СПОСОБ ГОЛОГРАФИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2000 года по МПК G03H3/00 

Изобретение относится к области акустической голографии и может быть использовано в дефектоскопии, реконструктивной томографии в медицине, в системах звуковидения.

Известны устройства формирования голографического изображения, включающие прием объектной волны акустического спектра и регистрацию фазовой голограммы (см., например, Метерель А.Ф. Сравнительная важность фазы и амплитуды в акустической голографии. Сборник статей "Акустическая голография". Л.: Судостроение, 1975, с. 77 - 92). Наиболее полно проанализированы устройства голографирования объектов в книге Е. И. Качанов и др. Методы и средства гидроакустической голографии. Л.: Судостроение, 1989, с. 66 - 70). Эти методы основаны на получении фазовой голограммы с применением антенной решетки из акустических приемников, либо при механическом или при электронном сканировании, позволяющем регистрировать поле от объектов по всей площади приемной апертуры. Однако сложность и высокая стоимость таких многоканальных устройств регистрации ограничивает возможности их практической реализации. Антенная решетка из нескольких приемников при формировании голографического изображения требует включения в обработке большое количество усилителей, аналого-цифровых преобразователей и других согласующих узлов.

Из известных методов формирования голографического изображения к наиболее близким по технической сущности можно отнести способ, заключающийся в приеме сигналов по крайней мере двумя парами разнесенных приемников, вычислении взаимных спектров, компенсации квазигармонических составляющих, обратном преобразовании Фурье от взаимных спектров, определении временных задержек максимумов корреляционных функций с определением местоположения нескольких источников, обладающих квазигармоническими компонентами шумоизлучения в виде звукоряда, производят выделение звукоряда по модулю взаимных спектров и поочередную компенсацию всех выделенных звукорядов (Е.И. Качанов и др. Методы и средства гидроакустической голографии. Л.: Судостроение, 1989, с. 178).

Однако известный способ голографирования объектов не обладает высокой четкостью, а устройство его реализации на существующей цифровой элементной базе сложно. Невысокая четкость обусловлена разложением сигнала с применением преобразования Фурье, которая оценивается интегралом Фурье периодической последовательности импульсов длительности τ, амплитуды A на периоде дискретизации T, обратно пропорционально ширине полосы ω_o разрешающей способности

где а_n - коэффициент ряда Фурье;
ω_o = 2π/T.
Сложность устройства прототипа заключается в компенсации квазигармонических составляющих в виде звукоряда при выделении звукорядов по модулю взаимных спектров и их поочередной компенсацией, а также невозможности полной компенсации вследствие наличия боковых лепестков спектрального разложения на других частотах.

Целью настоящего изобретения является разработка простого устройства, реализующего способ голографирования объектов одновременно обладающего высокой четкостью, а также широкими возможностями вариаций изменения пространственной частотной области фильтрации.

Поставленная цель обеспечивается тем, что поступающий с дипольной антенны сигнал скалярно перемножают с m-последовательностью, порожденной неприводимым примитивным полиномом над полем Галуа GF(2), с помощью кодирующего коммутатора и прямого быстрого преобразования Уолша, полученную голограмму подвергают обратному быстрому преобразованию Уолша и по окончании цикла формируют на декодирующем коммутаторе изображение исследуемого объекта. При этом изменение пространственной частотной области фильтрации определяется в виде m-последовательности, порожденной неприводимыми примитивными полиномами над полем Галуа GF(2) степени m.

Устройство, реализующее предложенный способ включает в себя пару акустических приемников, выходы которых подключены через кодирующие коммутаторы к оперативному запоминающему устройству, к которому подключен блок прямого быстрого преобразования Уолша, формирующего голограмму объекта, выходы которого подключены через блок обратного преобразования Уолша к декодирующему коммутатору изображения объекта.

Введенные признаки отсутствуют у прототипа и аналогов, что подтверждает новизну и существенность отличий заявляемого изобретения. Эти же признаки обеспечивают получение положительного эффекта. Последнее обосновывается при последующем описании способа.

Такая процедура голографирования объектов с применением преобразования Уолша позволяет повысить четкость его на величину, пропорциональную боковому лепестку интеграла Фурье. Это обеспечивается ортогональностью преобразования и отсутствием бокового лепестка спектрального разложения входного сигнала по функциям Уолша.

Упрощение процесса фильтрации обеспечивается заменой процедуры сравнения на операцию скалярного умножения на ±1, которая существенно увеличивает быстродействие согласно алгоритмам быстрого преобразования Уолша и упрощает процесс формирования голографического изображения на существующей элементной базе в реальном масштабе времени.

Предлагаемое устройство голографирования объектов может быть пояснено реализующей его блок-схемой, приведенной на чертеже, где приняты следующие обозначения:
1 - антенная решетка из двух акустических приемников с приемно-усилительными каскадами,
2 - умножитель,
3 - аналого-цифровой преобразователь,
4 - кодирующий коммутатор,
5 - оперативное запоминающее устройство,
6 - блок прямого быстрого преобразования Уолша,
7 - блок обратного быстрого преобразования Уолша,
8 - декодирующий коммутатор.

Согласно предлагаемому устройству излучаемый протяженным объектом акустический сигнал принимается антенной решеткой из двух приемников 1, превращается в цифровой сигнал X в аналого-цифровом преобразователе 2, перемножается с местно-генерируемой m-последовательностью G(N), порожденной неприводимым примитивным полиномом степени m над полем Галуа GF (2) и через кодирующий коммутатор 4 поступает в оперативное запоминающее устройство 5 в виде вектора KX.

Полученный вектор подвергается преобразованию (1) вида
Z=K^-1GX (1),
имеющий размерность 2^m, который и определяет голограмму объекта.

Преобразование 1 осуществляется с помощью оператора, формирующего всевозможные отклики рекуррентного регистра сдвига с обратной связью, порожденной неприводимым примитивным полиномом над полем Галуа GF (2), например, для полинома X³⊕X⊕1 преобразование G(N) будет:

Цикл голографирования задается временем генерирования строк данного оператора.

Вследствие коммутативности преобразования Галуа G и преобразования Адамара A, например, для полинома X³⊕X⊕1:
K^-1G=AK, (3)
где


Преобразование (1) можно свести к виду:
Z=AKX (6)
Полученный таким образом сигнал представляет собой дискретное преобразование Адамара по спектральным функциям Уолша, которое может быть вычислено с помощью устройства для вычисления коэффициентов быстрого преобразования Уолша, выполненного, например, по авторскому свидетельству N 744555, G O6 F 7/38, опубликованному в бюллетене изобретений 1980 г. N 24.

Решение уравнения (6) сводится к получению изображения объекта по голограмме в блоке 7:
X=2ⁿ•AK^-1, (7)
вследствие свойств матриц Адамара:
A^-1=2ⁿA (8)
восстановление голограммы изображения осуществляется в декодирующем коммутаторе 8 после окончания цикла сканирования.

При смешении нескольких пространственно разнесенных по фазам и амплитудам сигналов наблюдалась пространственная форма сигнала на частотах функции Уолша в виде величины сжатия N=2^m при нулевых боковых лепестках на всех остальных функциях Уолша. С помощью быстрого преобразования Уолша четко восстанавливается исходный сигнал. Никакого взаимного влияния от разложения сигнала по функциям Уолша не наблюдалось.

Таким образом предложенный способ голографирования объектов и устройство для его реализации по сравнению с известными обеспечивает простыми средствами выигрыш по четкости и точности восстановления сигнала, исключает мешающие эффекты, связанные с боковыми лепестками при разложении сигнала по узкополосным фильтрам и может быть рекомендован при построении систем звуковидения, а также в устройствах дефектоскопии и реконструктивной томографии.

Устранение указанных недостатков осуществляется полной ортогональностью быстрых преобразований Уолша, имеющих нулевой боковой лепесток в разложении по функциям Уолша, а также простотой его реализации, оцениваемой величиной log₂N, где N пропорциональна длине реализации цикла голографирования объектов.

Автором смоделирован процесс получения голографического изображения на персональном компьютере IBM-PC, AT на тестовой плате TMS-320. Изготовлен макет. Экспериментальная проверка проводится в лабораторных условиях. Использование заявляемого устройства по прямому назначению предполагается в 1995 г.

Изобретение относится к области акустической голографии и может быть использовано в дефектоскопии, реконструктивной томографии в медицине, в системах звуковидения. Сигналы с дипольной антенны перемножают друг с другом, дискретизируют, скалярно перемножают с m-последовательностью, порожденной неприводимым примитивным полиномом над полем Галуа GF(2), с помощью кодирующего коммутатора и прямого быстрого преобразования Уолша, полученную голограмму подвергают обратному преобразованию Уолша и по окончании цикла формируют на декодирующем коммутаторе изображение исследуемого объекта. Это достигается тем, что выходы пар акустических приемников подключены через умножитель, аналого-цифровой преобразователь, кодирующие коммутаторы к оперативному запоминающему устройству через блок прямого быстрого преобразования Уолша, формирующего голограмму объекта, выходы которого подключены через блок быстрого обратного преобразования Уолша к декодирующему коммутатору изображения объекта. Технический результат - повышение четкости голографирования объекта. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ голографирования объектов, включающий в себя прием широкополосного сигнала с помощью антенной решетки, выделение из принятого сигнала с помощью фильтрации совокупности узкополосных сигналов, формирование голограмм для каждого узкополосного сигнала, восстановление изображений, отличающийся тем, что поступающие с дипольной антенны сигналы перемножают друг с другом, дискретизируют и скалярно перемножают с m-последовательностью, порожденной неприводимым примитивным полиномом над полем Галуа GF(2) с помощью кодирующего коммутатора и прямого быстрого преобразования Уолша, полученную голограмму подвергают обратному преобразованию Уолша и по окончании цикла формируют на декодирующем коммутаторе изображение исследуемого объекта. 2. Устройство, реализующее способ голографирования объектов, содержащее антенную решетку из двух акустических приемников с приемно-усилительными каскадами, умножитель, аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что в него введены кодирующий и декодирующие коммутаторы, оперативное запоминающее устройство и блоки быстрого прямого и обратного преобразования Уолша, причем выходы пары акустических приемников подключены через умножитель, аналого-цифровой преобразователь, кодирующий коммутатор к оперативному запоминающему устройству через блок прямого быстрого преобразования Уолша, формирующего голограмму объекта, выходы которого подключены через блок быстрого обратного преобразования Уолша, к декодирующему коммутатору изображения объекта.