ВВЕДЕНИЕ 4
1 Звуковидение в однородных фоновых средах 6
1.1. Звуковидение в воздухе 6
1.1.1. Эхолокация у животных 6
1.1.2. Ультразвуковая локация у летучих мышей 6
1.1.3. Звуковая локация для машинного видения 7
1.2. Звуковидение в воде 8
1.2.1. Звуковидение у морских животных 8
1.2.2. Подводные сонары для обнаружения подводных лодок 9
1.2.3. Сонар бокового обзора для визуализации дна 10
1.2.4. Ультразвуковая дефектоскопия через воду 11
1.3. Основные проблемы и задачи современного звуковидения 12
1.4. Постановка задачи 12
2 Звуковидение в воде на основе технологии синтеза апертуры 14
2.1. Схема измерений 14
2.2. Решение прямой задачи сверхширокополосного звуковидения 14
2.3. Решение обратной задачи сверхширокополосного моностатического
звуковидения 15
3 Экспериментальные исследования 19
3.1. Экспериментальная установка 19
3.1.1. Двухкоординатный сканер 19
3.1.2. Блок управления на основе микроконтроллера STM32F407 20
3.1.3. Лабораторная установка для звуковидения в воде 25
3.2. Эксперименты по визуализации объектов 27
3.2.1. Визуализация печатной платы с напоенными элементами 27
3.2.2. Визуализация стального цилиндра 29
3.2.3. Визуализация объектов за преградой 30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Звуковидение в воде начало развиваться в начале ХХ века. Интенсивное развитие эхолокации и звуковидения началось в период 2-й мировой войны в связи с необходимостью борьбы с подводными лодками. Аналогичные подходы оказались эффективны для дефектоскопии звукопроводящих конструкций. Как правило, используются контактные способы зондирования при ультразвуковом обследовании, однако если форма объекта криволинейна не всегда можно обеспечить плотный контакт датчика. Для проникновения акустической волны в исследуемый объект необходимо наличие согласующих сред, или иммерсионных сред, обеспечивающих согласование датчика и материала исследуемого объекта. В ряде случаев удобно использовать в качестве иммерсионной среды воду (в силу её доступности и относительно малой химической активности) или другую жидкость. Вода обеспечивает согласование датчика с большинством плотных объектов. Данный подход широко применяется в промышленности для дефектоскопии, в медицине для диагностики и контроля хирургических вмешательств. Кроме того, задача звуковидения в воде имеет самостоятельные значения в целях обнаружения скрытых объектов в жидкости. Одними из наиболее часто применяемых сигналов для зондирования сред является сигналы с линейной частотной модуляцией. Для создания зондирующих сигналов могут использоваться аналоговые генераторы. Для обеспечения синхронных измерений используются смесители на один вход которых подаётся приёмный сигнал а на второй вход сигнал от генератора, что позволяет измерять косинусную квадратуру сигнала.
Поскольку ультразвуковые частоты достаточно низки, возможна прямая оцифровка приёмного сигнала. Более универсальным способом формирования сигналов является использование цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). За счёт использования собственного ЦАП возможно обеспечение его синхронизации по времени с АЦП. Следовательно достаточно применять один канал АЦП для оцифровки приёмного сигнала. Синхронизация по времени осуществляется автоматически. Применение ЦАП позволяет произвольно управлять зондирующим сигналом, однако быстродействующие ЦАП дорогостоящие. В то время как двоичные выходы недорогих микроконтроллеров имеют большее быстродействие, чем ЦАП, но они не позволяют генерировать сигналы произвольной формы.
В работе рассматривается локационная схема ультразвукового зондирования в воде в диапазоне частот от 100 до 200 кГц. Локационная моностатическая многопозиционная схема зондирования требует применения сверхширокополосных сигналов для разрешения по глубине. В данном случае нецелесообразно использование стороннего монохроматического генератора, а применять сторонний сверхширокополосный генератор технически затруднительно. В связи с этим было решено использовать бинарный выход микроконтроллера как генератор сверхширокополосного зондирующего сигнала.
Целью данной работы является разработка метода ультразвуковой дефектоскопии объектов в воде на основе технологии сонара с синтезированной апертурой в широкой полосе частот.
Звуковая локация — определение местонахождения объекта посредством анализа звука, отраженного от объекта или испускаемого этим объектом. На звуковой локации основана гидролокация. Способностью к звуковой локации обладают многие животные.
Проведённые исследования литературных источников представлены в первой главе.
В результате работы получены следующие результаты:
• Разработан прецизионный двухкоординатный сканер (1 мм).
• Разработан контроллер для управления сканером и ультразвуковым локатором.
• Собрана экспериментальная установка для зондирования в воде, которая позволяет обрабатывать изображение в полосе частот.
• Проведены эксперименты и показана возможность визуализации объектов в воде.
• Показана возможность визуализации объектов за преградой.
По материалам данной работы была написана статья. Также на основе полученных результатов разрабатывается технология для обеспечения связи и коммуникации в мировой океане. Данная разработка поддерживается Фондом Содействия Инноваций по программе «УМНИК».
