6.4.9. Імпульсно-хвильовий доплерівський метод

Використання пачки з коротких радіоімпульсів (рис. 6.22, г) дозволяє істотно позбутися згаданих недоліків, властивих одноімпульсному зондуванню. По-перше, енергія пачки за рахунок нагромадження енергії підвищується зі збільшенням кількості імпульсів, спектр стає більш вузьким, що дозволяє зберегти перевагу неперервно-хвильового доплерівського методу. По-друге, пачка коротких імпульсів дає змогу забезпечити таку саму променеву роздільну здатність (за глибиною), що й у випадку одиночного імпульса.

У випадку періодичного зондування пачкою імпульсів безперервний спектр одиночного імпульсу перетворюється на гребінчастий спектр періодичних імпульсів, і обвідна гребінчастого спектру в точності повторює спектр одиночного імпульсу пачки (рис. 6.22, в, г).

Кожний пік «гребінки» є вузькою спектральною смугою, зумовленою тривалістю імпульсу. Тому в околі кожної спектральної смужки спектру випромінювання формується спектр доплерівського сигналу, форма якого повторює форму істинного спектру доплерівського сигналу (рис. 6.26).

Як видно з рис. 6.26, для правильного оцінювання спектру частот доплерівського сигналу необхідно, щоб в інтервал вимірювання не потрапляли зсунуті помилкові сигнали такого спектру, що може призвести до неоднозначності вимірювання спектру. Тому необхідною умовою однозначності вимірювання є вимога

, (6.15)

де – частота зондування (посилання імпульсів).

Щоб не допустити неоднозначності визначення глибини, тобто запобігти попаданню в цикл вимірювання глибини відбитих сигналів від попереднього зондування, необхідно виконати вимоги

або . (6.16)

Рис. 6.26. Формування спектру доплерівського сигналу в імпульсно-хвильовому режимі:

а – істиний спектр допплерівського сигналу; б – спектр випромінювання пачки імпульсів;

в – спектр прийнятого доплерівського сигналу

Об'єднавши нерівності (6.15) і (6.16), одержимо умову однозначного вимірювання доплерівського спектру і глибини залягання контрольованої ділянки у вигляді однієї нерівності

або

. (6.17)

Вираз (6.17) встановлює співвідношення між параметрами акустичного тракту , максимальною швидкістю руху ОК і робочою частотою , для яких забезпечується однозначність вимірювання глибини відбивача і спектру доплерівського зсуву.

Контрольний об'єм, виділений стробуванням, може містити спектр швидкостей. Отже, доплерівський зсув частот у межах контрольного об'єму також є частотним спектром, який в точності повторює спектр швидкостей в цьому об'єму.

Одна з основних переваг імпульсно-хвильового методу (окрім диференціації ОК за швидкістю і глибиною) – це можливість поєднання імпульсно-хвильового режиму з режимом сканування – лінійним або секторним.

6.4.10. Схеми реалізації допплерівських методів

Схеми формування спектру доплерівського зсуву.

Спрощені схеми реалізації доплерівських методів, широко використовувані на практиці, показано на рис. 6.27 – 6.28.

Доплерівській прилад безперервного випромінювання (рис. 6.27) – один з найпростіших приладів ультразвукового контролю, функція якого зводиться до індикації сигналу про факт руху відбивачів або розсіювачів ультразвуку в зоні поширення пучка та оцінювання швидкості руху.

Рис. 6.27. Структурна схема неперервно-хвильового доплерівського методу

Випромінювальний перетворювач сполучений з генератором зондувальних сигналів (генератором ), що працює в безперервному гармонічному режимі. Випромінюваний ультразвук розсіюється і відбивається, а потім потрапляє на приймальний перетворювач, підсилюється підсилювачем високої частоти і разом з випромінюваним сигналом подається на змішувач (перемножувач). За допомогою фільтра низьких частот виділяється спектр частот доплерівського зсуву, який аналізується спектроаналізатором.

За допомогою спектроаналізатора за певним критерієм, наприклад, як середньозважене, визначаються частота Доплера і проекція швидкості відбивача на акустичну вісь . Іноді для визначення напряму швидкості визначається знак доплерівського зсуву .

Основним недоліком цього способу є невизначеність положення вектора швидкості за глибиною.

Доплерівській прилад імпульсного випромінювання (рис. 6.28) має суміщений перетворювач. Відрізняється від приладу безперервного випромінювання наявністю генератора зондувальних сигналів малої тривалості (це може бути генератор ударного збудження) і схеми часової затримки сигналу зондування (або схеми стробування).

Рис.6.28. Структурна схема імпульсного допплерівського методу

Перемножування на змішувачі відбитого сигналу і сигналу зондування, затриманого на певний час , дає допплерівський спектр від структур, розміщених у заданому контрольному об'ємі. Інші блоки і операції аналогічні тим, які використано в схемі, показаній на рис. 6.27.

Структурна схема, що реалізовує імпульсно-хвильовий доплерівський метод (рис.6.29) містить генератор-формувач пачки радіоімпульсів з безперервного гармонічного процесу (генератор ). Пачкою радіоімпульсів синхронізується формувач строба, за допомогою якого з вхідного сигналу в блоці підсилювача високої частоти "вирізається" сигнал, віддзеркалений окремою структурою на заданій глибині.

Рис. 6.29. Структурна схема імпульснохвильового допплерівського методу

За допомогою змішувача, на який надходить сигнал робочої частоти і стробований вхідний, і фільтра низьких частот, виділяється спектр частот доплерівського зсуву. Доплерівський спектр надалі обробляється за аналогією з попередніми схемами.

Схеми визначення знака зсуву. З безлічі схем визначення знака доплерівського зсуву розглянемо схему, що ґрунтується на фільтрації бічних смуг (рис. 6.30, а). Принцип роботи схеми полягає в тому, що на кожну зі смуг доплерівського спектру, симетричних , налаштований свій смуговий фільтр (на пряму і зворотну смуги доплерівського спектру). З виходу фільтра прямого спектру отримують сигнал, що відповідає знаку (+) доплерівського зсуву, а з виходу фільтра зворотного спектру – сигнал, що відповідає знаку (-) доплерівського зсуву.

Рис. 6.30. Приклади способів визначення знака доплерівського зсуву:

а –фільтрацією бічних смуг; б –модуляцією квадратурних сигналів

Друга схема визначення знака доплерівського зсуву (рис. 6.30, б) припускає квадратурну модуляцію прийнятого сигналу з подальшим виділенням квадратурних сигналів, що відповіднає своїм знакам доплерівського зсуву.