Разработка и исследование звуковизора

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт радиотехнических систем и управления
Кафедра Теоретических основ радиотехники

УДК  ______________     
К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ
                                                                                                     Зав. кафедрой  
          к.т.н., доцент     Н.И. Мережин
  "     "          2017 г.
    
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ
(МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ)
МД-ЮФУ-210700-РТмо21-   -2017  
                                           (присвоенный номер ВКР)
на тему:  Разработка и исследование звуковизора	
на квалификацию (степень) «магистр» 
по направлению подготовки  210700 «11.04.01», профилю «Радиотехника»	    
                                                                             (номер и название)
Руководитель ВКР: доцент каф. ТОР, канд. техн. наук, доцент
                                                                 (должность, ученая степень и звание)
						Мерёжин Николай Иванович		       
                                                            (подпись, фамилия, имя, отчество)
Консультанты:
  1.  по экономике – ассистент каф. экономики                                Павлов А. Ю. 
  2. по безопасн. и эколог. – доцент каф. ТБЭХ, к.т.н.                 Толмачёва Л. В.
3.  по нормоконтролю – доцент каф. ТОР, к.т.н., доц.                      Рыжов Ю.В.                                                          (должность, ученая степень и звание, подпись, фамилия, ИО)
         
Исполнитель ВКР:  студент группы  РТмо2-1      Саакян Андрей Андреевич
                                                                            (группа, подпись, фамилия, имя, отчество)
     
   "     " _____ 2017 г.
Таганрог  2017 г.
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт радиотехнических систем и управления
Кафедра  Теоретических основ радиотехники

УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой ТОР
к.т.н., доцент			Н.И. Мережин 
«    »                    2017 г.

З А Д А Н И Е
на выполнение выпускной квалификационной работы

по специальности 210700 «Радиотехника»

студенту группы РТмо2-1
Саакян Андрею Андреевичу

1 Тема выпускной квалификационной работы: 
«РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЗВУКОВИЗОРА».
(утверждена приказом ЮФУ № ________ от _______ 201__ г.)

2 Срок сдачи студентом законченной работы:   01 июня 2017 г. 

3 Исходные данные:
Разрабатываемое устройство предназначено для определения расстояния до исследуемого объекта, формирования акустического изображения и его преобразования в оптическое изображение. 
Среда для выполнения математических и технических расчётов –  «MathCAD».
  Параметры устройства: 
3.1.1 рабочая частота, [кГц]: 40; 
3.1.2 ширина сектора обзора [град]: 30?30; 
3.1.3 угловое разрешение [град]: 0.9?0.9;
3.1.4 предельная дальность действия [м]: 10;
3.1.5 разрешающая способность по углу [град]: ;
3.1.6  разрешающая способность по дальности [м]: 
3.1.7 требуемый объём ресурса компьютера: процессор intel core i5 2.2 ГГц, ОЗУ – не менее 8 Гб, внешняя память (ПЗУ) – не менее 250 Гб;
3.1.9 напряжение питания компьютера, [В]: (220±11);
3.1.10  условия эксплуатации устройства: диапазон рабочих температур от  
– 10 до  +50 oC.
 Основное содержание пояснительной записки:
4.1 Рассмотрение видов линий связи и основных понятий и определений, связанных с простейшим потоком событий, потоком Пальма и потоком Эрланга
4.2 Расчёт пропускных способностей различных сетей связи
 4.3 Создание моделей сетей связи с отказами и ограниченной очередью в среде «MathCAD»
 4.4  Анализ линии связи на предмет более эффективного использования при изменении числа каналов
 4.5 Экономическое обоснование проекта
 4.6 Безопасность и экологичность проекта
Заключение
Список использованных источников
 Календарный график выполнения выпускной квалификационной работы: разрабатывается и согласовывается дополнительно.
 Консультанты по работе:
по экономике 
доц. кафедры ЭП  ________________________________/Павлов А. Ю./
						              (подпись)		         (Ф.И.О.)
по безопасности и экологичности
доцент каф. ТБЭХ		 _____________________ /Толмачёва Л. В./   
                                                                   (подпись)                         (Ф.И.О.)
 Дата выдачи задания  30 января 2015 г.
Руководитель доцент каф. ТОР  __________________/ Мерёжин Н. И. /                                                
                                                                  (подпись)			(Ф.И.О)

 Задание принял к исполнению  10 ноября 2016 г.
Исполнитель студент группы РТмо2-1 ___________________ / Саакян А.А. /
						                     (подпись)                    (Ф.И.О.)


























АННОТАЦИЯ

     Данный проект включает в себя решение задачи построения видеоизображения объектов с помощью звуковизора в воздушной среде  без возможности использования видеоканала и в условиях малой видимости. В настоящее время такие устройства востребованы при выполнении технических и поисково-спасательных работ, для мониторинга состояния различных сооружений и т.д. Так как дальность распространения светового луча оптических средств наблюдения в условиях малой видимости невелика, то использование акустических средств сканирования является актуальным решением данной проблемы.
     Основной задачей современного звуковидения является получение требуемых характеристик разрабатываемых устройств, особенно таких, как разрешение по углу и дальности.
     Если говорить об ультразвуковом исследовании объектов, то нужно отметить, что выражения для расчёта различных характеристик с помощью звуковизора подобны выражениям, относящимся к электромагнитным (ЭМ) волнам за исключением того, что скорость распространения ЭМ-волн примерно равна скорости света, а скорость распространения звука (акустических волн) в воздушной среде равна 340 м/с.
     Основными составляющими исследуемого звуковизора являются устройство приёма и обработки сигналов, приёмопередающий тракт, устройство построения изображения на ЖК-матрице в координатах угол-дистанция или угол-угол, акустическая антенная решётка, состоящая из набора электроакустических преобразователей (как правило, пьезопреобразователей, число которых варьируется в диапазоне от 8 до 256), усилитель мощности и модули АЦП.
     Данное устройство имеет собственное программное обеспечение, необходимое для алгоритмизации обработки данных и построения изображений.
ANNOTATION
     This project includes solution of the problem are related with building object's pictures  with  using of the acoustic tomograph in the air without using of video channel and in low visibility conditions.
     Recently these devices are demanded on technical and search-rescue operations, to monitor of the various structures status, etc. Using of the acoustic means scanning is relevant because the range of the light beam spread in low visibility is low. 
     The main task of the modern acoustic imaging is to obtain desired characteristics of emerging devices such as the resolution of the angle and distance.
     If it comes to ultrasound research of the objects the expressions for the calculation of various characteristics with using acoustic tomograph similar expressions relating to electromagnetic waves, except that the speed of propagation of electromagnetic waves is approximately equal to the speed of light and the speed of sound in air is 340 m/s.
     The main components of this acoustic tomograph are device of receiving and processing signals, tract of transceiver, imaging device in the LCD matrix in the coordinates of the corner-distance or the angle-angle, acoustic antenna array that contains a set of electroacoustic transducers (generally piezoelectric transducers the number of which varies ranging from 8 to 256), a power amplifier and ADC modules.
     This device has its own software are needed for algorithmization data processing and building of the images.







Оглавление
Введение	5
1.	Обзор и описание основных параметров современных звуковизоров	12
заключение	14
Список использованных источников	15

















ВВЕДЕНИЕ

	Проблема, рассматриваемая в данной диссертации, охватывает ряд вопросов, актуальных в настоящее время.
	Понятие акустического изображения не является строгим и устоявшимся. На самом деле, получение акустических изображений — это первый этап в решении практических проблем; вторым этапом является анализ изображений, включающий задачи обнаружения, распознавания и идентификации.
	В данной работе рассмотрены основные принципы функционирования современных звуковизоров, описаны выполняемые ими задачи и приведены расчёты основных параметров.

	Диссертация включает в себя экономическое обоснование проекта и предусматривает создание безопасных условий эксплуатации разрабатываемого устройства.













РЕФЕРАТ
    
    магистерской диссертации 
«Разработка и исследование звуковизора», 
автор Саакян Андрей Андреевич, студент группы РТмо2-1  
ИТА ЮФУ, г. Таганрог, 2017

Ультразвуковое исследование (УЗИ)
     В основу данной технологии исследования материалов положен пьезоэлектрический эффект. Основными материалами, из которых изготавливают пьезопреобразователи/пьезоэлементы, являются кварц и титанат бария. Благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту пьезоэлементы могут быть использованы как в качестве передатчиков эхо-сигнала, так и в качестве его приёмников. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 29 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов может достигать долей мм. Принцип работы устройства, реализующего УЗИ, следующий.
     Генератор ультразвуковых волн посылает около 1000 импульсов в секунду. Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая — отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и интенсивность зарегистрированного сигнала.  В промежутках между генерированием волн пьезоэлемент фиксирует отраженные сигналы. Отраженные эхосигналы поступают в усилитель и специальные системы реконструкции, после чего появляются на экране монитора в виде изображения срезов объекта, имеющих различные оттенки черно-белого цвета. 
     Существуют следующие виды ультразвуковых датчиков:
 линейные (диапазон рабочих частот 5?15 МГц; основным преимуществом является полное соответствие исследуемого органа положению самого детектора на поверхности тела);
 конвексные (диапазон рабочих частот 1.8?7.5 МГц; основным преимуществом является малая длина; добиться равномерности его прилегания к коже более просто);
 секторные (диапазон рабочих частот 1.5?5 МГц; используется преимущественно при исследовании сердца).

Компьютерная томография
       Среди всех существующих томографических методов особые успехи
достигнуты в радиационной (рентгеновской) компьютерной томографии
(КТ). Её создание было необходимо для устранения недостатков обычной рентгенографии, породившее идею получения не одного, а ряда снимков, выполненных под разными ракурсами, и определения по ним путем математической обработки плотностей исследуемого вещества в ряде сечений. Преимуществами КТ по сравнению с традиционной рентгенографией являются:
- отсутствие теневых наложений на изображении;
- более высокая точность измерения геометрических соотношений;
- чувствительность на порядок выше, чем при обычной рентгенографии.
     Основными характеристиками детекторов, используемых в КТ, являются:
1) эффективность – характеристика, отражающая способность детектора
обнаруживать фотоны (эффективность фиксирования характеризует способность детектора регистрировать фотоны и зависит от его размеров и расстояния между детекторами; эффективность преобразования характеризует процент фотонов, падающих на детектор и вызывающих сигнал в нем);
2) стабильность – качественная характеристика, отражающая динамическую устойчивость детектора;
3) время ответа – время, затрачиваемое на обнаружение события, восстановление детектора и обнаружение следующего события;
4) динамический диапазон – отношение наибольшего сигнала, способного быть измеренным, к наименьшему.

Магнитно-резонансная томография (МРТ)
     Магнитно-резонансная томография (МРТ) – это метод отображения
внутренней структуры материальных объектов, основанный на явлении
ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и используемый преимущественно для
медицинских исследований. Преимущество МРТ перед КТ состоит в более
высокой разрешающей способности, большей контрастности изображений,
возможности получения срезов в различных плоскостях и отсутствии гамма-лучевого воздействия на пациента.
     Для проведения ЯМР-исследования необходимо поместить объект в мощное, статическое и однородное в пространстве (в идеальном случае) магнитное поле, создающее внутри тканей изображаемого объекта макроскопическую ядерную намагниченность.
     В ЯМР-томографии регистрация сигнала происходит от резонирующих
ядер, имеющих как спин, так и магнитный момент. Такими ядрами являются водород  1Н,  2Н, углерод  13С, азот  14N, фтор  19F, натрий  23Na, фосфор  31Р.       Чаще всего в МРТ используются протоны водорода 1Н вследствие двух причин: высокой чувствительности к МР-сигналу и их высокому естественному содержанию в биологических тканях.
     Ядро водорода (т.е. отдельный протон) имеет два важных свойства:
электрический заряд и спин. Магнитный момент ? пропорционален квантовому числу I , обычно называемому ядерным спином:
? = ?I
     Также ядро имеет магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем B0 . При помещении протона в поле B0 система может находиться только в двух энергетических состояниях: низкоэнергетическом (магнитный момент направлен параллельно B0) и высокоэнергетическом (магнитный момент антипараллелен B0).
     На практике приходится иметь с ансамблем протонов. При отсутствии внешнего поля магнитные моменты ядер ориентированы случайным образом. При помещении объекта в постоянное магнитное поле ядра, обладающие спинами и магнитными моментами, начинают вести себя как диполи, выстраиваясь параллельно постоянному магнитному полю и формируя суммарный вектор намагниченности M.
     
     
     
     
     
     
     
     
     










   ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ЗВУКОВИЗОРОВ И ОПИСАНИЕ ИХ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ 

     В настоящее время все звуковизоры можно классифицировать по способу формирования характеристики направленности (ХН) (аналоговые и цифровые) и по её размерности (двумерные (2D) и трёхмерные (3D)). В свою очередь в двумерных звуковизорах сканирование пространства обеспечивается либо по двум угловым координатам, либо по одному углу и расстоянию до объекта. 
     К основным параметрам современных звуковизоров можно отнести рабочую частоту, ширину сектора обзора, разрешение по углу и дальности, предельную дальность сканирования, а также число пьезопреобразователей АР. 
     Значения рабочих частот современных акустических томографов (звуковизоров) варьируются в диапазоне от 150 до 1800 кГц.
     Сектор обзора может изменяться в пределах от 15?15° до 90?90°.
     На данный момент можно добиться достаточно точных координат местоположения объекта, так как разрешение по углу лежит в пределе от 0.6° до 2.5°, а по дальности – от 1 до 12 см.
     На основании [3] максимальная дистанция сканирования объектов для 2D звуковизоров составляет 135 м., а для 3D – 100 м.
	Что касается АР, то при её неплотном заполнении пьезоэлементами уровень боковых лепестков (УБЛ) ХН антенны возрастает. С одной стороны можно увеличить число преобразователей, но это приедет к усложнению задач оцифровки принятых сигналов. Поэтому для повышения разрешающей способности одним из решений стало использование крестообразной антенны, у которой одна линейка преобразователей служит для передачи акустических сигналов, а другая для приёма. 
     Суммарная ДН АР формируется как линейное сложение отдельных диаграмм каждого элемент с учетом управляемого фазового распределения посылаемых сигналов. По принципу взаимности такое же суммирование происходит и при приёме сигналов.
     Довольно часто используются линейный и фокусирующий способы фазировки.
     При линейной фазировке на пьезопреобразователи подаются возбуждающие импульсы с линейно нарастающей задержкой. В результате этого обеспечивается формирование наклонного луча. Изменяя распределение задержек, можно изменять наклон суммарного луча. Меняя наклон луча и отображая для каждого положения луча эхосигнал в яркостной форме, после выполнения полного цикла зондирований получают результирующее изображение в форме сегмента. Линейная фазировка оптимальна для дальней зоны.
     При фокусирующей задержке относительная задержка зондирующих сигналов формируется по более сложному закону за счёт чего обеспечивается синфазное сложение в одной точке пространства излученных импульсов от всех элементов АР. Условия оптимальности для обеспечения чувствительности и разрешения выполняются в небольшой фокусной области. Поэтому для реконструкции одного полного сечения необходимо разбить его на области и последовательно выполнить зондирования, фокусируя ультразвуковой луч в каждую из областей.
     Большая часть современных звуковизоров имеет следующие преимущества:
 простота в эксплуатации (малые весогабаритные параметры и понятный интерфейс);
 возможность использования в различных местах с последующей реконструкцией изображений для получения общего изображения  исследуемого объекта;
 сканирование объектов при низкой/нулевой видимости.


   АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ ПРИНЯТЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ И ПОСТРОЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
     
     В современных звуковизорах используются электронные методы визуализации ультразвука. В их основу положен эффект звукового поля — переменное звуковое давление. Звуковое изображение воздействует на пьезоэлектрические приемники и заставляет их колебаться.  Интенсивность колебаний определяется уровнем отражённых волн от объекта. Под действием этих колебаний на приемниках появится электрическое напряжение. Другими словами, рельеф звуковых давлений вызывает появление рельефа электрических напряжений. Такой метод визуализации называется электронно-акустическим преобразованием.  Предмет помещается в жидкую среду. Затем на него направляется пучок ультразвуковых лучей, идущий от антенной решётки (АР), составленной из двух линеек пьезопреобразователей (передающей и приёмной) и соединенной с генератором ультразвука. Обычно одновременно работают не все элементы АР, а ограниченное число. Это обусловлено количеством параллельных каналов в приборе.
      В каждом канале имеется программируемая линия задержки и отдельный генератор зондирующих импульсов. В приёмной части в каждом канале имеются предварительный усилитель и цифровая программируемая линия задержки. Выходы всех приёмных каналов объединяются в сумматоре, на выходе которого формируется сигнал, соответствующий текущему углу (в цифровом виде). Так как число элементов решётки, как правило, превышает число каналов звуковизора, то выходы генераторов и входы приёмников соединяются с элементами АР через многоканальные коммутаторы для подключения требуемой группы элементов антенны к каналам прибора. Выход сумматора соединен с вычислительным устройством, которое обеспечивает преобразование систем координат (из полярной в декартову) для отображения сечения объекта на ЖК-дисплее. 
     Отражённые от предмета ультразвуковые лучи поступают на приемную линейку пьезоэлементов. За счёт пьезоэффекта на приемных пьезопреобразователях возникают электрические заряды, прямо пропорциональные интенсивности ультразвука в данной точке. Таким образом, образуется скрытое изображение предмета. Оно будет точной копией пространственного распределения звукового поля в виде рельефа электрического потенциала.
	Важной задачей является анализ полученных акустических изображений. Он включает в себя обнаружение, распознавание и идентификацию объекта.
     Обнаружение — определение факта наличия неоднородности.
     Распознавание — отнесение выявленной неоднородности к определенному классу (например, установление размера дефекта). 
     Идентификация — описание объекта на втором уровне детализации
(например, установление вида дефекта/трещины).
     Для описания акустических свойств объекта обычно вводят функции
неоднородностей, отличные от нуля лишь в местах расположения самих неоднородностей. Если в однородной среде со скоростью звука c_0 находится область неоднородностей со скоростью звука  c(r), где  r – радиус-вектор текущей точки, то функции O(r)=1-c_0/(c(r))  или O(r)=1-(c_0/c(r) )^2  можно рассматривать как возможные функции неоднородностей. Акустическое изображение будет являться формой визуализации функции неоднородностей, выбранной для данной задачи.
	Как правило, акустическое изображение представляет собой сложный сигнал. Поэтому его можно разложить на некоторое количество отдельных элементарных изображений с определённым весовым коэффициентом.
     При отображении на экран монитора каждый элемент изображения имеет определенный оттенок. В настоящее время любой цвет оптического изображения может быть получен с помощью модели RGB.
     
     
     Рисунок 1. Структурная схема преобразования акустического изображения в оптическое
     

Рисунок 2. Ширина главного лепестка ДН в режиме поиска (а) и режиме распознавания (б) 












ЗАКЛЮЧЕНИЕ





























СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 Осетров А. В. Обработка и реконструкция изображений в акустической томографии: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2001. 72 с.
 Марусина М. Я., Казначеева А. О. Современные виды томографии. Учебное пособие. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. – 152 с.
 Современные средства подводного звуковидения, статья, Лекомцев В., Титаренко Д., 2011 г.
 


http://www.acsys.ru/article/ultrazvukovoy-defektoskop-tomograf-a1550-introvisor-zaglyanut-v-metall-teper-eto-prosto/
















.......................