СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ АКУСТИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ
METHOD OF RECOGNITION OF MATERIALS OF ACOUSTICAL OBJECTS

Изобретение относится к гидролокации и может быть применимо в сейсморазведке и ультразвуковой диагностике для распознавания материалов объектов (целей) любой формы.
Известны способы и устройства распознавания (или классификации гидролокационных целей (или объектов) по акустической жесткости (см. патент ФРГ №2006152 МКИ G01S 15/00, публикация 1977 г.; авторское свидетельство СССР №1210571 МКИ G01S 15/00, публикация 1983 г.; патент РФ №2006876 С1 МКИ G01S 15/00, публикация от 30.01.1994 г.; патент РФ №2006877 C1 МК G01S 15/00, публикация от 30.01.1994 г.; патент РФ №2050558 МКИ G01S 15/00, публикация от 20.12.1995 г.; патент РФ №2149424 МКИ G01S 15/00, 15/87, публикация от 20.05.2000 г. и др.)
2
1
2
1
2
1
В известных способах и устройствах используется излучение гидроакустических тональных зондирующих импульсов и прием отраженных сигналов. По отраженным сигналам определяется жесткость гидролокационных целей (или объектов). Отражения звуковых колебаний от акустически жестких тел, импедансы которых z больше, чем у воды z(z>z), происходит практически без изменения фазы. Напротив, отражение от акустически мягких тел (z<z) сопровождается изменением фазы звуковых колебаний почти на 180°.
Это свойство отраженных сигналов используют при распознавании материалов тел. Таким образом, можно отличать твердые тела (металлические предметы, горные породы и т.д.) от акустически мягких тел (косяков рыб, тонких воздухозаполненных оболочек и др.). Отражение от большинства рыб на частотах 20-30 кГц определяется в основном отражением от их воздушных пузырей, при этом наблюдается изменение фазы эхо-сигнала, близкое к 180°.
1
2
2
1
2
1
В процессе распространения акустических сигналов в водной среде начальная фаза звуковых колебаний изменяется на неизвестную величину. Точность, с которой известно расстояние от излучателя до отражателя, недостаточна для оценки изменения фазовых соотношений в эхо-сигнале, возникающих в процессе их распространения. Поэтому для определения изменения фазы в эхо-сигнале при отражении используется сравнение ее с фазой некоторого опорного сигнала, распространяющегося совместно с измеряемым эхо-сигналом. С этой целью излучают одновременно два сигнала с отличающимися частотами ƒ и ƒ. Выбирают частоту ƒ, кратную ƒ, чаще ƒ=2ƒ.
При отражении сигналов от распознаваемого тела формируются два эхо-сигнала на кратных частотах, которые упрощенно можно представить в виде:
1
2
2
1
где S, S - амплитуды эхо-сигналов, пропорциональные коэффициентам отражения на частотах ƒ и ƒ соответственно;
1
1
2
2
2
1
ω=2πƒ, ω=2πƒ - круговые частоты, ω=2ω;
kr, 2kr - фазовые изменения за счет распространения сигналов на расстояние r;
0
ϕ - начальная фаза колебаний, изменяющаяся в зависимости от акустического импеданса поверхности тела.
1
2
2
1
1
Эхо-сигналы s(t), s(t) принимаются раздельно в двух разных каналах, настроенных на частоты ƒ и ƒ. Затем сигнал s(t) возводится в квадрат:
2
2
0
2
2
2
При этом частота и начальная фаза преобразованного сигнала  удваиваются. Постоянная составляющая  сигнала  исключается с помощью полосовой фильтрации. Различие в амплитудах сигналов  и s(t) устраняется регулировкой коэффициентов усиления в двух каналах приемного тракта. После удвоения начальная фаза сигнала  теряет информацию об ее изменении, произошедшем в процессе отражения от поверхности тела, а начальная фаза s(t) содержит эту информацию. Тогда ϕ в сигнале s(t) может быть измерена относительно фазы опорного сигнала , имеющего ту же частоту, что и сигнал s(t). Разность фаз сигналов  и s(t) может быть измерена, например, с помощью фазового детектора, либо в результате умножения этих сигналов и выполнения низкочастотной фильтрации:
2
0
В этом выражении амплитуды сигналов , s(t) приняты равными (после регулировки коэффициентов усиления в каналах приемного тракта). Низкочастотная составляющая результирующего сигнала пропорциональна cosϕ.
Недостатками этого способа являются: малая дальность действия, ограниченная затуханием волн частотой f2=2 f1; необходимость большого соотношения сигнал/шум, сложность классифицировать объекты, фаза коэффициента отражения от которых отлична от значения 0° и 180°, (например: от объектов со слоистой структурой, границ раздел сред, обладающих потерями и т.д.)
Авторами патента РФ №2050558 Гавриловым A.M. и Савицким О.А. описывается и решается задача увеличения дальности действия гидролокатора, и возможность обнаружения объектов, находящихся на малых расстояниях от излучающего преобразователя, находящихся в сильновязких вредах, объектов с произвольным коэффициентом отражения.
1
1
1
С этой целью для формирования зондирующих импульсов на кратных частотах предлагают применить параметрические излучатели. При излучении мощного акустического импульса с синусоидальным заполнением за счет нелинейности среды формируются гармонические составляющие на кратных частотах 2ƒ, 3ƒ, связанные по фазе с основным сигналом на частоте ƒ. Амплитуды этих гармоник достигают величин 1/3-1/2 от амплитуды основного сигнала.
При распространение в нелинейной среде, обладающей квадратичной нелинейностью происходит квадратичное детектирование сигнала, т.е. генерация двух низкочастотных волн частотами Ω и 2Ω - так называемые первая и вторая волны разностной частоты (ВРЧ), которые можно представить в виде:
Ωm
2Ωm
Где P и P - амплитуды звукового давления 1-й и 2-й ВРЧ.
Генерируемые 1-я и 2-я ВРЧ жестко связаны между собой по фазе. Принятые после отражения от объекта эхосигналы обеих ВРЧ будут иметь вид
0
Где: V и ϕ - модуль и фаза коэффициента отражения, L - Расстояние до объекта,
0
0
Величина ϕ, в частности, равна нулю для акустически жесткого объекта, когда акустический импеданс Z2 является чисто активным и больше акустического импеданса среды Z1. При Z2<Z1 величина ϕ=180°. Для сравнения фаз эхосигналов 1-й и 2-й ВРЧ их частоты приводят к одному значению: для этого частота 1-й ВРЧ удваивается путем возведения в квадрат сигнала и на его выходе получается сигнал:
2Ω
Ω
Сравнивая фазы P и P с помощью фазового детектора:
Увеличение дальности действия в предлагаемом патенте объясняется использованием в качестве рабочих более низкочастотных сигналов 1-й и 2-й ВРЧ вместо ранее применяемых высокочастотных сигналов.
Возможность обнаружения и классификации объектов в сильновязких средах объясняется также использованием низкочастотных волн разностной частоты в качестве носителей информации. Так как глубина проникновения волны в вязкую среду определяется протяженностью ее области затухания, то при квадратичном характере частотной зависимости вязкого поглощения:
с понижением частоты сигналов повышается дальность их проникновения.
В качестве прототипа принимается патент РФ №2006877 «Акустический эхо-импульсный локатор» - G01S 15/00. Дата подачи заявки 31.05.1991 г. Дата публикации 30.01.1994. Авторы Гаврилов A.M. и Савицкий О.А.
1
2
2
1
Авторы отмечают низкую надежность классификации объектов выше рассмотренным способом по акустической жесткости, обусловленную невозможностью однозначного отнесения обнаруженного объекта к одному из классов в случае нелинейной фазо-частотной характеристики коэффициента отражения, что имеет место у объектов со сложной внутренней структурой и конечными волновыми размерами. В таком случае фазовые набеги, возникающие при отражении у волн с частотами f и f, существенно различаются в силу конечного разнесения частот (f/f=2). Чем больше различие в величинах сдвига фаз, тем ниже надежность классификации, поскольку этот способ классификации применим только к объектам, у которых фазовый сдвиг имеет одну и ту же величину для всех отраженных волн, т.е. с линейной фазо-частотной характеристикой. Целью патента №2006877 является повышение надежности классификации объектов по акустической жесткости.
m
o
o
o
o
o
o
1
2
Предлагается излучать в сторону отражающего объекта одновременно сигнал низкочастотной волны с частотой F и сигнал высокочастотной балансно-модулированной волны V(t, х)=V cos (2π Ft - - 2 л Fx/C)]х cos (2π ft - 2π fx/C), где F - частота модуляции; f - несущая частота (частота заполнения), где f>>F. При отражении балансно-модулированной волны сдвиг фаз испытывает только высокочастотное заполнение, в то время как огибающая не претерпевает фазовых сдвигов при любых соотношениях импедансов Z и Z. Появление или отсутствие разности фаз величиной 180° (или близкой к этому значению) между пришедшими к низкочастотной обратимой антенне низкочастотным эхосигналом и модулирующей функцией вернувшегося к высокочастотной обратимой антенне балансно-модулированного эхосигнала указывает на характер жесткости отражающего объекта.
2
1
2
1
3
1
3
1
Этот способ, представленный в аналогах и прототипе - патенте РФ №2006877, а также разработанные на его основе устройства позволяют классифицировать объекты (гидролокационные цели) по акустической жесткости, то есть распознавать объекты 2 классов с акустическим импедансом z значительно большим акустического импеданса воды z(z>z) (жесткие объекты из металла с толщиной оболочек, превышающих длину волны зондирующих посылок, сплошные металлические тела, камни и др.) от объектов с акустическим импедансом z значительно меньшим акустического импеданса воды z(z<z) (тонкие металлические воздухозаполненные оболочки с толщиной, значительно меньшей длины волны зондирующих посылок, границы раздела вода-воздух, воздушные пузыри и др.) Но этим способом нельзя распознать материалы различных твердых объектов: металлические, деревянные, каменные, резиновые и др.). Для реализации этого способа, основанного на измерении разности фаз принимаемых гидролокационных сигналов, требуется обеспечивать высокое соотношение сигнал/помеха ~40 дБ и более, то есть этот способ имеет низкую помехоустойчивость.
Решаемой задачей настоящего предложения является разработка способа, позволяющего расширить диапазон распознаваемых материалов акустических целей и повысить помехоустойчивость распознавания.
Поставленная задача решается за счет того, что в предложенном способе распознавания материалов акустических целей, так же, как в известном облучают цель акустическими зондирующими импульсами, принимают отраженные сигналы и выполняют обработку отраженных сигналов. Но в отличие от известного в предлагаемом способе определяют возможные резонансные области частот колебаний облучаемой цели, например, расчетным путем на основе известных размеров цели с заданной погрешностью или излучением зондирующего импульса с высоким разрешением по дальности расположения отражающих элементов цели в направлении облучения и измерением времен и углов прихода отраженных импульсов, излучают широкополосные зондирующие импульсы, соответствующие по ширине полосы частот одной или нескольким определенным резонансным областям частот колебаний облучаемой цели, принимают отраженный сигнал, определяют спектр этого сигнала, в спектре выделяют существенные локальные максимумы и измеряют их амплитуду и ширину резонансной области частот по уровню 0,707 от максимальной амплитуды в каждой резонансной области спектра отраженного сигнала, вычисляют добротности в резонансных областях частот путем отношения максимальной амплитуды в резонансной области спектра сигнала к измеренной ширине полосы частотной области и распознают материал акустической цели по выделенным добротностям на основе решающего правила, сформулированного в результате анализа статических характеристик изменения добротностей известных материалов, например, на основе критерия Байеса.
Для реализации предложенного способа требуется соотношение сигнал/помеха на входе приемного тракта не более 10-12 дБ, что значительно меньше 40 дБ, необходимых для работы аналогов и прототипа.
Достигаемым техническим результатом является - расширение диапазона распознаваемых материалов акустических целей и повышение помехоустойчивости распознавания.
Результат достигается путем измерения добротностей в резонансных областях спектра отраженного от акустической цели сигнала и сопоставления их с добротностями известных материалов с помощью решающего правила.
На фиг. 1 приведен пример огибающей S(t) отраженного акустического сигнала, полученного в результате облучения цели зондирующим импульсом в высоким разрешением дальности расположения отражающих элементов цели, где:
1 - пример огибающей отраженного сигнала.
На фиг. 2 приведен пример добротностей различных материалов - Q:
2 - кварц,
3 - дюралюминий,
4 - химически чистый алюминий,
5 - строительная сосна,
6 - резина.
На фиг. 3 приведен пример спектра отраженного сигнала, где 7 - спектр отраженного сигнала.
На фиг. 4 приведен пример распознавания материалов акустических целей, где:
8 - условная плотность вероятности добротностей 1 материала;
9 - условная плотность вероятности добротностей 2 материала;
10 - условная плотность вероятности добротностей 3 материала;
11 - результат расчетов добротностей по измеренному спектру отраженного сигнала.
Предложенный способ может быть реализован устройством, функциональная схема которого приведена на фиг. 5, где:
12 - генератор зондирующих импульсов,
13 - усилитель мощности,
14 - приемо-излучающая антенна,
15 - облучаемая цель,
16 - блок усилителя приемного тракта,
17 - согласованный фильтр (или полосовой фильтр),
18 - детектор,
19 - блок выделения существенных локальных максимумов,
20 - измеритель временных интервалов между максимумами и длительностей сигналов,
21 - синхронизатор - управляющее устройство,
22 - спектроанализатор,
23 - измеритель максимальных амплитуд и ширины полосы резонансных областей частот,
24 - вычислитель добротностей,
25 - блок эталонных статических характеристик добротностей разных материалов,
26 - блок принятия решений,
27 - индикатор,
28 - генератор протяженных широкополосных зондирующих импульсов,
29 - усилитель мощности,
30 - приемо-излучающая антенна,
31 - усилитель приемного тракта.
3
j
3
j
3
3
j
j
После излучения зондирующего импульса с высоким разрешением по дальности расположения отдельных отражающих элементов акустической цели (короткого зондирующего импульса, пространственная длина которого равная половине произведения скорости распространения звука - с на длительность зондирующего импульса - τ, значительно меньше расстояния между отражающими элементами цели L, то есть сτ/2<<L, или сложного широкополосного зондирующего сигнала с произведением ширины полосы - F на длительность τ значительно большем единицы, Fτ>1, обеспечивающим также разрешение отражений от отдельных элементов цели после согласованной фильтрации отраженного сигнала) определяется расстояние между отражающими элементами цели по временным задержкам - τ между отдельными максимумами в огибающей отраженного сигнала и протяженность цели в направлении облучения по длительности отраженного сигнала - τ (фиг. 1). При необходимости измеряются углы прихода для τ и τ.
j
p
p
p
р
p
p
Зная расстояние между отражающими элементами цели и (или) ее протяженность можно возбудить резонансные колебания цели путем облучения ее зондирующими сигналами, длина волны которых - X кратна протяженности цели - L или расстояниям между отдельными отражающими элементами цели - L. Возбуждение резонансных колебаний облучаемой цели осуществляется протяженным широкополосным зондирующим импульсом, составленным, например, из суммы протяженных тональных зондирующих посылок для повышения амплитуд колебаний облучаемой цели или последовательностью длинных тональных зондирующих импульсов с контролируемой амплитудой (лучше равными амплитудами) и отличающихся частотой заполнения в пределах частотной полосы, соответствующей по ширине полосы частот одной или нескольким определенным резонансным областям частот колебаний облучаемой цели. Далее принимается отраженный сигнал, вычисляется спектр принятого отраженного сигнала. В спектре сигнала определяются существенные локальные максимумы и соответствующие им отдельные резонансной области частот, а в них измеряются максимальная амплитуда F и ширина полосы частот по уровню 0,707 от максимальной амплитуды - Δω, рассчитываются добротности Q=F/Δω. Добротность колебаний разных материалов Q=1/η обратно пропорциональны коэффициенту потерь η, обусловленному диссипативными свойствами материалов. На фиг. 2 приведены добротности разных материалов в зависимости от частоты колебаний. На фиг. 3 приведен пример выделения существенных локальных максимумов в спектре гидролокационного сигнала - F(ω), измерение амплитуд этих максимумов - F, ширины полосы частот локальных резонансных областей - Δω и расчет на их основе добротностей Q=F/Δω.
На основе рассчитанных добротностей выполняется распознавание материалов гидролокационных целей по эвристическим или оптимальным решающим правилам, например, критериям Байеса, максимума апостериорной вероятности, максимального правдоподобия.
q
i
i
iq
a
Построение оптимального байесовского решающего правила направлено на разделение признакового пространства на непересекающиеся области Dдля каждого q-го тела (или образа) в соответствии с априорной вероятностной информацией о распознаваемых телах: априорными вероятностями P(A) наличия i-x тел, условными плотностями вероятностей применяемых признаков (например, τ) ƒ(τ/A) и функцией потерь (штрафов) . Разделение признакового пространства выполняется таким образом, чтобы минимизировать средний риск в принятии решения, определяемый, например, для одномерного признака τ в виде
при условии
а
iq
и
и
где  - штраф за решение о принадлежности признака τ, выделенного в измеренном эхо-сигнале, к q-му телу, если в действительности τ принадлежит i-му телу,
q
D - непересекающиеся области существования признака τ для q-x тел,
М - количество распознаваемых тел.
и
Байесовское решающее правило устанавливает принадлежность выделенного в измеренном эхо-сигнале признака τ к q-му телу (образу) при условии [Фукунага К. Введение в статистическую теорию распознавания образов. Пер. с английского М.: Наука 1979. 368 с.]:
и
i
и
i
и
i
i
для l≠q, где ƒ(τ/A) - значение функции правдоподобия, вычисленной для измеренного признака τ на основе известной условной плотности вероятности ƒ(τ/A) (в дальнейшем, без особой необходимости, вместо f(τ/А)) будет использоваться обозначение ƒ(τ/A)
a
ii
iq
Если функция потерь не может быть априори установлена, т.е. принято =0 - для правильных решений и а=1 - для неправильных решений, то байесовское решающее правило сводится к критерию максимума апостериорной вероятности. В соответствии с этим критерием измеренный признак т принадлежит i-му образу (телу) при условии:
для всех q≠i.
Решение о распознавании i-го тела принимается по максимальному значению из всех вычисленных по этой формуле апостериорных вероятностей. Формулу эту называют формулой Байеса, она определяет вероятность распознавания каждого q-го образа по результатам измерения признака τ. Критерий максимума апостериорной вероятности относится к рандомизированным решающим правилам, устанавливающим вероятность, с которой принимается решение в процессе распознавания.
Так как знаменатели в этой формуле одинаковы и не равны нулю, то решение о принадлежности измеренного признака τ к i-му телу может быть принято в случае
i
i
q
q
P(A)ƒ(τ/A)>P(A)ƒ(τ/A)
для всех q≠i.
i
При этом отсутствует оценка вероятности, с которой принимается каждое решение. Критерии максимума апостериорной вероятности обеспечивает минимальную вероятность ошибочного распознавания и называется иногда «критерием идеального наблюдателя». Если априорные вероятности P(A) наличия i-х тел не известны и приняты равными, то критерий максимума апостериорной вероятности сводится к критерию максимального правдоподобия:
i
i
q
τ∈А, если ∈(τ/A)>ƒ(τ/A)
для всех q≠i.
Условие принадлежности измеренного признака τ к i-му образу в соответствии с этим критерием может быть также записано в виде
i
где ϕ - значение функции правдоподобия для i-го тела.
Перед выполнением распознавания по оптимальным решающим правилам требуется выполнить аппроксимацию условных плотностей вероятностей используемых признаков, в данном случае добротностей Q в процессе проведения экспериментальных измерений сигналов, отраженных от целей с подлежащими распознаванию материалами. Одним из наиболее универсальных и распространенных при решении задач распознавания образов является метод аппроксимации, разработанный Парзеном и Розенблатом. Для наглядности пример распознавания материалов акустических целей по критерию максимального правдоподобия приведен на фиг. 4.
Q1
Q2
Q3
p
р
p
1
2
3
2
1
3
Здесь изображены условные плотности вероятностей 8-f, 9-f, 10-f, характеризующие статистические распределения добротностей для 3-х разных материалов. Ниже представлены 11 - добротности Q, рассчитанные по измеренным параметрам F - максимальной амплитуде в резонансной области частот и Δω - ширина резонансной области частот по уровню 0,707 от измеренной F. На основе этих добротностей вычисляются функции правдоподобия ϕ, ϕ, ϕ для трех измеренных добротностей. Во все случаях в данном примере ϕ>ϕ>ϕ. Поэтому результат распознавания - материал 2.
p
р
Для измерения параметров F и Δω требуется соотношение сигнал/помеха на входе приемного тракта не более 10-12 дБ, что значительно меньше 40 дБ, необходимых для работы устройств аналогов и прототипа.
В устройстве, реализующем предлагаемый способ (фиг. 5), генератор - 12 по команде от синхронизатора - управляющего устройства - 21 формирует зондирующий импульс с высоким разрешением по дальности (короткие или сложные зондирующие импульсы). Эти импульсы усиливаются в усилителе мощности - 13 и излучаются с помощью акустической антенны - 14. Отраженные от цели - 15 сигналы усиливаются в блоке усилителя приемного тракта - 16 и поступают на согласованный фильтр (или полосовой фильтр при использовании коротких зондирующих импульсов) - 17. Затем сигнал проходит через детектор - 18 и выделяется огибающая отраженного сигнала. Огибающая поступает в блок выделения существенных локальных максимумов -19, а затем на измеритель временных интервалов между максимумами и длительностей сигналов - 20. Измеренные временные интервалы и длительность отраженного сигнала поступают в синхронизатор - управляющее устройство 21, где формируется команда на генератор 28 для излучения протяженного широкополосного зондирующего импульса с шириной полосы, соответствующей одной или нескольким резонансным областям частот акустической цели. Эти импульсы усиливаются в усилителе мощности - 29 и излучаются с помощью антенны - 30. Отраженные от цели - 15 сигналы усиливаются в блоке усилителя приемного тракта - 31 и поступают в спектроанализатор - 22, где определяется спектр отраженного сигнала. Спектр поступает в блок выделения существенных локальных максимумов - 19, а затем в измеритель максимальных амплитуд и ширины резонансных областей частот - 23. На основе измеренных в блоке 23 параметров вычисляются добротности в блоке вычисления добротностей - 24. Вычисленные добротности поступают в блок принятия решений - 26, куда также попадает информация о статических характеристиках добротностей разных материалов из блока 25. Принятое решение высвечивается на индикаторе 27.