Sistema sensorial ultrasónico basado en técnicas Phased Array y de espectro ensanchado

Resumen

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.