Візуалізація зображення внутрішньої структури об’єкта контролю

міністерство  освіти і науки, молоді та спорту україни

Національний авіаційний університет

Кафедра авіаційних радіоелектронних комплексів

 

 

 

 

ДОПУСТИТИ ДО ЗАХИСТУ

 

проф. А.Семенов

 

“ ___ ” ______________ 2012 р.

 

 

 

 

КУРСОВА РОБОТА

(пояснювальна записка)

 

 

Тема: Візуалізація зображення внутрішньої структури об’єкта контролю

 

Курс: Теоретичні основи та принципи побудови доглядової техніки

 

 

Варіант (номер залікової книжки)       208055

 

 

Розробив          Кисіль В.В.

студент

 

Керівник

професор          Семенов О.О.

 

 

 

 

 

 

 

Київ 2012/13 

Національний  авіаційний університет

Кафедра авіаційних радіоелектронних комплексів

Спеціалізація 7.090702.04  ”Доглядові та охоронні системи”

 

ЗАВДАННЯ

ПО КУРСОВІЙ РОБОТІ СТУДЕНТА

Кисіля Віталія Васильовича

Курс: Методи та засоби обробки сигналів

 

1. Тема роботи:

Візуалізація зображення внутрішньої структури об’єкта  контролю

2. Термін здачі студентом закінченої роботи 28 грудня 2012 р.

3. Вихідні дані до проекту:  згідно з варіантом № АВС 055

4. Зміст та обсяг розрахунково-пояснювальної записки:

Анотація з індексами  УДК та ББК (1 с.)

Вступ (1с.)

Огляд існуючих методів  візуалізації внутрішньої структури  ОК (3 с.)

Обчислення показників моделі (10 с.):

Аналітична модель двомірна розподілу густини ОК

Аналітична модель розподілу  імпульсних завад зображення ОК

Геометричні спотворення  зображення. Крайовий ефект

Графічна модель двомірна розподілу яскравості зображення ОК

Графічні моделі розподілу  кольору зображення ОК для трьох  шкал

Двомірна непараметрична обробка зображення

Сумісна проекція непараметричної та кольорової обробки зображення

висновки (1 с.)

Список літератури (1 с.)

 

5. Перелік графічного матеріалу:

Функції розподілу трьох  шарів (А4)

 

6. Дата видачі завдання       1 жовтня 2012 року.

 

Керівник         А.Семенов

Завдання прийняв до виконання____________________

 

 

УДК 656.71.06:656.7.08(079)

 

 

Кисіль В.В. Візуалізація зображення внутрішньої структури об’єкта контролю: Курс. робота / Керівн. А. Семенов, Київ, Національний авіаційний університет, кафедра авіаційних радіоелектронних комплексів. – К.: НАУ, 2012. – 23  с.

 

Стор. 23, іл. 16, таблиць 1.

 

В роботі наведені основні відомості  про методи візуалізації внутрішньої  структури об’єкта контролю. За прийнятої системи обмежень розраховані  аналітичні моделі багатошарового об’єкту. Для точкового джерела розраховане затухання гомогенного випромінювання в тришаровому ізотропному напівпрозорому об’єкті та наведене зображення внутрішньої структури ОК для псевдокольорової шкали. Змодельовані хаотичні імпульсні завади.

 

зміст

 

 

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ

ГВ	–	Гамма-випромінювання
ДК	–	Доглядовий контроль
ЕМВ	–	Електромагнітне випромінювання
ІЧВ	–	Інфрачервоне випромінювання
НВЧ	–	Надвисока частота
ОК	–	Об’єкт контролю
РВ	–	Рентгенівське випромінювання
САБ	–	Служба авіаційної безпеки
УФ	–	Ультрафіолетовий

 

 

ВСТУП

Метою діяльності служб безпеки  аеропортів є забезпечення авіаційної безпеки, регулярності та ефективності роботи аеропортів цивільної авіації здійсненням заходів по захисту від актів незаконного втручання  згідно з чинними правилами, рекомендованої практики та процедурами.

Застосування сучасних установок  та систем виявлення вибухових пристроїв та зброї може істотно підвищити безпеку аеропортів, але навіть досконала система такого призначення має обмежені можливості та велику вартість, а впровадження таких систем у національному масштабі потребує три – п’ять років.

Багато спеціалістів розглядають  нові технології як заходи  посилення  боротьби з тероризмом. Але без  систем, що здатні здійснювати догляд авіапасажирів та їхнього багажу без нарікань з боку пасажирів, будуть збільшуватися затримки в аеропортах у наслідок ручного догляду. Авіалінії змушені будуть скоротити обсяг польотів щонайменше на 30 % для підтримання певного рівня безпеки. Сучасні системи виявлення на основі рентгенотехніки, комп’ютерної томографії та спектроскопії рухомих іонів мають певні недоліки. Деякі з цих систем можуть виявити добре заховані вибухові речовини, але їх впровадження потребує значних коштів та до того вони мають високий рівень помилкових тривог.

Створення ефективного захисту  від тероризму є складною проблемою, особливо для країн, що мають розвинену мережу повітряного транспорту з великою кількістю авіаліній та аеропортів із своїми особливостями. Проблема ускладнюється також непередбаченістю дій терористів. Важливе значення має також наявність уразливих місць у системах авіаційної безпеки, які можуть бути використані зловмисниками. До таких уразливих місць відносять, наприклад, процедури догляду авіапасажирів та їх багажу, вантажів і поштових відправлень.

Найважливішою проблемою є попередження потрапляння на борт літаків вибухових  пристроїв та зброї. Ця проблема має розглядатися як національна, а не така, що стосується тільки цивільної авіації, і розв’язуватися сумісними зусиллями держави та промисловості.

Необхідне впровадження рентгенівських систем з двома рівнями енергії  випромінювання для 100%-го догляду авіабагажу на всіх внутрішніх та міжнародних авіалініях. Для підвищення загальної безпеки необхідно комплексне застосування різних технологій .

Діяльність авіаційної служби безпеки  регламентується чинним законодавством, яке базується на положеннях Повітряного кодексу України, Додатку 17 до Чиказької конвенції про Міжнародну організацію цивільної авіації (International Civil Aviation Organization, ІСАО), а також з урахуванням рекомендацій ІСАО.

 

1. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО МЕТОДИ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ВНУТРІШНЬОЇ СТРУКТУРИ ОБ’ЄКТА КОНТРОЛЮ

Зображення об’єктів можуть бути отримані за допомогою двох принципово відмінних засобів: пасивних – з  використанням власного випромінювання об’єктом контролю (ОК) і активних –  опромінюванням об’єкта за допомогою стороннього джерела випромінювання (Рисунок 1.1).

У звичному для людини оптичному діапазоні пасивний засіб  використовується при спостереженні світних об’єктів – полум’я, Сонця, зірок. Активний метод реалізується при спостереженні тіл, які освітлені сторонніми джерелами світла. Але в цьому випадку інтроскопія, тобто бачення внутрішньої структури ОК, можлива тільки у випадку ОК, прозорих в оптичному діапазоні довжин хвиль. Як в одному, так і в іншому випадках необхідні перетворювачі прийнятого випромінювання в оптичний діапазон, сигнали в якому можуть бути сприйняті людиною-оператором. Звичайно, здійснюване перетворення багатоходове і містить ряд проміжних перетворень в сигнали таких фізичних форм, які найбільш зручні для подальшої обробки. На практиці частіше за все використовують таку послідовність: первинні випромінювання – електричний сигнал – оптичне зображення.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок.1.1 – Методи візуалізації об’єктів:

а – пасивний; б - пасивний із стимуляцією власного випромінювання; в – активний просвічувальний; г – активний відбивний; 1 – джерело; 2 – приймач

 

Як первинне випромінювання в інтроскопії  використовуються акустичні хвилі (АХ), електромагнітні хвилі (ЕМХ) і  корпускулярні випромінювання. Характер взаємодії випромінювання з ОК залежить від фізичної природи випромінювання, його частоти або енергії часток, і, власне, може бути отримана цілком різна інформація про внутрішню структуру ОК.

У зв’язку з цим інтроскопічні  системи, які використовують різні  види випромінювання, доповнюють одна одну, дозволяючи контролювати дуже широкий асортимент ОК. Акустичні хвилі підходять для контролю об’єктів як металевих, так і неметалевих. Електромагнітні хвилі застосовуються для контролю діелектричних та напівпровідникових структур. Але ЕМХ дозволяють бачити металеві включення в діелектричному оточенні, що власне кажучи і використовується в доглядовій техніці. Інтроскопія металевих виробів здійснюється за допомогою рентгенівського (РВ) або гамма-випромінювання (ГВ). Позитронне випромінювання (ПВ) дозволяє отримати інформацію про атомну структуру металів, виявити аномалії субмікроскопічних розмірів.

Для формування зображення ОК використовують такі методи: прямої візуалізації, голографічні, томографічні.

Методи прямої візуалізації засновані на реєстрації когерентного або некогерентного випромінювання, отриманого після взаємодії первинного випромінювання з ОК (Рисунок 1.1, в, г – активні методи) або створеного самим ОК (Рисунок 1.1 а, б – пасивні методи). Зображення формується в результаті перетворення амплітуди чи густини потоку прийнятого випромінювання в яскравість оптичного зображення. В залежності від характеру реєстрованого випромінювання всі методи прямої візуалізації можна  поділити на три групи.

Пасивними методами реєструються власне випромінювання ОК, наприклад, ЕМХ радіочастотного або видимого випромінювання (Рисунок 1.1, а). В деяких випадках для збудження власного випромінювання на ОК впливають силами іншої фізичної природи, аніж зареєстроване випромінювання (Рисунок 1.1, б). Наприклад, під впливом зовнішньої сили у твердих тілах виникає імпульсне акустичне випромінювання, яке називається “акустична емісія”. При деформації або ударній напрузі металів з’являється надлишкове електромагнітне випромінювання (ЕМВ) в оптичному діапазоні, яке називається “механолюмінесценція”.

Опромінювання металів ультрафіолетовим випромінюванням (УФВ) при наявності  поверхневих дефектів зумовлює “екзоелектронну  емісію”, яка дозволяє отримати об’ємне  зображення аномалій. Прикладів пасивних методів можна навести багато, але їхня суть – реєстрація власного випромінювання ОК. Отримані зображення власного випромінювання людини в НВЧ – діапазоні, які використовуються для виявлення металевих або інших предметів під одягом.

Просвічувальні (трансмісійні) методи засновані на реєстрації випромінювання, що пройшло крізь об’єкт (Рисунок 1.1, в). Структурні неоднорідності в ОК поглинають або частково відбивають падаюче первинне випромінювання, тому послаблюють його. Такі методи називають “тіньовими”. Звичайно треба використовувати таке випромінювання, для якого ОК прозорий. Просвічувальні методи знайшли найбільше поширення із застосуванням ЕМХ радіочастотного, рентгенівського і гамма-випромінювання, потоків нейтронів, в меншій мірі – при використанні АХ.

 

 

 

 

Відбивні методи ґрунтуються на випромінюванні, відбитому або розсіяному внутрішніми неоднорідностями ОК (Рисунок 1.1, г). Для цього використовують як ЕМХ, так і АХ. У випадку застосування АХ ультразвукового діапазону частот для випромінювання і прийому використовують один електроакустичний перетворювач, тобто просторове розташування джерела і приймача випромінювання суміщене.

Вочевидь, що всім методам прямої візуалізації притаманні однотипні операції: опромінювання ОК первинним випромінюванням (у випадку активного методу), прийом вторинного (розсіяного або згасаючого первинного) випромінювання, перетворення його в електричний сигнал та перетворення електричного сигналу в оптичний сигнал. Тому всі системи прямої візуалізації можна зобразити однією узагальненою схемою Рисунок 1.2.

 

 

 

Рисунок 1.2 – Узагальнена структурна схема інтроскопічної системи

 

Для спрощення  опису цього процесу припустимо, що візуалізована структура ОК двовимірна, а справжній просторовий розподіл візуалізованого параметра описується функцією f(x, y), яка називається вихідним зображенням ОК. Після проміжних перетворень в інтроскопічній системі на індикаторі з’являється оптичне зображення, яке відрізняється від вихідного і являє собою розподіл яскравості зображення

 

     (1.1)

 

де ξ, η – просторові координати в індикаторі; Α – оператор перетворення; n(ξ, η) – шуми. Оператор Α може бути складним, оскільки процес отримання зображення складається з декількох етапів. У випадку інтроскопічної системи, яка використовує ЕМХ або АХ, цей оператор має вигляд згортки, тому вираз (1.1) приймає вигляд

де h(ξ, η, x, y) називають ваговою або апаратурною функцією. Вона описує діаграми напрямленості джерела і приймача випромінювання. Внаслідок неідеальності апаратурної функції h(ξ, η, х, у) оптичне зображення g(ξ, η) є спотвореним: зі зміненими пропорціями, розмитим (дефокусованим). Для усунення цих недоліків намагаються отримати апаратурну функцію h(*), яка була б якомога ближче до ідеальної, або математичними операціями над функцією g(ξ, η) намагаються відновити вихідне зображення f(x, y) числовою обробкою у електронно-обчислювальній машині (ЕОМ).

Голографічні  методи. Візуалізацію ОК можна реалізувати тільки за допомогою когерентних випромінювань акустичних і електромагнітних. Перші голографічні системи з’явилися в оптичному діапазоні. Голографічний метод отримання зображення ОК складається з двох етапів  - формування голограми та відновлення зображення. Голограму отримують шляхом реєстрації поля, яке виникає в результаті інтерференції розсіяної ОК хвилі та опорної хвилі. Реєстратором в оптичному діапазоні звичайно є фотопластинка, на якій реєструється амплітудно-фазовий розподіл сумарного поля. На другому етапі – відновлення зображення – фотопластинка опромінюється когерентною хвилею, яка дифрагує на голограмі. Внаслідок дифракції виникають три хвилі: неінформативна пряма хвиля підсвічування, яка поширюється за напрямком опорної хвилі; хвиля, яка збігається з розсіяною ОК хвилею; хвиля, комплексно спряжена з другою хвилею і відповідна дійсному зображенню .