УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭМИССИИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к конструкции устройства, предназначенного для отображения пространственного распределения источников эмиссии некогерентного излучения, такого как тепловое излучение (имеющего акустическую или электромагнитную природу), сигналов акустической эмиссии напряженных конструкций (потрескивание) или земной коры (землетрясения), электромагнитного излучения от грозовых разрядов и т.п. В общем случае под некогерентным излучением понимают излучение, у которого отсутствуют корреляции между разнесенными во времени колебаниями.

В случае приема теплового излучения применение изобретения обеспечивает отображение пространственного распределения температуры исследуемой области объекта. Такая информация может использоваться в медицине для диагностики, в промышленности для контроля распределения температуры внутри массивных деталей из стекла, металла и т.п. в метеорологии для получения распределения температуры воздуха по высоте, в гидрографии для измерения распределения температуры в водоемах, в энергетике для получения распределения температуры внутри ядерных реакторов и т.д.

В случае приема некогерентного излучения нетеплового типа, изобретение может быть использовано для дефектоскопии, а также для приема сигналов акустической эмиссии, предшествующих разрушению каких-либо конструкций. Еще одним возможным применением изобретения является определение координат грозовых разрядов.

Известно устройство отображения пространственного распределения источников эмиссии акустического термического шума, предназначенное для неинвазивного измерения температуры внутренней области тела (патент США N 4246784, кл. 73-339, опубл. 27.01.81 г.). Это устройство содержит множество акустических преобразователей, подключенных через коммутатор к входу спектроанализатора, к выходу которого подсоединено регистрирующее устройство. Работа его основана на частотной зависимости затухания акустических сигналов. Для этого осуществляют прием спектра акустического термического шума по глубине исследуемой области объекта, преобразуют его в электрические сигналы и производят их спектральный анализ. При этом на регистрирующем устройстве получается отображение пространственного распределения источников эмиссии акустического термического шума по глубине исследуемой области объекта.

Разрешающая способность этого устройства невелика и составляет 70% от глубины исследуемой области, что обусловлено малой зависимостью затухания акустического сигнала от частоты.

Из числа известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство отображения пространственного распределения источников акустической эмиссии, предназначенное для определения координат дефектов листовых материалов (а. с. N 1201753, кл. G 01 N 29/14, 29/14, опубл. 30.12.85 г.). Действие его основано на корреляционной обработке сигналов. Оно содержит m приемных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя сигналов, усилителя, аналого-цифрового преобразователя и блока памяти, выход которого является выходом данного приемного канала, первый коммутатор, m входов которого соединены с выходами блоков памяти, последовательно соединенные корреляционный процессор, входы которого соединены с соответствующими выходами первого коммутатора, блок определения разностей времени прихода и второй коммутатор, последовательно соединенные блок первичной отбраковки, входы которого соединены с соответствующими выходами второго коммутатора, блок вычисления координат и управления, управляющий выход которого соединен с управляющими входами первого и второго коммутаторов, и регистрирующее устройство.

Корреляционный процессор выполнен из n каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные процессор быстрого преобразования Фурье, обратного быстрого преобразования Фурье, первый и второй входы которого являются входами канала, и блок формирования взаимного спектра, выход которого соединен с третьим входом указанного процессора, а выход является выходом канала.

Известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, а именно, оно обеспечивает зондирование только в плоскости, при этом определяются координаты лишь источников эмиссии точечного типа. В то же время во многих случаях желательно наблюдать картину эмиссии в трехмерном пространстве и иметь при этом возможность исследования непрерывного распределения в пространстве источников эмиссии.

Изобретение направлено на решение задачи отображения непрерывного пространственного распределения источников эмиссии не только в двумерном, но и в трехмерном пространстве. Для решения этой задачи в устройство отображения, включающее m приемных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя сигналов, усилителя, аналого-цифрового преобразователя и блока памяти, выход которого является выходом данного приемного канала, корреляционный процессор, блок управления и регистрирующее устройство, дополнительно введен блок вычисления задержек сигналов с одним входом и m выходами, каждый из которых соединен с управляющим блоком памяти соответствующего приемного канала, корреляционный процессор содержит перемножитель с m входами, служащими входами корреляционного процессора, и интегратор, вход которого соединен с выходом перемножителя, а выход является выходом корреляционного процессора, блок управления содержит m выходов запуска, каждый из которых соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя соответствующего приемного канала, и выход задания координат, соединенный со входом блока вычисления задержек сигналов и с управляющим входом регистрирующего устройства, при этом выход каждого приемного канала связан с соответствующим входом корреляционного процессора, выход последнего соединен с информационным входом регистрирующего устройства, а число приемных каналов и входов корреляционного процессора m=4.

Указанное выполнение корреляционного процессора, обеспечивающее необходимую корреляционную обработку четырех сигналов, поступающих в него с приемных каналов, в сочетании с остальными отличиями предложенного устройства позволяет получить картину непрерывного пространственного распределения источников эмиссии как в двумерном, так и в трехмерном пространстве. При этом в отличие от прототипа требуется всего четыре приемных канала.

При необходимости получения картины пространственного распределения источников эмиссии с разных точек обзора в устройство вводят n дополнительных приемных каналов, где n=1, 2, 3 и т.д. аналогичных по выполнению описанным выше. В этом случае для обработки принимаемых сигналов в устройство вводят p = C4(4+n)

-1 = [(n+4)!/(4!n!)]-1 дополнительных корреляционных процессоров, аналогичных описанному выше, а в регистрирующее устройство вводят синтезатор изображения, включенный на входе дисплея. При этом блок управления содержит n дополнительных выходов запуска, каждый из которых соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя соответствующего дополнительного приемного канала, блок вычисления задержек сигнала содержит n дополнительных выходов, каждый из которых соединен с управляющим входом блока памяти соответствующего дополнительного приемного канала. В этом варианте каждый корреляционный процессор связан с выходами четырех соответствующих приемных каналов.

В другом варианте, более простом по выполнению, для обработки сигналов вместо p корреляционных процессоров введен коммутатор, связывающий выходы приемных каналов с входами одного корреляционного процессора. При этом несколько увеличивается время обработки сигналов по сравнению с описанным выше вариантом.

В этом варианте регистрирующее устройство может быть снабжено синтезатором изображения с памятью, включенным на входе дисплея.

Изображение поясняется рисунками.

На фиг.1-4 приведены блок-схемы различных вариантов выполнения предложенного устройства.

На фиг.5 схематично показано расположение преобразователей относительно исследуемого объекта.

На фиг. 6 представлены сигналы, поступающие от исследуемого объекта в приемные каналы в том виде, как они содержатся в блоках памяти.

На фиг. 7 приведена картина пространственного распределения источников эмиссии, полученная с помощью изобретения.

Предложенное устройство содержит четыре приемных канала 1 (Фиг.1), каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя сигналов 2, усилителя 3, аналого-цифрового преобразователя 4 и блока памяти 5, корреляционный процессор 6, состоящий из последовательно соединенного перемножителя сигналов 7 с четырьмя входами и интегратора 8, регистрирующее устройство 9, блок управления 10 и блок вычисления задержек сигналов 11. Входы перемножителя сигналов 7 являются входами корреляционного процессора 6 и каждый из них связан с выходом соответствующего приемного канала 1. Выход интегратора 8 является выходом корреляционного процессора 6 и соединен с информационным входом регистрирующего устройства 9. Блок управления 10 содержит четыре выхода запуска, каждый из которых соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя 4 соответствующего приемного канала 1, и выход задания координат, соединенный с входом блока вычисления задержек сигналов 11 и с управляющим входом регистрирующего устройства 9. Блок вычисления задержек 11 содержит четыре выхода, каждый из которых соединен с управляющим входом блока памяти 5 соответствующего приемного канала 1.

Устройство, показанное на фиг.2, отличается от описанного выше тем, что в него введено n дополнительных приемных каналов 1 и p=[(d!+n!)/(4!n!)] 1 дополнительных корреляционных процессоров 6, выполненных аналогично описанному выше. В частности на фиг.2 показано устройство, в котором n=1 и p=4. Приемные каналы 1 сгруппированы по четыре в группе и входы каждого корреляционного процессора 6 соединены с выходами приемных каналов соответствующей группы.

Таким образом, выход каждого приемного канала подключен к входам p корреляционных процессоров. Регистрирующее устройство 9 содержит синтезатор изображения 12 с (p+1)=5 входами, являющимися информационными входами устройства 9, одним входом, служащим управляющим входом последнего, и двумя выходами, а также дисплей 13, один выход которого соединен с информационным, а другой с управляющим выходами синтезатора 12 изображения. При этом блок 10 управления содержит один дополнительный выход запуска, соединенный с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя дополнительного приемного канала 1, а блок 11 вычисления задержек содержит один дополнительный выход 6, соединенный с управляющим входом блока 5 памяти этого же приемного канала.

Устройство, показанное на фиг.3, отличается от изображенного на фиг.2 тем, что вместо p корреляционных процессоров в него введен коммутатор 14 с пятью информационными входами и одним управляющим входом. Коммутатор 14 осуществляет связь приемных каналов 1 с входами одного корреляционного процессора 6. При этом блок управления 10 снабжен еще одним выходом, соединенным с управляющим входом коммутатора 14.

Устройство, показанное на фиг. 4, отличается от приведенного на фиг.3 тем, что регистрирующее устройство 9 содержит на входе синтезатор 15 изображения с памятью и подключенный к его выходам дисплей 13. Синтезатор 15 соединен своим информационным входом с выходом корреляционного процессора 6, а управляющим - с выходом задания координат блока 10 управления.

Ниже описывается работа предложенного устройства для случая получения картины пространственного распределения источников эмиссии акустического термического шумового сигнала. В этом случае преобразователи 2 сигналов представляют собой пьезоэлектрические преобразователи. Их размещают относительно исследуемой области 16 объекта, как показано на Фиг.5, а именно, чтобы исследуемая область 16 находилась в зоне перекрытия диаграмм направленности всех преобразователей 2 (показанных штриховыми линиями). Направление от исследуемой области объекта до преобразователей совпадает с осью Z, плоскость XZ перпендикулярна плоскости чертежа. Акустические шумовые сигналы из исследуемой области 16 объекта достигают преобразователей 2 (фиг.1), где они преобразуются в электрические сигналы. Последние после усиления в усилителях 3 поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 4. Запуск аналого-цифровых преобразователей 4 производится периодически одновременно по всем каналам 1 путем подачи сигнала с выходов запуска блока 10 управления. Период повторения управляющих сигналов определяется заданной величиной пространственного разрешения.

В аналого-цифровых преобразователях 4 происходит преобразование мгновенных величин сигналов в цифровые коды, которые поступают на информационные входы блоков 5 памяти, где происходит их запоминание. На фиг.6 представлены реальные сигналы, полученные от объекта, с гауссовым распределением в пространстве интенсивности эмиссии (типа exp{-r²/w²} где r расстояние от начала координат, а w - эффективный радиус излучающей области). Как видно, сигналы имеют шумоподобный характер. После заполнения информационной емкости блоков 5 памяти начинается обработка накопленных сигналов. При этом с выхода задания координат блока 10 управления последовательно выдаются заданные значения координат точек исследуемой области объекта, в которых в результате обработки будут получены значения интенсивности эмиссии излучения. Значения координат (x, y, z) каждой точки поступают одновременно на управляющие входы блока 11 вычисления задержек сигналов и регистрирующего устройства 9. В блоке 11 производится вычисление необходимых для анализа эмиссии в точке (x, y, z) значений задержек сигналов, выдаваемых из блоков 5 памяти на входы корреляционного процессора 6.

Операция вычисления заключается в расчете для каждого из приемных каналов с номером i значения задержки τ_i относительно опорного канала по формуле

где бегущие координаты точки, задаваемые из блока управления 10, координаты одного из преобразователей 2, принятого за опорный, - координаты i-го преобразователя 2, v скорость звука в исследуемой области. Значение τ_i передается с выхода блока 11 на управляющий вход i-ого блока памяти, в результате информация из блока 5 памяти выводится с задержкой τ_i.

Таким образом, соответственно задержанные сигналы S_i(t+τ_i) подаются на входы корреляционного процессора 6, где в блоке 7 происходит их перемножение. На выходе перемножителя 7 образуется произведение:
S₁(t)•S₂(t+τ₂)•S₃(t+τ₃)•S₄(t+τ₄),
которое подается на интегратор 8, где происходит его интегрирование. В результате действия корреляционного процессора 6 реализуется следующая операция над сигналами:

Эта операция, как было показано авторами заявки, позволяет получать значение амплитуды эмиссии в точке (x, y, z), определяемой значениями времени задержки τ₂,τ₃ и τ₄. Выходной сигнал T(x, y, z), пропорциональный интенсивности эмиссии в точке (x, y, z), подается на регистрирующее устройство 9, куда одновременно подается управляющий сигнал, определяющий координаты (x, y, z) точки зондирования, так что в результате последовательного перебора точек исследуемой области на регистрирующем устройстве 9 получается целиком изображение T(x, y, z). Это изображение, как это принято в томографии, может быть сечениями распределения T(x, y, z) различными плоскостями, либо трехмерными изображениями, которые по команде оператора могут представляться с различных точек обзора.

На фиг.7 представлено распределение интенсивности акустической эмиссии в виде сечения полученного изображения плоскостью XZ. Как видно, изображение объекта имеет вид хорошо выраженного пика, расположенного на расстоянии 7 см от преобразователей сигналов, с размером на уровне полувысоты около 0,3 см. На периферии от пика наблюдается шумоподобное поведение эмиссии, соответствующее собственным шумам устройства. Эти шумы могут быть существенно (более чем в 100 раз) уменьшены увеличением времени интегрирования. Представленная картина показывает, что полученное пространственное разрешение (около 0,3 см) существенно лучше по сравнению с возможностями метода (Bowen T. Acoustic imaging, 1982, p. 549-561) (около 5 см).

При необходимости получения информации о пространственном распределении интенсивности эмиссии с разных точек обзора используется схема, представленная на фиг. 2, с большим, чем 4, количеством приемных каналов. В этом случае обработка производится по описанному выше алгоритму, т.е. с использованием 4-х функций на входе корреляционного процессора. Однако в этом случае из общего количества приемных каналов 1 образуется несколько различных их сочетаний по 4. Это количество задается известным выражением числа сочетаний по 4 из n+4 элементов C4(4+n)

. Как показано на фиг.2, все выходы приемных каналов, сгруппированные по четыре всеми возможными способами, подключаются к входам корреляционных процессоров 6, количество которых равно числу сочетаний каналов p+1. В результате корреляционной обработки на выходах всех процессоров 6 образуется C4(4+n) различных изображений, отличающихся тем, что они образованы с помощью групп преобразователей, которые по разному расположены относительно исследуемой области, например с разных сторон.

Таким образом, полученные изображения являются изображениями объекта с разных точек обзора. По желанию оператора, путем задания на блоке управления, возможно последовательное выведение изображений на регистрирующее устройство, либо с помощью синтезатора 12 компоновка из них одного общего, включающего в себя информацию, содержащуюся во всех изображениях. В простейшем случае синтезатор изображения может быть выполнен на основе перемножителя, работа которого заключается в простом перемножении частичных значений интенсивности эмиссии в каждой точке, т.е. в соответствии с формулой:

Работа устройства, показанного на фиг.3, отличается от работы устройства на фиг. 2 тем, что сигналы от различных групп приемных каналов 1 обрабатываются не одновременно, а последовательно путем подключения с помощью коммутатора 14 разных групп (по 4 штуки) приемных каналов к входам корреляционного процессора 6. Более детально работа этого варианта происходит следующим образом. После заполнения блоков 5 памяти информацией первые 4 канала с помощью коммутатора 14 подключаются к корреляционному процессору 6, на выходе которого возникает изображение T(x, y, z), которое отображается на регистрирующем устройстве 9. После этого с помощью коммутатора 14 к корреляционному процессору 6 подключается другая группа приемных каналов (по выбору оператора). В результате на выходе образуется другое изображение. Таким образом, происходит последовательный просмотр полученных с разных точек обзора изображений.

Вариант устройства, показанный на фиг.4, работает аналогично предыдущему, но в отличие от последнего позволяет получить комбинированное (синтезированное) изображение, как в устройстве, представленном на фиг.2. С учетом того, что изображения от сигналов, поступающих с разных групп приемных каналов 1, образуются последовательно во времени, в синтезаторе 15 предусмотрена память, в которой накапливаются все изображения, чтобы из них можно было создать общее, подобно тому как это делается в синтезаторе 12 варианта фиг. 2. Работа устройства в данном случае происходит следующим образом. После заполнения информацией блоков 5 памяти начинается обработка сигналов, состоящая в последовательной корреляционной обработке всех групп сигналов (по 4) с запоминанием изображений в памяти синтезатора 15. После введения в память синтезатора 15 всех изображений производится их синтез в одно изображение, которое и выводится на выходное устройство дисплей 13.

Использование: для отображения пространственного распределения температуры исследуемой области различных объектов и применяется, например, в медицинской диагностике, в промышленности для контроля температуры внутри массивных деталей и т.д., а также для дефектоскопии различных материалов. Сущность изобретения: устройство содержит m приемных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя сигналов, усилителя, аналого-цифрового преобразователя и блока памяти, корреляционный процессор с m входами, состоящий из последовательно соединенных перемножителя и интегратора и связанный с выходами приемных каналов, регистрирующее устройство, соединенное с выходом корреляционного процессора, блок управления и блок вычисления задержек сигналов. Блок управления запуском аналого-цифровых преобразователей и задает координаты точек исследуемой области объекта в блок вычисления задержек сигналов и в регистрирующее устройство. Блок вычисления задержек сигналов подает рассчитанные сигналы на управляющие входы блоков памяти приемных каналов. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство отображения пространственного распределения источников эмиссии некогерентного излучения, включающее m приемных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя сигналов, усилителя, аналого-цифрового преобразователя и блока памяти, выход которого является выходом данного приемного канала, корреляционный процессор, блок управления и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что в него введен блок вычисления задержек сигналов с одним входом и m выходами, каждый из которых соединен с управляющим входом блока памяти соответствующего канала, корреляционный процессор содержит перемножитель сигналов с m входами, являющимися входами процессора, и интегратор, вход которого соединен с выходом перемножителя, а выход является выходом процессора, блок управления содержит m выходов запуска, каждый из которых соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя соответствующего приемного канала, и выход задания координат, соединенный с входом блока вычисления задержек и управляющим входом регистрирующего устройства, при этом выход каждого приемного канала связан с соответствующим входом корреляционного процессора, выход последнего соединен с информационным входом регистрирующего устройства, а число приемных каналов m 4. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введено n дополнительных приемных каналов, где n 1, 2, 3 и т.д. аналогичных вышеупомянутым приемным каналам, p = [(4+n)!/(4!/n!)]-1 дополнительных корреляционных процессоров, аналогичных указанному выше, регистрирующее устройство содержит синтезатор изображения с (p + 1) входами, являющихся информационными входами регистрирующего устройства, одним входом, служащим управляющим входом последнего, и двумя выходами, а также дисплей, один вход которого соединен с информационным, а другой с управляющим выходом синтезатора изображения, блок управления содержит n дополнительных выходов запуска, каждый из которых соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя соответствующего дополнительного приемного канала, блок вычисления задержек содержит n дополнительных выходов, каждый из которых соединен с управляющим входом блока памяти соответствующего дополнительного приемного канала, каждый корреляционный процессор связан своими входами с выходами четырех соответствующих приемных каналов, а выход каждого корреляционного процессора соединен с соответствующим входом регистрирующего устройства. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введено n дополнительных приемных каналов, где n 1, 2, 3 и т.д. аналогичных вышеупомянутым приемным каналам, и коммутатор с (4 + n) информационными входами, одним управляющим входом и четырьмя выходами, связывающий выходы приемных каналов с входами корреляционного процессора, блок управления содержит n дополнительных выходов запуска, каждый из которых соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя соответствующего дополнительного приемного канала, и выход управления коммутатором, соединенный с управляющим входом коммутатора, блок вычисления задержек содержит n дополнительных выходов, каждый из которых соединен с управляющим входом блока памяти соответствующего дополнительного приемного канала. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что регистрирующее устройство содержит синтезатор изображения с памятью, имеющий два выхода, один из которых является информационным, а другой управляющим входом регистрирующего устройства, и два выхода, а также дисплей, один выход которого соединен с информационным, а другой с управляющим выходами синтезатора изображения.