70 / 4 (73), 2013 УДК 681.7.068: 620.179 – 681.518.3 Поступила 05.11.2013 е. и. МаРУКович, иТМ НаН Беларуси, а. П. МаРКов, Белорусско-Российский университет, о. Ю. БоНДаРев, е. М. ПаТУК, иТМ НаН Беларуси, с. с. сеРГеев, Белорусско-Российский университет СТРУКТУРА АДАПТИВНОгО СКАНИРОВАНИя ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТЛИВОК И ПРОКАТА Рассматриваются особенности сканирования дефектных зон поверхностей, ориентированных на оптическую ви- зуализацию аномальных отклонений. The peculiarities of the defective zones surfaces scanning, focused on optical visualization of abnormal fluctuations are considered. Введение. Информационно-алгоритмические особенности дефектоскопии отливок и проката обусловливают некоторую специфику структуры операционных преобразований в ориентирован- ном взаимодействии воздействующих и инфор- мативных излучений с поверхностью и светопри- емником. При этом спектрально-энергетические воздействия и преобразования определены про- странственно-временными параметрами информа- ционного процесса и объекта. В их структуриза- ции преимущественно учитываются взаимозави- симости физических признаков и информативных параметров на всех этапах пооперационных взаи- модействий. Эффективная реализация информационно-энер- гетических преобразований как на уровне физиче- ских эффектов проявления и выявления дефект- ных мест, так и трансформации информативных излучений и их первичных отображений представ- ляет особый интерес. Непрерывное совершенствование информа- ционно-преобразовательных структур и техноло- гий связано с адаптацией излучателей и приемни- ков к особенностям поверхностей и излучений. Структура адаптивной системы, обеспечивающей повышенную чувствительность и выявляемость физических признаков формирующихся неодно- родностей, проявляется при взаимодействии внеш- него излучателя и фотоприемника информативных излучений. В структуре адаптивного сканирования эле- ментарно разграничивается весь процесс спект- раль но-энергетической визуализации первичных отображений. Для имеющихся различий объектов, видов, параметров и причин их возникновения эф- фекты спектрально-энергетического взаимодей- ствия излучений и деградирующих зон поверхности проявляются схожими с первичными отображени- ями. Такое сходство моделирования объединяет многообразие структур в системе инфор мационных преобразований и идентификации абстрактных изображений. Эта особенность имеет место при поиске, проявлении, выявлении и трансформации информативных излучений. Физические законо- мерности спектрально-энергетического взаимо- действия обусловливают информационно-энерге- тические эффекты проявления деградирующих мест поверхности. Поиск, прием и трансформация информативных излучений в совокупности обу- словливают более эффективную структуру адап- тивного сканирования поверхностей в интер- и ин- троскопии отливок и проката. Изменчивость поверхности и поверхност- ные неоднородности. Образование и развитие де- фектных зон связано с появлением и проявлением поверхностной неоднородности как нарушением метастабильного состояния материала. Изменчи- вость первоначально однородной поверхности ограничивает ресурс работы и долговечность из- делий и их конструкций. В визуальном проявле- нии таких неоднородностей наблюдатель получает как бы фотографическое отображение участка ре- альной поверхности в пространственно-времен- ных параметрах геометрического тела. При этом выявляются и отображаются аномальные неодно- родности оптических свойств, адаптированных / 71 4 (73), 2013 для визуального восприятия. Ориентированный поиск аномальных неоднородностей строится на простран ственно-временном сканировании и вы- явлении «подозрительных» участков поверхности с одновременной обработкой изображений. Значительную эффективность обеспечивают структуры с остронаправленной ориентацией воз- действующего и адаптивного приема информатив- ного излучений. Принцип «адаптация-ориентация» учитывает специфику неоднородной поверхности (снаружи или внутри, плоская или профильная и другие отличия) и характер распределения неод- нородностей в пространственно-временных коор- динатах формируемой информации. Выбор структуры по критерию максимальной выявляемости деградирующих участков обуслов- ливает пространственно-ориентированное сканиро- вание поверхности. При этом учитывается взаим- ное расположение излучателя, элементов поверх- ности и детекторов спектрально-энергетического излучения. Экстремальное расположение неодно- родной зоны поверхности при кратковременном воздействии в противоположных границах (max и min) обнаруживается с большей вероятностью, что способствует повышению достоверности и про- изводительности дефектоскопии различных изде- лий. Максимум принятого критерия эффективно- сти по выявляемости неоднородностей определяет более рациональную структуру для конкретного информационного поля и геометрического тела. В структурах адаптивного сканирования всесто- ронне учитываются физико-технические особенно- сти визуализации оптических изображений различ- ных отображений. Такие структуры являются более комфортными, эргономически и биологически адап- тированными к зрительному восприятию и профес- сиональной обработке наблюдателем. В адаптивных структурах в большей мере ис- пользуются преимущества способов и средств оптической визуализации неоднородностей в их относительном спектрально-энергетическом про- явлении. Путем относительных сравнений изобра- жений воспринимаемых неоднородностей, их раз- меров, форм, профилей, цветности, интенсивно- стей и других признаков адаптивное сканирование позволяет приблизить первичное отображение в места его обработки для считывания и идентифи- кации дефекта. В оптических изображениях ин- формативные излучения в пространстве физиче- ских признаков неоднородной поверхности фор- мируют более информативный портрет первичного отображения. При этом сканирование неоднород- ностей по множеству точек, составляющих про- странственную структуру, объективно отражает пространственно-временную изменчивость самой поверхности. Однако адаптивное сканирование су- щественно ограничено возможностями передачи информации по прямым и обратным связям. Для таких операций особую значимость в условиях эксплуатации объекта приобретает среда. Способы и схемы реализации. В адаптивных структурах системно объединяются преимущества традиционных оптико-механических методов и тех- нологий волоконной оптики. Быстродействие и ком- муникабельность таких структур визуализации не- однородностей дополняются преимуществами пространственно-ориентированного поиска, селек- тивного приема и дистанцирования первичной ин- формации. Информационно-преобразовательный синтез оптико-волоконных структур сканирования обеспечивает системную адаптацию к условиям и задачам информационного процесса, к самому изделию с учетом эксплуатационных, конструк- тивных, технологических и метрологических тре- бований режима работы изделия и особенностей среды [1]. Любое преобразование энергии и информации связано со средой, которая в большей части оказы- вает дестабилизирующее воздействие (температу- ра и влажность, излучения посторонних источни- ков, пыль и др.). Присутствие среды имеет место как в прямых и обратных связях с объектом, так и в локальных связях схемных реализаций струк- тур адаптивного сканирования. Для таких структур особенно характерно управ- ляемое распределение энергии и информации. В пространственно-ориентированной трансформа- ции информационных потоков более эффективно согласованное взаимодействие излучателей, объ- екта и приемника. При этом учитывается характер распределения этих потоков не только по всей структуре, но и в некотором геометрическом про- странстве излучателя и объекта. Такая особенность непременно учитывается при выборе способов и эффектов управляемого взаимодействия излуче- ния и среды. Эффективность спектрально-энергетического управления обусловлена его параметрическим раз- нообразием: изменением пространственных коор- динат, смещением и расщеплением энергетических потоков, регулировкой и перестройкой в широком спектральном диапазоне. Уникальными возможно- стями в спектрально-энергетическом управлении потоками больших массивов информации отлича- ются оптически прозрачные среды и волоконно- оптические элементы. Спектрально-энергетическое управление лучи- стыми потоками строится на прямых и косвенных 72 / 4 (73), 2013 методах. При прямом управлении излучателем спектр и энергия регулируются непосредственным воздействием на генератор (источник) излучения. В косвенных методах регулирование спектра осуществляется путем преобразования фазовой модуляции в частотную; смешивания колебаний диапазонного излучателя и излучателя стабильной частоты, а затем выделения спектров с разными (либо суммарной) частотами; умножение частоты, когда умножается не только средняя частота спектра диапазонного излучателя, но и девиация частоты. С помощью таких операционных преобразова- ний совершенствуются способы и средства спек- трального управления излучениями. Согласован- ное спектрально-энергетическое управление улуч- шает диапазонные, селективные и усилительные качества. Каналированная и помехозащищенная световод- ная связь излучателя и приемника позволяет схемо- технически разделять и распределять по уровням весь информационно-преобразовательный процесс сканирования. Такое преимущество особенно зна- чимо в условиях температурных воздействий, ви- браций, пространственной ограниченности и труд- нодоступности. Волоконно-оптическое сканирование в совокуп- ности с электромеханическими и оптико-электрон- ными средствами создает дополнительные преи- мущества по ориентации, локализации и дистан- цированию первичных отображений. В таких структурах при некотором схемотехническом услож- нении повышаются эффективность и производи- тельность за счет совмещения операций по одно- временному преобразованию и передаче информа- тивных излучений с пространственно-временным распределением операций по всему информацион- ному каналу. Формализация структурно-информационных преобразований в адаптивном сканировании расши- ряет возможности технических средств при сравни- тельно небольших материальных затратах. Формали- зованное отображение отдельных операций и всего процесса преобразований информации (от матери- ального объекта до его абстрактного представления у получателя) позволяет выявить его узкие места и интерпретировать результаты с характеристиками, превышающими предельно достижимые для реаль- ных систем. При таком функционально-эконо миче- ском подходе структуризация адаптивной системы преобразования информации формализуется как математико-техни ческая задача с экономико-управ- лен ческими критериями. Трансформация истинного пространственно-вре- менного состояния поверхности в его формализо- ванное отображение у получателя проходит цепь взаимосвязанных параметрических преобразова- ний. Но если есть зависимость пространственно- временных параметров каждой точки поверхности и соответствующих сигналов (информационного поля), то математическая задача преобразований сводится к задаче редукции адаптивной системы с ее абстрактными моделями. В структурах адаптивного сканирования моде- лирование информационно-преобразовательного процесса непосредственно связано с информатив- ным излучением первичного отображения. В нем в виде лучистого потока Фλи проявляется характер взаимодействия воздействующего потока Фλ0 с по- верхностной неоднородностью. Всякая неоднород- ность в нормированной поверхности формирует информационное поле как первичную реакцию из- менчивой поверхности на воздействующее излуче- ние. Изменчивая поверхность характеризуется на- личием Nэ эффективных неоднородностей. Если коэффициент отображения σ(rэ, λ) информативно- го излучения с длиной волны λ и эффективным ра- диусом rэ характеризует неоднородную поверх- ность, то функция распределения f(rэ) учитывает геометрию и пространственно-временное распре- деление неоднородностей и представляется в виде выражения: Здесь Nэ учитывает эффективное число элементар- ных неоднородностей, имеющих размеры от r до rэ + drэ, а Nи – информативное число неоднород- ностей. В адаптивном сканировании особую значи- мость приобретает согласованное взаимодействие системно объединенных функциональных элемен- тов в единой структуре преобразовательных опе- раций. В процессе трансформации информативных излучений существенно сказывается дестабилизи- рующее влияние среды преобразований и переда- чи. При этом определяющей является методиче- ская погрешность выделения и формирования ин- формативного излучения. При согласованном взаимодействии излучателя и приемника в ходе сканирования в поле зрения по- падают элементарные неоднородности и формирует- ся оптический сигнал ∆Ф(t). Применительно к адап- тивному сканированию длительность такого импуль- са определяется зависимостью ti = l b/f vi. Здесь f, b – соответственно фокусное расстояние линейного приемника и размер отверстия приемника. Особую сложность в адаптивном сканировании представляют труднодоступные поверхности про- тяженных и сложнопрофильных крупногабарит- / 73 4 (73), 2013 ных и длинномерных изделий. Изменяющийся рель еф поверхности, различие форм и размеров по- перечных сечений создают дополнительные сложно- сти в структуризации информационно-физических преобразований. Но в любом случае структура ска- нирования должна быть адаптирована к реальным условиям. Возможности современных способов с ви- деокроулепами ограничены информационно-физи- ческими эффектами оптических, электронных и эле- кт ромеханических структур [2]. Совокупность информационных операций в ком- плексе информационно-физических преобразова- ний представляет систему элементарных действий по согласованной трансформации излучений и сиг- налов (рис. 1). При этом наряду с локализацией, каналированием и дистанцированием излучений важное значение приобретают перенос изображе- ний и функциональное преобразование. Операции восприятия, локализации и каналиро- вания требуют спектрально-энергетического согла- сования переносимого изображения и излучателя. В такой структуре эффективно сканирование с гибким и направленно согласованным взаимо- действием излучателя и элементом поверхности (рис. 2). Сформированное излучение источника через из- лучатель направленно воздействует на поверхность. За счет механизма продвижения привод сканера сни- мает формируемое изображение, в котором проявля- ется реакция неоднородности на воздействующее излучение. Посредством коммутатора элементы изо- бражения передаются в информационно-пре обра- зовательный канал. Выходные сигналы этого канала согласовываются с входами блока спектрально- энергетической обработки, в котором проводится программно-алгоритмическая обработка изображе- ний и выдается результат в требуемом виде, удобном для визуального восприятия дефектоскопистом. В отдельных случаях могут быть реализованы упрощенные схемы сканирования в соответствии с поставленной задачей дефектоскопии и алгорит- мом обработки. Эти цели в большей мере соответ- ствуют структуре адаптивного сканирования, обе- спечивающей соответствующую эффективность и повышенную выявляемость неоднородных зон дефектоскопируемой поверхности. Рис. 1. Структура операционных преобразований в комбинированной дефектоскопии Рис. 2. Структура первичных преобразований в системе адаптивного сканирования с локальными связями: – оптические; → – электрические; –механические Литература 1. Схемотехника волоконно-оптических приборов в неразрушающем контроле / А. П. Марков и др.; под. ред. А. И. Потапо- ва. СПб: Изд-во СЗТУ, 1982. 2. Оптико-волоконное скопирование в литье и металлургии / А. П. Марков и др.; под общ. ред. Е. И. Маруковича. Минск: Беларуская навука, 2010.