УДК 620.179.16

УМЕНЬШЕНИЕ УРОВНЯ СЛАБО МЕНЯЮЩИХСЯ ПОМЕХ МЕТОДОМ

ДЕКОРРЕЛЯЦИИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

¹ООО «Научно-производственный центр «ЭХО+», Россия 123458 Москва, ул. Твардовского, 8, Технопарк

«Строгино»

E-mail: ^*bazulin@echoplus.ru

Поступила в редакцию 07.02.2020; после доработки 21.02.2020

Принята к публикации 21.02.2020

При проведении ультразвукового контроля с использованием антенных решеток в измеренных эхосигналах могут

присутствовать помеховые импульсы, которые после восстановления изображения отражателей могут сформировать

ложные блики, затрудняющие анализ изображения. К таким нежелательным импульсам можно отнести импульсы ревер-

берационных помех, возникающие при отражении зондирующего импульса от границ призмы, и/или импульсы, отра-

женные от конструктивного отражателя объекта контроля. Простейший способ уменьшения амплитуды таких импуль-

сов, в случае их высокой стабильности от измерения к измерению, заключается в вычитании из измеренных эхосигналов

шаблона с помеховыми импульсами. Однако, если помеховые импульсы слабо меняются при проведении ультразвуко-

вого контроля, незначительно изменяя время прихода и амплитуду, то их подавление за счет вычитания шаблона шума

не будет эффективно. Для уменьшения уровня слабо меняющихся помех предложено применять процедуру декорреля-

ции. В модельных экспериментах показана эффективность предложенного подхода.

Ключевые слова: антенная решетка, Full Matrix Capture (FMC), C-SAFT, Total Focusing Method (TFM), цифровая

фокусировка антенной (ЦФА), метод декорреляции.

DOI: 10.31857/S0130308220040028

1. ВВЕДЕНИЕ

При проведении ультразвукового контроля (УЗК) с использованием антенных решеток в изме-

ренных эхосигналах могут возникнуть импульсы, которые после восстановления изображения

отражателей могут сформировать ложные блики, затрудняющие анализ изображения. К таким

нежелательным импульсам можно отнести импульсы реверберационных помех, возникающие при

отражении зондирующего импульса от границ призмы. Импульсы, отраженные от конструктивно-

го отражателя объекта контроля, например, от его галтели, так же могут сформировать в изобра-

жении блики, которые могут замаскировать блик дефекта. Простейший способ уменьшения

амплитуды таких импульсов, в случае их высокой стабильности от измерения к измерению, состо-

ит в вычитании из измеренных эхосигналов шаблона с помеховыми импульсами. Однако при про-

ведении ультразвукового контроля время прихода и амплитуда помехового импульса могут незна-

чительно меняться: до четверти периода рабочей частоты и больше чем 3 дБ по амплитуде, поэто-

му вычитание шаблона шума уже не будет эффективно подавлять нежелательные импульсы. Для

подавления реверберационного шума существуют методы, основанные на пространственной

фильтрации измеренных эхосигналов. В работе [1] показано, что полосовая пространственная

фильтрация эхосигналов при их регистрации наклонным одноэлементным преобразователем явля-

ется эффективным способом устранения реверберационного шума. Однако такой способ не под-

ходит для случая регистрации эхосигналов антенной решеткой. Это связано с тем, что шаг антен-

ных решеток, используемых в УЗК, соизмерим с длиной волны, а число элементов антенной

решетки, обычно равное 16 или 32, и это не позволяет рассчитать без искажений пространствен-

ный спектр эхосигналов. Поэтому задача уменьшения слабо меняющихся помех при регистрации

эхосигналов антенной решеткой является актуальной задачей.

2. РЕГИСТРАЦИЯ ЭХОСИГНАЛОВ И ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Один из способов восстановления изображения отражателей заключается в регистрации эхо-

сигналов антенной решеткой в режиме двойного сканирования [2], когда измеряются эхосигналы

для любой пары излучатель—приемник. В зарубежной литературе такой режим регистрации эхо-

сигналов называется Full Matrix Capture (FMC) [3]. Регистрация эхосигналов антенной решеткой в

режиме двойного сканирования при ее механическом перемещении будем называть режимом

Уменьшение уровня слабо меняющихся помех методом декорреляции...

тройного сканирования [4]. На втором этапе по измеренным эхосигналам изображение отражате-

лей восстанавливается методом комбинированного SAFT (C-SAFT) [5]. Метод C-SAFT в литера-

туре, посвященной ультразвуковому контролю, называется Total Focusing Method (TFM) [6]. В

статье [7] восстановление изображения отражателей методом C-SAFT по эхосигналам, измерен-

ным в режиме двойного сканирования, предложено назвать методом цифровой фокусировки

антенной (ЦФА). Если эхосигналы регистрируются в режиме тройного сканирования при пере-

мещении антенной решетки вдоль оси x, то изображение, полученное как когерентная сумма всех

ЦФА-изображений, восстановленных в каждом положении антенной решетки, будет обладать

более высокой разрешающей способностью и меньшим уровнем шума. Такой метод восстановле-

ния изображения отражателей будем назвать ЦФА-X.

3. МЕТОД ДЕКОРРЕЛЯЦИИ

Для уменьшения уровня слабо меняющихся помех можно применить процедуру декорреляции

[8, 9], относящуюся к методам пространственно-временной обработке сигналов. Регистрацию

эхосигналов в режиме двойного сканирования и восстановление изображения отражателей можно

рассматривать как пример пространственно-временной обработке сигналов. Изначально метод

декорреляции разрабатывался для борьбы со структурным шумом или активными помехами в

радиолокации [10, 11]. В статье [12] предпринята попытка применить подобный подход для умень-

шения уровня структурных шумов при проведении УЗК с помощью антенных решеток. В ней

достаточно подробно рассмотрен алгоритм декорреляции структурного шума и поэтому в нашей

статье не обсуждается. Было показано, что метод декорреляции позволяет уменьшить уровень

структурного шума, если функция корреляции его шаблона отличается от функции корреляции

структурного шума при проведении контроля меньше, чем на 10 процентов. В отличии от метода

вычитания шаблона шума, метод декорреляции не требует стабильности импульсов шума.

3.1. Реверберационный шум

Реверберационный шум возникает из-за того, что зондирующий сигнал, проходя границу «при-

зма—объект контроля», частично отражается обратно в призму и после многократных отражений

от ее границ регистрируется элементами антенной решетки. Если импульсы реверберационного

шума не изменяются от измерения к измерению, то простое вычитание шаблона реверберацион-

ного шума из измеренных эхосигналов позволяет уменьшить уровень помехи более чем на 12 дБ.

Однако такой метод становится неэффективным для случая, когда реверберационный шум меняет-

ся при сканировании антенной решеткой, например, из-за изменения качества акустического кон-

такта, в результате чего изменяется амплитуда и время задержки реверберационных импульсов.

3.2. Эхосигналы от конструктивных отражателей

В практике УЗК могут встретится объекты, в которых имеются конструктивные отражатели,

вызывающие отражение падающей ультразвуковой волны. Примером такого конструктивного

отражателя является галтель сварного соединения приварки к корпусу парогенератора трубопро-

вода Ду1200. После восстановления изображения отражателей эти импульсы формируют блики,

которые могут маскировать блики дефектов, что затрудняет анализ изображения. Эхосигналы от

конструктивных отражателей, как и реверберационные импульсы, могут изменять свою амплитуду

и время задержки при проведении измерений.

4. МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Модельные эксперименты проводили с использованием ЦФА-дефектоскопа «АВГУР АРТ»,

разработанного и изготовляемого в «Научно-производственном центре «ЭХО+» [13].

4.1. Уменьшение реверберационного шума

На рис. 1 показана фотография образца толщиной 18 мм из стали 20 со сквозным отверстием

бокового сверления диаметром 2 мм, предназначенного для калибровки антенной решетки, уста-

новленной на призму. Для регистрации эхосигналов использовали антенную решетку со следую-

щими параметрами: рабочая частота 5 МГц, 32 элемента, размер пьезоэлемента 0,55×10 мм, зазор

Дефектоскопия

№ 4

2020

Е.Г. Базулин

Рис. 1. Фотография образца толщиной 18 мм для калибровки антенной решетки, установленной на призму

между пьезоэлементами 0,05 мм. Антенная решетка установлена на плексигласовую призму с

углом наклона 20 град. Передняя грань призмы была расположена в точке x = 0 мм.

Описание траектории распространения импульса с учетом трансформации типа волны при

отражении его от границ объекта контроля или от несплошности будем называть акустической

схемой. Тип волны на участке траектории между касаниями импульса границ объекта контроля

или отражателя будем обозначать буквами L (продольная) или T (поперечная вертикальной поля-

ризации). На рис. 1 зелеными линиями показаны участки траектории, по которыми распространя-

ется продольная волна L, а красными — поперечная T, а также схематически обозначены траекто-

рии по акустическим схемам: LL, LT, LLLL. Если отражение происходит от несплошности, то в

название акустической схемы будет добавляться буква d.

Для регистрации эхосигналов шаблона реверберационного шума призма была развернута на

180 град относительно оси x (см. рис. 1) и удалена влево не меньше, чем на 50 мм от центра

отверстия. На рис. 2а в растровом виде показаны эхосигналы 17-ого выстрела при измерении

эхосигналов от отверстия бокового сверления, а на рис. 2б — при измерении шаблона ревербе-

рационного шума. На рис. 2а выноской LdL показаны эхосигналы на прямом луче на продоль-

ной волне, отраженные от отверстия бокового сверления, а выноской TdT — эхосигналы при

отражении на поперечной волне. Отметим, что эхосигналы, отраженные от дна образца, также

будут рассматриваться как помеховые эхосигналы, подлежащие устранению. На рис. 2б выно-

ской LL показан эхосигнал при однократном отражении от дна образца продольной волны,

выносками LT и TL — эхосигналы, однократно отраженные от дна со сменой типа волны, а

выноской LLLL — эхосигналы при двукратном отражении продольной волны от дна образца.

На рис. 1 схематически показаны лучи этих акустических схем. Визуально реверберационные

Реверберацион-

ные импульсы

1000

800

500

Эхосигналы

Эхосигналы LdL

LL от дна

от отверстия

200

Эхосигналы LT

Эхосигналы

и TL от дна

TdT

-400

от отверстия

-500

-600

Эхосигналы

-100019

LLLL от дна

515

520

525

530

535

540

515

520

525

530

535

540

Номер эхосигнала

Рис. 2. Эхосигналы в растровом виде 17-го выстрела при измерении эхосигналов от отверстия бокового сверления (а) и

при измерении шаблона реверберационного шума (б).

Дефектоскопия

№ 4

2020

Уменьшение уровня слабо меняющихся помех методом декорреляции...

импульсы и эхосигналы, отраженные от дна, очень близки для двух измерений. Отметим, что три

элемента антенной решетки не работают (см. рис. 1).

На рис. 3 красным цветом показан фрагмент эхосигнала, полученного при излучении 17-ым

элементом антенной решетки и приемом 23 элементом, на котором хорошо видны импульсы, отра-

женные от отверстия бокового сверления и от дна образца. Черным цветом показан фрагмент

подобного сигнала шаблона реверберационного шума. Из-за разного слоя глицерина, которой

использовали в качестве контактной жидкости, эхосигналы, отраженные от дна образца для обоих

измерений, сдвинулись примерно на 40 нс, что составляет четверть периода несущей частоты. Для

когерентной обработки это очень большой сдвиг. Амплитуда эхосигнала от дна изменилась при-

мерно на 1,0 дБ.

Образец шума

Эхосигнал

800

Эхосигнал

600

Эхосигнал,

от отверстия

отраженный от дна

400

200

-200

-400

-600

-800

–1000

12,5

13,5

t, мкс

Рис. 3. Эхосигнал с шаблоном шума (график черного цвета) и с эхосигналом, отраженным от отверстия (график

красного цвета).

На рис. 4а показаны эхосигналы 17-го выстрела после вычитания шаблона реверберационного

шума (см. рис. 2б), а на рис. 4б — после применения процедуры декорреляции. Хорошо видно, что

вычитание реверберационного шума из-за смещения на 40 нс его шаблона практически не умень-

шило амплитуду реверберационного шума, а процедура декорреляции более чем на 16 дБ умень-

шило амплитуду реверберационных импульсов и эхосигналов, отраженных от дна образца.

На рис. 5а представлены ЦФА-изображения границы отверстия бокового сверления диаметром

2 мм с центром на глубине 12 мм в стальном образце толщиной 18 мм, восстановленные на попе-

речной волне (акустическая схема TdT) по исходным эхосигналам. Амплитуда реверберационного

1000

Эхосигналы

Эхосигналы LdL

LL от дна

от отверстия

500

Реверберацион-

ные импульсы

-2

-500

Эхосигналы

TdT

LLLL от дна

от отверстия

-1000

515

520

525

530

535

540

515

520

525

530

535

540

Номер эхосигнала

Рис. 4. Эхосигналы в растровом виде 17-го выстрела после вычитания шаблона реверберационного шума (а) и после

процедуры декорреляции (б).

Дефектоскопия

№ 4

2020

Е.Г. Базулин

Блик LdL

Реверберацион-

2000

ный шум

Блик LdT

Блик дна по

акустической

Блик TdT

схеме LL

Блик дна по

500

акустической

схеме LLLL

-20

-15

-10

-5

-20

-15

-10

-5

x, мм

Рис. 5. ЦФА-изображения, восстановленные на поперечной волне (акустическая схема TdT) по исходным эхосигналам

(а) и по декоррелированным (б).

шума по отношению к амплитуде блика границы отверстия имеет очень высокий уровень, равный

примерно -12 дБ. Так же хорошо видны ложные блики дна образца, сформированные эхосигнала-

ми по акустическим схемам LL и LLLL. На рисунок линиями черного цвета нанесены контуры

образца. Так как эхосигналы измеренные (см. рис. 2а) практически не отличаются от эхосигналов

после вычитания шаблона реверберационного шума (см. рис. 4а), то и разницы между ЦФА-

изображениями, восстановленным по этим изображениям, практически нет. А вот на изображе-

нии, восстановленном по декоррелированным эхосигналам (рис. 5б), уровень реверберационного

шума и амплитуда ложных бликов дна образца уменьшились более чем на 20 дБ.

Отметим, что для подчеркивания эффективности применения процедуры декорреляции изо-

бражение восстанавливалось по акустической схеме TdT при использовании призмы, рассчитан-

ной на работу на продольной волне.

4.2. Уменьшение влияния конструктивных отражателей

Изготовление образцов с моделями точечных отражателей представляет собой нетривиальную

проблему, так как выполнение отверстий диаметром 0,5 мм на глубину 30 мм даже в плексигласо-

вых блоках представляет собой не простую задачу. Указанный диаметр для рабочей частоты 5 МГц

равен примерно длине продольной волны λ_l, что не позволяет считать изготовленное отверстие

точечным отражателем. Если между двумя плексигласовыми брусками толщиной 25 мм разме-

стить медную проволоку диаметром 0,09 мм и склеить их с помощью дихлорэтана (рис. 6), то

размер отражателя получается равным примерно λ_l/6. Несмотря на то, что склеенная граница двух

плексигласовых брусков оптически практически не заметна, тем не менее от нее отражаются уль-

тразвуковые импульсы достаточно большой амплитуды, которые будут искажать восстановленное

изображение проволоки. Границу склейки двух плексигласовых брусков можно рассматривать как

конструктивный отражатель.

Медная

проволока

диаметром

0,09 мм

Граница

склейки

Рис. 6. Фотографии образца с медной проволокой диаметром 0,09 мм, расположенной между двух плексигласовых

брусков толщиной 25 мм.

Дефектоскопия

№ 4

2020

Уменьшение уровня слабо меняющихся помех методом декорреляции...

Эхосигналы регистрировались антенной решеткой со следующими параметрами: рабочая

частота 5 МГц, 32 элемента, размер пьезоэлемента 0,9×10 мм, зазор между пьезоэлементами

0,1 мм. Эхосигналы измерялись в режиме тройного сканирования в 20 точках с шагом 1,96 мм

вдоль линии сканирования, показанной на рис. 6 стрелками желтого цвета. В качестве образца

эхосигналов от границы склейки использовался медианный B-шаблон всех эхосигналов, изме-

ренных в режиме тройного сканирования.

4.2.1. Режим ЦФА

На рис. 7а представлено ЦФА-изображение проволоки, восстановленное на продольной

волне (акустическая схема LdL) по эхосигналам, измеренным при размещении антенной решет-

ки в центре образца. Видно, что блик проволоки замаскирован бликом склеенной границы. На

рис. 7б показано ЦФА-изображение, восстановленное по эхосигналам после вычитания медиан-

ного B-шаблона. Амплитуда блика границы склейки уменьшилась примерно на 6 дБ, но при этом

форма блика проволоки искажена. Это связано с тем, что даже при проведении измерений в

×10⁴

2,2

×10⁴

2,5

1,8

1,6

1,4

1,2

1,5

Блик границы

склейки

0,4

0,5

0,2

-5 -4 -3 -2 -1

x, мм

×10

-5 -4 -3 -2 -1 0

x, мм

Рис. 7. ЦФА-изображения проволоки, восстановленные на продольной волне, по исходным эхосигналам (а), после

вычитания B-шаблона (б) и по декоррелированным эхосигналам (в).

лаборатории, амплитуда и время задержки эхосигналов от границы склейки для разных положе-

ний антенной решетки меняются, и поэтому вычитание медианного B-шаблона не позволяет

устранить эхосигналы от границы склейки. На ЦФА-изображении (рис. 7в), восстановленном по

декоррелированным эхосигналам, амплитуда блика границы склейки уменьшилась примерно на

12 дБ по сравнению с рис. 7а, а блик проволоки стал похож на блик точечного отражателя.

Дефектоскопия

№ 4

2020

Е.Г. Базулин

4.2.2. Режим ЦФА-X

На рис. 8a представлено ЦФА-X-изображение проволоки, восстановленное на продольной

волне по эхосигналам для всех 20 положений решетки, которое не существенно отличается от

ЦФА-изображения (см. рис. 7а). На рис. 8б показано ЦФА-X-изображение, восстановленное по

эхосигналам после вычитания медианного B-шаблона. В отличии от ЦФА-изображения на рис. 7б

из-за увеличения апертуры излучения-приема блик проволоки принял более компактный вид, но

блик границы склейки несущественно уменьшил свою амплитуду. ЦФА-X-изображение (рис. 8в),

восстановленное по декоррелированным эхосигналам, можно признать самым качественным из

рассмотренных, так как фронтальные размеры блика проволоки уменьшились в полтора раза по

сравнению с изображением на рис. 7в, а амплитуда блика границы склейки уменьшилась по срав-

нению с исходным изображением на рис. 8а примерно на 20 дБ.

×10

×10⁵

1,5

0,5

-5 -4 -3 -2 -1

x, мм

×10⁵

Неустраненные

эхосигналы от

границы

-5 -4 -3 -2 -1

x, мм

Рис. 8. ЦФА-X-изображения, восстановленные на продольной волне, по исходным эхосигналам (а), после вычитания

B-шаблона (б) и по декоррелированным эхосигналам (в).

5. ВЫВОДЫ

Таким образом, по результатам исследований, изложенных в данной статье, можно сделать

следующие выводы:

Метод декорреляции позволил уменьшить уровень слабо меняющегося реверберационного

шума и амплитуду эхосигналов от конструктивных отражателей более чем на 20 дБ.

Это стало возможным благодаря тому, что корреляционные функции шаблона шума и шума в

обрабатываемых эхосигналах отличаются друг от друга меньше чем на 10 %.

Дефектоскопия

№ 4

2020

Уменьшение уровня слабо меняющихся помех методом декорреляции...

Вычитание шаблона помеховых импульсов не позволило уменьшить уровень шума в изобра-

жении, так как помеховые эхосигналы изменяют свою амплитуду и время задержки от измерения

к измерению.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бадалян В.Г., Базулин Е.Г. Применение гомоморфной фильтрации для повышения качества изо-

бражения дефектов при экспертном контроле сварных швов трубопроводов АЭС // Дефектоскопия.

2003. № 4. С. 15—22.

2. Nahamoo D., Pan B.X., Kak A.S. Synthetic aperture diffraction tomography and its inter-polation free

implementation // IEEE Trans. Sonics Ultrason. 1984. V. SU-31. P. 218—229.

3. Hunter A.J., Drinkwater B.W., Wilcox P.D. The wavenumber algorithm for full-matrix imaging using an

ultrasonic array // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 2008. V. 55. № 11.

P. 2450—2462. DOI:10.1109/tuffc.952

4. Базулин Е.Г. Контроль заварок Ду800 антенными решетками методом тройного сканирования //

Дефектоскопия. 2010. № 7(46). С. 30—41.

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. Holmes C., Drinkwater B.W., Wilcox P.D. Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit-

receive array data for non-destructive evaluation // NDT&E International. 2005. V. 38. P. 701—711.

7. 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.

8. Кремер И.Я. Пространственно-временная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1984. 224 с.

9. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Т. 3. Обработка сигналов в радио- и гидро-

локации и прием случайных гауссовых сигналов на фоне помех / Нью-Йорк, 1971. Пер. с англ. Под ред.

проф. В.Т. Горяинова. М.: «Советское радио». Редакция литературы по вопросам космической радио-

электроники, 1977. 664 с.

10. Радиолокационные системы. Учебник / В.П. Бердышев, Е.Н. Гарин, А.Н. Фомин и др. Под общ.

ред. В.П. Бердышева. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2011. 400 с.

11. Тяпкин В.Н., Фомин А.Н. Основы построения радиолокационных станций радиотехнических

войск. Красноярск: СФУ, 2011. 536 с.

12. Базулин Е.Г., Коновалов Д.А. Применение процедуры выбеливания эхосигналов для уменьшения

уровня структурного шума при проведении ультразвукового контроля // Дефектоскопия. 2019. № 11.

С. 3—15.

13.Официальный сайт фирмы «ЭХО+». URL: http://www.echoplus.ru (дата обращения: 20.01.2020).

Дефектоскопия

№ 4

2020