بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله رو شی برای بهبود دقت ت شخیص نقص در ت صاویر فرا صوتی حا صل از آزمون غیرمخرب با ا ستفاده از روش SAFT - تمرکز روزنه مصنوعی - پیشنهاد میشود که از آرایه فازی فراصوتی استفاده میکند. در این روش از وزندهی سیگنالهای دریافتی المانهای آرایه فازی برای ت شکیل ت صویر ا ستفاده می شود. وزنها با ا ستفاده از تخمین آمارگان سیگنالهای دریافتی حا صل می شوند . نتایج شبیه سازی و آزمایشهای عملی نشان میدهد که تصاویر حاصل از روش پیشنهادی نویز کمتری نسبت به روش متداول SAFT داشته و دقت بهتری در آشکارسازی نقص فراهم میآورند.
-1 مقدمه
آرایههای فازی فراصوتی امروزه توسعه قابل توجهی در آزمون غیرمخرب صنعتی به منظور ت شخیص عیوب قطعه ت ست یافتهاند که عمدتا به دلیل قابلیتهای برتر آنها در مقایسه با روشهای سنتی استفاده از یک المان ارسال/دریافتکننده میباشد. همچنین توانایی آنها در ایجاد تصویر یکپارچه از قطعه مورد ت ست به صورت آنی ویژگی برج سته آنها مح سوب می شود. در روشهای روبش برای تشخیص عیوب قطعه، ابتدا اطلاعات لازم از طریق المانهای آرایه فازی دریافت میشود و سپس تصویر فراصوتی ایجاد میگردد. از روش های متداول روبش میتوان به روش روبش قطاعی و خطی [1]، تمرکز کامل [2] و تمرکز روزنه مصنوعی 4]،Synthetic Aperture Focusing - [3 Technique که به اختصار SAFT نامیده میشود - اشاره کرد.
یکی از مزایای منح صر به فرد روش SAFT ن سبت به سایر روشها اینست که با توجه به امکان جابجایی فیزیکی المانها در این روش، عرض پنجره ساخته شده میتواند بسیار بیشتر از عرض حقیقی آرایه باشد. بنابراین این روش بهطور قابل توجهی قدرت تفکیک عرضی و نسبت سیگنال به نویز روش روبش خطی را بهبود میدهد.[4] بر همین اساس دستگاه روبشگر بسیار کمهزینهای نیز برای کاربردهای پزشکی بالینی طرح و پیادهسازی شده است که قدرت تفکیک عرضی بهتری در مقایسه با روش های روبش با تمرکز ثابت فراهم میآورد .
[5] علاوه بر این، روش SAFT قابل پیاده سازی با حتی یک المان است؛ در حالیکه در سایر روشهای ا شاره شده، این امکان وجود ندارد. بنابراین از نظر سختافزاری روش مزبور با هزینه کمتر نسبت به سایر روشها قابل تحقق است. از طرفی استفاده از آرایه فازی در روش SAFT باعث میشود زمان روبش از چند ثانیه - روبش مکانیکی - به چند میلی ثانیه - روبش الکترونیکی - کاهش یابد .[6] اساس روش SAFT، روش سنتز پنجره است که ابتدائا برای رادارهای روزنه مصنوعی - SAR - معرفی شد [7] و با توجه به موفقیت آن، در سایر سیستمهای حسگری فعال و غیرفعال نظیر سونار توسعه یافت .[7]
همچنین روشهای فراصوتی مختلفی بر مبنای سنتز پنجره نظیر روش SAFT تو سعه یافت 9]،.[8 روش SAFT خود با توجه به عملکرد موثر آن در حوزه های گوناگون توسعه یافته است که از آنجمله میتوان به اندازهگیری پهنا و تشخیص خمیدگی میله های سوختی در کاربرد راکتورهای ه ستهای [10]، ت صویربرداری از سطوح م سطح با قدرت تفکیک بالا و ناحیه وسیع روبش [11] ، تشخیص ویژگیهای نقص و میزان ناهمگنی آهن در روتور های سنگین [12] و تصویربرداری فراصوتی - آلتراسونیک - پزشکی [5] اشاره کرد.
راه کار هایی نیز برای بهبود عملکرد روش SAFT با اد غام اطلاعات مربوط به ویژگیهای پرتو ارائه شده ا ست، برای مثال در [13] راهکاری برای محاسبه سریع مسیر پرتوهای ارسال و دریافت شده برای بکارگیری در روش SAFT پیشنهاد شده است که پیچیدگی محاسباتی تخمین زمان رفت و برگشت پالس را کاهش میدهد و برای ت صویربرداری با قدرت تفکیک بالا منا سب است. در آلتراسونیک پزشکی در تصویربرداری بخشهای عمیقتر بافت، میزان نویز بیشتر بوده و قدرت تفکیک تصویر نیز بدلیل خطا در تخمین سرعت موج، پایینتر است .
[14] در [14] به منظور بهبود قدرت تفکیک و کیفیت تصویر، یک روش شکلدهی پرتو ارائه میدهد که از ترکیب تمرکز روزنه مصنوعی و وزندهی مبتنی بر فاکتور همبستگی برای بهبود د قت تمرکز پرتو در ح ضور خطای تخمین سرعت موج ا ستفاده میکند. همچنین در [15] از روش SAFT در آرایه فازی استفاده شده است و با ایجاد موج مسطح با ارسال همزمان تمام المانهای آرایه، سعی در کاهش انکسار موج فراصوتی در عمق زیاد شده است. در [12] از روشهای بهینه ساز برای تخمین معکوس تابع تبدیل م سیر پرتو از ارسال تا دریافت، در روش SAFT استفاده شده است و در آشکارسازی دقیق نقصهای ریز در تست روتورهای سنگین موفقیت آمیز بوده است.
از طرف دیگر در 17]،[16 نوی سندگان روش شکلدهی پرتو مبتنی بر تاخیر-وزندهی-جمع - به اختصار - DWS را برای آزمون غیرمخرب پی شنهاد کردهاند. وزنها با روش حداقل واریانس محاسبه می شوند. هدف از وزندهی، کاهش تداخل و نویز حاصل از پژواکهای کاذب است که ناشی از پراکنده سازهای با توزیع تصادفی - Scatterer - میباشد. این پدیده در مواد ناهمگن نظیر فولاد ضد زنگ، کامپوزیتهای کربنی و بتن به چشم میخورد. روش فوق بدل یل موثر بودن آن در حذف تدا خل و نویز، در پژوهشهای حوزه آلتراسونیک پزشکی نیز کاربرد دارد .[20-18] در این مقاله ابتدا روش SAFT وزندار Weighted SAFT - که به اختصار WSAFT نامیده میشود - ارائه میشود. سپس روش WSAFT بهگونهای ا صلاح می شود که آ شکار سازی عیوب جوش قطعه تست، در عین کاهش حجم محاسبات، با دقت بهتری صورت گیرد.
-2 روش تمرکز روزنه مصنوعی - SAFT -
روش SAFT، امروزه در آرا یه های فازی بهطور گسترده ا ستفاده می شود. این روش ابتدا بهو سیله حرکت یک پروب تک المانی در طول یک خط اجرا میشد و با حرکت المان تصویر، ناحیه هدف ایجاد می شد .[21] در آرایههای فازی محا سبات هر المان بهطور مجزا صورت میگیرد. ابتدا یک شبکه دوبعدی برای ناحیه هدف تشکیل میشود و سپس زمان ارسال و دریافت سیگنال از هر المان آرایه بههر نقطه شبکه محاسبه میشود.
سپس برای هر نقطه هدف - نقطه تصویر - سیگنالهای پالسی بازتابشده از هر المان با زمانی برابر با مجموع زمانهای رفت و برگشت سیگنال از آن نقطه جلو برده میشوند و سپس با هم جمع میشوند. در این رابطه سرعت موج در قطعه بوده و ℎ سیگنال دریافت شده توسط المان ام که در مختصات - , - قرار دارد، میباشد. این سیگنال ناشی از ارسال پالس از المان ام و سپس دریافت سیگنال توسط همان المان در اثر بازتاب از ماده مورد آزمایش میباشد. عملیات جمع روی سیگنالهای دریافتی تمام المان اعمال میشود.
-3 روش پیشنهادی
ما به منظور بهبود روش SAFT از ایده وزن دهی به سیگنالهای دریافتی پیش از عملیات جمع در - 1 - استفاده میکنیم. اساس این ایده از تکنیک [17] DWS حاصل شده ا ست. مقادیر وزنها با ا ستفاده از تحلیل آماری نمونههای داده بر مبنای نظریه حداقل واریانس حاصل میشوند و سپس روی سیگنالهای المانها اعمال میشوند. این عمل سبب کاهش قابل توجه نویز و بهبود تفکیکپذیری تصویر میگردد. هدف ما ارائه راهکاری برای سادهسازی و تسریع روش DWS و اعمال آن به روش SAFT است، بهطوریکه دقت بهتری را فراهم کند و میزان نویز زمینه تصویر را کاهش دهد. در ادامه روش WSAFT ارائه شده و سپس روش اصلاح شده SAFT Modified SAFT - و به اختصار - MSAFT معرفی میشود.
