ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНі ДОСЛіДЖЕННЯ ФАЗОВОГО МЕТОДУ УЛЬТРАЗВУКОВОГО НЕРУЙНіВНОГО КОНТРОЛЮ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Информационно-управляющие системы

-□ □-

Розглянуто питання обробки сигна-л1в ультразвукового неруйтвного контролю. Показано, що застосування ста-тистичних метод1в обробки фазових характеристик сигнал1в дозволяв тдви-щити в1рог1дн1сть контролю нових кон-струкцшних матер1ал1в з1 значним зага-санням ультразвукових коливань

Ключовг слова: ультразвуковий неруйтвний контроль, статистична обробка, фазов1 характеристики сигна-л1в, обв1дна сигналу, виб1ркова результу-

юча довжина □-□

Рассмотрены вопросы обработки сигналов ультразвукового неразрушающе-го контроля. Показано, что применение статистических методов обработки фазовых характеристик сигналов позволяет повысить достоверность контроля новых конструкционных материалов со значительным затуханием ультразвуковых колебаний

Ключевые слова: ультразвуковой неразрушающий контроль, статистическая обработка, фазовые характеристики сигналов, огибающая сигнала,

выборочная результирующая длина -□ □-

УДК 519.24

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ФАЗОВОГО МЕТОДУ УЛЬТРАЗВУКОВОГО НЕРУЙН1ВНОГО КОНТРОЛЮ

I. М . Бистра

Астрант*

Контактний тел.: 063-300-29-89 E-mail: [email protected] Ю.В. Куц

Доктор техычних наук, професор, завщувач кафедри* Контактний тел.: 044-408-58-55 E-mail: [email protected] Ю.А. О л i й н и к Астрант*

Контактний тел.: 066-138-32-67 E-mail: [email protected] *Кафедра шформацтно-вимлрювальних систем Нацюнальний авiацiйний уыверситет пр. Космонавта Комарова, 1, м. КиТв, УкраТна, 03680

1. Вступ

Методи i засоби ультразвукового неруйшвного контролю (УНК) постшно вдосконалюються, тдви-щуеться 1х продуктившсть, iнформативнiсть та вiро-гiднiсть. В першу чергу це пов'язано з дослвдженням нових конструкцшних матерiалiв, зокрема композипв

[1]. Поширення ультразвукових хвиль в таких матерь алах пов'язана з особливостями 1х структури, значною неоднорiднiстю i анiзотропieю, значним загасанням, що обумовлюе високий рiвень шумiв, отже, необхiднiсть аналiзу сигналiв УНК з пониженим ввдношенням сигнал/шум. За таких умов процес визначення шформацш-них параметрiв сигналiв УНК значно ускладнюеться i потребуе застосування спещальних методiв обробки.

В УНК використовуються методи обробки сигналiв як базуються на аналiзi 1х амплиудних характеристик

[2], такi методи застосовуються у випадку, коли вiдно-шення сигнал/шум значно перевищуе одиницю. В роботах [3, 4, 5] доведена можлившть застосування фазових характеристик сигналiв в сукупносп з 1х статистичною обробкою для розв'язку задачi виявлення сигналiв на фонi шумiв спiвставних за рiвнем з сигналом. Ефектив-шсть тако1 обробки була пiдтверджена результатами моделювання, як наведенi в роботах [6, 7, 8, 9].

Використання статистичних методiв обробки фазових характеристик сигналiв, дозволяе виршувати задачу виявлення сигналiв УНК навiть при стввщно-шеннi сигнал/шум одиниця i менше.

Метою стати е експериментальне дослщження ефективностi використання статистично! обробки фазових характеристик сигналiв для розв'язку задачi виявлення корисно! складово! сигналiв УНК на фонi значних шумiв (при вiдношеннi сигнал/шум близько-му до одиницi).

2. Постановка задачi

Виконуеться дослiдження стандартного зразку СО-А2 [10] з товщиною 56 мм i часом поширення ультразвукового сигналу ТЗ =18,9 мс.

Зондуючий сигнал являе собою рад^мпульс виду:

uз(t) = Щфт(2яЛ) , t е [0, ТА], (1)

де и(Ц - обвщна сигналу;f - частота несучого сигна-лу;t - поточний час;ТА - тривалкть радiоiмпульсу, Та > f-.

Аналiзу пiдлягае сигнал УНК, який являе собою адитивну сумш корисного сигналу у виглядi перю-дично1 (перiод повтору ТП = 2ТЗ) послiдовностi вщби-тих (донних) радiоiмпульсiв i реалiзащi гауссiвського шуму виду

ид« = ¿к^ ■ Из ^ - т - (1 - 1)ТП) + ад , (2)

© IJ4 Бистра, Ю.В. Куц, ЮА О,линии, 2013

де кЕАТ1 - коефщенти електроакустичного тракту для 1 -того донного iмпульсу, 1 = 1,к , т - затримка першого донного iмпульсу вiдносно зондуючого, - гауавсь-кий шум.

Використання задачi ультразвуково! товщино-метрii для експериментально! ощнки ефективностi методiв виявлення сигналiв уявляеться доцiльним, оскiльки, по-перше, дозволяе сформувати в одному ек-спериментi послщовшсть сигналiв з рiзним ввдношен-ням сигнал/шум, по-друге, досить легко реалiзуеться на практищ.

Сигнал (2) представлений вибiркою {иД^], j = 1^}, де N - обсяг вибiрки значення яко! отриманi в дис-кретнi моменти часу jTд , j = 1,[ТА/ТД], ТД - перiод дис-кретизацii.

Вщношення сигнал/шум визначаеться величиною итах ¡/ош , де - максимальне значення обвiдноi

1 -того донного сигналу, ош - середньоквадратичне значення шуму.

Необхщно експериментальним шляхом ощнити ефективнiсть фазового методу виявлення донних iм-пульсiв, методика якого Грунтуеться на статистичнiй обробщ фазових характеристик сигналiв [6-9].

3. Розв'язок поставлено! задачi

Виконаемо розв'язок задачi поетапно. Для кращого розумшня проведених експериментальних дослiджень спочатку стисло розглянемо щею запропонованого методу i методики обробки.

1. Сутнiсть обробки експери-ментальних даних для запропо-нованого фазового методу.

Метод обробки сигналiв УНК передбачае виконання дискретного перетворення Пльберта вибiрки uД[j] i отри мання и гiльберт-образа

в^очщ з координатами (0,0) i закшчуеться в точцi

C,S).

Модуль вектора г дорiвнюe

V—2 -2 C + S

(6)

Значення складових C i S визначаються за загаль-ними виразами виду:

_ 1 n i i N

C = — У ^фП], S =--У si^[J],

(7)

Статистика г приймае значення на iнтервалi (0,1].

В запропонованому методi виявлення донних iм-пульсiв статистика г визначаеться для рiзницi дискретно! фазово! характеристики сигналу (2) i дискрет-них значень фази гармошчного коливання з частотою f (в межах натвштервалу [0,2п) ) за формулою

— T

ДФМ = (ф[j] - (2п^|Тц))(mod2п), j = 1,N, N = TA, (8)

ТД

де a(mod2n) - операщя отримання лишку вiд дiлення числа a на 2п .

Для визначення статистики г застосовуеться вь конна обробка [11] множини Аф^] в ковзному режимi пiдчас руху прямокутного вжна з апертурою MW вщ-носно вибiрки сигналу. В кожному j -тому тактi ковзне вжно вiдбирае частину значень АфЩ на iнтервалi часу, кратному f-1. Вiдповiдне поточне значення статистики г визначаеться за виразом

г [ j,Mw ]=MfWA

J+0.5M.

У

V k= J-0.5MW

cos Аф[к],

J+0.5Mw

У sin Аф[к],

V к= J-0.5M.

J = 0.5MW, N - 0.5MW. (9)

u[j] = Hn^y]^

(3)

де НД - оператор дискретного перетворення Пльберта.

Дискретна обвщна сигналу uÄ[j] визначаеться за формулою

A [j] = V(u [J])2 + (U [J])2 .

(4)

Оцiнка дробово! частини дискретно! фазово! характеристики сигналу (тобто частини фазово! характеристики в межах штервалу [0,2п) ) вiдбуваеться за формулою

ф[J] = arctg^ + П {2 - sign(U[J])(1 + (sign(u[J]))}, u[J] 2

(5)

де sign(.) - знакова функщя.

Виявлення радiоiмпульсiв вiдбуваеться за статистикою г - вибiрковою результуючою довжиною [3,

4].

У загальному випадку представления результапв фазових вимiрювань - вибiрки фЩ, j = 13, де N - обсяг вибiрки, в декартовш системi координат точками кола одиничного радiусу [3], вектор г починаеться

Значення г[j,MW ] на iнтервалах часу де присутш радiосигнали (доннi сигнали) зб^ьшуються, а поза межами цих часових iнтервалiв зменшуються. Тому ознакою наявноси радiосигналу е перевищення статистикою г[j,MW ] певного порогу Пе(0, 1). Значення порогу виявлення сигналiв П вибираеться за задани-ми рiвнями похибок першого i другого роду.

Аналiз вiрогiдностi виявлення радiоiмпульсiв на фош шумiв було виконано в роботах [7, 8, 9] де обгрун-товано вибiр бета-розподiлу статистики г, виконано перевiрку гiпотези про закон розпод^у статистики г за критерiем Колмогорова та розглянуто методику ощнки похибок першого i другого роду.

2. Апаратурне забезпечення вимiрювального експе-рименту.

Для проведення експериментального дослщження було складено стенд, структурна схема якого наведена на рис. 1.

Коротко зупинимось на характеристиках складо-вих вимiрювального стенду.

Для формування сигналу використовувався генератор сигналiв задано! форми АНР-3122, виробництва компанii «Актаком», (Росшська Федерацiя). Вiн являе собою керований ПК пристрш з функцiею генерацп сигналiв з формами: синус, прямокутник, трикутник, дов^ьною формою сигналу. Основш параметри:

- смуга частот 0,02 Гц - 10 МГц;

- ЦАП 12 бгг;

2

2

+

- максимальна юльюсть точок на канал 128 К;

- максимальна частота оцифровки 80 МГц;

- максимальний рiвень вихщного сигналу 10 В для навантаження 50 Ом.

ПЗ

Г АНР-3123 USPC ЛОО

LA

ПК |

2Q

Рис. 1. Структурна схема вимiрювального стенду: Г — генератор сигналiв, ZQ — п'езоелектричний перетворювач, USPS — дефектоскоп, ПК — персональний комп'ютер, ПЗ — програмне забезпечення

Сигнал подавався на п'езоелектричний перетворювач сумщеного типу ZQ, з робочою частотою 5 МГц.

В якосП пристрою попередньо! обробки викори-стовувався одноканальний дефектоскоп USPC 3100 LA виробництва KOMnaHii «Socomate» (Франщя). BiH виконаний у вигляд1 PCI - плати для ПК. Плата зд1йс-нюе шдсилення, фьчьтращю та оцифровку сигналу, попередню цифрову обробку та збер1гання результату в пам'яП плати для подалыпо! передач! пакетами в ОЗУ ПК. Основш параметри дефектоскопу USPC 3100 LA:

- смуга частот приймача 0,35-30 МГц;

- динамiчний дiапазон амплиуди сингалу не пере-вищуе 105 дБ;

- АЦП з частотою дискретизацп 100 МГц i розряд-нiстю 10 би.

П'езоперетворювач ZQ встановлювався на дослщ-жуваний зразок СО-А2. Таю зразки використову-ються при контролi ультразвуковим дефектоскопом виробiв з металiв, що вiдрiзняються по акустичним характеристикам вщ маловуглецево! i низьколегова-Ho'i CTa.ni, для визначення таких характеристик i па-раметр1в прилад1в як умовна чутливкть, мертва зона, похибка глибином1ру, кут введения ультразвукового променя в контрольований зразок, ширина основно! пелюстки д1аграми напрямленост1, гранична чутливкть та iH.

3. Параметри, характеристики сигна.ив та режими вим1рювання.

В якосП зондуючого сигналу використовувався радiоiмпульсний сигнал виду (1), з наступними параметрами: обвщна сигналу U(t) подiбна до гаусiвськоi, максимальне амплиудне значення обвiдноi 5 В, частота f = 2,5 МГц, тривалкть радiоiмпульсу складае 5 перiодiв сигналу заповнення.

Дискретизацiя сигналiв в дефектоскопi виконува-лася з частотою f^ = 50 МГц, в результатi отримувалась вибiрка значень обсягом N = 15000 .

Середньоквадратичне значення шуму ош обчислю-валось для iнтервалiв вибiрки, що не мштили донних iмпульсiв i дорiвнювало ~ 0,0085 В. Значення Umaxi для перших п'яти ввдгуюв становить 0,94 В, 0,49 В, 0,27 В, 0,16 В та 0,1 В вщповщно.

4. Результати експериментальних дослщжень.

Отримаш в ходi експерименту данi представленi

на рис. 2 на якому зображено: а) графж отриманого

сигналу УНК; б) визначена за формулою (4) обвщною сигналу (2) (крива 1), загасання послвдовноси радю-iмпульсiв вiдбуваеться за експоненщальним законом (крива 2); в) фрагмент графжа рiзницi дискретно! фа-зово! характеристики сигналу УНК i дискретних значень фази гармошчного сигналу (8); г) графiк значень статистики г[j,MW] отриманих за формулою (9) для ковзного вжна з апертурою = 20 .

U,В

i i

.........— ....."Ч" .....-..........— i i

5000

10000

15000

а)

160 100 50 О

......................... У1 ........................

A., ^ y2

5000

10000

15000

б)

в)

0.5

! i 1

UiiJljU dJm i Lk itally i « IdhaIMJ

5000

10000

15000

г) _

Рис. 2. Графки представлен вибiрками j = , отриманими в дискреты моменти часу: а) сигнал, що дослщжуеться иД^] ; б) обвщна сигналу А[j]; в) фрагмент рiзницi дискретно! фазово! характеристики сигналу i фази гармонiчного сигналу ДфЩ ; г) вибiркова результуюча довжина отримана в ковзному режимi г [ j,MW ]

З рис. 2а, 2б визначено, що аналiзований сигнал яв-ляе собою послщовшсть донних радiоiмпульсiв в су-мiшi з гауссiвським шумом, якi загасають за експонен-

цiальним законом е т з постiйною часу т~ 63,54 мкс (з урахуванням ТД = 0,02 мкс).

Графж рiзницi дискретно! фазово! характеристики сигналу УНК i дискретних значень фази гармошчного

сигналу (рис. 2в) являе собою пилкоподiбну функщю, що хаотично змiнюеться з розподшом на iнтервалi [0,2п) близьюм до рiвномiрного. На iнтервалах, в межах яких донш iмпульси вiдсутнi, графiк набувае виду кривоï яка змiнюеться в iнтервалi значно меншому за iнтервал [0,2п).

Ствставний аналiз обвiдноï (рис. 2б) i статистики г [j,MW ] (рис. 2г) дозволяе зробити висновок про те, що запропонований i дослщжений метод фазовоï обробки сигналiв УНК е бiльш ефективним осюльки забезпечуе можливiсть виявлення бiльшоï кiлькостi донних iмпульсiв тобто можливкть ïx виявлення за пониженого вщношення сигнал/шум. Дiйсно, обвiдна донних iмпульсiв починаючи з i=5 практично не вирiз-няються на фонi шуму. Натомкть графiк статистики г [j,MW ] свiдчить про те, що в даному експеримент впевнено виявляються першi вiсiм донних iмпульсiв. Для восьмого iмпульсу вiдношення сигнал/шум ста-новить иша1,7ош « 1,8.

Додатковi дослiдження пiдтвердили, що гранич-не значення вiдношення сигнал/шум при яких збе-рiгаеться можлившть виявлення донних iмпульсiв залежить вщ ширини вiкна аналiзу, сшввщно-шення частоти сигналу i перiоду дискретизацп i може бути зменшене за рахунок !х рацiонального вибору.

4. Висновки

Дослвджено метод виявлення корисних сигналiв УНК на фонi значних адитивних завад, який полягае в опрацюванш фазових характеристик цих сигналiв i !х статистичноï обробки.

Виявлення сигналiв вiдбуваеться за однiею з кру-гових характеристик - результуючою довжиною вектора.

Остання отримуеться пiд час аналiзу обмеженоï в часi дшянки значень фазовоï характеристики сигналу у ковзному режимь

Експериментально пiдтверджено ефектившсть ста-тистичноï обробки фазових характеристик сигналiв УНК в задачах виявлення радiосигналiв на фонi знач-ного шуму. Розглянутий метод дозволяе виршувати задачу виявлення сигналiв в УНК на фош значних завад (для вщношення сигнал/шум рiвному одиницi i менше).

Розглянутий метод опрацювання сигналiв може бути використаним у прецизшних ультразвукових дефектоскопах i ультразвукових товщиномiраx. При виконанш контролю виробiв матерiалiв якi характеризуются значними загасанням сигналiв, неодно-рiднiстю та анiзотропiею, зокрема тд час контролю виробiв з композицшних матерiалiв.

Лiтература

1. Мехатка руйнування i мщност матер1а^1в [Текст]: довщн. поабник. Т.9: Мщтсть i довпжчтсть ав1ац1йних матер1а^1в та елементiв конструкцш / О.П. Осташ, В.М. Федiрко, В.М. Учанiн та iн.; тд заг. ред. В.В. Панасюка; Львiв: Вид-во «Спо-лом», 2007.-1068 с.

2. Сучаст методи та засоби ультразвукового контролю з використанням статистично! обробки сигнашв [Текст]: навч. по-абник / В.К. Качанов, О.В. Мозговий, О.1. Пiтолiн, та ш.; за ред. В.П. Бабака. - К.:1СДО, 1994. - 132 с.

3. Куц, Ю.В. Статистична фазометрiя [наукова монографiя]./ Ю.В. Куц, Л.М. Щербак. - Тернотль: Тернопiльський держав-ний технiчний унiверситет, 2009р. - 383 с.

4. Мардиа, К. Статистический анализ угловых наблюдений [Текст] / К. Мардиа. - М.: Гл. ред. физ.-мат. литературы изд-ва «Наука», 1979. -240 с. -110 с.

5. Патент Укра!ни на корисну модель № 35057. Споаб ультразвукового вимiрювання товщини виробiв / Ю.В. Куц, В.С. бременко, О.В. Монченко, 1.М. Латга. - Опубл. 26.08.2008, Бюл. №16, 2008.

6. Куц. Ю.В. Фазовый способ ультразвукового измерения толщины изделий [Текст] / Ю.В. Куц, С.А. Быстрый, И.Н. Лапига, О.В. Монченко // 19th National scientific symposium «Metrology and Metrology Assurance 2009», Sozopol, Bulgaria, September 10-14 2009. - Proceedings of the symposium. - Sozopol, Bulgaria, 2009. - р.192-197.

7. Близнюк, Е.Д. Анализ достоверности обнаружения сигналов ультразвукового неразрушающего контроля на основе использования метода статистической фазометрии [Текст] / Е.Д. Близнюк, В.С. Еременко, Ю.В. Куц, И.Н.Лапига, С.В. Шенгур // «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики»: Материалы Семнадцатой международной конференции, 5-9 октября 2009 г. - г. Ялта, 2009. - С. 73-76.

8. Близнюк, О.Д. Застосування методу статистично! фазометрп в ультразвуковому неруйтвному контролi [Текст] / О.Д. Близнюк, В.С. бременко, Ю.В. Куц, 1.М. Латга, С.В. Шенгур // «Неруйтвний контроль матер1ашв i конструкцш», Серiя: Фiзичнi методи та засоби контролю середовищ, матер1ашв та виробiв. Збiрник наукових праць НАНУ Фiзико-механiчний шститут iм. Г.В. Карпенка. Випуск 14. -2009. - С. 50-55.

9. Близнюк, Е.Д. Фазовый обнаружитель сигналов для ультразвукового неразрушающего контроля [Текст] / Е.Д. Близнюк, В.С. Еременко, Ю.В. Куц, И.Н. Быстрая, Е.В. Монченко, В.К. Цапенко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2011. - №2. С. 21-24.

10. ГОСТ 14782-86 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые [Текст]. - М.: ИПК Изд-во Стандартов, 2005. - 27 с.

11. Куц, Ю.В. Дослщження вшонно! обробки сигнашв в задачах фазометрп [Текст] / Ю.В. Куц, 1.М. Латга, О.В. Монченко / Пращ Луганського вщдшення Мiжнародно! Академп тформатизацп. - 2008. - № 1(16). - С. 62-65.

Abstract

The article concerns an experimental study of the efficiency of statistical processing of phase characteristics of signals to solve the problem of identification of the useful component of signals of ultrasonic nondestructive control against the background of considerable noises. The method consists in processing of the signal, received experimentally; in detection of its phase characteristics and their statistical treatment. Identification of information signals is caused by one of circular features, which is the resulting length of a vector, and which is obtained during the analysis of time-limited area of values of the phase characteristic of the signal in the sliding mode.

The data, obtained during the experiment, shows that on the time intervals, where information signals are present, the values of the resulting length of a vector increase, but outside these time intervals they reduce. Therefore, the sign of the radio signal is the excess of a certain vector P by the resulting length of a vector. The value of the level of detection of the P signals is chosen, according to given levels of errors of the first and second kind.

The considered method of signal processing can be used in precision ultrasonic flaw detectors and ultrasonic thickness meters while controlling products, which materials are characterized by significant signal extinction, heterogeneity and anisotropy.

It was shown that the use of statistical methods of processing of phase characteristics of signals allowed us to solve the problem of detection of signals of ultrasonic nondestructive control against the background of noises, comparable according to the level with a signal that increases the possibility of control of new structural materials, which are characterized by a significant exctintion of ultrasonic vibrations

Keywords: ultrasonic nondestructive control, statistical processing, phase characteristics of signals, envelope of a signal, selective resulting length

УДК 621.391

ПОВЫШЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СКРЫТНОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИСТЕМ С ХАОТИЧЕСКИМИ СИГНАЛАМИ

-□ □-

Розглядаються питання застосування хао-тичних сигналiв в сучасних конфиденцшних системах зв'язку. Запропоновано метод тд-вищення структурног скритностi сигнальних конструкций, що сформован на безлiчi взаем-но-ортогональних хаотичних послидовностей. Показано, як за допомогою кореляцшного прийо-му здтснюеться видшення тформацшного сигналу

Ключовi слова: хаотичний сигнал, ортого-

нальтсть, конфiденцiйний, сигнатура □-□

Рассматриваются вопросы применения хаотических сигналов в современных конфиденциальных системах связи. Предложен метод повышения структурной скрытности сигнальных конструкций, формируемых на множестве взаимно-ортогональных хаотических последовательностей. Показано, как с помощью корреляционного приема осуществляется выделение информационного сигнала

Ключевые слова: хаотический сигнал, ортогональность, конфиденциальный, сигнатура -□ □-

1. Введение

Большинство современных систем связи в качестве носителя информации использует в основном гармоническое колебание, с помощью которого реализуются различные виды модуляции. В таких системах защита информации от несанкционированного доступа чаще всего осуществляется на старших уровнях эталонной

В. В. Корчинский

Кандидат технических наук, доцент Кафедра информационной безопасности и

передачи данных Одесская национальная академия связи им. А. С. Попова ул. Кузнечная, 1, г. Одесса, Украина, 65029 Контактный тел.: 063-631-83-77

модели OSI. Внедрение явления динамического хаоса в область инфокоммуникационных технологий открывает новые перспективы не только по созданию эффективных систем криптокодирования, но и расширяет возможности по синтезу сигнальных конструкций, обеспечивающих потенциально высокую скрытность передачи на первом физического уровне модели OSI. Исследования, проведенные в [1, 2, 3], по-