Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В рамках данного проекта на первом этапе его выполнения разработаны теоретические основы лазерно-ультразвуковой (ЛУ) томографии геоматериалов, заключающейся в лазерном возбуждении мощных коротких импульсов упругих волн и регистрациимногоэлементной фазированной антенной решеткой из 32 пьезоэлементов, прошедших через образец или рассеянных его неоднородностями сигналов. Выполнены оценки необходимых параметров возбуждаемых ультразвуковых импульсов продольных волн с помощью лазера. Показано, что в оптико-акустических (ОА) генераторах в отличие от пьезоэлектрических источников достигается гауссово распределение амплитуды по поперечному сечению акустического пучка, что приводит к отсутствию боковых лепестков в диаграмме направленности излучателя и резкому уменьшению шумов, с одной стороны, и простому учету влияния дифракции при распространении данного ультразвукового импульса в исследуемом образце. Управление параметрами импульса (амплитудой и временным профилем) возможно за счет выбора материала оптико-акустического (ОА) генератора и частотный диапазонгенерируемых импульсов упругих волнможет составлять 250 кГц – 100 МГц. Проведено моделирование временных профилей и спектров упругих волн, возбуждаемых в АО генераторах из разных материалов при различных длительностях оптического импульса. Выполнен учет влияния на временной профиль и спектр прошедших через образцы геоматериалов различного типа метаморфизма дифракции, рассеяния и поглощения. Показано, что по амплитудному спектру прошедших через образец ультразвуковых сигналов может быть рассчитана частотная зависимость коэффициента затухания продольных волн, фазовый спектр несет информацию о дисперсии фазовой скорости упругих волн. Представляя зависимость коэффициента затухания от квадрата частоты можно оценить характерные масштабы рассеивателей: максимальный, минимальный и средний. Для оценки возможностей создания ЛУ томографии с использованием многоканальной ОА антенны рассмотрена обратная задача ультразвукового рассеяния на основе метода обратных проекций. На основе численного моделирования исследована возможность восстановления изображения для точечных источников.Учтено влияние апертуры антенны и количества приемников на точность восстановления изображения данных источников. Для апробации алгоритма обратных проекций исследована филаментация мощного лазерного пучка в пространстве. Впервые численным моделированием показано, что с использованием разрабатываемой в рамках данного гранта 32-канальной оптико-акустической антенны, состоящей из решетки пьезоэлементов с высоким пространственным разрешением и работающей в мегагерцовом частотном диапазоне, возможно восстановление не только внутренней структуры геоматериалов, но и 3D визуализация филаментов, наблюдаемых при распространении фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе. С использованием технологии оптико-акустической томографии было экспериментально получено пространственное распределение тепловыделения в плазменном жгуте при филаментации. Апробация алгоритма обратных проекций и демонстрация возможностей лазерно-ультразвуковой томографии была проведена на модельном эксперименте, выполненном на полуцилиндре из дюралюминия радиусом 65 мм с отверстием диаметром 1 мм на расстоянии 25 мм от оси полуцилиндра. На поверхности цилиндра помещался точечный оптоакустический источник короткого ультразвукового зондирующего импульса. Зондирующий импульс затем рассеивался на отверстии и регистрировался одиночным пьезоэлектрическим приемным элементом, положение которого варьировалось от 15° до70° с шагом 5°, а также от -15° до -70° с тем же шагом. Таким образом, моделировалась решетка приемных пьезоэлектрических элементов, состоящая из 24 приемников. Затем по зарегистрированным ультразвуковым сигналам с помощью алгоритма обратных проекций производилось восстановление положения отверстия. Результат работы алгоритма – карта пространственного распределения рассеивателей в образце. На изображении было отчетливо видно отверстие. Было показано, что двумерная лазерно-ультразвуковая томография обладает более высоким пространственным разрешением, чем одномерная лазерно-ультразвуковая структуроскопия, поскольку при построении карты распределения рассеивателей используются волны, рассеянные под разными углами. При этом пространственное разрешение лазерно-ультразвуковой томографии зависит от частотной полосы приема, скорости звука в образце, размера приемных элементов, а также от геометрии и апертуры приемной антенны. 5. Выполнен расчет параметров многоэлементной антенны. В качестве материала приемных элементов фокусированнойцилиндрической антенны выбран пьезоэлектрический полимер- поливенилденфторид (ПВДФ) в режиме работы «холостого хода». Оценки параметров антенны выполнены для пространственных разрешений: Δ𝑥=0,1 мм Δ𝑦=0,4 мм Δ𝑧=0,5 мм в плоскости изображения. Показано, чтопродольное пространственное разрешение приемной системы Δ𝑥 определяет центральную частоту приемного элемента и полосу принимаемых частот. Показано, чтопоперечное пространственное разрешение в плоскости фокусировки (XY) Δ𝑦и центральная частота приемного элемента определяют апертурный угол раскрыва антенны в этой плоскости и зону обзора.На основании проведенных оценок были получены следующие параметры антенны: полоса принимаемых частот - 1-10 МГц, толщина приемного элемента – меньше 0,12 мм, его ширина – 1 мм, апертурный угол раскрыва антенны 450, зона обзора - 20 мм, радиус кривизны приемного элемента – 40 мм, полная длина антенны – 64 мм, количество приемных элементов – 32, радиус кривизны акустической линзы – 20 мм. 6. Выполнены эксперименты по исследованию внутренней структуры модельных образцов бетона, базальтов различных типов и пирографита на основе ЛУ структуроскопии, электронной микроскопии и рентгеновской компьютерной томографии, для последующего сравнения на втором этапе данных результатов с результатами, полученными с использованием разрабатываемой многоэлементной оптико-акустической антенны.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения работ 2017 года создана экспериментальная установка лазерно-ультразвукового томографа для диагностики структуры и свойств горных пород с 32-канальной оптико-акустической антенной. Для этого была решена задача уменьшения влияния шумов различных типов на величину сигнала в разрабатываемой оптико-акустической антенне. Кроме усреднения по серии оптических импульсов была улучшена синхронизация между лазерными выстрелами и тактовым генератором, управляющим работой АЦП. Созданы две 16-канальные оптико-акустические антенны для иммерсионной томографии, предназначенные для диагностики цилиндрических кернов горных пород и для иммерсионной и прижимной томографии плоских образцов горных пород соответственно. Проведены расчеты характеристик двух 16-канальных усилителей электрических сигналов с пьезоэлектрических преобразователей для каждой антенны. Спектральная полоса усиливаемых сигналов составляет 0.1 – 30 МГц, коэффициент усиления сигнала равен десяти, входное сопротивление – 30 кОм, выходное сопротивление – 50 Ом. Усилитель обеспечивает линейность усиления сигнала до величины 1 В. Создана установка для трехмерной высокоскоростной лазерной ультразвуковой томографии кернов горных пород диаметром 30-75 мм, длиной 10-30 см, средней плотностью 3 г/см3 и массой до 2,5 кг. Установка состоит из Nd:YAG лазера фирмы Quantel Ultra 50, системы доставки лазерного излучения, включающей многомодовое cтеклянное оптическое волокно и систему цилиндрических и полусферических линз для разведение пучка по всей поверхности оптико-акустического генератора, малошумящего комбинированного блока питания, обеспечивающего работу приемной антенны и усилителя принимаемых сигналов, системы сбора и первичной обработки экспериментальных данных, предназначенных для оцифровки, сбора и отправки информации на персональный компьютер. В установку входит также скоростная система обработки экспериментальных данных на основе персонального компьютера с видеокартой GeForce GTX 970, поддерживающей программно-аппаратную платформу CUDA. Реализовано программное обеспечение, осуществляющее прием данных с многоканальной системы сбора информации. На языке C++ с использованием библиотек CUDA API и алгоритмов компьютерного зрения реализованы параллельные алгоритмы для фильтрации экспериментальных данных, построения лазерно-ультразвуковых томограмм объектов, определения двумерного профиля поверхности и построения трехмерного профиля поверхности. В блок широкополосной пьезоэлектрической лазерной ультразвуковой антенны для иммерсионных измерений входит оптико-акустический генератор, к которому подводится лазерное излучение для генерации ультразвуковых импульсов. Сгенерированный ультразвуковой импульс фокусируется плоско-вогнутой акустической линзой на исследуемом объекте, проходит через иммерсионную жидкость (воду), частично отражается от поверхности объекта, снова проходит через ту же акустическую линзу и регистрируется 16-элементной пьезоэлектрической антенной решеткой из ПВДФ. Антенная решетка обеспечивает эффективный прием ультразвукового сигнала в полосе частот 1.6-9 МГц. Пьезоэлементы в решетке являются плоскими. Они приклеены к плоской поверхности акустической линзы, что делает антенну эффективно цилиндрической. Аналоговые электрические сигналы после усилителя принимаются высокоскоростной многоканальной системой сбора и обработки данных. Установка содержит также систему четырехмерного позиционирования приемной антенны относительно исследуемого объекта, включающую 8-битный микроконтроллер SiliconLabs, получающий через шину USB управляющие движением команды от персонального компьютера. Предложена методика расчета конфокальных антенн, необходимая для проектирования лазерных ультразвуковых томографических систем, работающих в режиме реального времени. Для оценки размеров области чувствительности, глубины резкости и пространственного разрешения конфокальных антенн построены карты чувствительности и пространственного разрешения в плоскости изображения, опираясь на алгоритм обратных проекций. Создано программное обеспечение для анализа влияния геометрических параметров антенны на качество восстановления изображения, реализация которого произведена в виде скрипта с использованием вычислительного пакета MATLAB. Автоматизированная экспериментальная установка для лазерной ультразвуковой томографии горных пород апробирована на специально изготовленных дюралюминиевых образцах, представляющих собой цилиндрические тела с проточками на поверхности различной ширины и глубины. Проведено сравнение получаемых на лазерных ультразвуковых томограммах профилей их поверхностей с рентгеновскими томограммами, полученными на рентгеновском томографе XD7600NT, которое показало, что точность определения размеров объектов в продольном направлении составила до 15 мкм. Для демонстрации возможностей лазерно-ультразвуковой томографии был проведен модельный эксперимент, в котором в качестве объекта исследования использовался дюралюминиевый полуцилиндр радиусом 65 миллиметров с искусственным дефектом в виде сквозного отверстия диаметром 1 мм, просверленном на расстоянии 25 миллиметров от его оси. Моделировалась решетка приемных пьезоэлектрических элементов, состоящая из 24 приемников. По зарегистрированным ультразвуковым сигналам с помощью алгоритма обратных проекций производилось восстановление положения отверстия. В результате работы алгоритма была получена карта пространственного распределения рассеивателей в образце и изображение отверстия.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основными задачами третьего этапа выполнения гранта были совершенствование геометрии двух сегментов 16-канальных ОА антенн созданной томографической установки и алгоритмов обработки сигналов для визуализации внутренней структуры геоматериалов.Для этого были выполнены следующие работы. Дополнительное численное моделирование показало, что для обеспечения более высокого поперечного пространственного разрешения необходимо изготовление тороидальной антенны с приемными элементами ширины 1 мм, обеспечивающей в два раза лучшее поперечное разрешение, чем цилиндрическая антенна. Ранее разработанный аппарат расчета карт чувствительности и пространственного разрешения, при реализации которого использовался алгоритм построения оптоакустических изображений, применен для расчета параметров тороидальной антенны. Изготовлена 16-канальная тороидальная антенна с поперечным размером пьезоэлемента 1 мм. Выполнена апробация работы 16-канального тородоидального сегмента многоканальной установки в режиме реального времени на модельных образцах из оргстекла, являющихся телами со сложной геометрией внутренней и внешней поверхностей, которая включала проверку сигналов от 16 пьезоэлектрических элементов антенны, ее амплитудную калибровку и построение томограмм в режиме реального времени. С помощью специально разработанного программного обеспечения с графическим интерфейсом (более десяти кадров в секунду) в режиме реального времени выполнена визуализация внутренней структуры модельных образцов из дюралюминия, бетона, мелкозернистого мрамора, имеющих внутренние неоднородности и границы, значительно отличающиеся по акустическому импедансу от материала образца. На полученных лазерно-ультразвуковых томограммах этих образцов четко видны специально сделанные отверстия и пропилы с характерными размерами 300-400 мкм. По результатам выполненных исследований был изготовлен второй 16-канальный тороидальный фокусированный сегмент многоканальной антенны. Разработан и апробирован алгоритм обратных проекций для построения оптико-акустических изображений, учитывающий преломление на плоской границе твердого тела и иммерсионной жидкости. Алгоритм апробирован в эксперименте по восстановлению 3D структуры филамента, образующегося при распространении лазерного импульса в воде. Его появление сопровождается возникновением ультразвукового отклика среды. В ходе эксперимента была восстановлена структура филамента, диаметр которого составлял несколько десятков микрометров. Разработанные модифицированные алгоритмы обратных проекций для построения оптоакустических и лазерно-ультразвуковых изображений были протестированы на модельных акустических сигналах, полученных с помощью k-Wave пакета в среде MATLAB, который является набором инструментов для численного моделирования акустических волновых полей псевдоспектральным методом в пространстве волновых векторов. Для проверки алгоритма построения лазерно-ультразвуковых изображений в k-Wave было проведено полномасштабное двумерное моделирование распространения лазерно-ультразвукового зондирующего импульса от генератора (совмещенного с приемной антенной) до образца из плексигласа, учитывающее все реверберации акустического импульса внутри образца, а также специфику распространения отраженного образцом импульса со всеми реверберациями обратно к антенне. Для его реализации использовалась двумерная пространственная сетка размером 40.96 мм×40.96 мм (4096×4096 точек с шагом 10 мкм) с шагом по времени ~0.5 нс. Модельная антенна содержала 64 точечных приемника с шагом 0.5 мм. На лазерно-ультразвуковой томограмме, построенной без учета преломления, размеры образца искажены. Все изображение выглядит «сжатым». Размеры образца, измеренные по томограмме, построенной с учетом преломления, совпадают с заданными в исходной модели с точностью менее 10 мкм в продольном направлении, и точностью менее 120 мкм – в поперечном. Экспериментальная апробация вышеописанных алгоритмов выполнена на модельных образцах, на внутренних границах которых происходил значительный скачок акустического импеданса. В экспериментальной установке выполнено сопряжение двух сегментов антенн, включающее юстировку их относительного расположения, синхронизацию с импульсом лазера, обеспечение одновременного приема сигнала.. Работа двух сегментов антенны прошла успешную апробацию на модельных цилиндрических образцах. Разработанная лазерно-ультразвуковая томографическая система позволила получить информацию о внутренней структуре различных геоматериалов. По измеренным с погрешностью 0,2% скоростям продольных и поперечных волн, распространяющихся в образцах мрамора, долерита, известняка и углей, найдены локальная пористость и локальные модули упругости материалов. Показано, что зависимость модуля Юнга этих сред от пористости хорошо аппроксимируется квадратичной функцией. Построены карты распределения пористости по поверхности образцов. Выполнена 3D визуализация и рассмотрены отдельные срезы, в которых локализованы микротрещины, определены их протяженность и ширина раскрытия. Для образцов с пористостью выше 25% (известняки и угли) не удалось найти аппроксимирующее выражение для связи пористости и модуля Юнга.Для верификации результатов лазерной ультразвуковой томографии проведено их сравнение с данными сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской томографии образцов горных пород различного типа метаморфизма. Исследованы образцы долеритов и мрамора кубической призматической формы с характерными размерами 10х10х10, 10х10х20, 19х19х38 мм. При использовании разработанного в ходе выполнения гранта лазерно-ультразвукового томографа волна с плоским волновым фронтом от оптико-акустического генератора фокусировалась акустической линзой для сужения области зондирования и формирования плоскости изображения шириной менее 300 мкм на соответствующую плоскость образца. Решетка из 32 пьезоэлектрических детекторов регистрировала акустические волны, отраженные от его внутренних дефектов (пор, микротрещин, других акустических неоднородностей). Полученные сигналы использовались для построения двумерного изображения сечений образца (лазерно-ультразвуковых томограмм). Разработанный метод обеспечивал высокое пространственное разрешение благодаря сочетанию преимуществ лазерного возбуждения ультразвука, детектирования решеткой приемников и томографическому подходу к восстановлению изображений. В каждом сечении образца проводилась локализация акустически более плотных минеральных зерен, межзеренных трещин и пор с размером около 50 мкм. Общая пористость определялась в каждом элементарном объеме (порядка 3-5 мм3) и по всему образцу. Показано, что пористость в отдельных элементарных объемах может отличаться более, чем на порядок, при этом средняя объемная пористость в каждом элементарном объеме близка к значениям, полученными с помощью рентгеновской томографии. Полученные результаты верифицированы исследованиями структуры на электронном микроскопе. Проведена визуализация изменений внутренней структуры подвергаемых механическому воздействию образцов геоматериалов методами лазерно-ультразвуковой и электронной микроскопии. Проиллюстрированы возможности лазерно-ультразвуковой структуроскопии при исследовании нелинейной динамики горных пород, подвергаемых переменным внешним нагрузкам. При циклическом нагружении образцов мрамора нелинейность диаграммы деформирования начинала появляться при напряжениях порядка 20 МПа. Структурные изменения определялись при сканировании лазерно-ультразвуковым томографом, проводилась визуализация отдельных сечений образцов и локализация в них возникающих трещин. Наличие трещин в каждом из сечений подтверждалось исследованиями на электронном микроскопе. На основе измерений локальных скоростей продольных и поперечных ультразвуковых волн с шагом 2 мм по поверхности образца были рассчитаны модуль Юнга и коэффициент Пуассона после каждого цикла нагружения. Погрешность в определении модулей упругости была не хуже 1%, т.к. погрешность измерения скоростей составляла 0,2%. Дальнейшее совершенствование алгоритмов обработки ОА сигналов, создание методик измерений позволит развивать цифровую модель керна на основе лазерно-ультразвуковой структуроскопии.