Способ ультразвуковой томографии
METHOD OF ULTRASOUND TOMOGRAPHY

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и неразрушающего контроля и может быть использовано при толщинометрии, дефектоскопии и структуроскопии различных материалов и изделий.
Известен способ ультразвукового (УЗ) контроля изделий [Аксенов В.П. Применение радиолокационных методов оптимального обнаружения при ультразвуковом эхо-контроле. Дефектоскопия, №2, 1982, с. 67-74, заключающийся в том, что в контролируемом изделии излучающим пьезопреобразователем возбуждают сложномодулированный зондирующий сигнал, приемным пьезопреобразователем принимают отраженные от изделия эхо-сигналы, преобразуют их в последовательность электрических сложномодулированных импульсов, каждый из импульсов оптимально фильтруют, а по результату оптимальной фильтрации определяют параметры контролируемого изделия.
Недостатком способа является низкая достоверность и информативность, являющаяся следствием отсутствия возможности избирательно в пространстве в нужном направлении (нескольких направлениях) излучать и принимать акустическую волну, т.е. отсутствия возможности электрического сканирования диаграммой направленности излучающего (приемного) преобразователя, что в свою очередь не позволяет представлять результаты контроля в виде информативных С-сканов.
зон
эхо1
эхоN
Наиболее близким по технической сущности решением является способ ультразвуковой томографии (В.А. Воронков, И.В. Воронков, В.Н. Козлов, А.А. Самокрутов, В.Г. Шевалдыкин "О применимости технологии антенных решеток в решении задач ультразвукового контроля опасных производственных объектов" в журнале "В мире неразрушающего контроля", 2011, №1 (51), с. 64-70), при котором с помощью антенной решетки в объект контроля (ОК) независимо каждым пьезопреобразователем (ПП), входящими в состав антенной решетки (АР), излучают УЗ зондирующий сигнал U(t), каждым ПП АР независимо принимают из ОК отраженные УЗ эхо-сигналы, фиксируют принятые реализации УЗ эхо-сигналов U(t)…U(t) и осуществляют поточечное построение изображения внутренней структуры ОК путем выбора изо всех принятых реализаций эхо-сигналов амплитудно-временных фрагментов, времена задержки которых равны временам распространения УЗ сигналов от излучающего элемента АР к каждой визуализируемой точке ОК и от нее - к приемному элементу, суммирования всех выбранных фрагментов, соответствующих каждой точке изображения, записи и отображения на экране результата суммирования.
Недостатком технического решения является низкая производительность контроля, являющаяся следствием того, что для построения одного скана С-типа требуется многократно излучать зондирующий сигнал и принимать эхо-сигналы.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности УЗ контроля за счет уменьшение количества этапов излучения зондирующего сигнала, потребных для построения С-скана.
зон
эхо1
эхоN
1
N
1
N/2
1
N/2
N/2+1
N
1
N/4
N/2+1
3N/4
1
N/2
N/4+1
N
3N/4+1
N
1
N
k
Это достигается тем, что в известном способе ультразвуковой томографии, заключающемся в том, что с помощью антенной решетки в объект контроля независимо каждым из N пьезопреобразователей, входящим в состав антенной решетки, излучают УЗ зондирующий сигнал U(t), независимо каждым пьезопреобразователем антенной решетки принимают из объекта контроля УЗ эхо-сигналы U(t)…U(t), фиксируют принятые УЗ эхо-сигналы и осуществляют поточечное построение изображения внутренней структуры объекта контроля, в качестве зондирующего сигнала используют Сплит-сигнал, состоящий из i последовательно излучаемых радиоимпульсов - квазигармоник, где i≥N/2, антенная решетка в своем составе содержит N=2 пьезопреобразователей, где k=2, 3, 4…, а процесс контроля осуществляют за k этапов, на первом этапе контроля N входящих в состав антенной решетки пьезопреобразователей ПП-ПП, функционально, по назначению разделяют на две равные половины, причем первые N/2 пьезопреобразователей с ПП по ПП используют в качестве излучающих ПП и на каждый из них одновременно и независимо подают Сплит-сигналы CC…CC, а вторые N/2 пьезопреобразователей с ПП по ПП используют в качестве приемных, эхо-сигналы с которых фиксируют, далее на втором этапе контроля повторно каждую из половин набора пьезопреобразователей функционально разделяют еще раз пополам и пьезопреобразователи с ПП-ПП и ПП по ПП используют в качестве излучающих ПП, на каждый из них одновременно и независимо подают Сплит-сигналы СС…CC, а пьезопреобразователи с ПП по ПП и с ПП по ПП используют в качестве приемных ПП, сигналы с которых фиксируются, процесс повторяют k раз, пьезопреобразователь ПП используют в качестве излучающего, а пьезопреобразователь ПП используют в качестве приемного, причем прежде чем осуществлять поточечное построение изображения внутренней структуры ОК все зафиксированные эхо-сигналы оптимально фильтруют.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показаны этапы контроля при реализации патентуемого технического решения, на фиг. 2 приведены зондирующие Сплит-сигналы, а на фиг. 3 показана функциональная схема УЗ томографа, реализующего предложенный способ.
Сущность заявляемого способа ультразвуковой томографии заключается в следующем.
Для АР, состоящей из N пьезоэлементов, процесс контроля осуществляется за N тактов, и, например, для N=8 пьезоэлементов фиксация полного набора принимаемых реализаций УЗ эхо-сигналов предполагает излучение зондирующего сигнала 8 раз. Во время первого такта первый пьезопреобразователь излучает зондирующий сигнал, а все пьезопреобразователи с первого по восьмой принимают эхосигналы, во время второго такта первый ПП не используется ни для излучения, ни для приема сигналов, а излучает зондирующий сигнал второй пьезопреобразователь, причем пьезопреобразователи с второго по восьмой принимают эхосигналы, и так далее до последнего восьмого такта, в процессе которого излучает восьмой преобразователь и который же и принимает эхо-сигнал.
1
N/2
Уменьшение количества тактов излучения осуществляют за счет одновременного и независимого излучения зондирующих сигналов половиной от общего число ПП, входящих в состав АР и приема эхо-сигналов другой половиной ПП. Однако, если все излучающие ПП будет возбуждаться одинаковым зондирующим сигналом, то из принимаемого каждым приемным ПП суммарного эхо-сигнала вычленить тот или иной частный эхо-сигнал, соответствующий зондирующему сигналу того или иного излучающего ПП практически не представляется возможным, т.к. принимаемые каждым приемным ПП эхо-сигналы представляют собой аддитивную смесь частных эхосигналов, являющихся следствием каждого из зондирующим сигналов. Разделить каждый из суммарных эхо-сигналов, принимаемых тем или иным приемным ПП, на частные эхо-сигналы, соответствующие излученным тем или иным излучающим ПП, возможно, если вначале пометить каждый из зондирующих сигналов. Это означает, что в качестве совокупности зондирующих сигналов используется не одинаковый для всех излучающих ПП сигнал, а набор зондирующих сигналов, различных между собой, индивидуально отмеченных, а затем, используя эти признаки меток и соответствующим образом настроив фильтры в каждом из приемных каналов под каждый из зондирующих сигналов, выделить из суммарного эхо-сигнала частные, порционные эхо-сигналы, соответствующие тому или иному зондирующему сигналу. Другими словами, система "сигнал + согласованный с ним фильтр" организовывается таким образом, чтобы фильтр наилучшим образом выделял согласованный с ним сигнал из смеси с другими сигналами и при этом максимально подавлять любой другой не согласованный с ним сигнал. При этом необходимо, чтобы эти зондирующие сигналы образовывали ансамбль сигналов нужного объема по количеству зондирующих частных сигналов. Такой ансамбль сигналов предлагается организовать на основе набора квазигармоник CC…CC, образующих Сплит-сигнал, описанный в патент РФ №2126538, 12.09.1997].
На фиг.1 показаны этапы контроля, составляющие суть предлагаемого к патентованию технического решения. Так, для АР, состоящей из N=8 пьезоэлементов, достаточно всего k=3 этапа излучения/приема сигналов.
1
4
5
8
5
8
5
8
5
5
6
6
8
8
5
6
1
5
1
6
1
7
1
8
2
5
2
6
2
7
2
8
4
8
k-1
2
На первом этапе контроля пьезоэлементы антенной решетки функционально разбиваются на две равные по числу пьезоэлементов группы первого этапа: группа излучающих ПП и группа приемных ПП (см. фиг. 1a). Для рассматриваемой АР, состоящей из N=8 ПП, на каждый из электрических входов пьезопреобразователей первой функциональной группы ПП…ПП подаются соответственно N/2=4 Сплит-сигнала . Излученные в контролируемое изделие зондирующие УЗ квазигармоники Сплит-сигналов независимо отражаются от акустических неоднородностей и аддитивно поступают на входы ПП второй функциональной группы - акустические входы четырех приемных ПП, …ПП, с электрических выходов которых снимаются электрические копии акустических эхо-сигналов U(t), …, U(t). Каждый из эхо-сигналов на выходах, соответствующих ПП, …, ПП, представляет собой сумму 2=4 частных эхо-сигналов: на выходе пьезопреобразователя ПП сформируется эхо-сигнал U(t), который приставляет собой сумму частных эхо-сигналов , на выходе пьезопреобразователя ПП сформируется эхо-сигнал U(t), который приставляет собой сумму частных эхо-сигналов  на выходе пьезопреобразователя ПП сформируется эхо-сигнал U(t), который приставляет собой сумму частных эхо-сигналов . Далее в процессе оптимальной фильтрации частные эхо-сигналы отфильтровываются один от другого и регистрируются соответствующие пьезопреобразователю ПП частные сигналы  (т.е. излученный первым ПП и принятый пятым ПП),  (т.е. излученный вторым ПП и принятый пятым ПП),  (т.е. излученный третьим ПП и принятый пятым ПП),  (т.е. излученный четвертым ПП и принятый пятым ПП), соответствующие пьезопреобразователю ПП сигналы  и т.д. Таким образом по завершении первого этапа контроля после комбинирования эхо-сигналов, соответствующих комбинациям излучающих - приемных ПП, порядку чередования квазигармоник в составе соответствующих Сплит-сигналов и в соответствии с процедурой обработки Сплит-сигнала, зафиксированными окажутся N/4=16 принятых независимых реализации частных эхо-сигналов соответственно в 16-ти независимых акустических каналах, образованных парными комбинациями пьезопреобразователей ПП-ПП, ПП-ПП, ПП-ПП, ПП-ПП, ПП-ПП, ПП-ПП, ПП-ПП, ПП-ПП, …, ПП-ПП (см. фиг. 1а)
1
1
2
2
5
3
6
4
3
4
7
8
2
На втором этапе совокупность пьезоэлементов каждой функциональной группы разбивается в свою очередь на две равные по числу ПП функциональные подгруппы второго уровня, образуя тем самым 4 подгруппы ПП по 2 пьезопреобразователя в каждой, причем ПП первой и третьей подгрупп используются как излучающие (на ПП подается Сплит-сигнал СС, на ПП подается Сплит-сигнал СС, на ПП подается Сплит-сигнал СС, на ПП подается Сплит-сигнал СС), а ПП второй и четвертой подгрупп (ПП, ПП и ПП, ПП) - как приемные (см. фиг. 1б). Далее на четыре излучающих ПП подаются независимо четыре зондирующих Сплит-сигнала, регистрируются приемными пьезопреобразователями четыре эхо-сигнала, отраженных от структурных неоднородностей. На этом этапе таким образом окажутся дополнительно зафиксированными еще N/8=8 независимых частных реализации УЗ эхо-сигналов.
1
3
5
7
2
4
6
8
2
На третьем этапе совокупность пьезоэлементов каждой подгруппы разбивается в свою очередь на две равные по числу ПП функциональные подгруппы третьего уровня, образуя тем самым 8 подгрупп ПП по 1 пьезопреобразователю в каждой, причем ПП первой, третьей, пятой и седьмой подгрупп (ПП, ПП, ПП и ПП) используются как излучающие, ПП второй, четвертой, шестой и восьмой подгрупп (ПП, ПП, ПП и ПП) - как приемные (см. фиг. 1в). На этом этапе аналогичным образом окажутся дополнительно зафиксированными еще N/16=4 независимых частных реализации УЗ эхо-сигналов.
Таким образом, для антенной решетки, состоящей из N=8 пьезоэлементов, за три этапа оказываются зарегистрированными набор эхо-сигналов в количестве S=N*(N-1)/2=28 частных реализаций эхо-сигналов. Следует отметить, что для технического решения, принятого за прототип, потребное количество этапов квадратично увеличивается с увеличением размерности антенной решетки, в то время как для патентуемого решения - лишь линейно. Так, для антенной решетки, состоящей из N=16 пьезопреобразователей для фиксации полного ансамбля эхо-сигналов потребуется излучать зондирующий сигнал 16 раз в случае реализации прототипа и 4 раза при реализации патентуемого технического решения, для N=32 зондирующий сигнал необходимо излучать соответственно 32 раза и 5 раз.
1
N
1
N
1
N
В качестве зондирующих сигналов ансамбля квазигармоник Сплит-сигнала, представляющего собой определенным образом организованную последовательность протяженных во времени радиоимпульсов с несущей частотой , меняющейся от импульса к импульсу в пределах заданного частотного диапазона, определяемого полосой рабочих частот пьезопреобразователей, образующих АР (см. фиг. 2), предложенный способ ультразвуковой томографии изделий можно реализовать с помощью аналоговых или цифровых устройств различной конфигурации. Наиболее рационально все операции по формированию зондирующих сигналов и обработке принимаемых УЗ колебаний выполнять в цифровом виде. Функциональная схема УЗ томографа, реализующего предложенный способ, показана на фиг. 2. Она содержит антенную решетку 1 с N приемно-передающими ПП 2 (ПП2…ПП2), N цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 3 (ЦАП3…ЦАП3) и N аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 4 (АЦП4…АЦП4), электронно-вычислительную машину (ЭВМ) 5, которая в своем составе содержит системный блок 6, монитор 7, стандартную клавиатуру 8, манипулятор 9 типа «мышь». Системный блок 6 состоит из материнской платы 10, в свою очередь состоящей из микропроцессора 11, системной магистрали 12, оперативно-запоминающего устройства 13, перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства 14 и контроллера 15 клавиатуры. Системный блок 6 также в своем составе содержит адаптер 16 монитора, адаптер 17 портов, контроллер 18 дисков, контроллер 19 дополнительных устройств, жесткий магнитный диск 20, системное программное обеспечение 21, прикладное программное обеспечение 22.
Каждый из ПП 2, входящих в состав АР 1, соединен с точкой соединения аналогового выхода соответствующего ЦАП 3 и аналогового входа соответствующего АЦП 4. Системная магистраль 12 соединена с цифровыми входами цифроаналоговых преобразователей 3 и цифровыми выходами аналого-цифровых преобразователей 4, процессором 11, оперативно-запоминающим устройством 13, перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством 14, контроллером 15 клавиатуры, к выходу которого подсоединена клавиатура 8, адаптером 16 монитора, к выходу которого подсоединен монитор 7, адаптером 17 портов, контроллером 18 дисков, к выходу которого подсоединен жесткий магнитный диск 20, контроллером 10 дополнительных устройств, к выходу которого подсоединен манипулятор 9 типа «мышь».
Антенная решетка 1 установлена на объект контроля 23 и имеет с ним акустический контакт.
Устройство для реализации способа работает следующим образом.
Оператор вручную с помощью клавиатуры 8 и прикладного программного обеспечения 22 задает значения частот  квазигармоник Сплит-сигналов, соответствующих рабочей полосе частот ультразвуковых ПП 2.1…2.N, которые записывается в оперативно-запоминающее устройство 13. Прикладное программное обеспечение 22 с помощью процессора 11 формирует по гармоническому закону N/2 цифровых Сплит-сигналов в виде массивов отсчетов значений амплитуды и записывает их в оперативно-запоминающее устройство 13, затем пересылает квазигармонический сигнал в цифровой форме из оперативно-запоминающего устройства 13 в цифроаналоговые преобразователи 3, которые преобразуют электрический сигнал в цифровой форме в электрические квазигармонические импульсы Сплит-сигналов в аналоговой форме и передает эти сигналы через аналоговые выходы на ультразвуковые преобразователи 1, которые в свою очередь преобразуют электрические квазигармонические сигналы в ультразвуковые квазигармонические волны и излучают данные сигналы квазигармоник в контролируемый образец.
1
4
5-1
8-1
г
5-1
8-5
5
8
5
5-1
5-5
8
8-1
8-5
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
На первом этапе контроля с выходов ЦАП 3.1, …3.4 на первом такте на первые четыре пьезопреобразователя 2.1, …2.4 антенной решетки 1, образующих группу излучающих пьезопреобразователей первого этапа, подаются, на каждый независимо и соответственно, первые квазигармоники (частоты квазигармоник в комбинации первого такта соответственно ) четырех различных Сплит-сигналов CC…СС. В этот момент пьезопреобразователи 2.5, …2.8 АР 1 начинают принимать УЗ колебания из ОК 23. Эти колебания, преобразованные в электрические колебания соответственно U(t), …, U(t), оцифровываются в АЦП 4.4, …4.7 и записываются в ОЗУ 13 ЭВМ 5 независимо друг от друга, без каких-либо преобразований и временных сдвигов. Эти колебания регистрируются в интервале времени, превышающем с некоторым запасом τ>Т время распространения УЗ колебаний от каждого из излучающих ПП 2.1, …2.4 АР 1 к наиболее дальней визуализируемой точке ОК 23 и обратно - к самому удаленному от нее приемному ПП 2.5, …2.8 АР 1, причем регистрируемый сигнал представляет собой аддитивную смесь сигнала структурного шума материала ОК 23, донного эхо-сигнала и эхо-сигналов от дефектов и несплошностей материала ОК 23. После окончания регистрации эхо-сигналов первых квазигармоник Сплит-сигналов аналогичная процедура излучения - регистрации эхо-сигналов повторяется для всех остальных комбинаций квазигармоник различных частот {частоты квазигармоник в комбинации соответственно для второго такта первого этапа - , …, для пятого такта первого этапа - }. Таким образом, на первом этапе контроля оказываются зарегистрированными 80 частных эхо-сигналов U(t), …, U(t), которые в комбинациях по 5 квазигармоник, соответствующих чередованию частот квазигармоник набора зондирующих Сплит-сигналов, образуют 16 (по числу комбинаций по 2 из 4 излучающих ПП и 4 приемных ПП) первичных эхо-сигнала U(t), …, U(t), каждый из которых представляет собой комбинацию частных эхо-сигналов по следующему алгоритму: U(t)=U(t)+…+U(t), …, U(t)=U(t)+…+U(t)
На втором и третьем этапе излучение зондирующих сигналов, прием и регистрация эхо-сигналов осуществляется аналогично первому этапу. Исключение составляет лишь способ формирования групп излучающих и приемных преобразователей. Так, на втором этапе излучающими пьезопреобразователями являются ПП 2.1, 2.2, 2.5, 2.6, а приемными пьезопреобразователями являются ПП 2.3, 2.4, 2.7, 2.8 антенной решетки 1, а на третьем этапе излучающими пьезопреобразователями являются ПП 2.1, 2.3, 2.5, 2.7, а приемными пьезопреобразователями являются ПП 2.2, 2.4, 2.6, 2.8 антенной решетки 1.
После выполнения k=3 циклов зондирования-приема УЗ колебаний в памяти ОЗУ 13 окажутся записанными S=N×(N-1)/2=28 реализаций принятых реализации УЗ эхо-сигналов, и далее, в соответствии с алгоритмом, содержащимся в принятым за прототип техническом решении, осуществляют поточечное построение изображения внутренней структуры ОК
Использование изобретения обеспечивает повышение производительности УЗ контроля за счет уменьшение количества этапов излучения зондирующего сигнала, потребных для построения С-скан.