Определение оптимальных физических методов для решения поисковых задач

Классическое решение достаточного широкого круга поисковых задач, осуществляемых на основе методов НК и Д, предполагает в качестве первого и основного шага оптимальный выбор физического метода или их комбинации с учетом цели и содержания задачи, условий ее решения, а также особенностей объекта контроля и объекта поиска с последующей разработкой алгоритма, структурно-функциональной схемы прибора и непосредственно создание аппаратуры в совокупности с методикой контроля.

Основными требованиями, предъявляемыми к выбранным методам, являются:

1. Обеспечение эффективного решения поисковой задачи.

2. Обеспечение безопасности оператора при работе с поисковой аппаратурой.

3. Возможность создания мобильных и портативных поисковых систем.

К важным факторам, определяющим окончательное принятие решения о выборе того или иного метода контроля или их комбинации, относится наличие априорной информации о структуре и физических свойствах как объекта контроля, так и объекта поиска, характере взаимодействия физических полей с ними, а также условиях и допустимом времени контроля.

Для различных объектов контроля объекты поиска достаточно разнообразны и должны рассматриваться для каждого объекта конкретно. К объектам поиска относятся:

• оружие, взрывчатые вещества, взрывные устройства, яды и т.п.;

• устройства съема, записи и передачи информации;

• инженерные коммуникации и искусственные полости в строительных конструкциях;

• контрабанда, наркотики;

• трещины, расслоения, промоины, полости в крупных инженерных сооружениях;

• другие объекты и посторонние предметы (вплоть до экзотических).

Разумеется, что перечислить и систематизировать все возможные варианты объектов контроля и поиска практически невозможно, однако любой реальный объект контроля или объект поиска может с большой степенью достоверности быть отнесен к одному из указанных в табл. 1, где представлены основные объекты контроля, соответствующие им объекты поиска, основные и вспомогательные методы контроля, которые могут быть положены в основу создаваемых аппаратурных средств.

Достаточно широкому многообразию объектов контроля соответствуют конкретные материалы с определенным диапазоном эквивалентных толщин и соответствующие им дефекты. Такое соответствие приведено в табл. 2. 

Из табл. 1 и 2 явствует, что основными методами контроля, обеспечивающими решение поисковых задач, являются радиационный, тепловой, оптический и акустический методы, краткая характеристика которых приводится ниже.

Радиационный метод ввиду своей универсальности позволяет осуществлять контроль практически всех объектов или материалов.

В табл. 2 в качестве основного материала контроля указаны бетон и железобетон, т.е. материал строительных конструкций, контроль которых является наиболее сложной и трудоемкой задачей.

Для обнаружения малоконтрастных дефектов в гетерогенных структурах, которыми являются бетон, железобетон и другие СК, в соответствии со сложившейся практикой применяется либо метод радиографии (для

толщин более 200 мм), либо флуороскопический метод (для меньших толщин). В том и другом случаях существенное влияние на результаты контроля (выявляемость дефектов) оказывает неоднородность объекта контроля. Причем толщина слоя бетона или железобетона, в котором неоднородность структуры проявляется существенным образом, составляет величину до 200 мм. Максимальное влияние неоднородность структуры бетона оказывает при обнаружении дефектов в виде пустот или инородных включений неправильной формы. Для более толстых бетонных барьеров влияние неоднородности значительно уменьшается, что обуславливается в основном альбедными процессами.

Контроль бетонных барьеров толщиной до 200 мм осуществляется, как правило, методом флуороскопии, отличающимся высокой производительностью, возможностью многоракурсного просмотра, а также потенциальной возможностью улучшения результатов контроля за счет оцифровки и математической обработки радиационно-оптического изображения. Энергия зондирующего излучения для таких толщин ограничивается 300 кэВ. При этом реально достижимые результаты по чувствительности составляют от 0,8... 1,8 % до 1,5... 2,5 % по пустотам, а минимально выявляемый диаметр медного провода не превышает 1,2... 1,8 мм.

В сравнимых условиях радиография обеспечивает значительно большую чувствительность. Однако повысить чувствительность флуороскопических систем, достигнув в идеале параметров радиографии, удается за счет проекционного увеличения масштаба теневого изображения объекта контроля. Следует отметить, что использование метода томосинтеза или томографии может в несколько раз повысить чувствительность контроля и выявляемость дефектов. Однако реализация этих методов значительно увеличивает время контроля и его стоимость, а аппаратура, их реализующая, будет иметь достаточно внушительные весогабаритные характеристики.

Тепловой неразрушающий контроль (ТНК) основан на принципах, заключающихся в том, что любые процессы, происходящие в природе и человеческой деятельности, связаны с поглощением или выделением тепла. Естественно, в результате этого поверхности физических тел - объектов контроля, приобретают специфическое температурное распределение.

Температурное поле на поверхности объекта контроля характеризуется спектральной плотностью излучения или спектральной энергетической светимостью, достаточно точно описываемой законом Планка, распространенным на реальные объекты, имеющие фиксированный коэффициент излучения.

На рис. 2 показаны типовые характеристики спектрального распределения энергетической светимости тел с температурой T= 300 К и T= 500 К (кривые 1 и 2).

Современные поисковые тепловизионные системы работают в одном из двух диапазонов: 3... 5 или 8... 13 мкм, определяемых спектральной чувствительностью приемников. Неохлаждаемые тепловизионные системы, к которым относится поисковая аппаратура, использует, как правило, диапазон 8... 13 мкм.

Выбор в пользу 8... 13 мкм обуславливается положением максимумов спектрального распределения плотности излучения тел в диапазоне Г= 300... 500 К, а также результатами расчета, показывающими, что в диапазоне 3... 5 мкм в указанном интервале температур тела излучают ~1,5 % потока, а в диапазоне 8... 14 мкм эта величина составляет не менее 25 %. Кроме этого, диапазон 8... 14 мкм соответствует второму окну прозрачности атмосферы.

Оптический метод контроля лежит в основе построения широкого спектра поисково-досмотровых технических средств и криминалистической аппаратуры. В соответствии с общепринятой практикой в оптическом излучении принято выделять:

• Видимое излучение - электромагнитное излучение с длиной волны от 380 до 780 нм;

• Инфракрасное излучение, делящееся на три группы: IR-A (коротковолновое) с длиной волны 800... 1400 нм; IR-B (средневолновое) - 1400... 3000 нм; IR-C (длинноволновое) - 3000... 10 000 нм.

• Ультрафиолетовое излучение, также делящееся на три диапазона: UV-А (длинноволновое) с длиной волны 315... 400 нм; UV-В (средневолновое) - 280... 315 нм; UV-С (коротковолновое) - 100... 280 нм.

Оптические поисковые средства реализуют свои функции путем анализа взаимодействия оптического излучения с объектом контроля, при этом наглядность получаемой информации является одним из наиболее ценных свойств такой техники.

К оптическим поисково-досмотровым средствам относятся:

• Досмотровые зеркала различной конструкции и разных размеров, с масштабированием изображения и различного типа подсветкой.

• Эндоскопические системы на основе бороскопов, волоконной оптики, снабженных фототелевизионным трактом и блоком подсветки, а также телеэндоскопы.

• Оптические приборы наблюдения и поиска, включая комбинированные системы «день - ночь», приборы ночного видения, тепловизионные системы и аппаратура обнаружения оптических систем.

К криминалистической аппаратуре, предназначенной в основном для контроля документов, архивных материалов, произведений живописи, денежных знаков, банкнот, ценных бумаг и других объектов, в основе которой лежит оптический метод, следует отнести:

• Ультрафиолетовые излучатели различной конструкции, генерирующие излучение в средне- или длинноволновой области УФ-спектра.

• Приборы, визуализирующие различные изображения в диапазоне коротких или средних волн инфракрасного излучения.

• Комплексные системы контроля (кримблоки и видеоспектральные компараторы), использующие несколько диапазонов оптического излучения и различные методики контроля.

Акустический метод контроля, а более конкретно - ультразвуковой эхоимпульсный метод, обеспечивающий возможность визуализации внутренней структуры неоднородных материалов при одностороннем подходе к ним, лежит в основе поисковой аппаратуры для контроля изделий и сооружений из бетона и железобетона.

Возможность представления результатов контроля в виде двухмерного изображения сечения произвольной ориентации внутренней структуры исследуемых конструкций (томограмм), а также синтезирование трехмерного изображения делает этот метод наиболее информативным и максимально доступным для компьютерного анализа полученных данных на основе различных алгоритмов.

Крупноструктурные бетоноподобные материалы характеризуются весьма значительным частотнозависимым затуханием акустических волн, достигающим на частотах 250... 300 кГц 200 и более дБ/м, поэтому для их контроля используется диапазон частот 50... 150 кГц, что соответствует длинам волн порядка 3... 10 см.

Существенная неоднородность внутренней структуры бетона и железобетона является причиной высокого уровня структурных помех, не позволяющих в большинстве случаев достигнуть отношения величины полезного сигнала к шуму больше единицы. Поэтому для создания высокоинформативных акустических поисковых средств требуется решение двух основных проблем.

1. Обеспечить пространственную селекцию отражателей при малых волновых размерах излучателей и приемников ультразвука.

2. Осуществить обнаружение полезных сигналов на фоне интенсивного структурного шума.

Очевидно, что эти проблемы взаимосвязаны, так как улучшение каким-либо способом пространственной селекции неизбежно приводит к увеличению отношения сигнал/шум, поскольку источником шума является само контролируемое пространство, в котором после излучения зондирующего сигнала возникает структурная реверберация.

Дата добавления: 2015-09-06