Sistema sensorial ultrasónico basado en técnicas Phased Array y de espectro ensanchado
- Autores: Cristina Diego Guijarro
- Directores de la Tesis: Álvaro Hernández Alonso (dir. tes.), Ana Jiménez Martín (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús Ureña Ureña (presid.), Juan Carlos García García (secret.), Chris Bleakley (voc.), Fernando Javier Álvarez Franco (voc.), Fernando Seco Granja (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
En esta tesis se propone un sistema sensorial ultrasónico con emisión en aire que permite la generación de imágenes del entorno inspeccionado con una única emisión. Para ello se combinan las técnicas Phased Array con la codificación de las transmisiones mediante secuencias propias de los sistemas CDMA (Code Division Multiple Access). La principal ventaja de esta propuesta radica en la posibilidad de obtener una tasa de generación de la imagen independiente del número de líneas que la componen, permitiendo incrementar la velocidad de generación de imágenes con respecto a las técnicas Phased Array convencionales (cPA). Cabe destacar que el factor de mejora en la velocidad es directamente proporcional a la distancia máxima inspeccionada y al número de líneas de la imagen. Por tanto, a medida que crecen la distancia máxima a inspeccionar y la calidad de la imagen requerida (número de líneas de la imagen), mayor será el incremento de la velocidad de generación de las imágenes en comparación con las técnicas cPA.
El algoritmo propuesto ePA-ru (encoded Phased Array con un único receptor), que consta de un array emisor de y un único receptor independiente, emite simultáneamente múltiples haces ultrasónicos con el objetivo de generar una imagen B-Scan del entorno con un único disparo. El número de líneas de dicha imagen queda limitado por el número de secuencias pseudo-ortogonales entre sí. Para este estudio se han utilizado secuencias pseudo-aleatorias Kasami y secuencias LS (Loosely Synchronous); estas últimas se caracterizan por tener una ventana libre de interferencias IFW. Ambas poseen un número de secuencias pseudo-ortogonales limitado. Como posible solución a dicha limitación, se propone un segundo algoritmo, ePA-rm (encoded Phased array con receptor múltiple), el cual consta de un array emisor y de un array receptor, ambos independientes entre sí. En este nuevo algoritmo, mediante la introducción de un array en recepción y un post-procesado de las señales recibidas, consistente en un banco de correladores por cada sector de recepción, es posible aplicar una misma secuencia a distintos sectores de emisión, incrementando así los posibles sectores finales, sin requerir un mayor número de secuencias disponibles.
La comparativa del patrón lateral entre el algoritmo ePA-ru, particularizado para la emisión de secuencias Kasami, y la técnica cPA muestra cómo la diferencia entre la longitud de las secuencias frente a los pulsos tiene un impacto negativo en el mismo, reduciendo el rango dinámico e incrementando el ancho del haz principal. Además en las imágenes B-Scan obtenidas es posible corroborar que la interferencia debida a la emisión simultánea de secuencias Kasami (MAI) disminuye la calidad de las imágenes. Cuando se analiza el algoritmo ePA-ru emitiendo secuencias LS de 8447 bits, se observa que la interferencia dentro de la ventana libre de interferencias desaparece generando una visible mejora de los parámetros de calidad de la imagen con respecto a las técnicas clásicas. También se aborda el estudio de la calidad de las imágenes obtenidas con el algoritmo ePA-rm emitiendo secuencias LS. Con el nuevo algoritmo, además de inspeccionar el entorno con un único disparo, la resolución lateral obtenida ya no depende del número de secuencias pseudo-ortogonales disponibles sino de la apertura del array, al igual que ocurre en cPA. El algoritmo ePA-rm permite por tanto generar imágenes con el número de líneas necesarias, independientemente de las secuencias pseudo-ortogonales disponibles, con una velocidad de generación que no depende de la calidad de la imagen. Sin embargo el rango dinámico obtenido disminuye drásticamente con respecto al algoritmo ePA-ru y las técnicas cPA.
- English
In this Thesis a novel ultrasonic sensory system is proposed, whose goal is to generate images of the scanned environment with a single emission. To this aim, Phased Array techniques are combined with the emission of encoded signals broadly used in CDMA (Code Division Multiple Access) systems. The main advantage of the proposed algorithm lies in an increment of the image rate in comparison to conventional Phased Array techniques (cPA). Moreover, this improvement is independent of the number of lines in the image and the maximum scanned range, in contrast to cPA. Hence, the proposed algorithm outperforms cPA when generating high-quality images and inspecting large ranges.
The proposed algorithm ePA-ru (encoded Phased Array with single receptor), with an array of emitters and one single receiver, is able to simultaneously steer its main beam in different directions by setting a different sequence for each steering angle. In the reception stage a set of correlators allows to generate a B-Scan image of the environment. Thus the number of lines, and therefore the lateral resolution in the obtained images, is limited by the number of pseudo-ortogonal sequences available, which is 32 in Kasami sequences of 1023 bits and LS sequences of 8447 bits.
In order to overcome the limitation of the lateral resolution in ePA-ru, the second algorithm ePA-rm (encoded Phased Array multiple receptor) is proposed. The main advantage of this algorithm, where different arrays are used to emit and receive, is the improvement in lateral resolution. The post-processing of the received signals in ePA-rm, comprised of a set of correlators per reception sector, allows the emission of the same sequence for different angular sectors.
After the theoretical part, a study of the advantages and drawbacks of the ePA-ru algorithm emitting Kasami and LS sequences is presented by means of simulation. The difference in size between pulses and encoded sequences has a negative impact on the radiation pattern obtained with ePA-ru, showing a wider main beam and a lower dynamic range. In ePA-ru emitting Kasami sequences the penetration depth is improved when compared to cPA techniques in airborne inspection. On the contrary, the dynamic range is affected by the MAI in Kasami sequences being reduced with respect to cPA in noisy environments. This reduction becomes more significant as the number of reflectors in the scanned environment increases. In the simulations performed it can be observed how the lateral resolution depends on the number of pseudo-ortogonal sequences, according to the proposed theory, unlike cPA where it depends on the size of the array. Regarding the axial resolution, it depends on the bandwidth of the emitted signal in the same way as in cPA.
If LS sequences are emitted in ePA-ru, the dynamic range and penetration depth increase significantly when compared to cPA techniques, particularly in noisy environments. Moreover the quality parameters of the obtained images do not depend on the number of reflectors in the environment. These benefits are mainly due to the ideal correlation function of LS sequences within the IFW (Interference Free Window). Nevertheless the range of scanned distances is constrained by its IFW in order to avoid the detection of false reflectors in the image.
A study of the second proposed algorithm ePA-rm with multiple receivers emitting LS sequences is also presented in this Thesis. It can be observed how thanks to the postprocess of the multiple receptions it is possible to emit the same sequence in different sectors, while still being able to distinguish in which sector the reflector is located. Nevertheless the dynamic range measured in the images presents an important decrease in the dynamic range when compared to ePA-ru and cPA
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