Разработка и исследование нелинейных методов акустической реконструктивной эхотомографии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛИСТРОТЕХШГГЕСКИИ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.И.УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

р ^ 2 О А На правах рукописи

ТУРЖАНСКИЙ Антон Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ МЕТОДОВ АКУСТИЧЕСКОЙ РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ЭХОТОМОГРАФИИ

Специальность: 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете имени В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель - кандидат технических наук доцент Пигулевский Е.Д.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Химунин A.C. кандидат технических наук Ыосковенко И.Б.

Ведущая организация - научно-исследовательский институт мостов (г.Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится "ик/'ч*1993 г.

в _ часов на заседании специализированного совета К 063.36.11 в

Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова ,5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

У» v

Автореферат разослан "_" {^п^/уи^ ^у-л 1993 г

Ученый секретарь специализированного совета

Соботковский Б.Б.

.1'. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Интенсивное развитие в последнее десятилетие вычислительной .техники и методов цифровой обработки информации привело к созданию новых направлений науки, одним из которых является акустическая томография. Акустическая томография -это направление акустики, занимающееся формированием акустических томограмм, то есть масштабных изображений акустических харак-. теристик в определенных сечениях трехмерных объектов. К акустическим характеристикам относят параметры объектов, влияющие на распространение, отражение, рассеяние акустических волн (плотность, скорость звука, отражающая способность и т.п.). Методы акустической томографии преимущественно используются в медицинской диагностике, нервзрушанцем контроле изделий, геофизике, а также в гидроакустике.

Развитие систем ультразвуковой интроскопии и медицинской диагностики, основанных на принципах акустической реконструктивной (компьютерной, вычислительной) эхотомографш (АРЭТ) шло, в основном, по пути использования метода синтезированной апертуры 1СА) с.линейным когерентным алгоритмом обработки.

Этот метод,хорошо зарекомендовавший себя в радиолокационных станциях бокового обзора, не всегда дает хорошие результаты в ультразвуковой интроскопии, т.к. основан на предполоаенчи некогерентного рассеяния волн точечными рассеивателями. При визуализации протяженных неоднородностей в системах ультразвуковой интроскопии и медицгаюкой диагностики это условие не выполняется, что приводит к деградации изображения и снижению его достоверности (ухудшению разрешающей способности и контраста томограммы).

Поэтому исследования, направленные на разработку новых нели • нейных методов АРЭТ, являются актуальными, т.к. позволяют существенно повысить достоверность результатов медицинской и технической диагностики.

Цель и задачи.Целью данной работы является разработка и всестороннее иследование новых нелинейных методов синтеза и фильтрации акустических изображений, позволяющих не выходя за рамки приближений геометрической акустики улучшать разрешающую способность и контраст томограмм произвольно ориентированных протяженных неоднородностей сложной конфигурации.

Она включает следующие задачи:

1. Теоретически и экспериментально показать деградацию акустических изображений протяженных произвольно ориентированных не-однородностей сложной формы в традиционных системах АРЭТ, основанных на линейном методе СА.

2. Показать, что изображения протяженных дефектов в нелинейном методе АРЭТ являются более контрастными и восстанавливаются с лучшей,-чем при использовании метода СА,разрешающей способностью.

3. Рассмотреть механизмы появления ложных изображений (артефактов) в нелинейном методе томосинтеза и предложить способ их устранения.

,4. Провести исследование основных вероятностных характеристик обнаружения и помехоустойчивости нелинейного метода томосинтеза в сравнении с традиционным линейным методом СА. •

5. Провести исследования разрешающей способности нелинейного метода томосинтеза в сравнении с традиционным алгоритмом СА.'"

6. Найти необходимый компромисс при оптимизации соотношения между разрешающей способностью и помехоустойчивостью нелинейного метода акустической томографии.

7. Выполнить математическое моделирование по томографическому восстановлению и фильтрации изображений компьютерных фантомов; провести экспериментальные исследования по томографическому восстановлению изображений реальных тест-объектов.

8. Предложить концепцию построения, алгоритмическую и программно-аппаратную организацию системы АРЭТ.

9. Разработать пакет црикладных программ синтеза и фильтрации акустических изображений для системы АРЭТ.

Методы исследований. Решение задач, поставленных в диссертации, осуществлялось путем проведения теоретических исследований , численного моделирования с применением ЭВМ и эксперимента в случае восстановления акустических изображений компьютерных фантомов и реальных тест-объектов с искусственными и натурными дефектами. Теоретические исследования проведены при решении всех поставленных задач и выполнены используя теорию пространственно-временной обработки сигналов акустического поля, теорию спектрального и кепстрального анализа, теорию секвентного анализа, теоретические разделы математической физики, теории вероятностей и статистики, элементы геометрической акустики и методы решения обратных задач рассеяния волн на неоднородностях в акустике. •

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен новый нелинейный обобщенный метод мультипликативной томографии (НОШТ), улучшающий разрешающую способность и1 контраст акустического изображения протяженных неоднородностей.

2. Предложен метод гояоморфной (кепстральной) фильтрации сигналов акустического поля в облаасти пространственных частот, устраняющий нелинейные артефакты (ложные изображения) нелинейного обобщенного метода мультипликативной томографии.

3. Получены аналитические выражения, устанавливающие соотношение "разрешающая способность - помехоустойчивость НОММТ".

4. Предложено нелинейное нормирование парциального акустического изображения, оптимизирующее соотношение разрешающей способности и помехоустойчивости НОММТ.

Научные положения.выносимые на защиту.

1. Предложенный в работе нелинейный обобщенный метод мультипликативной томографии (НОММТ) улучшает разрешающую способность

и контраст акустического изображения протяженных неоднородностей.

2. Предложенный в работе метод гомоморфной (кепстральной) фильтрации сигналов акустического поля в области пространственных частот устраняет нелинейные артефакты (ложные изображения) нелинейного обобщенного метода мультипликативной томографии.

3. Предложенное в работе нелинейное нормирование парциального акустического изображения оптимизирует соотношение разрешающей способности и помехоустойчивости НОММТ.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в Центральном Научно-Исследовательском Институте материалов (ЦНИИ материалов) города Санкт-Петербурга.

Сведения из диссертации использованы в научно-исследовательских работах:

-кафедры электроакустики и ультразвуковой техники СПГЭТУ;

-конструкторского бюро "КБ Дальнее" г.Владивостока.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Всесоюзной XII научно-технической конференции "Неразрушающие акустические методы контроля",г.Свердловск, 1990; Всесоюзной V Дальневосточной акустической конференции "Акустические методы и средства исследования океана",г.Владивосток, 1989; Всесоюзной XI акустической конференции, г.Москва, 1991; Межрегиональном семинаре "Системы цифровой обработки и анализа изображений: СЦОИ-91 ",г.Рига, 1991; Международном III семинаре "Цифровал обработка изображений в медицине, дистанционном

зондировании и визуализации информации: DIP-92".г.Рига,1992; Всесоюзной научно-технической конференции "Методология измерений",. Ленинград, 1991 ¡Всесоюзном III акустическом семинаре "Модели, a.^j-ритмы, принятие решений",Минск,1991; Всесоюзной IV научно-технической конференции "Метода и средства обработки слоязюй графической информации",Нижний Новгород, 1991; Всесоюзной I конференции "Физика и конверсия",Калининград,1991;Всесоюзном научно-техническом семинаре "Диагностирование, надежность,неразрушащий контроль электронных устройств и систем", г.Владивосток,1990.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе: '3 статьи, 11 тезисов докладов, защищено одно изобретение.. . ,

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований, одного приложения. Основная часть рабо,ты изложена на 145 страницах машинописного текста. Работа содержит 54 рисунка и одну таблицу..

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ,.

во введении обоснована постановка, задачи, отмечена актуальность темы диссертации и ее научная новизна. Сформулирована цель исследования. Приводятся основные научные положения, выносимые на защиту.

■ В первом разделе приведен систематизированный сбзор методов акустической томографии, показаны основные достижения, тенденции развития'и актуальность исследований б этом направлении. В сжатом виде описаны методы отражательной нереконструктивной эхотомэгра-фии, методы синтезированной апертуры, нелинейные метода обработки изображений и ряд алгоритмов дифракционной томографии. На основании обзора произведена постановка задачи исследования АРЗТ и. сформулирована главная цель диссертационной работы, заключающаяся в разработке и Всестороннем иследозании новых нелинейных методов синтеза и фильтрации акустических изображений, позволяющих не выходя за рамки приближений геометрической акустики улучшать локализацию и достоверность (разрешающую способность и контраст)томограмм произвольно ориентированных протяженных неоднородностей сложной конфигурации.

Во втором разделе теоретически и экспериментально показана;

деградация акустических изображений протяженных произвольно ориентированных неоднородностей сложной формы в традиционных системах ультразвуковой реконструктивной эхотомографии, основанных на линейном методе синтезированной апертуры (СА).

Для улучшения достоверности и локализации изображения протяженных дефектов предлагается новый нелинейный обобщенный метод мультипликативной томографии (НОММТ),который является следствием обобщения и оптимизации методов СА и ряда методов триангуляции. Основная идея НОММТ заключается в сканировании поверхности контролируемого объекта по определенной-траектории геометрическим центром системы,состоящей для случая построения трехмерного изображения, не менее чем из грех связанных ненаправленных, акустических приемоизлучателей, последовательном излучении каждым из них акустического импульса длякавдого положения системы при сканировании и- регистрации отраженного неоднородностями акустического шля с точностью, до фазы по крайней мере одним приемоизлучате-лем, накоплении полной (голографической) регистрируемой информации вдоль всей траектории сканирования и компьютерном восстановлении по окончании процедуры сканирования результирующего трехмерного изображения О(г^) объекта по алгоритму,определяемому формулой

, N и Ы .

^ Ы т=1 £=1

(1Г/ - + -гдв-.Т1т}~ -——■-:-ЩгJ) -число положений

°о

геометрического, центра системы на траектории сканирования, с которых одновременно И-приемоизлучателями прозвучивается текущая точка -радиус-вектор 1-го положения т-го приемоизлучателя

сканирующей системы -акустический эхосигнал,излу-

чаемнй т-ым и принимаемый й-ым приемоизлучателем сканирующей сис-теш в (-ом положении на траектории сканирования;?^ -управляющая функция, определяющая режим комутации приемоизлучателей сканирующей системы :1) РП1к^1Як, где вт: символ Кронекера (запрет перекрестных и обработка исключительно одноименных операций приемоиз-лучеиия), 2) Р ,- разрешены любые .допустимые операции ириемо-

0(Г/) =

- V» г I

Н(г,)

1+р.

тк

излучения.

Физический смысл НОММТ заключается в синфазном сложении произведений принятых сигналов, отражении от определенной точки объекта,и делении на длину области сканирования, с которой эта точка видна. При уменьшении взаимного расстояния между связанными приемоизлучателями сканирующей системы ( |r{mf —> |r(fe| ) ММТ приближается к классическому мотоду CA.

Использование полной матрицы значений поля в памяти ЭВМ при синтезе апертуры позволяет вообще обойтись одним сканирующим широконаправленным приемоизлучателем,группируя при восстановлении изображения данные по 1-1...N в отдельные,возможно перерывающие друг друга секции длинной * (виртуальные триангуляционные группы).В этом случае имитируется режим комутации и под II

понимают количество виртуальных приемоизлучателей условной сканирующей системы.

Показано, что вводеная в НОММТ нелинейная операция мультипликации акустических сигналов шля,полученных с нескольких положений сканирующего одиночного приемоизлучателя, позволяет.формировать итоговое изображение неоднородности из локализованных парциальных томограмм (томограмм, сформированных посредством обработки информации с одного положения сканирупцей системы), что невозможно методом СЛ. Доказано, что изображение протяженных неод-нородностей восстанавливаются с лучшими контрастом и разрешающей способностью, чем при использовании традиционного метода CA.

Установлены причины возникновения нелинейных артефактов (ложных изображений) в предложенном KOMMT, заключающиеся в появлении на результирующей томограмме кратных пространственных частот высших порядков.Предлложен способ устранения нелинейных артефактов посредством введения дополнительного шорного виртуального приемоизлучателя и выполнения гомоморфной (кепстральной) обработки резульифукцей томограммы в области пространственных частот. Введение опорного приемоизлучателя (для двумерного случая lf=3) позволяет разделять изображения неоднородностей 0H(ij) и нелинейных артефактов 0a(ij) по пространственной частоте, т.к. Oü(Tj) содержит Jig-ую пространственную частоту, а Og(rj) - [й-ljg, где g - пространственная частота зондирующего акустического сигнала поля.

Формулу для 0(Tj) НОММТ можно трактовать как свертку парциальных томограмм метода CA, полученных с нескольких положений рэ-

£льного сканирующего приемоизлучателя и сдвинутых относительно друг друга на фиксированную величину - базу мультипликативности, характеризующую для НОММТ взаимные расстоянии между виртуальными приемоизлучатвлями условной сканирующей системы. В масштабе изображения всего сечения объекта компоненты изображения неоднород-ностей 0н(г^) и нелинейных артефактов О0(г^, отличаыциеся по пространственным частотам,связаны между собой математической операцией свертки 0(тj)=0a{тj)*Oa(rj), и результирующая томограмма является гомоморфным относительно свертки пространственным сигналом. Для выделения изображения неоднородаостей в данном случае предложено воспользоваться аппаратом кепстрального анализа, основанного на использовании быстрого преобразования Фурье (БПФ) и известной теоремы о БПФ свертки дискретных последовательностей ; БПФ свертки дискретных последовательностей представляет собой произведение спектров этих последовательностей.

Алгоритм предложенного нелинейного гомоморфного метода обработки и фильтрации томограмм заключается в следующем. Над неразделенным входным сигналом 0(г^)=0^(г,после обработки взвешивающей функцией в виде окна Хэмминга

Я[0(Гу}]=0(гу)=0н(гу)#0а(г^)

выполняется операция двумерного БПФ, в результате чего получается произведение пространственных спектров изображений неоднородаостей и артефактов, то есть

да[.0(Г>/) ]=5(я)=5н(я)5а(в), где: -пространственный спектр изображения неоднородаостей;

-пространственный спектр изображения артефактов. Далее выполняется операция логарифмирования (в общем случае вычисляется комплексный логарифм), в результате чего получается сумма логарифмов пространственных спектров и - так называемый кепстр изображения

К (в) =Ю8р (в)] =Юврн (в)5а (5)] =108^(в)] +Ювра (в)] - .

где Кн(£) и Яа(я) -соответственно кепстры изображения неоднородаостей и артефактов. Далее, в результате линейной фильтрации в

частотной области потенцирования

exp|iH(g)J-SH(g) для перехода от кепстра к спектру.выполнения обратного двумерного БПФ FFT и нормирования изображения для приведения максимального 'ровня отфильтрованной томограммы к максимальному уровню препроцессорного изображения

получается отфильтрованное результирующее изображение неоднород-

ностей 0н(г^). -

Используемый алгоритм БПФ по основанию 2 предлагается заменить более быстрым преобразованием Уолша-Фурье (БПУ), применяемым для обработки телевизионных изображений.Кусочно-постоянные базисные функции Уолта,в отличие от применяемых в БПФ тригонометрических базисных функций, принимают только два значения (±1),что-позволяет на 30 % ускорить вычисление коэффициентов разложения искомой функции акустического изображения в ряд Уолша-Фурье.

В заключение раздела приведены результаты математического моделирования НОММТ по восстановлению и фильтрации изображений компьютерных фантомов.

'В третьем разделе проведено исследование вероятностных характеристик обнаружения, помехоустойчивости и разрешающей способности НОММТ.Получены точные аналитические выражения и расчетные формулы, с помощью которых выполнены математическое моделирование процесса обнаружения неоднородностей и анализ разрешающей способности НОММТ.

Сигналы на входах I и II умножителя мультипликативной томографической системы обработки/представляют собой случайные процессы 71(t) и Y2{t), каждый из которых составляет аддитивную сумму полезного эхосигнала, отраженного от дефекта - S1 2(t),и шума хл j2(t ),так что

Y.(t) = ^(i) + S,(t) , Y2(t) = x2(t) + S2(t) .

На выходе умножителя сигнал представляется в виде • i/(t)=5T1 (t)y2(i)=x1(i)r2(t)+x1(t)S2(t)+x2(i)S1(t)+S1(i)S2(t).

В отличии от'традиционного метода анализа помехоустойчивости, принимающего в качестве сигнальной составляющей величину S1(t)S2(t), предложено в качестве сигнальных компонент рассматривать те величины, которые увеличивают вероятность правильного обнаружения при тех же значениях вероятности ложной тревоги и поро-

га обнаружения. В этом случае отношение сигнал/шум q определится как

^(ПЗ^П+а^тз., и^Ц^Ц)

Я =--.

хл (г)х2и)

С этой позиции рассмотрены вероятностные характеристики случайных процессов, позволяющие решать задачу обнаружения и иденти-' фикации неоднородностей мультипликативными системами акустического изображения. Полагая,что параметры детерминированных эхосигна-лов отражения от дефекта Я.^) и Б2И) полностью известны,искажения формы принимаемого эхоимпульса принеОрежимо малы, а сигналы помохи д^и) и х2И) являются квазибелым шумом,стационарны и подчиняются нормальному закону распределения, причем их математические ожидания Ых - Мх = О

=о_ 2

Плотности распределения вероятностей для процессов т., Ц) и х2(1) представляются в виде

2 -, г '2

среднеквадратические отклонения о_ = •

а

2Х

-ехр

2о

W(x2)=-

21t

-ехр

20

■Иле лиать распределения вероятностей процесса на выходе умножителя при отсутствии полезного сигнала получена в виде •

Лин-

1

К,

где х2; KQ

\У\ —Г

то

|У1

-'функция Макдональда нулевого порядка.

Выражение для функции плотности распределения вероятностей WX3iy) процесса на выходе умножителя при наличии сигнальной составляющей на его входах y=x^S2+x2S^i-S^S2 получено в виде

+С0

■го

г%

1

Г 2 21 S1+S2j -

«О

—5"

ехр

[у- я- S^J

20

!Г 2 21 [S1 + S2\

dae

1

3

ае - переменная интегрирования.

С помощью функций И'¿{у) и Кхз(у) определены отношения правдоподобия 1(у)= Мха{у)/Их{у) для модели сигнала с полностью известными параметрами, принимаемого на фоне флуктуирующих помех в виде квазибелого шума,а также вероятности ложной тревоги Р и пра вильного обнаружения В для парциального изображения в НОММТ.

Выражение для Р получено в виде

+СО +03

1 1У01 Ко(|^о|} Их{у)0у=-:-----

Р=

№х(1)йХ=

""О

\у0\

\у0\

*о[М ММ "ММ ьоОо')

где Ь0 1 [|1У0|] -модифицированная функция Струве, порядка 0 и 1. Выражение для д с учетом 1>ха(у) получено в виде +00 +00

ь=

пхз(у)

|у01

2 ТО

-егГс

-(О К0

N

$ + -

|у01

2 2

где ; егГс(С)=1-егГ(С) -дополнительный интеграл ве-

роятности; егГ(С) -интеграл вероятности; у0-пороговое значение величины у{г).

Для сравнения вероятностных характеристик парциальных изображений СА и НОММТ проведено численное математическое моделирование процесса обнаружения, в результате чего получено семейство кривых обнаружения. Кривые обнаружения представляют собой графическую интерпретацию функциональной зависимости С((3),где 9=УВЫХ / / овшс - параметр обнаружения; Увшс.овых -соответственно уровень сигнала на выходе обнаружителя и среднеквадратическое отклонение.

Результаты численного моделирования на ЭВМ показали,что НОММТ обладает меньшей, чем СА, помехоустойчивостью и для дости- ■ жения одних и тех же значений вероятности правильного обнаружения й при фиксированных значениях ^сопги и порогового Q0=coгu:Jt требуется большее отношение сигнал/шум.

Приведены результаты математического моделирования и экспе-

1

У

2

О

риментальных исследований зависимости Б(Ы). Установлено, что характеристика обнаружения В(Ы) носит нелинейный обратно-пропорциональный характер.

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование разрешающей способности НОММТ в сравнении с традиционным методом СА. Установлено, что поперечное разрешение Щ НОММТ по критерию Рэлея для функции рассеяния точки X(r,,,г,,Дг.,,Дг2...Дг^.ш/с)

Х{г",г'«Лг., ,Лг2.. .Дгй,со/с)= /(^ )ехр(/ши&) /(и2)ехраыи2) /(и^)ехр(/ыий)

=---:- ... -1-С12га

. ¡г^-гм2 |га -г'|2 |г3+Аггг'|2

П(ги) .

в И раз лучше достижимого в методе СА и составляет Яу=а/(4И),где а-размер акустического преобразователя;

и, = (2/с) (|г^ -г"| -1г -г'' |),'' и2= (г/с) (|гв -г" | -1г8 -г''|);

г' -радиус-вектор местоположения одиночного точечного . отражателя 4тсб(г'-га); П(г")-участок поверхности сканирования,.на котором текущая точка г" йсследуемого объекта прозвучивается одновременно М приемоизлучателями сканирущей системы; |Аг^| -база мультипли-кативноз : '¿-го виртуального приемоизлучателя условной сканирующей системы НОММТ, взятая относительно гд; тд -радиус-вектор местоположения реального сканирующего приемоизлучателя; «-круговая частота излучаемого ультразвука; / -форма зондирующего импульса, О - дельта-функция Дирака.

Улучшение разрешающей способности при мультипликативной обработке акустических сигаалов достигается за счет, появления пространственных частот £ высших порядков.

Максимально-достижимое в НОММТ продольное разрешение н^ (по критерию Рэлея для функции рассёяния точки) составляет Д^тс/4, где т-длительность зондирующего акустического импульса. Полученное продольное разрешение НОММТ в точности соответствует достижимому в методе СА.

Приведены разработанные алгоритмы СА и НОММТ для случая сканирования по окружности и наклонного ввода ультразвука в объект.

Подробно^ исследовано влияние размера области синтезирования и глубины залегания неоднородностей на разрешающую способность СА и НОММТ при цилиндрической геометрии измерений и наклонном вводе

ультразвука в объект..

Установлено, что мультипликативная обработка сигналов не является однозначно-положительной: при улучшении достоверности и разрешающей способности акустического изображения одновременно ухудшается помехоустойчивость процесса томосинтезэ. Эта проблема при использовании большого количества виртуальных приемаизлучате-лей (Л>>3) становится практически неразрешимой. Для решения этой задачи предложен способ оптимизации соотношения и достижения компромисса между разрешающей способностью и помехоустойчивостью • НОММТ, заключающийся в выполнении дополнительной нелинейной'обработки парциального изображения - извлечении корня 11-ой степени

^мпЬргпйёзтк" ^Итк.

Извлечение, корня ¡¡-ой степени от парциальной томограммы

НОММТ при ¡1>3 позволяет обеспечить необходимый баланс (кошро- , 1исс) меаду разрешающей способностью и помехоустойчивостью мультипликативной системы акустического изображения. В этом случае разрешающая способность НОММТ,в точности равна достижимой в методе СА, а помехоустойчивость - среднему геометрическому от М-статистик сигналов алгоритма СА; что лучше, чем в; случае применения НОММТ без дополнительной нелинейной обработки парциальной томограммы, т.к. справедливым является следующее неравенство " '

(£)+х,. Ш «

что эквивалентно неравенству: . . помехоустойчивость НЩМТ без обработки парциальной томограммы*, ^помехоустойчивость НОММТ с дополнительной нелинейной обработкой^

помехоустойчивость метода СА, где обозначения соответствуют принятым при анализе помехоу'стойчи-вости НОММТ.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований методов СА и НОММТ по восстановлению акустических изображений реальных тест-объектов цилиндрической формы с искусственными и натурными дефектами. Описаны разработанные и внедренные в функционирующих установках компьютерного томосинтеза "Акустический томограф 54-417" (1Ц1ИИ материалов, г.Санкт-Петербург) концепция построения, алгоритмический м программно-аппаратная ор-

гвшзацйя системы АРЭТ. Рассмотрены конструктивные особенности' разработанных для системы АРЭТ ультразвуковых имерсионных преобразователей.

В' приложении приведены написанные на языках ФОРТРАН-IV, СИ, МАКРО-АССЕМБЛЕР ОС РАФОС тексты программ томосинтеза и фильтрации акустических изображений, объединенные в пакет программного обеспечения функционирующих установок компьютерного томосинтеза "Акустйческий томограф 54-417".

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ •

На основании проведенных в диссертационной работе теоретического и экспериментального исследований нелинейных методов акустической рёконструктивной эхотомографии сформулированы основные результаты и выводы, заключающиеся в следующем: '

1'. Теоретически и экспериментально установлена деградация акустических изображений протяженных- произвольно ориентированных неоднородностей сложной формы в традиционных системах -акустической реконструктивной эхотомографии,- основанных на_ линейном методе синтезированной.апертуры (CA). Установлено, что эвристическая модель неоднородности традиционного линейного метода CA, основанная на првдпо ."нк'?нии некогерентного рассеяния волн точечными рассеи-звтелями,'. не справедлива при визуализации протяженных неоднородностей в системах ультразвуковой интроскопии и медицинской диагностики, что приводит к деградации изображения и снижению его достоверности;

2. Для улучшения разрешающей способности и контраста акустических изобракений протяженных неоднородностей в-рамках приближений геометрической акустики разработан и защищен авторским свидетельством нелинейный обобщенный метод мультипликативной томографии (НОММТ).

,3. Установлено, что совмещенная аддитивно-мультипликативная обработка отраженных сигналов НОММТ уменьшает уровень когерентного спекл-шума, сохраняя при этом уровень полезного сигнала,т.е. разрушение когерентности протзводится лишь-по отношению к спекл--шуму.

4. Теоретически и экспериментально исследованы вероятностные характеристики обнаружения, помехоустойчивость и разрешающая способность предложенного нелинейного метода томосинтеза в сравнении

с традиционным методом СА. Установлено, что предложенная в НОЩИ мультипликативная обработка сигналов поля не явллется однозначно-положительной, так как приводит к одновременному улучшению разрешающей способности и снижению помехоустойчивости системы акустического изображения.Получены аналитические выражения,устанавливающие соотношение "разрешающая способность - помехоустойчивость НОММТ".

5. Для достижения компромисса при оптимизации соотношения "помехоустойчивость - разрешающая способность НОММТ" предложена и реализована дополнительная нелинейная обработка (нормирование) парциального изображения.

. 6. Установлены механизмы возникновения нелинейных артефактов (ложных изображений) в предложенном НОММТ, заключающиеся в появлении на результирующей томограмме кратных пространственных частот высших порядков. Для устранения возникающее в НОММТ нелинейных артефактов предложена и реализована гомоморфная (кепстраль-ная) фильтрация акустического изображения в области пространственных частот.

7. Предложено при проведении кепстральной фильтрации томограммы НОММТ в области пространственных частот и при вычислении недиадшх сверток использовать вместо широко-распространенного быстрого преобразования Фурье более оптимальное для обработки изображений быстрое преобразование Уолша-Фурье и математический • аппарат секвентного анализа.Установлено, что применение БПУ дает 30 % выигрыш по времени реконструкции томограммы.

8. Предложены концепция построения, алгоритмическая и программно-аппаратная организация системы АРЭТ, которые нашли практическое применение в созданной и функционирующей установке компьютерного томосинтеза "Акустический томограф 54-417". Приведены результаты экспериментальных исследований методов СА и НОММТ цо восстановлению акустических изображений компьютерных фантомов и реальных тест-объектов цилиндрической форМы с искусственными и натурными дефектами.

9. Разработан пакет программного обеспечения "IMAGE" для УКТАИ "Акустиеский томограф 54-417" системы АРУТ, реализованный на языках ФоИ'РАН-lV,СМ,МАКРО-АССЕМБЛЕР ОС РАФОС и предназначений для формирования и последующей разносторонней интерактивной обработки томограмм.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Осетров A.B., Турканский A.A. идетжрикация протяженных дефектов методом мультипликативной томографии // Тез.Докл.XII Всесоюзн.научно-техн.конф."Неразрушащие акустические методы контроля".- Свердловск.-1990.-Т.5.-С.127-128.

,2. A.C. по заявке на изобретение Ä4848828/28 (СССР) "Способ ультразвукового томографического контроля изделий" / А.В.Осетров, A.A.Туржанский // Положительное решение по заявке от 21.11.91.

3. Турканский A.A. Один из. способов цифровой обработки акустических сигналов с комбинированного приемника // Тез.Докл. V Дальневосточной акустической конф. "Акустические методы и средства исследования океана".-Владивосток.-1989.-Т.4.-С.88-89.

4. Пигулевский Е.Д., Туржанский A.A. Нелинейные методы синтеза и фильтрации акустических изображений в ультразвуковой реконструктивной компьютерной то.мографии // Дефектоскопия.-1993.--.11.-С.11-17.

'.. 5. Туржанский A.A. Подавление фантомов ультразвуковой мультипликативной компьютерной томографии // Тез.Докл.XI Всесо-юзн.акустической конф.-Москва.-1991.-Секция Т.- С.123-126.

6. Туржанский A.A. Нелинейные методы фильтрации изображений в ультразвуковой реконструктивной компьютерной томографии // Тез. Докл.Межрегионального семинара "Системы цифровой обработка и анализа изображений: СЦОИ-91".-Рига.-1991.-С.51-53.

,7. Туржанский A.A.,Формирование и обработка акустических изображений с использованием модернизированных алгоритмов вычислительной томографии // Труды III Международного семинара "Цифровая обработка изображений в медицине, дистанционном зондировании и визуализации информации: Б1Р-92".-Рига.-1992.-С.129-131.

.8. Туржанский A.A. Особенности математической обработки априорных темпоральных голограмм без ухудшения помехоустойчивости алгоритмов цифрового томосинтезэ акустических изображений // Тез. Докл.Всесоюз.научно-техн.конф. "Методология измерений".- Ленинград. -1991.- С.103-104.

■ 9. Туржанский A.A. Исследование вероятностных характеристик обнаружения и помехоустойчивости системы акустического изображения при мультипликативной.обработке сигналов // Дефектоскопия . -1993. -*6. -С. 12-19.

10. Туржанский A.A. Разрешение томографического изображения

при скашфовании по окружности и наклонной падении звукового пучка // в кн.: "Известия JBTÜ".-Л.:ЛЭТИ.-"Акустическая интроско-ЦИЯ".-*432.-С.87-93.

11. Пигулевский Е.Д., Туржанский A.A. Система формирования д обработки изображение для реконструктивной акустической томо-. графии в нервзрушащеы контроле промышленных изделий // Тев.Докл. III Всесовзн.акустического семинара "Модели,алгоритмы, принятие решений".- Минск.-1991.-С.8.

12. Пигулевский Е.Д., Туржанский А.А. Система формирования К обработки изображений для реконструктивной акустической томографии в неразрушащем контроле промышленных изделий // Тез. > Докл. IV Всесоюзн.научно-техн.конф. "Методы и средства обработки сложной графической информации".-Нижний Новгород.-1991.-С.157.

13. Пигулевский Е.Д., Сенчук В.И., Туржанский A.A. Особенности пространственной ориентации акустических приемоизлучателей В системе ультразвуковой реконструктивной томографии // Тез. Докл.Всесовз.научно-техн.конф. "Методология измерений".- Ленин-^ад.-1991.-С.84.

14. Осетров А.В.,Пигулевский Е.Д..Рыжков А.Ф.,Сенчук В.И.» Туржанский A.A. Реконструктивный акустический томограф // Тез. Докл.1 Всесоюзн.конф. "Физика и конверсия".-Калининград.т1991 43.45-46.

15. Осетров A.B.. Пигулевский Е.Д.,. Туржанский A.A. Акустический цер^зрушаыций контроль дефектов в технологическом процесса изготовления элементов конструкций радиоэлектронных средств // Тез.Дркл.Всесошн.научно-техн.семинара "Диагностирование, надежность » аэразрушоющий контроль электронных устройств и систем".-^-Владивосток.-1990. -С. 160.