Способ голографирования объектов и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к области акустической голографии и может быть использовано в дефектоскопии, реконструктивной томографии в медицине, в системах звуковидения. Сигналы с дипольной антенны перемножают друг с другом, дискретизируют, скалярно перемножают с m-последовательностью, порожденной неприводимым примитивным полиномом над полем Галуа GF(2), с помощью кодирующего коммутатора и прямого быстрого преобразования Уолша, полученную голограмму подвергают обратному преобразованию Уолша и по окончании цикла формируют на декодирующем коммутаторе изображение исследуемого объекта. Это достигается тем, что выходы пар акустических приемников подключены через умножитель, аналого-цифровой преобразователь, кодирующие коммутаторы к оперативному запоминающему устройству через блок прямого быстрого преобразования Уолша, формирующего голограмму объекта, выходы которого подключены через блок быстрого обратного преобразования Уолша к декодирующему коммутатору изображения объекта. Технический результат - повышение четкости голографирования объекта. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области акустической голографии и может быть использовано в дефектоскопии, реконструктивной томографии в медицине, в системах звуковидения.

Известны устройства формирования голографического изображения, включающие прием объектной волны акустического спектра и регистрацию фазовой голограммы (см., например, Метерель А.Ф. Сравнительная важность фазы и амплитуды в акустической голографии. Сборник статей "Акустическая голография". Л.: Судостроение, 1975, с. 77 - 92). Наиболее полно проанализированы устройства голографирования объектов в книге Е. И. Качанов и др. Методы и средства гидроакустической голографии. Л.: Судостроение, 1989, с. 66 - 70). Эти методы основаны на получении фазовой голограммы с применением антенной решетки из акустических приемников, либо при механическом или при электронном сканировании, позволяющем регистрировать поле от объектов по всей площади приемной апертуры. Однако сложность и высокая стоимость таких многоканальных устройств регистрации ограничивает возможности их практической реализации. Антенная решетка из нескольких приемников при формировании голографического изображения требует включения в обработке большое количество усилителей, аналого-цифровых преобразователей и других согласующих узлов.

Из известных методов формирования голографического изображения к наиболее близким по технической сущности можно отнести способ, заключающийся в приеме сигналов по крайней мере двумя парами разнесенных приемников, вычислении взаимных спектров, компенсации квазигармонических составляющих, обратном преобразовании Фурье от взаимных спектров, определении временных задержек максимумов корреляционных функций с определением местоположения нескольких источников, обладающих квазигармоническими компонентами шумоизлучения в виде звукоряда, производят выделение звукоряда по модулю взаимных спектров и поочередную компенсацию всех выделенных звукорядов (Е.И. Качанов и др. Методы и средства гидроакустической голографии. Л.: Судостроение, 1989, с. 178).

Однако известный способ голографирования объектов не обладает высокой четкостью, а устройство его реализации на существующей цифровой элементной базе сложно. Невысокая четкость обусловлена разложением сигнала с применением преобразования Фурье, которая оценивается интегралом Фурье периодической последовательности импульсов длительности , амплитуды A на периоде дискретизации T, обратно пропорционально ширине полосы _o разрешающей способности где а_n - коэффициент ряда Фурье; _o = 2/T. Сложность устройства прототипа заключается в компенсации квазигармонических составляющих в виде звукоряда при выделении звукорядов по модулю взаимных спектров и их поочередной компенсацией, а также невозможности полной компенсации вследствие наличия боковых лепестков спектрального разложения на других частотах.

Целью настоящего изобретения является разработка простого устройства, реализующего способ голографирования объектов одновременно обладающего высокой четкостью, а также широкими возможностями вариаций изменения пространственной частотной области фильтрации.

Поставленная цель обеспечивается тем, что поступающий с дипольной антенны сигнал скалярно перемножают с m-последовательностью, порожденной неприводимым примитивным полиномом над полем Галуа GF(2), с помощью кодирующего коммутатора и прямого быстрого преобразования Уолша, полученную голограмму подвергают обратному быстрому преобразованию Уолша и по окончании цикла формируют на декодирующем коммутаторе изображение исследуемого объекта. При этом изменение пространственной частотной области фильтрации определяется в виде m-последовательности, порожденной неприводимыми примитивными полиномами над полем Галуа GF(2) степени m.

Устройство, реализующее предложенный способ включает в себя пару акустических приемников, выходы которых подключены через кодирующие коммутаторы к оперативному запоминающему устройству, к которому подключен блок прямого быстрого преобразования Уолша, формирующего голограмму объекта, выходы которого подключены через блок обратного преобразования Уолша к декодирующему коммутатору изображения объекта.

Введенные признаки отсутствуют у прототипа и аналогов, что подтверждает новизну и существенность отличий заявляемого изобретения. Эти же признаки обеспечивают получение положительного эффекта. Последнее обосновывается при последующем описании способа.

Такая процедура голографирования объектов с применением преобразования Уолша позволяет повысить четкость его на величину, пропорциональную боковому лепестку интеграла Фурье. Это обеспечивается ортогональностью преобразования и отсутствием бокового лепестка спектрального разложения входного сигнала по функциям Уолша.

Упрощение процесса фильтрации обеспечивается заменой процедуры сравнения на операцию скалярного умножения на 1, которая существенно увеличивает быстродействие согласно алгоритмам быстрого преобразования Уолша и упрощает процесс формирования голографического изображения на существующей элементной базе в реальном масштабе времени.

Предлагаемое устройство голографирования объектов может быть пояснено реализующей его блок-схемой, приведенной на чертеже, где приняты следующие обозначения: 1 - антенная решетка из двух акустических приемников с приемно-усилительными каскадами, 2 - умножитель, 3 - аналого-цифровой преобразователь, 4 - кодирующий коммутатор, 5 - оперативное запоминающее устройство,
6 - блок прямого быстрого преобразования Уолша,
7 - блок обратного быстрого преобразования Уолша,
8 - декодирующий коммутатор.

Согласно предлагаемому устройству излучаемый протяженным объектом акустический сигнал принимается антенной решеткой из двух приемников 1, превращается в цифровой сигнал X в аналого-цифровом преобразователе 2, перемножается с местно-генерируемой m-последовательностью G(N), порожденной неприводимым примитивным полиномом степени m над полем Галуа GF (2) и через кодирующий коммутатор 4 поступает в оперативное запоминающее устройство 5 в виде вектора KX.

Полученный вектор подвергается преобразованию (1) вида
Z=K^-1GX (1),
имеющий размерность 2^m, который и определяет голограмму объекта.

Преобразование 1 осуществляется с помощью оператора, формирующего всевозможные отклики рекуррентного регистра сдвига с обратной связью, порожденной неприводимым примитивным полиномом над полем Галуа GF (2), например, для полинома X³X1 преобразование G(N) будет:

Цикл голографирования задается временем генерирования строк данного оператора.

Вследствие коммутативности преобразования Галуа G и преобразования Адамара A, например, для полинома X³X1:
K^-1G=AK, (3)
где


Преобразование (1) можно свести к виду:
Z=AKX (6)
Полученный таким образом сигнал представляет собой дискретное преобразование Адамара по спектральным функциям Уолша, которое может быть вычислено с помощью устройства для вычисления коэффициентов быстрого преобразования Уолша, выполненного, например, по авторскому свидетельству N 744555, G O6 F 7/38, опубликованному в бюллетене изобретений 1980 г. N 24.

Решение уравнения (6) сводится к получению изображения объекта по голограмме в блоке 7:
X=2ⁿAK^-1, (7)
вследствие свойств матриц Адамара:
A^-1=2ⁿA (8)
восстановление голограммы изображения осуществляется в декодирующем коммутаторе 8 после окончания цикла сканирования.

При смешении нескольких пространственно разнесенных по фазам и амплитудам сигналов наблюдалась пространственная форма сигнала на частотах функции Уолша в виде величины сжатия N=2^m при нулевых боковых лепестках на всех остальных функциях Уолша. С помощью быстрого преобразования Уолша четко восстанавливается исходный сигнал. Никакого взаимного влияния от разложения сигнала по функциям Уолша не наблюдалось.

Таким образом предложенный способ голографирования объектов и устройство для его реализации по сравнению с известными обеспечивает простыми средствами выигрыш по четкости и точности восстановления сигнала, исключает мешающие эффекты, связанные с боковыми лепестками при разложении сигнала по узкополосным фильтрам и может быть рекомендован при построении систем звуковидения, а также в устройствах дефектоскопии и реконструктивной томографии.

Устранение указанных недостатков осуществляется полной ортогональностью быстрых преобразований Уолша, имеющих нулевой боковой лепесток в разложении по функциям Уолша, а также простотой его реализации, оцениваемой величиной log₂N, где N пропорциональна длине реализации цикла голографирования объектов.

Автором смоделирован процесс получения голографического изображения на персональном компьютере IBM-PC, AT на тестовой плате TMS-320. Изготовлен макет. Экспериментальная проверка проводится в лабораторных условиях. Использование заявляемого устройства по прямому назначению предполагается в 1995 г.

Формула изобретения

1. Способ голографирования объектов, включающий в себя прием широкополосного сигнала с помощью антенной решетки, выделение из принятого сигнала с помощью фильтрации совокупности узкополосных сигналов, формирование голограмм для каждого узкополосного сигнала, восстановление изображений, отличающийся тем, что поступающие с дипольной антенны сигналы перемножают друг с другом, дискретизируют и скалярно перемножают с m-последовательностью, порожденной неприводимым примитивным полиномом над полем Галуа GF(2) с помощью кодирующего коммутатора и прямого быстрого преобразования Уолша, полученную голограмму подвергают обратному преобразованию Уолша и по окончании цикла формируют на декодирующем коммутаторе изображение исследуемого объекта.

2. Устройство, реализующее способ голографирования объектов, содержащее антенную решетку из двух акустических приемников с приемно-усилительными каскадами, умножитель, аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что в него введены кодирующий и декодирующие коммутаторы, оперативное запоминающее устройство и блоки быстрого прямого и обратного преобразования Уолша, причем выходы пары акустических приемников подключены через умножитель, аналого-цифровой преобразователь, кодирующий коммутатор к оперативному запоминающему устройству через блок прямого быстрого преобразования Уолша, формирующего голограмму объекта, выходы которого подключены через блок быстрого обратного преобразования Уолша, к декодирующему коммутатору изображения объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1