Д.Я. Суханов1, А. Халил2

1,2 Национальный исследовательский Томский государственный университет (г. Томск, Россия)

Постановка проблемы. Реализация системы волнового видения с применением минимального числа излучателей и числа приемников востребована для дефектоскопии и систем досмотра. Актуальной является проблема повышения качества трехмерных изображений за счет применения широкополосных сигналов и оптимального размещения антенных элементов.

Цель. Представить метод получения трехмерных акустических изображений с заданным разрешением при минимальном уровне артефактов на основе широкополосного волнового зондирования системой из множества излучателей и множества приёмников.

Результаты. Предложен метод для визуализации звукоотражающих объектов в воздушной среде на основе оптимизированной системы из множества излучателей и множества приемников. Разработана экспериментальная установка, позволяющая проводить параллельную оцифровку сигналов с решетки приемников (апертура 64 см) и последовательно переключать излучатели в передающей решетке (апертура 7,2 см). Применимость метода продемонстрирована на результатах численного моделирования и экспериментально для воздушной среды на дальности 30 см. Полученные результаты показали возможность получения акустических изображений с разрешением примерно 8 мм.

Практическая значимость. Предлагаемый метод, позволяющий визуализировать трехмерные распределения рассеивающих объектов в среде, можно применять для обнаружения объектов, скрытых за звукопроницаемыми преградами.

Суханов Д.Я., Халил А. Получение трехмерных акустических изображений на основе широкополосного зондирования сис-темой из множества излучателей и множества приемников // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 12. С. 17−146.
DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202212-13

1. Holmes C., Drinkwater B.W., Wilcox P.D. Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit–receive array data for non-destructive evaluation // NDT & E International. 2005. V. 38. № 8. Р. 701–711. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2005.04.002.
2. Hunter A.J., Drinkwater B.W., Wilcox P.D. The wavenumber algorithm for full-matrix imaging using an ultrasonic array // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 2008. V.55. № 11. Р. 2450–2462. https://doi.org/10.1109/tuffc.952.
3. Jie Zhang, Drinkwater B.W., Wilcox P.D. Comparison of Ultrasonic Array Imaging algorithms for Nondestructive Evaluation // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2013. V. 60. № 8. Р. 1732–1745. https://doi.org/10.1109/ tuffc.2013.2754.
4. Portzgen N., Gisolf D., Blacquiere G. Inverse wave field extrapolation: A different NDI approach to imaging defects // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 2007. V. 54. № 1. Р. 118–127. https://doi.org/10.1109/tuffc.2007.217.
5. Velichko A., Wilcox P.D. An analytical comparison of ultrasonic array imaging algorithms // The Journal of the Acoustical Society of America. 2010. V. 127. № 4. Р. 2377–2384. https://doi.org/10.1121/1.3308470.
6. Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. Оценка дефектов при ультразвуковом контроле методом цифровой фокусировки апертуры. условия, возможности, границы применимости // Контроль. Диагностика. 2017. № 9. С. 6-18. DOI: 10.14489/td.2017.09.pp.006-018.
7. Wang Q.H., Ivanov T., Aarabi P. Acoustic robot navigation using distributed microphone arrays. Information Fusion. 2004. V. 5.
   № 2. Р. 131–140. DOI: 10.1016/j.inffus.2003.10.002.
8. Zhuge X., Yarovoy A.G. Three-dimensional near-field MIMO array imaging using range migration techniques // IEEE Trans. Image Process. Jun. 2012. V. 21. № 6. Р. 3026–3033.
9. Гринев А.Ю., Темченко В.С., Багно Д.В. Радары подповерхностного зондирования. Мониторинг и диагностика сред и объектов. Радиотехника. 2013.
10. Sheen D.M., McMakin D.L., Hall T.E. Three-dimensional millimeter-wave imaging for concealed weapon detection // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2001. V. 49. № 9. Р. 1581–1592. https://doi.org/10.1109/22.942570.
11. Pinchera D., Migliore M.D., Schettino F., Lucido M., Panariello G. An Effective Compressed-Sensing Inspired Deterministic Algorithm for Sparse Array Synthesis // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. V. 66. № 1. Р. 149–159. https://doi.org/10.1109/tap.2017.2767621.
12. Pinchera D. On the Trade-Off between the Main Parameters of Planar Antenna Arrays // Electronics. 2020. V. 9. № 5. Р. 739. https://doi.org/10.3390/electronics9050739.
13. Goldsmith P.F., Hsieh C. Huguenin G.R., Kapitzky J., Moore E.L. Focal plane imaging systems for millimeter wavelengths // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Oct. 1993. V. 41. № 10. Р. 1664-1675. DOI: 10.1109/22.247910.
14. Stolt R. Migration by Fourier transform techniques // Geophys. 1978. V. 43. № 1. Р. 23–48.
15. Zhuge X., Yarovoy A.G., Savelyev T.G., Ligthart L.P. Modified Kirchhoff migration for UWB MIMO array-based radar imaging // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. Jun. 2010. V. 48. № 6. Р. 2692–2703.
16. Mailloux R.J. Phased array antenna handbook. Artech House. 2018.
17. Liang S., Fang Z., Sun G., Liu Y., Qu G., Zhang Y. Sidelobe Reductions of Antenna Arrays via an Improved Chicken Swarm Optimization Approach // IEEE Access. 2020. № 8. Р. 37664–37683. https://doi.org/10.1109/access.2020.2976127.
18. Wang Z., Chang T., Cui H.-L. Review of Active Millimeter Wave Imaging Techniques for Personnel Security Screening // IEEE Access. 2019. № 7. Р. 148336–148350. https://doi.org/10.1109/access.2019.2946736.
19. Слукин Г.П., Федоров И.Б., Чапурский В.В. Сравнительный анализ классических РСА и MIMO РСА в задачах дистанционного зондирования земли // Радиотехника. 2017. № 11. С. 97-103. EDN YPKGVG.
20. Haupt R.L., Menozzi J.J., McCormack C.J. (n.d.). Thinned arrays using genetic algorithms // Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. https://doi.org/10.1109/aps.1993.385248.
21. Guo H., Jing G., Dong M., Zhang L., Zhang X. Position-only synthesis of uniformly excited elliptical antenna arrays with minimum element spacing constraint // EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. 2019. № 1. https://doi.org/10.1186/s13638-019-1574-2.
22. Fuchs B. Synthesis of Sparse Arrays with Focused or Shaped Beampattern via Sequential Convex Optimizations // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V. 60. № 7. Р. 3499–3503. https://doi.org/10.1109/tap.2012.2196951.
23. Суханов Д.Я., Калашникова М.А. Дистанционная ультразвуковая дефектоскопия звукоизлучающих объектов через воздух // Акустический журнал. 2014. № 60. С. 279-283.