Спосіб класифікації матеріалу об’єкта та пристрій для його реалізації

1. Спосіб класифікації матеріалу об'єкта, який полягає у випромінюванні імпульсного ультразвукового сигналу з частотою заповнення f1 в напрямі до об'єкта, прийманні та підсиленні відбитого від об'єкта сигналу на частотах f1 і f2=2f1, який відрізняється тим, що додатково проводять приймання, підсилення і часову селекцію багаторазово відбитих сигналів від об'єкта та поверхні води, які перевищили пороговий рівень, виділяють обвідні селектованих сигналів, вимірюють відношення амплітуд сигналів відповідних частот однойменних відбиттів, порівнюють отримані значення відношень з еталонними і при їх збігу приймають рішення про класифікацію об'єкта. 2. Пристрій для класифікації матеріалу об'єкта, який містить імпульсний генератор, вихід якого через комутатор підключений до ультразвукового A (54) СПОСІБ КЛАСИФІКАЦІЇ МАТЕРІАЛУ ОБ'ЄКТА ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО РЕАЛІЗАЦІЇ 39452 тичним імпедансом. У способі використовується тільки перший відбитий сигнал, що знижує інформативність розпізнавання. Технічна задача, що вирішується винаходом, підвищення точності класифікації об'єкту, донних відкладів (грунтів). Поставлена задача досягається тим, що в способі класифікації матеріалу об'єкту, який грунтується на випромінюванні ультразвукового імпульсного сигналу з частотою заповнення f1, прийманні багаторазово відбитого сигналу від об'єкту і поверхні води на частотах f1 і f2=2f1, виділяють обвідні багаторазово відбитих сигналів, порівнюють їх з пороговим значенням і, за відношенням амплітуд багаторазово відбитих сигналів, які перевищили порогове значення на частотах f1 і f2, судять про матеріал об'єкту. Спосіб реалізується пристроєм, який містить імпульсний генератор, вихід якого через комутатор підключений до ультразвукового перетворювача, вихід останнього через комутатор з'єднаний зі входом приймально-підсилювального пристрою, перший і другий фільтри, блок керування, виходи якого підключені до входів імпульсного генератора і комутатора, та блок індикації, додатково містить перший та другий блоки виділення обвідної сигналів, пороговий пристрій, часовий селектор, пристрій для вимірювання відношення амплітуд, блок пам'яті еталонів, блок порівняння, блок прийняття рішень, причому вихід приймально-підсилювального пристрою підключений до послідовно з'єднаних порогового пристрою та часового селектору, а вихід останнього з'єднаний зі входами першого і другого фільтрів, виходи останніх підключені до входів, відповідно, першого і другого блоків виділення обвідної сигналів, виходи яких з'єднані зі входами пристрою для вимірювання відношення амплітуд сигналів, вихід останнього підключений до першого входу блоку порівняння, вихід якого послідовно з'єднаний з блоком прийняття рішень і блоком індикації, вихід блоку пам'яті еталонів з'єднаний з другим входом блоку порівняння, виходи блоку керування підключені до входів керування часового селектора, порового пристрою, блоку пам'яті еталонів, блоку індикації, входи блоку керування з'єднані з виходом часового селектора та виходами блоку прийняття рішень, а другий вхід блоку порівняння приєднаний до виходу блоку пам'яті еталонів. Запропонована сукупність суттєвих ознак не відома ні з аналогів, ні з прототипу, дозволяє вирішити поставлену задачу, тобто підвищити точність класифікації об'єкту і тому відповідає критерію суттєвої відмінності. На фіг. 1 представлена фізична модель розпізнавання об'єкта у вигляді чотиришарового середовища; на фіг. 2 - залежність Аі від і для різних матеріалів; на фіг. 3 - структурна схема пристрою, яка реалізує спосіб; на фіг. 4 наведено приклади технічної реалізації блоку керування 5, на фіг. 5 блоку пам'яті еталонів 13. Пристрій для класифікації матеріалу об'єкту (фіг. 3) містить ультразвуковий перетворювач 1, зв'язаний через комутатор 2 з приймально-підсилювальним пристроєм 3, імпульсним генератором 4 і блоком керування 5. Приймально-підсилювальний пристрій 3 послідовно з'єднаний з пороговим пристроєм 6, часовим селектором 7, першим фільтром 8 і першим блоком виділення обвідної 10, пристроєм для визначення амплітуд 12, блоком порівняння 14, блоком прийняття рішень 15, блоком індикації 16. Часовий селектор 7 зв'язаний через послідовно з'єднані другий фільтр 9, другий блок виділення обвідної 11 з пристроєм для визначення амплітуд 12. Блок керування 5 з'єднаний із входами керування порогового пристрою 6, часового селектора 1, блоку пам'яті еталонів 13 і блоку індикації 16 та з виходом часового селектора 7, і виходами блоку порівняння 14. Вхід блоку порівняння 14 приєднаний до виходу блоку пам'яті еталонів 12. Блок керування 5 містить генератор імпульсів 17, тригер 18, схему І 19, лічильник імпульсів 20, демультиплексор 21, дешифратор 22 (фіг. 4). Блок пам'яті еталонів 13 містить джерело опорної напруги 29 та комутатор 28 (фіг. 5). Блок порівняння може бути реалізований у вигляді компараторів, а блок прийняття рішень - у вигляді схеми І. Реалізація основних блоків пристрою описана в [3 і 4], Суть пропонованого способу полягає в наступному. При розпізнаванні матеріалу об'єкту здійснюють випромінювання на частоті f1 імпульсного ультразвукового сигналу в напрямі до об'єкту, наприклад, розміщеного на дні. Приймання відбитих сигналів проводиться на частотах f1 і f2=2f1. При малих глибинах водойми доцільно використати відбитий сигнал (БВС) від об'єкту і поверхні водойми. Амплітуди БВС залежать від глибини водойми, віддалі джерела випромінювання від дна, коефіцієнтів відбиття від об'єкту (або грунту) і поверхні, параметрів матеріалу об'єкту або грунту, їхнього мікрорельєфу та форми. Розглянемо процес формування БВС для фізичної моделі чотиришарового середовища (фіг. 1). Шари характеризуються товщиною di, акустичним імпедансом Z. Відповідно до наведеної нумерації шарів: 1 - водне середовище; 2, 3 - шари відбиття; 4 - повітря. Шари 1, 3, 4 розглядаються як півпростори, в яких не створюється перевідбитих у зворотному напрямі хвиль. Товщина шару d2 може дорівнювати нулю. Приймально-випромінювальна система знаходиться у воді на границі вода-повітря, розглядається поширення сигналу під кутом 90° до дна. Для вузькосмугового сигналу амплітуду n-го відбиття запишемо у вигляді [5]: n Pn = P0 Vp -1Vg exp(-2 jk1nd1), (1) де Р0 - амплітуда зондуючого імпульса; Vp - коефіцієнт відбиття від границі шарів 1-4 при опроміненні зі сторони шару 1; Vg - коефіцієнт відбиття від границі шарів 1-2; n - номер відбиття; k - комплексне хвильове число. Очевидно, що величини Vp, Vg, k є функціями частоти. Крім того, в залежності від об'єкту, який моделюється шарами 2-3, буде змінюватися коефіцієнт Vg, що призведе до зміни амплітуди першого і ще більше амплітуд наступних відбитих сигналів. 2 39452 хідні сигнали блоку пам'яті еталонів 13. Визначені відношення амплітуд порівнюються з еталонними значеннями для однойменних відбиттів. При рівності визначеного та еталонного сигналів спрацьовує блок порівняння 14. В блоці прийняття рішень 15 виконується зіставлення за заданим критерієм виміряних сигналів А1...Аі та віднесення об'єкта до одного з класів матеріалів. Вихідний сигнал блоку 15 подається на блок 16 індикації. Блок 5 здійснює синхронізацію роботи пристрою і працює так. Генератор 17 генерує прямокутні імпульси. У вихідному стані тригер 18, лічильник 20 знаходиться у нульовому стані, на виході елемента 120 - логічний нуль. У момент закінчення сигналу часового селектора 7 тригер 18 перекидається в одиничний стан, відкривається елемент 119 і починається підрахунок імпульсів генератора 17 лічильником 20. Код лічильника 20 надходить на демультиплексор 21, який почергово пропускає імпульси з генератора 17 на вихід демультиплексора 21. На виході лічильника 20 формується код, що відповідає номеру джерела опорної напруги 25. Дешифратор 22 перетворює двійковий код у код блоку індикації. Демультиплексор 21 почергово підключає блок ключів 24 до джерел 25. Виходи ключів 24 приєднані до другого входу компаратора блоку порівняння 13. При рівності вихідної напруги блоку 12 і напруги джерела живлення 25 спрацьовує компаратор блоку порівняння 14, який зупиняє підрахунок імпульсів лічильником 20, та індикуються з допомогою блока індикації 16. На блок індикації 16 подаються код номерів джерела опорної напруги 25, що входить у блок пам'яті еталонів, при яких спрацьовують компаратори блока 14. Отже, запропонований метод і пристрій забезпечують підвищення точності класифікації об'єктів і донних відкладів, оскільки використання відношення амплітуд БВС дозволяє класифікувати об'єкти та донні відклади як з низьким, так і високим акустичним імпедансом, а також матеріали об'єкта з високим акустичним імпедансом між собою. Відношення амплітуд для і-х відбитих сигналів на частотах заповнення f1 і f2 буде дорівнювати [ A i = Pi (f ) / Pi (2f ) = P0 (f ) / P0 (2f ) ´ Vp (f ) / Vp (2f ) [ ] ´ Vg (f ) / Vg (2f ) i exp{- 2 jid 1[k 1 (f ) - k 2 (2f ) ]}. ]i-1´ (2) Інформація про об'єкт закладена у виразі Vg(f)/Vg(2f) і з ростом номера відбиття інформаційна ознака Аі змінюється за степеневим законом (фіг. 2). Зі зростанням номера відбивання точність класифікації підвищується, оскільки зростає параметр Аі. Послідовність дій з прийнятими БВС наступна. Прийняті сигнали, які перевищують пороговий рівень, підлягають часовій селекції, тобто є можливість обрати для процедури розпізнавання або весь БВС, або його частину, або окремий відбитий сигнал. Виділяють відбиті сигнали на частотах f1 і f2=2f1, а потім їх обвідні. Визначають відношення амплітуд сигналів, які відповідають вказаним частотам, для однакових номерів відбиттів. Порівнюють отримані значення відношень з еталонними і при їх збігу приймають рішення про належність матеріалу об'єкту до даного класу. Пристрій для реалізації запропонованого способу працює так. За командою блоку керування 5 запускається імпульсний генератор 4. Комутатор 2 підключає до акустичного перетворювача 1 імпульсний генератор 4. Імпульс заданої тривалості і частоти f1, сформований генератором 4, через комутатор 2 надходить на акустичний перетворювач 1. Перетворювач 1 випромінює в напрямі до дна (об'єкта) акустичний імпульс. Через деякий час, що визначається віддаллю до об'єкта та швидкістю поширення ультразвукових коливань у водному середовищі, на перетворювач 1 надходять багаторазово відбиті сигнали від об'єкту і поверхні води. Вихідні сигнали перетворювача 1 надходять на приймально-підсилювальний пристрій 3. Вихідний сигнал блоку 3 надходить на пороговий пристрій 6, де порівнюється з пороговим рівнем. Сигнали, які перевищать пороговий рівень, надходять на часовий селектор 7, в якому виділяється необхідна для вимірювання частина (або весь) прийнятий багаторазово відбитий сигнал. Сигнали з виходу блоку 7 надходять на входи першого 8 і другого 9 фільтрів, настроєних на частоти f1 і f2=2f1. Вихідні сигнали блоків 8 і 9 надходять на входи першого 10 і другого 11 пристроїв виділення обвідної (амплітудних детекторів). Сигнали з виходів блоків 10 і 11 надходять на входи пристрою для визначення відношення амплітуд 12, в якому відбувається визначення відношення амплітуд сигналів частот f1 і f2, які мають однойменні номери відбиттів. Вихідні сигнали блоку 12 надходять на перший вхід блоку порівняння 14, на другий вхід якого подаються ви Джерела інформації: 1. Патент ФРН № 2006152. 2. Волощенко В.Ю., Максимов В.Н., Тимошенко В.И. Параметрическая акустическая система для классификации объектов лоцирования. Респ. межвед. науч.-техн. сб. Вып. 21. – К., 1986. – С. 6365. 3. Алексеенко А.Г., Коломбет, Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых интегральных схем. – М.: Радио и связь, 1981. 4. Мелешко Е.А. Наносекундная электроника в экспериментальной физике. – М.: Энергоиздат, 1987. 5. Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред. – М.: Наука, 1989. – 412 с. 3 39452 Фіг. 1 Фіг. 2 4 39452 Фіг. 3 Фіг. 4 5 39452 Фіг. 5 __________________________________________________________ ДП “Український інститут промислової власності (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид.арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6