Анотація до роботи:

Огір О.С. Математичні моделі звукової голограми та обчислювальні методи реконструкції акустичних зображень в системах ехоскопії високого розрізнення. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук по спеціальності 01.05.02 - Математичне моделювання та обчислювальні методи. Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г. Є. Пухова Національної Академії наук України, м. Київ, 2003.

Розроблена і досліджена дискретна апроксимаційна математична модель звукової голограми, побудована на основі апроксимацій дифракційного інтеграла Релєя-Зоммерфельда. Модель враховує фізичні особливості реєстрації амплітудних і фазових даних голограми і дозволяє вирішувати обернену задачу реконструкції акустичних зображень.

Досліджений та обґрунтований запропонований одновимірно-растровий метод формування голограмного зображення двовимірного перетину середовища (об'єкту). Модель фазових компонент голограми основана на апроксимації трьохвимірних описів просторового положення точок-неоднорідностей середовища в звуковому імпульсі їх одновимірними проекціями на вісь координат, колінеарну лінійній вимірювальній апертурі.

Безпосереднє вимірювання фазових характеристик коротких ехоімпульсних сигналів звукової хвилі є проблематичним. В роботі запропонована методика формування багаточастотної фазової голограми на основі Фур'є-спектрів реєст-рованих імпульсних ехосигналів.

У дисертації отримано нове вирішення наукової проблеми, що полягає у створенні математичних та фізичних основ побудови квазіголографічних систем ехоскопії нового покоління, що мають високі показники просторового розрізнення, завадостійкості та точності відтворення пікселів акустичних зображень, а саме:

1. Розроблена дискретна апроксимаційна математична модель звукової голограми, яка враховує:

а) фізичні особливості процесу реєстрації амплітудних і фазових компонент звукової голограми;

б) припустимі похибки фазових компонент, що визначаються мінімальним значенням початкової робочої глибини зондування;

в) особливості реєстрації даних одновимірної голограми по часовим реперним точкам, відповідним голографічним кутам зсуву фази, що обчислені для кожного i-го ехоприймача апертури по експоненціальному квадратичному множнику Френеля.

Розроблена апроксимаційна модель дозволяє зняти обмеження Френеля на співвідношення між величиною апертури і дальністю дії системи, на довжину і напрямки розповсюдження відбитої хвилі від звукового імпульсу до ехоприймачів вимірювальної апертури, розв’язувати обернену задачу реконструкції зображень.

Використання розробленої апроксимаційної моделі дозволяє покращити поперечне розрізнення КГ-системи в 6–50 разів порівняно з системами-аналогами неголографічного типу.

2. В роботі доведено, що трьохвимірні фазові описи просторового положення точок-неоднорідностей середовища в об’ємі звукового імпульсу можуть бути апроксимовані їх одновимірними проекціями на координатну вісь об’єктної площини x₁, колінеарну лінійній вимірювальній апертурі. Така апроксимація не вносить похибок до відтворених по фазовій одновимірній голограмі значень інтенсивності коливань фокусованих точок, оскільки матриця фазової передатної функції вільного простору не змінює при цьому модулів характеристичних комплексних чисел, змінюються тільки їх фазові характеристики.

3. Розроблено вперше одновимірно-растровий метод формування голограмного акустичного зображення двовимірного перетину середовища, що полягає в наступному:

а) декомпозиції досліджуваного середовища на елементарні об’єми, відповідні послідовним просторово-часовим положенням звукового імпульсу в звуковому промені;

б) реєстрації одновимірних фазових (амплітудно-фазових) звукових голограм, відповідних елементарним об’ємам досліджуваного середовища (об’єкту);

в) реконструкції зображень (інтенсивності коливань сигналів) точок-неоднорідностей на акустичній осі звукового променя по відповідним одновимірним голограмам елементарних об’ємів досліджуваного середовища і компоновка одержаних зображень точок в растрову лінію зображення;

г) компоновка растрових ліній в акустичне зображення площинного перетину досліджуваного середовища.

Одновимірно-растровий метод дозволяє формувати в КГ-системі акустичні зображення з високими характеристиками просторового і контрастового розрізнення.

4. Вперше розроблено обчислювальний метод відтворення інтенсивності ехосигналів фокусованих точок середовища на акустичній осі звукового променя на основі перетворення Френеля-Фур’є.

При цьому для відтворення не є обов’язковою вимога широкосмугової дискретної голограми, а кількість точок дискретизації апертури на порядок нижча, ніж при реалізації методів ОХФ і КФ.

Розроблений метод дозволяє використання проміжних обчислювальних процедур фільтрації сигналів-завад ревербераційного типу і вторинних дифракційних максимумів Фур’є-перетворення.

В результаті використання фільтраційних процедур типу “WINDOWING” похибка відтворення інтенсивності сигналів фокусованих точок не перевищує 1% при сигналах-завадах, які діють за межами контрастної розрізнювальної здатності системи.

5. Внаслідок короткої тривалості (2–3 періоди) ехоімпульсних сигналів і затухання високочастотних компонент їх Фур’є-спектрів при розповсюдженні в досліджуваному середовищі, безпосереднє вимірювання фазових компонент голограми на робочій (несучій) частоті при реєстрації сигналів є проблематичним.

В дисертації вперше розроблена методика реєстрації одновимірних фазових голограм і відтворення комплексних амплітуд фокусованих точок на основі Фур’є-образів реєстрованих ехосигналів – функцій часу. Методика передбачає:

1. реєстрацію оцифрованих даних ехосигналів з виходів підсилювачів ехоприймачів у відповідності з функцією часових реперних точок, відповідних голографічним кутам зсуву фази в квадратичному множнику Френеля для кожного i-го ехоприймача;

виконання операції прямого дискретного Фур’є-перетворення зареєстрованих цифрових ехосигналів;

виборку з Фур’є-спектрів комплексних компонент, відповідних визначеній спектральній частоті і компоновку їх в одновимірну звукову голограму;

формування сукупності сформованих одновимірних голограм для декількох (або всіх) спектральних частот Фур’є-спектра ехосигналів, що є аналогом багаточастотної голограми ехосигналу в точці растрової лінії (акустичної осі звукового променя);

виконання операції визначення комплексних амплітуд ехосигналу фокусованої точки за даними одновимірних голограм, що здійснюється шляхом виконання операцій “WINDOWING” та підсумовування комплексних компонент голограм;

визначення інтенсивності ехосигналу в пікселі (фокусованій точці), що здійснюється шляхом зваженого підсумовування значень інтенсивності, які одержані по моночастотним голограмам.

6. Розроблена модель, алгоритми і програми комп’ютерного синтезу звукової голограми Френеля для площинних (двовимірних) перетинів середовищ (об’єктів), для яких є відомим розподіл комплексних амплітуд відбитої звукової хвилі в об’єктній площині.

7. Розроблені в дисертації математичні основи побудови КГ-систем ехоскопії, включаючи математичну апроксимаційну модель голограми, обчислювальний метод формування акустичних зображень, апаратурне та програмне забезпечення процесу формування растрових голограмних зображень дозволяють реалізацію КГ-систем різного призначення, в тому числі:

гідроакустичних КГ-систем відображення підводних об’єктів (в т.ч. малорозмірних) і рельефа донної поверхні з азимутальним кутовим розрізненням 2–6, що значно перевищує характеристику розрізнення відомих панорамних гідроакустичних систем відображення. Погрішність відтворених в пікселах сигналів складає не більше 1 % в умовах дії сигналів-завад ревербераційного типу поза зоною розрізнення;

УЗ медико-діагностичних КГ-систем візуалізації стану внутрішніх органів, де характеристики просторового розрізнення, точності відтворення амплітуд ехосигналів фокусованих точок мають вирішальне значення для достовірності діагностичної інформації;

УЗ КГ-систем неруйнівного контролю середовищ, матеріалів і об’єктів для візуалізації місцеположення, форм і розмірів дефектів у вигляді мікротріщин, сторонніх включень і т.п.

1. Розроблено пакет програм комп’ютерного моделювання КГ-систем в середовищі “MATLAB”, що дозволяє вирішувати задачу вибору оптимальних реалізаційних характеристик системи при її проектуванні і забезпечити досягнення заданих інформаційних показників якості акустичного зображення (розрізнювальна здатність, точність відтворення амплітуд ехосигналів в пікселах зображення, завадостійкість, дальність дії) в умовах обмежень на об’єм вимірювально-обчислювальної апаратури та вимог реального часу функціонування системи.

2. Розроблено структурну схему реалізації вимірювально-обчислювального блоку формування фазових голограмних описів і реконструкції растрових голограмних акустичних зображень в КГ-системі медичної візуалізації.

3. Розроблений метод формування голограмних зображень дозволяє вирішити задачу побудови гідроакустичних ехолотних систем відображення на екрані відеомонітору (в точкових кольор-моделях) розмірного складу (інтенсивності сигналів) та місцеположення гідробіонтів в скупченні. Вказані параметри відображаються у вигляді акустичного зображення вертикального розрізу водного середовища, що містить в собі неоднорідності-гідробіонти. Це дозволяє здійснювати раціональний з економічної та екологічної точок зору промисел рибних скупчень.

Публікації автора:

1. Евдокимов В. Ф., Огир А. С. Математическое моделирование сигналов и процессов в акустической голографии: проблемы и перспективы. - «Электронное моделирование», т. 18, 1996, № 4.- С. 29-33.

2. Евдокимов В. Ф., Огир А. С. О построении системы ультразвукового конт-роля конструкционных материалов объектов энергетики и машиностроения. - «Электронное моделирование», т. 23, № 5, 2001. - С. 85-90.

3. Евдокимов В. Ф., Огир А. С. О дискретной математической модели звуковой голограммы. - «Электронное моделирование», т. 22, № 1.- 2000.- С. 3-8.

4. Жуков И. А., Огир А. С., Труш А. И. О быстродействующем компьютерном методе восстановления изображений в цифровой голографии. - Проблемы информатизации и управления//Сб. научи, трудов. - НТУУ «Киевский политех-нический институт», КМУ гражданской авиации, вып. 3, 1998. - С. 214-220.

5. Жуков И. А., Огир А. С., Труш А. И. О принципах построения гологра-фических систем ультразвуковой интроскопии высокой разрешающей способ-ности. - Сб. на-учн. трудов, КИИГА, Киев, 1994. - С. 191-196.

6. Кайков В. Н., Огир А. С., Журавлев Ж. П., Войченко Г. И., Рыцарь А. В. Выбор структуры судовой информационной системы оценки промысловой обстановки гидроакустическим методом //Сб. научн. трудов ПИНРО. - ВНИРО. - Инструментальные методы оценки запасов промысловых объектов. - Мурманск, 1988. - С. 130-134.

7. Огир А.С., Месяц С.В., Кофто А.Г. Исследование вопросов синтеза голо-грамм Френеля в цифровой акустической голографии. - «Электронное модели-рование», 1993, т. 15, №6. -С. 75-78.

8. Огир А.С. Исследование процессов компьютерного восстановления акусти-ческих изображений.//Методы и средства компьютерного моделирования. Сб.научн.трудов , ИПМЭ НАНУ, 1997. - С. 41-44.

9. Огир А.С. О построении квазиголографической системы акустического контроля материалов. //Моделювання та інформаційні технології. 36. наук. праць ІПМЕ НАНУ, вип. 13, 2002. - С. 76-81.

10. Огир А.С. Компьютерное моделирование систем отображения подводных объектов. //«Электронное моделирование», т. 24, № 5, 2002. - С. 105-114.

11. Евдокимов В.Ф., Огир А.С. О развитии принципов построения разрядно-аналоговых вычислительных систем на основе микропроцессорных средств.// «Электронное моделирование», 1989, т. 11, № 1. - С. 10-13.

12. Огир А.С. О квазистационарном измерении линеаризованной звуковой голограммы в соответствии с функцией пространственно-временных точек.// ”Моделювання та інформаційні технології.”: Збірник наукових праць.-Київ.-2003.-вип.20-с.185-189.

13. Огир А.С. О компьютерном моделировании квазиголографической системи эхоскопии с линейной апертурой измерений. //Збірник наукових праць ІПМЕ. –Київ.-2003.-вип.19.-с.170-175.

14. Огир А.С. Исследование и компьютерное моделирование процесса реконструкции голограммных акустических изображений методом обращен-ного волнового фронта.//“Захист інформації”.: Збірник наукових праць.-Київ.-2003.-вип.10.-с.156-165.

15. Огир А.С. Формирование модели звуковой голограммы, свободной от ограничений параксиального приближения Френеля. //”Інформатика, управлін-ня та обчислювальна техніка”.: Вісник Національного технічного університету України “КПІ”.-Київ.-2003.-вип.40.-с.170-177.

16. V.F. Evdokimov, A.S. Ogir, Zh.P. Zhuravlev. Investigation of Mathematical Models for Representing Holograms in Computer Systems of Acusto-Optikal Imaging.- Engineering Simulation, Vol. 11, № 4, 1994. - P. 687-695.

17. V. F. Evdokimov, A. S. Ogir, S. V. Mesyats Development of Fast Stabl Computer Methods Reconstruction Images in Digital Acoustic Holography. - Engineering Simulation, V.I 1, N 5, 1994.-P. 824-836.

18. V. F. Evdokimov, A. S. Ogir Principles of Computer Soundvision Systems Desingn. - Engineering Simulation, v. 12, N 3, 1995. - P. 456-464.

19. A.S. Ogir, Zh.P. Zhuravlev, S.V. Mesyats, I.A. Ogir Investigation of Underwater Sinthesized-Aperture Acousto-Optikal Imaging Systems with Computer - Aided Reconstruction of Acoustic Images. – Engineering Simulation, V12, N 4, 1995. - P. 633-641.

20. A.с. №926612 СССР, МКИ G01 15/96. Устройство обработки сигналов для количественной оценки рыбных скоплений /В.Ф. Евдокимов, А.С. Огир, Б.К. Крыжный, В.С. Годлевский, А.П. Стеканов, А.А. Щепановский, 3.М. Берди-чевский, В.Д. Теслер, И.Ф. Зубенко и Я. М. Вайнштейн (СССР). - 3 с. Опубл. 07.05.82. Бюл. №17.

21. А.с. №1149763 СССР, МКИ G01 7/52. Приемник эхосигналов /В.С. Год-левский, Ю.В. Васильев, А.А. Щепановский, 3.М. Бердичевский, Г.С. Годлев-ская, А.А. Певко, А.С. Огир, Я.М. Вайнштейн, В.В. Месяц и М.Д. Подлипанов (СССР). – 8 с. ил. Зарегистрировано в Гос. Реестре изобретений 06.04.83.

22. А.с. №1780069 СССР, МКИ G01 7/52. Приемник эхосигналов /А.С. Огир, А.В. Рыцарь, В.М. Баранников, Ж.П. Журавлев, 3.М. Бердичевский, В.Д. Теслер, Г.И. Войченко и С.В. Месяц (СССР). 4 с. ил. Опубл. 07.12.92. Бюл. № 45.