Акустическая спекл-интерферометрия для оценки координат и восстановления изображений объектов в неоднородных средах

• Автор: Кондратьева, Татьяна Викторовна
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 147 с. : ил

Оглавление
Введение
Глава 1. Спскл-ннтерфсрометрия (современное состояние)
1.1. Методы спекл-интерферометрии в оптике и астрономии
1.2. Спекл-интерферометрия в акустике
Глава 2. Спекл-интерферометрия точечного источника звука,
движущегося в свободном пространстве
2.1. Оценка угловых координат и скорости перемещения
точечного источника звука
2.1.1. Постановка задачи
2.1.2. Метод деления спектров
2.1.3. Сравнение метода деления спектров и функции
корреляции
2.1.4. Связь между параметрами антенны, объекта и
неоднородного слоя
2.1.5. Временные соотношения
2.2. Оценка траектории движенияй скорости перемещения 43 источника (численное моделирование)
2.3. Результаты экспериментальных исследований
2.3.1. Методика проведения эксперимента
2.3.2. Результаты эксперимента
2.3.3. Выводы
2.4. Определение расстояния до источника звука,
находящегося за слоем рассеивателей
2.4.1. Постановка задачи
2.4.2. Результаты численного моделирования
2.4.3. Выводы
Глава 3. Спекл-интерферометрия точечного источника звука,
движущегося в слоисто-неоднородной среде
3.1. Перемещение источника звука в океаническом
волноводе
3.1.1. Многолучевость и спекл-структура
3.1.2. Оценка углового перемещения источника звука в
многомодовом волноводе
3.1.3. Результаты численного моделирования
3.1.4. Выводы
3.2. Измерение траектории движения источника
сейсмоколебаний в многослойной твердой среде
3.2.1. Практическое обоснование
3.2.2. Постановка задачи
3.2.3. Результаты численного моделирования
3.2.4. Выводы

Глава 4. Получение изображений динамических объектов, расположенных под неоднородным слоем, методами спекл-интерферометрии
4.1. Возможный алгоритм восстановления изображения объектов
4.2. Определение фазы
4.3. Восстановление изображения точечного динамического объекта через неоднородный слой
4.4. Восстановление изображения протяженного динамического объекта через неоднородный слой
4.5. Вычисление фазы, функция корреляции и алгоритм деления спектров
4.6. Получение изображения кровотока через толстые кости черепа (ультразвуковая ангиография)
4.6.1. Постановка задачи
4.6.2. Описание метода
4.6.3. Связь между параметрами антенны, неоднородного слоя и сосуда
4.6.4. Временные соотношения
4.6.5. Результаты численного моделирования
4.7. Выводы
Выводы
Заключение
Литература
Приложения

Введение
Проблема восстановления изображений и оценки координат источников звука расположенных в неоднородных и рассеивающих средах является одной из фундаментальных задач акустики океана, сейсмологии и геофизики, медицинской ультразвуковой диагностики, ультразвукового неразрушающего контроля и многих других областей, где упругие колебания являются единственным источников информации об исследуемом объекте.
Общепринятыми и интенсивно развиваемыми методами решения подобных задач являются методы, основанные на вычислении (или измерении) функции Грина (передаточной характеристики канала распространения звука) и последующей свертке принятого сигнального поля с этой функцией. В теории обработки сигналов такие методы получили название «согласованной со средой когерентной обработки сигналов». С физической точки зрения согласованная обработка является одним из методов обращения и восстановления волнового фронта. Восстановив волновой фронт, а, следовательно, и функцию источника, в дальнейшем можно определить его координаты и параметры движения. На этом принципе «работают» любые известные системы подводного наблюдения как ближнего, так и дальнего радиуса действия. Вместе с тем согласованным методам обработки полей, как и всем когерентным фазовым методам, свойственен целый ряд ограничений. Главное из них - очень высокая чувствительность к амплитудно-фазовым флуктуациям сигналов и априорной точности задания исходных параметров волновода. Амплитудно-фазовые флуктуации полей, как правило, мультипликативные, и это серьезно усложняет процедуру обработки сигналов.
Более двадцати пяти лет тому назад в оптике появился новый подход к решению некоторых обратных задач в средах с сильным рассеянием, основанный на идее использования корреляции флуктуаций рассеянного поля. Группа методов, объединенная этим подходом, получила название “спекл-голографии” и “спекл-интерферометрии” [1]. В акустике океана схожие идеи были, по-видимому, высказаны гораздо раньше в работе Ю.П.Лысанова [2] и развиты в его последующих работах с сотрудниками [3,4]. Хотя авторы работ [2,3,4] не использовали подобную терминологию и в то время не могли быть знакомы с оптикой спеклов, предложенные ими методы прецизионного измерения скорости и смещений источника звука основаны на оценках параметров корреляции флуктуаций рассеянного звукового поля неоднородностями дна, т.е. источником полезной информации о параметрах движения являются именно случайные флуктуации сигналов.
В конце 80-х годов Зверевым В.А. в работах [5-11] был предложен и развит метод, названный «обращенным апертурным синтезом в темном поле». С точки зрения классической теории обнаружения, основу которой составляет выделение когерентной и стабильной части сигнала, в предложенном «методе темного поля» все происходит с точностью «наоборот», поскольку помехой как раз является сильная когерентная компонента. Заметим, что основные идеи такого подхода были опубликованы Зверевым В.А ещё в 1975 в монографии [5]. В основе метода «темного

пространственное преобразование Фурье от падающего поля. Неоднородную среду представим в виде слоя рассеивателей или слоя прозрачных структур, вносящих фазовые искажения і|/с(х), значения которых могут составлять 2п и более. Расстояние от слоя до антенны обозначим через 11с. Если на длине антенны “укладывается” много интервалов пространственной корреляции 1Дс(х), то при прохождении плоской волны от источника звука через слой ідс(х) падающий фронт волны на антенну искажается, так что информация об источнике и его угловом положении будет полностью потеряна при обычной Фурье-обработке (рис.2.2.а,б).
Пусть Р(х)=А(х)ехр {Що(х)} - исходное поле от источника, тогда после похождения через рассеивающий слой ус(х) и преобразования Фурье, полученный угловой спектр Ф(у) можно записать как
Ф(У)=Ру[Р(х)ехр{щ/с(х)}], (2.1)
где Еу - оператор Фурье, х - координата антенны. Сформируем теперь новую функцию 1(у), равную
1(у)=|ф(у)12, (2.2)
и зарегистрируем в последовательные моменты времени 1|(у) и Ь(у). За время ЛіЩг-б источник переместится из точки О] в точку 02 на величину углового сдвига.
Предположим, что за время А1 фазовая структура слоя не изменилась, т.е. ус(х4і)= ус(хД2). В этом случае
І Ф і (У) І= I Ф2(у+Лу) | и
Ри[Фг(у+Ау)]= Ри[Фі(у)]ехр(іАуц).
Возьмем преобразование Фурье от суммы I] (у) и 12(у):
I С(ц) | = | Ри[1,(у)+12(у)] | = | Ри[1,(у)] | 42* [1+с05(Дуи)]}1/2 , (2.3)
| С(и) |2 =2* | Ри[І|(у)] 12* [1+со5(Ауи)]. (2.4)
Функция (2.3) промодулирована косинусоидой с частотой Ау, пропорциональной угловому сдвигу источника а, который и требовалось измерить.
Описанная процедура реализует метод корреляционной спекл-интерферометрии, впервые предложенный Лабейри [14]. Для двумерного случая (плоская антенная решетка) появляющиеся периодические структуры (2.3) являются обычными полосами Юнга в оптике (рис.2.4). На рис.2.2.а,
2.2.6 показаны угловые спектры р(у) и Ід(у)=Іі(У+Ау) и результат обработки по формуле (2.3)} рис.2.2.в. Видно, что пространственный спектр спекл-структуры промодулирован периодической функцией. Число полуволн точно равно заданному угловому смещению источника.
При приеме поля на линейную антенну алгоритм (2.3) позволяет измерить только величину проекции перемещения источника на ось X . При двумерной антенной решетке, подобно используемой в линзовом звуковизоре, можно с помощью (2.3) измерить и угловую ориентацию источника по углу наклона