Способ создания неполной коммутационной матрицы при использовании антенных решеток
METHOD FOR CREATING AN INCOMPLETE COMMUTATION MATRIX WHEN USING ANTENNA ARRAYS

Изобретение относится к области ультразвуковой дефектоскопии.
Известен способ ультразвукового контроля с применением антенных решеток (АР), называемый full matrix capture (FMC) или total focusing method (TFM), изложенный в статье Post-Processing of the Full Matrix of Ultrasonic Transmit-Receive Array Data for Non-Destructive Evaluation. Caroline Holmes Bruce W. Drinkwater Paul D. Wilcox. NDT & E International 38(8):701-711, December, 2005.
2
Недостатком указанного способа является необходимость реализации и последующей обработки большого количества однотипных данных от всех возможных комбинаций «излучающий преобразователь - приемный преобразователь», равному N для случая режима приема и излучения АР из N элементов, что требует затрат времени на контроль и обработку данных.
Известен способ визуализации ультразвукового контроля заготовок, изложенный в патенте DE 102012025535 A1 Verfahren zur bildgebenden  von . Schmitte, Till, Dr., 44807, Bochum, DE; Nemitz, Oliver, Dr., 47058, Duisburg, DE; Kersting, Thomas, 46049, Oberhausen, DE. Опубл. 18.06.2014, основанный на вышеуказанном методе.
Недостатком указанного способа является отсутствие указаний на метод сокращения количества комбинаций «излучающий преобразователь - приемный преобразователь» без существенных потерь качества получающегося изображения.
Известен способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки, изложенный в патенте RU 2560756 «Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки» Базулин Е.Г., Вопилкин А.X., Тихонов Д.С, описывающий модификацию метода TFM, именуемую C-SAFT, позволяющую использовать не все возможные комбинации «излучающий преобразователь - приемный преобразователь» АР.
Недостатком указанного способа является отсутствие указаний на метод сокращения количества комбинаций «излучающий преобразователь - приемный преобразователь» без существенных потерь качества получающегося изображения.
Наиболее близким, принятым за прототип, является патент RU 2560756 «Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки» Базулин Е.Г., Вопилкин А.X., Тихонов Д.С, описывающий модификацию метода TFM, именуемую C-SAFT, позволяющую использовать не все возможные комбинации «излучающий преобразователь - приемный преобразователь» АР.
Известный способ предполагает, что использованные комбинации «излучающий преобразователь - приемный преобразователь» описываются коммутационной матрицей, элементы которой могут иметь значения 1 - если комбинация используется, или 0 - если комбинация не используется, но не указывает способа получения неполной (содержащей нули) коммутационной матрицы, обеспечивающей минимальные потери качества получающегося изображения по сравнению с полной коммутационной матрицей.
Предложен способ создания неполной коммутационной матрицы при использовании антенных решеток, состоящий в том, что присвоение значения 0 или 1 каждому элементу матрицы осуществляется по вероятностному закону, заданному индивидуально для каждого элемента, отличающийся тем, что вероятность присвоения значения принимается такой, чтобы при соединении центров излучающих и приемных элементов АР геометрическими лучами, в соответствии выбранным способом контроля и с учетом известных законов прохождения и отражения, проходящими через поверхности объекта контроля и, возможно, отражающимися от поверхностей контроля и проходящими через возможный дефект или отражающимися от возможного дефекта в месте возможного положения дефекта, обеспечить заданное распределение геометрических лучей по коридорам между лучами от излучающих элементов к приемным элементам АР с одинаковыми номерами.
Предлагаемый способ позволяет уменьшить количество снимаемых при контроле данных без существенных потерь качества получающегося изображения по сравнению с полным набором данных.
Предложенный способ осуществляется следующим образом.
В простейшем случае применения эхо-теневого метода C-SAFT или full matrix capture (FMC) или total focusing method (TFM) имеются два параллельных ряда элементов линейной АР, расположенных на расстоянии L, а предполагаемое расположение поглощающего ультразвук дефекта находится на расстоянии X от центра между рядами элементов АР, как показано на Фиг. 1. Геометрическая интерпретация плотности лучей для четырехэлементной АР на длине пробега L. На Фиг. 1 п. 1 обозначены преобразователи АР (число преобразователей N=4), п. 2 - линия положения предполагаемого дефекта. Из построения Фиг. 1 видно, что в геометрической интерпретации все возможные лучи между излучающими и приемными элементами АР проходят в коридоре между лучами, соединяющими соответствующие крайние преобразователи (1-1 и N-N), и что в середине (Х=0) в центре (напротив элемента N/2) плотность лучей максимальна, тогда как напротив крайних элементов (1, N) в середине (Х=0) проходит только один луч.
Предлагается плотность лучей в месте возможного положения дефекта характеризовать гистограммой - числом лучей, попадающих в коридор между соседними элементами АР с одинаковыми номерами 1-1, 2-2, …, N-N и проводить прореживание лучей по вероятностному закону так, чтобы обеспечить желаемую форму этой гистограммы.
Пример гистограммы прореживания матрицы для АР из N=32 элементов для предполагаемого расположения дефекта посередине между АР (Х=0) и при задании вероятностного закона, обеспечивающего равномерное распределение на гистограмме, показан на Фиг. 2, поз. 3. Сама матрица показана на Фиг. 3, для наглядности элементы «0» показаны пробелами. Из представленного примера видно, что гистограмма коммутационной матрицы до прореживания имеет треугольный вид Фиг. 2, поз. 1, а после прореживания до 29% предложенным способом Фиг. 2, поз. 3 гистограмма близка к трапециевидной. При случайном прореживании, не учитывающем положение элемента в коммутационной матрице, гистограмма сохраняет треугольный вид, Фиг. 2, поз. 2.
Предлагается для коммутационной матрицы для методов C-SAFT, TFM или FMC размером N×N для выбранного возможного положения дефекта для совмещенного или раздельньного, эхо- зеркального или эхо-теневого и других вариантов применения, в том числе с учетом отражений от поверхностей объекта контроля, строить гистограмму плотности лучей и на ее основании прореживать коммутационную матрицу по вероятностному закону следующим способом:
2
- геометрические центры всех излучающих и всех приемных элементов АР попарно соединяются лучами количеством N с учетом известных законов преломления и отражения на границах раздела сред и отражения или поглощения от возможного дефекта;
i
i
- в месте возможного положения дефекта проводится подсчет числа лучей j, попадающих между лучами, соединяющими соседние элементы с номерами i и i+1, и строится гистограмма непрореженной коммутационной матрицы j, для i=1, 2, …, N; таким образом, каждому лучу - элементу коммутационной матрицы ставится в соответствие столбец гистограммы i;
i
- задается требуемый закон распределения лучей (равномерное распределение, нормальное распределение, распределение sin(x)/x или другое) в виде гистограммы k такой же размерности (i=1, 2, …, N);
i
- для указанных гистограмм для каждого столбца i задается вероятность обнуления элемента коммутационной матрицы p, которая обеспечивает требуемый закон распределения:
i
i
i
i
i
i
i
- если число лучей j, попадающих в столбец I, больше требуемого k, j>k, то p=1-k/j,
i
i
i
i
i
- если число лучей j, попадающих в столбец I, равно или меньше требуемого k, j≤k, то p=0 (прореживание не проводится);
i
- для всех элементов коммутационной матрицы выполняется случайное прореживание (обнуление) вероятностью р в зависимости от номера столбца гистограммы i, на который они попадают.
Полезность предлагаемого способа показана на примере изображения боковых отверстий ∅ 2 мм в диапазоне углов 60-72° в образце из углеродистой стали, полученном при ультразвуковом контроле по совмещенной схеме методом C-SATF при применении АР из 32-х элементов с шагом между элементами 1 мм, рабочей частотой 5 МГц, установленной на призме из рексолита с углом наклона 35°, Фиг 4. За основу взяты данные, полученные при полной матрице коммутации и дающие при обработке изображение Фиг. 4, поз. 1. Для сравнения на этих данных было выполнено прореживание коммутационной матрицы до 29% случайным образом, не зависящим от положения элемента в матрице, Фиг. 4, поз. 2 и как описано выше при задании на гистограмме равномерного закона распределения для предполагаемого расположения дефекта посередине между АР, Фиг. 4, поз. 3. Для наглядного сравнения размеров вокруг каждого изображения бокового отверстия показана прямоугольная рамка по уровню 0,5 от максимума изображения, полученного при полной коммутационной матрице, одна из которых обозначена буквой А.
Сравнение максимумов амплитуд изображений боковых отверстий приведено на Фиг. 5, сравнение вертикальных размеров изображений боковых отверстий по уровню 0,5 от максимума приведено на Фиг. 6, варианты коммутационной матрицы на Фиг. 5 и 6 обозначены: 2 - случайное прореживание до 29%; 3 - прореживание предложенным способом до 29%. В качестве базы для отсчета выбраны соответствующие показатели изображения боковых отверстий при полной коммутационной матрице. Из сравнения видно, что при предложенном способе прореживания по равномерному закону амплитуды изображений боковых отверстий составили 106…126%, а вертикальный размер изображений боковых отверстий составил 60…88%, в то время как при случайном прореживании эти показатели составляют 91…105% и 100…110% соответственно.
Применение предложенного способа позволяет получить изображения боковых отверстий с большими амплитудами и меньшими размерами как по сравнению с полной коммутационной матрицей, так и по сравнению с матрицей, прореженной, не зависящим от положения элемента в матрице, случайным образом, что позволяет уменьшить количество снимаемых и обрабатываемых данных до 29% при малых потерях качества изображения.