Определение динамического порога уровня сигналов при автоматической расшифровке дефектограмм АПК «АСТРА»

Работа посвящена вопросам автоматической расшифровки дефектограмм при неразрушающем контроле (НК) рельсов. Для обеспечения безопасности на железных дорогах за счет своевременного обнаружения дефектов проводится комплекс мероприятий неразрушающего контроля, совершенствуется оборудование и программное обеспечение. В состав оборудования вводятся новые типы датчиков (например, вихретоковые), усложняются схемы прозвучивания (увеличивается количество каналов с различными углами ввода и разворота для максимального охвата профиля рельса), увеличивается чувствительность. Всё это увеличивает количество информации и сложность ручного анализа данных, что, в свою очередь, делает актуальной задачу автоматической расшифровки дефектограмм и определения конструктивных элементов и дефектов с последующей их классификацией. На решение этой задачи направлен аппаратно-программный комплекс (АПК) «АСТРА», основными функциями которого являются отображение данных от разных средств НК и их автоматическая расшифровка. Данная работа посвящена вопросу определения динамического порога уровня сигналов при автоматической расшифровке дефектограмм высокоразрядных средств НК, в которых амплитуда сигнала кодируется 8 битами и выше. К таким средствам относится дефектоскоп «Эхо-комплекс 2», в котором амплитуда сигналов кодируется 8 битами. У этого средства большая часть дефектограммы заполнена сигналами с малой амплитудой (незначительные электрические помехи, акустический шум и т.д.), что приводит к необходимости определения уровня амплитуды полезных сигналов.

Статический порог не является приемлемым, т.к., очевидно, могут быть пропущены протяженные полезные сигналы с меньшей амплитудой. Это может быть связано как с особенностями самого дефекта (его залеганием в металле и наличием отражающих граней), так и с настройками оборудования. Поэтому предлагается делать предварительный анализ дефектограммы каждого канала для определения динамического порога и учитывать сигналы с амплитудой не меньше полученного значения.

В ходе работы было отмечено, что график количественного распределения сигналов по уровням имеет вид несимметричного колокола сильно смещенного к началу координат (см. рис. 3). При этом непосредственно сам колокол формируется главным образом из сигналов, которые являются шумом. Отсюда следует, что выбор порогового значения уровня сигналов целесообразно осуществлять из области правого подножия колокола. Для этого могут быть использованы:

1) среднее отклонение или среднеквадратическое отклонение уровней сигналов от координаты вершины или центра тяжести колокола;

2) усечение колокола на отметке среднего арифметического значения количества сигналов, приходящегося на один уровень;

3) факт небольшой разницы между соседними точками графика после подножия колокола.

Ниже на рисунках представлены фрагменты дефектограмм в области стыка рельса для канала 70 градусов до и после фильтрации по динамическому пороговому значению амплитуды, равному 60, найденному по подножию колокола графика количественного распределения сигналов по уровням.

Рис. 1. Фрагмент дефектограммы в области стыка для канала 70 градусов (500 циклов зондирования, соответствующие 2,5 м, с длительностью регистрации эхо-сигнала 0..180 мкс и чувствительностью в 256 уровней). Светлые точки соответствуют сигналам с меньшей амплитудой, темные – с большей.
 

Рис. 2. Фрагмент дефектограммы в области стыка для канала 70 градусов из рис. 1 после фильтрации по динамическому порогу (удалены все сигналы, амплитуда которых меньше динамического порога).
 

Рис. 3. График количественного распределения сигналов с различной амплитудой (от 0 до 255) для дефектограммы на рис. 1.

Полученный алгоритм определения динамического порога хорошо себя зарекомендовал на всех экспериментальных данных, в том числе, с сильными акустическими и электрическими помехами. В результате оставались все полезные сигналы от конструктивных элементов и дефектов. Это позволяло проводить дальнейший анализ по распознаванию сигналов с динамическим порогом, подобранным индивидуально для каждого канала.

Список литературы:

1.    Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. СПб.: «Образование - Культура». 1999. – 230 с.

2.    Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. — 2-е. — СПб.: Питер, 2007. — С. 751.

3.    Тарабрин В.Ф., Зверев А.В., Горбунов О.Е. Аппаратно-программный комплекс «АСТРА» для регистрации и расшифровки результатов комплексной диагностики рельсового пути // Контроль. Диагностика: №10 (октябрь), 2013. С. 33-47.

Тарабрин В.Ф., Кузьмин Е.В., Горбунов О.Е., Зверев А.В.
ЗАО «Фирма ТВЕМА», г. Москва, Россия