в режиме CDMA составляет около 3 % от
аналогичных параметров для режима тройного сканирования.
4.2.3. Образец из стали 40 с одиннадцатью БЦО
В образце толщиной 210 мм, изготовленного из стали 40 с примесью никеля, наличие которо-
го приводит к высокому уровню структурного шума, было просверлено четырнадцать сквозных
БЦО диаметром 4 мм, расположенных на глубинах от 10 до 200 мм. Эхосигналы регистрирова-
лись АР (5 МГц, 32 элемента, размеры пьезоэлемента 0,9×10 мм, зазор 0,1 мм), установленной на
плексигласовую 20-градусную призму. На рис. 10 приведено схематическое изображение образца
x
ОВИ
z
Рис. 10. Фотография образца толщиной 210 мм из стали 40 и схематическое изображение области сканирования.
Дефектоскопия
№ 11
2020
14
В.К. Авагян, Е.Г. Базулин
и АР на призме. Измерения эхосигналов проводились в режиме тройного сканирования в Nw = 60
положениях с шагом 5 мм. АР на призме синего цвета схематически показана в начальном поло-
жении, а серого — в конечном. Стрелкой желтого цвета показана примерная величина апертуры
и направление сканирования. Красным цветом выделена часть ОВИ.
ЦФА-изображения восстанавливались по эхосигналам в предположении, что изучение и прием
происходят на поперечной волне. На рис. 11а приведено ЦФА-Х-изображение, полученное при
а
б
16 000
-11 дБ
160
160
Структурный
шум
180
14 000
180
2,5
200
12 000
Блик угла
200
образца
2
220
220
10 000
240
240
8000
1,5
260
260
6000
280
1
280
4000
300
300
0,5
2000
320
320
340
340
0
-30 -20 -10 0
10
20
30
40
50
-30 -20 -10 0
10
20
30
40
50
x, мм
x, мм
в
г
0,8
160
160
-15 дБ
-21 дБ
180
180
2,5
200
200
0,6
220
220
2
0,5
240
240
0,4
1,5
260
260
0,3
280
280
1
0,2
300
300
0,5
0,1
320
320
340
0
340
0
-30 -20 -10
0
10
20
30
40
50
-30 -20 -10
0
10
20
30
40
50
x, мм
x, мм
Рис. 11. ЦФА-Х-изображение:
а — простой сигнал, режим TDMA; б — Касами-15, режим CDMA, СФ, сумма 20; в — Касами-15×4, режим СDMA, СФ, сумма 120;
г — Касами-15×4, режим СDMA, СФ, медиана 120.
Дефектоскопия
№ 11
2020
Увеличение скорости регистрации эхосигналов ультразвуковой антенной решеткой...
15
излучении простого сигнала в режиме TDMA. На изображение нанесена маска образца. Различимы
блики границ БЦО на прямом и однократном отражениях импульсов от дна и блик угла образца.
На изображении присутствует структурной шум достаточно высокого уровня, а межканальные
помехи отсутствуют. Время, требуемое для регистрации эхосигналов в режиме тройного сканиро-
вания, и их объем для дальнейшего сравнения будем полагать равным 100 %. На рис. 11б показано
ЦФА-Х-изображение при сложении шестидесяти парциальных ЦФА-изображений, восстановлен-
ных при использовании кодового набора Касами-15 в режиме CDMA. Декодирование суммы слож-
ных сигналов проводилось методом СФ. Для получения данного изображения требуется всего 3 %
времени и объема эхосигналов по сравнению с режимом тройного сканирования. Однако значение
SNR12 = 11 дБ не позволяет считать восстановленное изображение высококачественным.
На рис. 11в показано ЦФА-X-изображение, полученное при использовании сплит-сигналов
Касами-15×4 в режиме СDMA при когерентном суммировании парциальных ЦФА-изображений.
Для регистрации эхосигналов потребовалось 12 % времени и объема эхосигналов для режима
тройного сканирования. К сожалению значение SNR12 = 15 дБ снова не удовлетворяет критерию
высококачественного изображения. Если же 120 парциальных ЦФА-изображений объединить
как медианы с отсечкой каждого ЦФА-изображения по уровню его матожидания, то удастся
получить SNR12 = 21 дБ, которое удовлетворяет условию высококачественного изображения
(рис. 11г).
5. ВЫВОДЫ
По результатам представленных исследований можно сделать следующие выводы.
1. В трех модельных экспериментах показано, что применение технологии CDMA приводит к
повышению скорости регистрации эхосигналов практически на порядок.
2. Технология CDMA позволяет получать высококачественные изображения (SNR12> 20 дБ) за
счет объединения с помощью операции медиана парциальных ЦФА-изображений и применения
сплит-сигналов. Для уменьшения межканальных помех и уровня «боковых лепестков» до уровня
-20 дБ через каждый элемент АР надо пропускать более 100 чипов (см. раздел 3.2).
3. Высококачественные изображения удалось получить при излучении сплит-сигналов и объ-
единении изображения как медианы, для чего потребовалось только 12,5 % эхосигналов, при этом
скорость регистрации удалось повысить в 8 раз.
4. Перспективным методом восстановления изображения отражателей является метод макси-
мальной энтропии без декодирования, позволяющий уменьшить объем используемых эхосигналов
(более чем в 100 раз!) и при этом получать высококачественные изображения.
Авторы благодарны С.Ю. Романову, ведущему научному сотруднику НИВЦ МГУ имени
М.В. Ломоносова, за замечания и предложения, высказанные в процессе подготовки статьи.
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. Сравнение систем для ультразвукового неразрушающего контроля, использующих
антенные решетки или фазированные антенные решетки // Дефектоскопия. 2013. № 7. С. 51—75.
4. Gutiérrez-Fernández César, Jiménez Ana, Martín-Arguedas Carlos Julián, Ureña Jesús, Hernández
Álvaro. A Novel Encoded Excitation Scheme in a Phased Array for The Improving Data Acquisition Rate //
Sensors. 2014. V. 14 (1). P. 549—563.
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 in Canada 2009 National Conference, Aug 25-27,
2009.
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.
Дефектоскопия
№ 11
2020
16
В.К. Авагян, Е.Г. Базулин
9. Базулин Е.Г. Восстановление изображения отражателей методом C-SAFT с учетом анизотропии
материала объекта контроля // Дефектоскопия. 2015. № 4. С. 42—52.
(дата обращения: 15.12.2019).
11. Базулин А.Е., Базулин Е.Г., Бутов А.В., Вопилкин А.Х., Тихонов Д.С. Пат. RU 2 649 028 C1, МПК
G01N 29/44 Приемопередающее устройство [Текст] // Заявл. 29.12.2016; опубл. 12.03.2018. Бюл. № 8.
12. Jeune L. Imagerie ultrasonore par emission d’ondes planes pour le contrôle de structures complexes
en immersion / Pour l’obtention du grade de Docteur de l’université Paris-Diderot. Paris. 2016. P. 119.
13. Kasami T. Weight Distribution Formula for Some Class of Cyclic Codes / Tech. Report No. R-285,
Univ. of Illinois. 1966. April.
14. Gold R. Optimal binary sequences for spread spectrum multiplexing // IEEE Transactions on
Information Theory. (October 1967). V. 13 (4). P. 619—621. doi:10.1109/TIT.1967.1054048
15. de Bruijn N.G. A combinatorial problem // Koninklijke Nederlandse Akademie v. Wetenschappen.
1946. V. 49. P. 758—764.
16. 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
17. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985.
18. Базулин А.Е., Базулин Е.Г. Деконволюция сложных эхосигналов методом максимальной энтро-
пии в ультразвуковом неразрушающем контроле // Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 6. С. 772—783.
19. Smith P.F., Player M.A. Deconvolution of bipolar ultrasonic signals using a modified maximum
entropy method // J. Phys. D Appl. Phys. 1991. V. 24. P. 1714—1721.
20. 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.
21. Базулин Е.Г. О возможности использования в ультразвуковом неразрушающем контроле метода
максимальной энтропии для получения изображения рассеивателей по набору эхосигналов // Акуст.
журн. 2013. Т. 59. № 2. С. 235—254.
22. Базулин Е.Г. Восстановление изображения отражателей по ультразвуковым эхосигналам мето-
дом максимальной энтропии // Дефектоскопия. 2013. № 1. С. 33—60.
24. Hsiao-Hwa Chen. The Next Generation CDMA Technologies. ISBN: 978-0-470-02294-8, 2007.
September. P. 476.
Дефектоскопия
№ 11
2020
