Способ ультразвуковой томографии Российский патент 2017 года по МПК G01N29/06 

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.

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_зон(t), каждым ПП АР независимо принимают из ОК отраженные УЗ эхо-сигналы, фиксируют принятые реализации УЗ эхо-сигналов U_эхо1(t)…U_эхоN(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.

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_зон(t), независимо каждым пьезопреобразователем антенной решетки принимают из объекта контроля УЗ эхо-сигналы U_эхо1(t)…U_эхоN(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^k пьезопреобразователей, где k=2, 3, 4…, а процесс контроля осуществляют за k этапов, на первом этапе контроля N входящих в состав антенной решетки пьезопреобразователей ПП₁-ПП_N, функционально, по назначению разделяют на две равные половины, причем первые N/2 пьезопреобразователей с ПП₁ по ПП_N/2 используют в качестве излучающих ПП и на каждый из них одновременно и независимо подают Сплит-сигналы CC₁…CC_N/2, а вторые N/2 пьезопреобразователей с ПП_N/2+1 по ПП_N 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 ПП₁-ПП_N/4 и ПП_N/2+1 по ПП_3N/4 используют в качестве излучающих ПП, на каждый из них одновременно и независимо подают Сплит-сигналы СС₁…CC_N/2, а пьезопреобразователи с ПП_N/4+1 по ПП_N и с ПП_3N/4+1 по ПП_N используют в качестве приемных ПП, сигналы с которых фиксируются, процесс повторяют k раз, пьезопреобразователь ПП₁ используют в качестве излучающего, а пьезопреобразователь ПП_N 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.

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 CC₁…CC_N/2, 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.

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 ПП₁…ПП₄ 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 ПП₅, …ПП₈, с электрических выходов которых снимаются электрические копии акустических эхо-сигналов U₅(t), …, U₈(t). Каждый из эхо-сигналов на выходах, соответствующих ПП₅, …, ПП₈, представляет собой сумму 2^k-1=4 частных эхо-сигналов: на выходе пьезопреобразователя ПП₅ сформируется эхо-сигнал U₅(t), который приставляет собой сумму частных эхо-сигналов , на выходе пьезопреобразователя ПП₆ сформируется эхо-сигнал U₆(t), который приставляет собой сумму частных эхо-сигналов на выходе пьезопреобразователя ПП₈ сформируется эхо-сигнал U₈(t), который приставляет собой сумму частных эхо-сигналов . Далее в процессе оптимальной фильтрации частные эхо-сигналы отфильтровываются один от другого и регистрируются соответствующие пьезопреобразователю ПП₅ 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 ПП₆ 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 N²/4=16 принятых независимых реализации частных эхо-сигналов соответственно в 16-ти независимых акустических каналах, образованных парными комбинациями пьезопреобразователей ПП₁-ПП₅, ПП₁-ПП₆, ПП₁-ПП₇, ПП₁-ПП₈, ПП₂-ПП₅, ПП₂-ПП₆, ПП₂-ПП₇, ПП₂-ПП₈, …, ПП₄-ПП₈ (см. фиг. 1а)

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 ПП₁ подается Сплит-сигнал СС₁, на ПП₂ подается Сплит-сигнал СС₂, на ПП₅ подается Сплит-сигнал СС₃, на ПП₆ подается Сплит-сигнал СС₄), а ПП второй и четвертой подгрупп (ПП₃, ПП₄ и ПП₇, ПП₈) - 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 N²/8=8 независимых частных реализации УЗ эхо-сигналов.

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 (ПП₁, ПП₃, ПП₅ и ПП₇) используются как излучающие, ПП второй, четвертой, шестой и восьмой подгрупп (ПП₂, ПП₄, ПП₆ и ПП₈) - как приемные (см. фиг. 1в). На этом этапе аналогичным образом окажутся дополнительно зафиксированными еще N²/16=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.

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 (ПП2₁…ПП2_N), N цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 3 (ЦАП3₁…ЦАП3_N) и N аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 4 (АЦП4₁…АЦП4_N), 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.

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 CC₁…СС₄. В этот момент пьезопреобразователи 2.5, …2.8 АР 1 начинают принимать УЗ колебания из ОК 23. Эти колебания, преобразованные в электрические колебания соответственно U¹_5-1(t), …, U¹_8-1(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_г 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 U¹_5-1(t), …, U¹_8-5(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 U¹₅(t), …, U¹₈(t), каждый из которых представляет собой комбинацию частных эхо-сигналов по следующему алгоритму: U¹₅(t)=U¹_5-1(t)+…+U¹_5-5(t), …, U¹₈(t)=U¹_8-1(t)+…+U¹_8-5(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.

Использование: для ультразвуковой томографии. Сущность изобретения заключается в том, что используют антенную решетку, состоящую из N=2^k преобразователей, в качестве зондирующих используют набор из N/2 Сплит-сигналов, функционально преобразователи антенной решетки разделяют на две равные половины, независимо и одновременно подают на используемые в качестве излучающих первые N/2 элементов антенной решетки N/2 Сплит-сигналов, а вторые N/2 элементов антенной решетки используют в качестве приемных преобразователей, принимают из объекта контроля ультразвуковые эхо-сигналы, фиксируют реализации ультразвуковых эхо-сигналов, далее каждую половину набора преобразователей повторно делят пополам, первые половины наборов преобразователей используют в качестве излучающих, а вторые - в качестве приемных преобразователей, независимо и одновременно излучают Сплит-сигналы и фиксируют эхо-сигналы, этот процесс повторяют до тех пор, пока в каждой половине не останется по одному преобразователю, далее все зафиксированные эхо-сигналы оптимально фильтруют, а оптимально отфильтрованные сигналы используют для поточечного построения изображения внутренней структуры контролируемого объекта. Технический результат: уменьшение количества этапов излучения зондирующего сигнала, необходимых для построения C-скана. 3 ил.

Способ ультразвуковой томографии, заключающийся 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_зон(t), независимо каждым пьезопреобразователем антенной решетки принимают из объекта контроля УЗ эхо-сигналы U_эхо1(t)…U_эхоN(t), фиксируют принятые УЗ эхо-сигналы и осуществляют поточечное построение изображения внутренней структуры объекта контроля, отличающийся тем, что 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^k пьезопреобразователей, где k=2, 3, 4…, а процесс контроля осуществляют за k этапов, на первом этапе контроля N входящих в состав антенной решетки пьезопреобразователей ПП₁-ПП_N, функционально, по назначению разделяют на две равные половины, причем первые N/2 пьезопреобразователи с ПП₁ по ПП_N/2 используют в качестве излучающих ПП и на каждый из них одновременно и независимо подают Сплит-сигналы CC₁…CC_N/2, а вторые N/2 пьезопреобразователей с ПП_N/2+1 по ПП_N 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 ПП₁-ПП_N/4 и ПП_N/2+1 по ПП_3N/4 используют в качестве излучающих ПП, на каждый из них одновременно и независимо подают Сплит-сигналы CC₁…CC_N/2, а пьезопреобразователи с ПП_N/4+1 по ПП_N и с ПП_3N/4+1 по ПП_N используют в качестве приемных ПП, сигналы с которых фиксируются, процесс повторяют k раз, пьезопреобразователь ПП₁ используют в качестве излучающего, а пьезопреобразователь ПП_N используют в качестве приемного, причем, прежде чем осуществлять поточечное построение изображения внутренней структуры ОК, все зафиксированные эхо-сигналы оптимально фильтруют.