DE2603570B2 - Ultraschallsuchgerät - Google Patents

Description

zugeordneten Ausgangsschaltkreisen, einem sehr kleinen unwirksamen Bereich und eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen störende Rauschsignale auszeichnet

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in beispielsweiser Ausführungsform erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung von Wandlern eines Ultraschallsuchgeräts der hiermit beschriebenen Art,

Fig.2 das Schaltbild einer Ausführungsform einer Verzögerungsschaltung, die bei diesem System verwendet wird,

F i g. 3A, 3B und 3C das in drei Abschnitte unterteilte Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Ultraschallsuchgeräts erfindungsgemäßer Bauart und

F i g. 4 verdeutlicht die Signalverläufe an charakteristischen Punkten der Schaltung nach den Fig.3A bis 3C.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 sind dreißig (30) Ultraschallwandler Au Ai...Am in gleichabständiger Folge nebeneinander zu einem geschlossenen Kreis aneinandergesetzt. Diese Wandler dienen als Empfängereinheiten für Ultraschallsignale, die aus allen Umfangsrichtungen eintreffen. Diese Wandler können auch als Ultraschallsenderelemente eingesetzt werden; für den hier beschriebenen Fall wird jedoch davon ausgegangen, daß ein getrennter Ultraschallwandler ohne Richtwirkung ausschließlich als Sender vorhanden ist. Die Bündelung oder Richtwirkung jedes Wandlers ist nicht besonders scharf, so daß eine Anzahl aufeinanderfolgender Wandler im allgemeinen zusammengefaßt werden, um eine schärfere Bündelung, also einen scharfen Empfangsstrahl, zu erhalten. So wird beispielsweise für die folgende Beschreibung davon ausgegangen, daß die Ausgänge von sechs Wandlern A₁, A-i... Ai zusammengefaßt werden, um einen repräsentativen Empfangsstrahl aus der Richtung θι zu erhalten. Wird die Kombination der Wandler auf die Folge Ai, A3... A₇ umgeschaltet, so ändert sich die Richtung des repräsentativen Empfangsstrahls auf die Richtung Θ2. Wird also die Kombination von sechs Wandlern sequentiell in Umfangsrichtung in der angedeuteten Weise weitergeschaltet, so ergeben sich ersichtlicherweise dreißig Bezugsrichtungen, d. h. die aus allen Richtungen empfangenen Signale lassen sich aufeinanderfolgend als Ausgangssignale über diese Art der Wandleranordnung abgreifen und auf einer Kathodenstrahlröhre anzeigen, um aus den so erhaltenen Bildern Objekte zu erkennen, deren Radialabstände auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre beispielsweise den tatsächlichen Abständen der Objekte von der Meßstelle entsprechen.

Die Fig.2 zeigt das Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Zusammenfassung von jeweils sechs Wandlerausgängen. Wie die Zeichnung erkennen läßt, weist diese Schaltung sechs Eingangsklemmen Pi, Pi', Pi, Pi', P3 und P₃' sowie eine einzige Ausgangsklemme Po auf. Die Eingangsklemmen Pt und P\ sind über einzelne Widerstände R\ und R\ mit der Ausgangsklemme Po verbunden.

Die Eingangsklemmen P₂ und P₂' sind über Einzelwiderstände /?2 und A₂' und eine gemeinsame Induktivität L; mit der Ausgangsklemme Po verbunden, während die Eingangsklemmen P3 und Pi' über Einzelwiderständc A3 und R3 sowie über eine gemeinsame Induktivität L₂ mit dem Verbmdungspunki der Widerstände A₂ und R₂ und der Induktivität U verbunden sind. Das ausgangsseitige Ende der Induktivität U liegt über einen Kondensator Q auf Masse, während das andere Ende der Induktivität L\ über einen Kondensator C₂ auf Masse geschaltet ist

Die den Klemmen P\ und P\ zugeführten Signale lassen sich direkt an der Ausgangsklemme Po abgreifen, während die den Klemmen P₂ und P₂' zugeführten Signale an der Ausgangsklemme Po mit einer durch die Werte der Elemente L₁ und Q bestimmten Verzögerung abgreifbar sind, während die die Klemmen P3 und Pj beaufschlagenden Signale um eine durch die Elemente L₂ und C₂ bestimmte Verzögerung gegenüber den Signalen verzögert sind, die den Klemmen P\ und P\ zugeführt werden. Werden die Ausgangssignale der Wandler A\, A₂, Az, A4, A5 und Af, jeweils der zugeordneten Eingangsklemme Pi, P₂, P3, P3', P₂' und P\ zugeführt und sind die Verzögerungselemente Li, Ci, L₂ und Q so gewählt, daß das verzögerte Eintreffen der Ultraschallwelle an den Wandlern A\ (und At) sowie A₂ (und A₅) in bezug auf den Wandler A₃ (und A₄) aufgrund der Abstandsdifferenzen d\ und d\ der in F i g. 1 dargestellten Wandler kompensiert wird, so läßt sich nur das aus der Richtung θι eintreffende Ultraschallsignal an der Ausgangsklemme Po abgreifen.

Wie sich leicht aus dem System der F i g. 1 und der soweit gegebenen Beschreibung ersehen läßt, sind dreißig (30) der in Fig.2 gezeigten Schaltungen erforderlich, und die gleiche Anzahl von Schalterkreisen wird nochmals benötigt, um eine betriebsbereite Schaltung zu erhalten, da dreißig (30) Kombinationen von jeweils sechs Wandlern vorgesehen sind. Dies führt zu einem räumlich umfangreichen und vergleichsweise teuren Schaltungsaufbau.

Die dem Abstand d\ in F i g. 1 entsprechende Verzögerungszeit läßt sich rechnerisch zu etwa 22 usec berechnen, wenn der Durchmesser der kreisrunden Wandleranordnung zu 50 cm angenommen wird. Es ist also mindestens ein dieser Verzögerungszeit entsprechender Zeitabstand erforderlich, um an der Ausgangsklemme Po das der Richtung θι entsprechende Empfangssignal abgreifen zu können. In der Praxis zeigt sich jedoch, daß zusätzlich zu dieser Verzögerungszeit der empfangene Signalimpuls eine relativ lange Einschwingzeit benötigt, d. h. etwa 100 bis 200 |xsec. Um einen vollständigen Empfang des aus der Richtung θι reflektierten Signals zu gewährleisten, wird eine Gesamtzeit von etwa 120 bis 220μ8βο benötigt Wird

so daher zur Gewährleistung eines einigermaßen befriedigenden Signals: Rauschverhältnisses die Abfragezeit für das Empfangssignal aus einer speziellen Richtung auf 200 \istc festgesetzt, so ergibt sich die Gesamtzeit, die erforderlich ist, um dreißig (30) Signale an den Zusammensetzschaltungen der in Fig.2 dargestellten Art abzufragen, als das dreißigfache von 200 usec, d. h. zu 6000 μββϋ oder 6 msec. Da sich die Schallwelle während 6 msec um etwa 9 m ausbreitet, entspricht die aus jeder Richtung reflektierte Welle während eines Umlaufs der Abstanddifferenz von 9 m, d. h. also von 4,5 m für jeweils einen Weg. Mit dem System lassen sich also nur Objekte erfassen, die in einem Abstandsintervall von 4,5 m vorhanden sind Mit anderen Worten: Die zwischen diesen Abständen vorhandenen Objekte

^b> können nicht erfaßt werden. Ein solches System ist für die Praxis unzureichend und für viele Anwendungsfälle unbrauchbar.

Unter Bezue auf die F i e. 3A. 3B und ZC wird nun die

erfindungsgemäß vorgesehene Verbesserung gleichfalls an einem System mit dreißig (30) Ultraschall-Empfängerwandlern A\, Ai...Ay> beschrieben, wie es in F i g. 1 im Prinzip veranschaulicht ist:

Bei dem erfindungsgemäßen System werden die dreißig (30) Wandler in drei (3) Gruppen von jeweils zehn (10) Wandlern klassifiziert, die jeweils an zehn (10) Schalterkreise Si, Si...Sio so angeschlossen sind, daß jeweils drei (3) Wandler, die um 120° gegeneinander versetzt sind, mit dem gleichen Schalterkreis verbunden sind. So sind beispielsweise die Wandler A\, Au und A₂i mit dem Schalterkreis St, die Wandler Ai, A_u und A₂₂ mit dem Schalter Sj... und die Wandler Ato, Αχ und Αχ mit dem Schalterkreis Sio verbunden. Jeder Schalterkreis umfaßt drei Tore und ein ODER-Glied, die untereinander so verbunden sind, daß die Eingänge von den zugeordneten drei Wandlern über ein jeweils zugeordnetes Tor und das gemeinsame ODER-Glied auf die Ausgangsklemme gelangen. Die Tore werden durch entsprechende Steuer-Eingangssignale überwacht, die an einer Steuerklemme Bi, Bi...B30 zugeführt werden, wie die F i g. 3A zeigt.

Die Steuereingänge der Schalterkreise Si, Si...S\o werden durch ein Schieberegister 101 (F i g. 3B) gespeist. Dieses Schieberegister weist dreißig (30) Ziffernstellen oder Bits und entsprechend dreißig Parallelausgänge Q, Ci... Qo auf, die jeweils mit der zugeordneten Steuerklemme B\, Bi... B30 des jeweiligen Schalterkreises Si, Si...S\o verbunden sind. Der Schiebeeingang des Schieberegisters 101 wird von einem Frequenzteiler 104 gespeist, dem eine Taktimpulsfolge von einem Taktimpulsgenerator 102 über eine Torschaltung 103 zugeführt wird, während die in das Schieberegister 101 einlaufenden Serien-Eingangsimpulse ebenfalls über den Frequenzteiler 104, einen anderen Frequenzteiler 105 und einen Tastimpulsgenerator 106 angeliefert werden.

Das Tastsignal der Torschaltung 103 stammt von einem Tastimpulsgenerator 107. Der Tastimpulsgenerator 107 liefert außerdem ein Schaltsignal an einen Ultraschallsender 108, an den ein nichtrichtungsspezifischer, also raumstrahlender Ultraschall-Senderwandler 109 angeschlossen ist.

Der Ausgang des Frequenzteilers 104 ist außerdem mit dem Eingang eines Zählers 110 verbunden, der zehn (10) Zählausgänge 1, 2 ... 10 aufweist und von dem ein Rücksetzeingang beispielsweise mit dem Parallelausgang Cio des Schieberegisters 101 verbunden ist.

Aus der F i g. 3A ist ersichtlich, daß die Ausgänge der Schalterkreise Si, S₂... Sw an zehn (10) Verzögerungsschaltungen Di, D₂,.- Dio angeschlossen sind, die alle im Prinzip gleich und entsprechend der Schaltung nach F i g. 2 aufgebaut sind, die also sechs Eingangsklemmen P\, Pi, P3, P₃, Pi und Pi' sowie eine Ausgangsklemme P₀ aufweisen. Die Ausgänge der Schalterkreise Si, Si... Sw sind mit den Verzögerungsschaltungen Di, Di... Dio so verbunden, daß zyklisch aufeinanderfolgend jeweils sechs Schalterkreise mit entsprechend zugeordneten Eingangsklemmen Pi, Pi, P₃, P₃', P₂' und Pi der jeweiligen Verzögerungsschaltkreise verbunden sind. So sind beispielsweise die Ausgänge der Schalterkreise Si, Si, S₃, Si, Ss und & mit den entsprechend zugeordneten Eingangsklemmen P\, Pi, P₃, P₃', Pj bzw. Pi' der Verzögerungsschaltung Di verbunden; die Ausgänge der Schalterkreise S₂, S₃, Sa, Si, S₆ und S₇ sind mit den entsprechenden analog numerierten Eingangsklemmen der Verzögerungsschaltung Dj... die Ausgänge der Schalterkreise S₆, S₇, Se, S₉, Si₀ und Si mit den entsprechend numerierten Eingangsklemmen der Verzögerungsschaltung De... und die Ausgänge der Schalterkreise Si₀, Si, S₂, S₃, S₄ und S₅ mit den entsprechend numerierten Eingangsklemmen der Verzögerungsschaltung Dio verbunden.

Die Ausgänge der Verzögerungsschaltungen Di, D₂... Dio sind jeweils über Integrationsschaltkreise Qt, Qi... Qio und Tore Gi, G₂... G\a auf ein gemeinsames ODER-Glied 111 geschaltet. Die Integrationsschaltkrei-

to se Qu Q₂... Qio weisen eigene Rücksetz-Eingänge auf, die jeweils mit den Zählausgängen 2,3,4... 10 und 1 des Zählers 110 verbunden sind, während die Tore G\, G₂... Gio eigene Steuerklemmen aufweisen, die jeweils mit den Zählausgängen 1, 2 ... 9 und 10 des Zählers 110 verbunden sind, wie die F i g. 3B zeigt. Der Ausgang der ODER-Schaltung 111 ist über einen Verstärker 112 auf die Kathode 114 einer Kathodenstrahlröhre 113 geschaltet (F ig. 3C).

Der Ausgang des Taktimpulsgenerators 102 ist außerdem über eine Torschaltung 115, deren Steuerklemme mit dem Ausgang Cio des Schieberegisters 101 verbunden ist, auf einen Zähler 116 geschaltet (F i g. 3C). Das kodierte Ausgangssignal des Zählers 116 gelangt auf einen Sinus-Generator 117 und einen Kosinus-Generator 118, die jeweils über Amplituden-Modulatoren

119 bzw. 120 mit der Horizontal-Ablenkelektrode 121 bzw. der Vertikal-Ablenkelektrode 122 der Kathodenstrahlröhre 113 verbunden sind. Der Zähler It6 liefert außerdem einen Ausgangsimpuls nach jeweils 360 Zählschritten an einen anderen Zähler 123, dessen kodiertes Ausgangssignal auf die Modulatoren 119 bzw.

120 gelangt. Der Zähler 123 erzeugt außerdem auf jeden vorgebbaren Zählwert einen Rücksetzimpuls und sein Rücksetzausgang ist mit den Frequenzteilern 104 und 105, den Torschaltungen 103 und 115 sowie mit dem Zähler 116 verbunden.

Unter Bezug auf die Fig.4 wird nachfolgend die Arbeitsweise der soweit beschriebenen Schaltungsanordnung erläutert: Der Tastimpulsgenerator 107 liefert zu einem bestimmten vorgebbaren Zeitpunkt einen Tastimpuls, der als Schalt- oder Betätigungsimpuls auf den Sender 108 gelangt, so daß der Sender-Wandler 109 einen nicht gerichteten Ultraschallimpuls in alle Richtungen abstrahlt. Dieser Ultraschallimpuls breitet sich in dem umgebenden Medium, beispielsweise in Wasser aus und wird durch irgendwelche Objekte auf die Empfängerwandler Ai, A₂... Ax zurückreflektiert.

Andererseits gelangt der durch den Tastimpulsgenerator 107 gelieferte Tastimpuls außerdem auf die Torschaltung 103, wodurch diese öffnet. Damit gelang! eine Taktimpulsfolge vom Taktimpulsgenerator 102 aul den Frequenzteiler 104 und wird dort um den Faktor 12 untersetzt, so daß sich die in Fig.4 erkennbare Taktimpulsfolge a mit der Periode T ergibt. Diese Taktimpulsfolge a gelangt auf den Schiebeeingang de: Schieberegisters 101. Die Taktimpulsfolge a speis außerdem den Frequenzteiler 105 und wird dabei un* den Faktor 30 untersetzt. Der Tastimpulsgenerator 10( wird vom Ausgang des Frequenzteilers 105 gesteuer

im und liefert einen Tastimpuls b, dessen Dauer 10Tune dessen Periode 30 Γ entspricht. Da die Impulsfolge I aufeinanderfolgend Bit für Bit durch den Schiebeimpul: a in das Schieberegister 101 eingelesen wird, erscheinet an den Parallelausgängen des Schieberegisters 101 di<

1.-. in F i g. 4 mit C₁, Ps... ex angegebenen Signale.

Die Tore in den Schalterkreisen Si, S₂... S|₀ werdei jeweils durch die Signale c\, C₂... C₃₀ gesteuert, die der Steuerklemmen Bu B₂... B_x zugeführt werden. Wie di<

Zeichnung erkennen läßt, fällt die Rückflanke des Impulssignals t\ mit der Vordcrflanke des Signals oi.die Rückflankc des Signals Cu-mit der Vordcrflanke des Signals o?i und die Rückflankc des Signals οι mit der Vordcrflankc des Signals c\ zusammen. Vermittels des Schalterkrcises S₁ lassen sich also die Ausgänge der Wandler A1, A\ \ bzw. A₂] während einer Zeitperiode von 107'jeweils in zyklischer Aufeinanderfolge alternierend abfragen. Insbesondere wird zunächst der Ausgang des Wandlers A\ während einer Zeitperiode von 1OT abgefragt, während gleichzeitig mit dem Ende dieser Zeitperiode die Abfrage des Ausgangs des Wandlers Aw beginnt. Mit dem Ende der Abfrageperiode von 10Γ für den Ausgang An beginnt die Abfrage des Ausgangs A₂], während am Ende dieser Abfrageperiode die zweite Abfrage des Ausgangs A\ beginnt. Das Umschalten der Ausgänge wird in gleicher Weise für alle Schalterkreise ik

In der Zeitperiode zwischen der Vorderflanke und der Rückflanke des Signals η werden über die Schalterkreise Si, S₂... S,_o die Ausgänge der Wandler A\, A₂... A_[0 abgefragt. Die Verzögerungsschaltung A kombiniert also die Ausgänge der Wandler A\, A₂, Ai, A4, Ai und Ab, wie zuvor in bezug auf die Fig.2 beschrieben, um ein Ausgangssignal zu erhalten, das repräsentativ ist für eine Ultraschallwelle, die aus der Richtung Θ, eintrifft (Fig. 1). In analoger Weise kombiniert die Verzögerungsschaltung D₂ die Ausgänge der Wandler A₂, Ay, Aa, As, A_b und A₁ und erzeugt ein Ausgangssignal, das einem reflektierten Signal aus der Richtung Θ2 entspricht. In ganz ähnlicher Weise werden über die Verzögerungsschaitungcn A. A und A jeweils Ausgangssignale angeliefert, die den reflektierten Signalen aus den Richtungen Bj, β< bzw. Θ5 entsprechen, wobei die Ausgänge der Vcrzögerungsschaltkreise A ^ bis Dio während dieser Zeitperiode bedeutungslos sind.

Mit Beginn des Signals Cn jedoch endet das Signal ο und das über den Schalterkreis Si abgreifbare Ausgangssignal des Wandlers A\ wird durch das Ausgangssignal des Wandler Aw ersetzt. Jetzt wird das «> Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung A bedeutungsvoll und entspricht einem Reflexionssignal aus der Richtung θ₆. Werden in entsprechender Weise die Signale c\₂, cn, 04 bzw. cn aufeinanderfolgend den Schalterkreisen zugeführt, so liefern die Verzögerungs- « schaltungen A, A, A und Ao aufeinanderfolgend Signale, die repräsentativ sind für die aus den Richtungen θι, θ₈, θ₉ bzw. θ₎₀ eintreffenden Reflexionssignale.

Aus der so weit gegebenen Beschreibung ist «> ersichtlich, daß während des ersten Durchgangs die Ausgangssignale der Wandler A], A₂... Aw, während des zweiten Durchgangs jene der Wandler Au, A₁₂... Aw und während des dritten Durchgangs die der Wandler A₂₁, A₂₂... A_K über die Schalterkreise Si, « S₂... Sio erhalten werden. Entsprechend lassen sich an den Verzögcrungsschaltungen D], D₂-.- Ao aufeinanderfolgend dreißig (30) Ausgangssignale abgreifen, die den aus den dreißig Richtungen θι, θ₂... Θμ während dieser drei Durchgänge, die einen Betriebszyklus bilden, <>o reflektierten Signale entsprechen. Diese Ausgangssignalc gelangen über die Integrationsschaltungen Qu Q₂... Q]₀ auf das jeweils zugeordnete Tor Gt, G₂... Gio. Die Intcgrationsschaltungen dienen dabei zur Abfrage und Integration der Eingangssignale, um für diese das " Signal: Rauschverhältnis zu verbessern.

Der Zähler HO(Fi g. 3B) zählt die vom Frequenzteiler 104 gelieferte Taktimpulsfolgc a und erzeugt an seinen Ausgangsklemmen 1,2 ... 10 aufeinanderfolgend die in Fig.4 gezeigten zehn Ausgangsimpulse g\, g₂...g]o- Da die durch den Zähler 110 gezählte Taktimpulsfolge a identisch ist mit der Schiebeimpulsfolgc des Schieberegisters 110, das die Funktion der Schalterkreise Si, S₂... Sw steuert, sind die Eingangssignale für die Intcgrationsschaltkreise QuQ₂... Qw und damit für die Tore Gi, G₂... G|₀ vollständig mit den Ausgangssignalen des Zählers 110 synchronisiert. Bei dieser Ausführungsform wird der Zähler 110 durch die Vorderflanke des Tastimpulses cio rückgesetzt. Demzufolge fällt die Rückflanke des am Ausgang 1 des Zählers 110 erzeugten Ausgangsimpulses g] unmittelbar nach der Rücksetzung mit der Rückflanke des Tastimpulses c, zusammen, was die F i g. 4 zeigt. Dieser Ausgangsimpuls g\ gelangt auf das Tor Gi, wodurch dieses leitend wird und das in der Integrationsschaltung Qi gespeicherte Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung A durchläßt. Nach einer Periode Tder Taktimpulsfolge a endet der Ausgangsimpuls g\, so daß die Torschaltung Gi wiederum schließt. Gleichzeitig erscheint der Ausgangsimpuls g₂ am Ausgang 2 des Zählers 110. Dieser Ausgangsimpuls g₂ gelangt auf die Integrationsschaltung <?i, um den nächsten Speichervorgang auszulösen und gleichzeitig auf das Tor G₂, so daß jetzt das in der Integrationsschaltung Q₂ gespeicherte Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung D₂ freigegeben wird. Der Eingang des ODER-Glieds 111 wird damit vom Ausgang der Verzögerungsschaltung A auf jenen der Verzögerungsschaltung A umgeschaltet. In gleicher Weise werden die Tore Gi, G₂... Gio aufeinanderfolgend jeweils für eine bestimmte Zeit leitend und dieser Betriebsablauf wiederholt sich zyklisch. Da die Signale, die den aus den Richtungen θ,, Θ₂...θιο reflektierten Signalen entsprechen, zyklisch — wie zuvor beschrieben — von den Verzögerungsschaltungen A ■ A ■ · · Ao über die Integrationsschaltungen Q\,Qi... <?ioim Verlauf der drei erwähnten Durchläufe auf die Tore Gi, G₂... Gm gelangen, erscheinen diese Signale in sequentieller Folge am ODER-Glied 111 und gelangen auch sequentiell über den Verstärker 112 auf die Kathode 114 der Kathodenstrahlröhre 113 und modulieren so die Helligkeit des angezeigten Bilds.

Durch die Vorderflanke des Tastimpulses Ci₀ vom Schieberegister 101 wird auch die Torschaltung 115 (Fig.3B) geöffnet, so daß die Taktimpulsfolge vom Taktimpulsgenerator 102 auf den Zähler 116 gelangt. Dieser Zähler 116 zählt die Taktimpulse und liefert sein kodiertes Zähl-Ausgangssignal sukzessiv an den Sinus-Generator 117 bzw. den Kosinus-Generator 118. Der Sinus-Generator 117 bzw. der Kosinus-Generator 118 liefern ein Sinus-Wellensignal bzw. ein Kosinus-Wcllensignal, und zwar in bezug auf das gleiche kodierte Ausgangssignal, so daß die Tastung der Kathodenstrahlröhre 113 über die horizontalen und vertikalen Ablenkelcktroden 121 und 122 in kreisrunder Abtastlinie erfolgt. In diesem Fall ist das System so aufgebaut, daß 360 Zählschritte des Zählers 116 einem vollständigen Abtastumlauf entsprechen. Da die Umschaltung der Wandler A\, A₂...A_x durch die Taktimpulsfolge a gesteuert wird, deren Frequenz einem Zwölftel (V12) der den Zähler 116 beaufschlagenden Taktimpulsfoige entspricht, so entspricht ein Abtastumlauf auf der Kathodenstrahlröhre 113 auch einer Abfrage der dreißig Wandler A\, Aj... An oder einer Abfrage der dreißig Signalcinfallsrichtungcn θι, θ₂... θιο- Wird also über das ODER-Glied 111 irgendein Signal erzeugt, das repräsentativ ist für ein aus einer speziellen Richtung

reflektierten Signal, erscheint ein heller Fleck auf der kreisrunden Abtastlinie in der Winkelrichtung, die dieser speziellen Richtung entspricht, d. h. der Abtaststrahl wird an dieser Stelle hellgetastet.

Wie zuvor beschrieben, erzeugt der Zähler 116 außerdem nach jeweils 360 Zählschritten des Taktimpulses einen Ausgangsimpuls, d. h. am Ende eines Umlaufs der Abtastung. Der Zähler IZ) zählt diesen Ausgangsimpuls und liefert einen kodierten Zählausgang, der sukzessiv den Amplituden-Modulatoren 119 und 120 zugeführt wird. Mit steigendem Zählwert am Zählausgang des Zählers 123 werden durch die Modulatoren 119 und 120 auch die Amplituden des Sinus-Signals bzw. Kosinus-Signals vom Generator 117 bzw. 118 größer. Dies hat eine Vergrößerung des Durchmessers der kreisrunden Abtastlinie an der Kathodenstrahlröhre II) zur Folge, so daß der Bildschirm aufeinanderfolgend vollständig abgetastet wird. Erreicht der Zähl wert am Zähler IZJ einen bestimmten Wert, der einem vorgebbaren Radius auf dem Anzeigeschirm entspricht, so liefert der Zähler 123 einen Rücksetzimpuls, der auf den Zähler 116 gelangt, um die Anfangsbedingung für einen erneuten Stari der kreisrunden Abtastung des Bildschirms von dessen Mitte aus wiederherzustellen. Im richtig gesteuerten Zusammenwirken dieser kreisrunden Abtastung und der sequentiellen Zuführung der zusammengesetzten Ausgangssignale der Verzögerungssertaltimgen I)], lh .. . Οι» auf die Kathodenstrahlröhre 115 läßt sich das zu erfassende Objekt als Bild auf dem Anzeigeschirm an einer Stelle sichtbar machen, die sowohl hinsichtlich der Richtung als auch des Abstands der tatsächlichen Position des Objekts in bezug auf die Meßstelle entspricht.

Der Rücksetzimpuls vom Zähler 12) gelangt außerdem auf die Frequenzteiler 104 und 105 und die Torschallkrei.se 10) und 115, wodurch diese Schaltkreise in den Ausgangszustand des Systems zurückgesetzt werden. Das System wird sodann durch den Tastiinpuls vom rastimpulsgenerator 107 erneut in Betrieb gesetzt, so daß der gleiche, zuvor beschriebene Belriebsablauf sich wiederholt.

Wie beschrieben, werden für das erfiiidiingsgemaße Ullraschallwandlersysteni nur zehn (K)) Sätze von Schaltern und Verzögerungsschaltkreisen für dreißig (X)) Ultraschallwandler benötigt, wahrend bei dem bekannten System dreißig Sätze für die gleiche Anzahl von Wandlern erforderlich waren. Wird darüber hinaus jeder Schalterkreis so aufgebaut, daß fünf Kingangssignale umgeschaltet werden können, so werden ersichtlicherweise nur sechs einander entsprechende Sätze von Schaltern und Verzögcrungsgliedern benötigt, was theoretisch ohiie weiteres ausreicht, um gleich gute lletriebsverhältnisse zu erhalten, wobei dann ebenfalls die Ausgangssignale von sechs Wandlern zusammengefaßt werden, um ein richtungsbezogenes llmpfangssign.il zu bilden. Die vier zusätzlichen Satze bei der hier beschriebenen, zu bevorzugenden Ausfiihnmgsform der Erfindung dienen jedoch zur Verwirklichung eines besonderen Vorteils, der nachfolgend kurz, erwähnt wird:

Im Falle von sechs Sätzen von Schaltern und Verzögerungskrcisen müssen die Ausgangssignale von sechs Schalterkreisen, die einem speziellen Verzögerungskreis zugeführt werden, miteinander verbunden und nach einer Zeitperiode T der Taktimpulsfolge a abgefragt werden. Wegen der relativ großen Zeitverzögerung bei Ultraschallübertragung macht dies relativ lange Perioden für die Taktimpulsfolge .ι erforderlich, beispielsweise 200 nsec, wie zuvor beschrieben, und demzufolge sind bei Geräten nach dem Stand der Technik auch relativ lange Abtastzeiten erforderlich, ■j Werden dagegen entsprechend der zu bevorzugenden Ausführungsform der Erfindung zehn Sätze von Schaltungsgruppen vorgesehen, besteht zur Bildung und Ausgabe des zusammengesetzten Signals für jede Verzögerungsschaltung eine Zeitperiode zur Verfügung, die vier Perioden 4Tder Taktinipulsfolge a vom Empfang des sechsten Eingangssignals aus entspricht. Wird die Tastzeit jeder Torschaltung hinzugerechnet, so steht jeder Verzögerungsschaltung zur Bildung des richtungsbezogenen Ausgangssignals eine Zeit zur Verfügung, die fünf Perioden 5 Tder Taktimpulsfolgc j entspricht. Beträgt die zur Bildung jedes richtungsbezogenen Ausgangssignals wie dargelegt beispielsweise 20<^sec, so kann die kürzeste Periode für die Taktimpulsfolge a auf nur 40μβεΰ reduziert werden.

Entsprechend wird die für einen Zyklus, also einen Durchlauf der dreißig Wandler Λ\, Λι... Am erforderliche Abtastzeit auf 12(K) nsec verringert. Da sich eine Ultraschallwelle in 12(M) (iseeum 180 cm ausbreitet, wird die Abstandsdifferenz, die der Abfragefolge entspricht,

« für jede reflektierte Welle, d. h. das unwirksame Intervall des Systems auf nur 90 cm verringert. Dieser Abstand ist in Anbetracht der Abstandaiiflösung des Abtastimpulses mit ausreichender Zuverlässigkeit vernachlässigbar. Wie oben beschrieben, läßt sich für das

ω erfindungsgemäße System die Abfrage- oder Uinschaltgeschwindigkeit für die finipfangssignale so hoch machen, daß eine hohe Anzeigegenauigkeit erreicht wird, selbst für vergleichsweise sehr kurze Abstände.

Wie sich aus der soweit gegebenen Beschreibung

·> ersehen läßt, werden außerdem die Empfäiigerwaiuller, die einer jeweils beireffenden Verzögerungsschiilliinj; zugeordnet sind, in ausreichendem Zeitabstand umgeschaltet, bevor die zugeordnete Torschaltung ΟΊ, ('·> ■ ■. oder Cm leitend wird. Damit wird erreicht, daß keinerlei

") Rauschsignal aufgrund des Schaltinipulses irgendeines der Tore passieren kann.

Bei dem erfindungsgemäßen System wird jedes zusammengesetzte, richtungsbezogene Ausgangssignal der Verzögerungsschaltkreise in einer zugeordneten

*> Integrationsschaltung gespeichert, bevor es auf das entsprechende Tor gelangt. Dies ergibt ein vergleichsweise sehr hohes Signal: Ratischverhaltnis im Vergleich zu herkömmlichen Geräten, bei denen jeweils der Momentanwert des zusammengesetzten Signals abge-

"'·> griffen wird.

Obgleich die obige Beschreibung auf eine Anzahl (m ■ n) von dreißig (10) Ultraschallwaiullern bezogen war, wobei die Anzahl η der Schalter oder Verzöge rungskreise zehn (10) und die Anzahl k der einer

w Schalter- oder Verzögerungsleitung zugeordneten Ultraschallwandlcr sechs (6) betrug, ist ersichtlich, daß diese Zahlen in gewissen Grenzen willkürlich wählbar sind. So kann beispielsweise die An/.ahl k der Ultraschallwandler bis auf die Anzahl /? der Si halter

bo und Verzögerungskreise erhöht werden, ohne daß sich dabei an dem Gegenstund der soweit beschriebenen Erfindung prinzipiell etwas ändert. |edoch gehen einige mit der Erfindung leicht zu verwirklichende Vorteile verloren, wenn die Anzahl k der Ultraschallwandler

*>"· nahe an die Anzahl η der Schalter- und Verz.ögerungs schaltkreise herankommt, so etwa die erwähnte hohe Schaltgeschwindigkeit und die beschriebene große Unempfindlichkeit gegen Stör- oder Rauschsignale.

Wird daher die Anzahl k der Wandler /ur Verbesserung der Richlwirkung des twnpfangssignals erhöht, so wird es zweckmäßig sein, auch die Anzahl π der .Schaller- und Verzögerungskreise entsprechend zu erhöhen. Wie beschrieben, ergibt sich bei der obigen Ausführurigsform ein Zeitüberschuß von vier Perioden der Taktimpulsfolge a zur Abtastung des durch die Verzögerungsschaltung gebildeten zusammengesetzten Signals. Soll nun die Anzahl k der Ultraschallwandler ohne Verlust des beschriebenen Vorteils erhöht werden, so sollte auch die Anzahl η der Schalter- und Verzögerungskreise so erhöht werden, daß die Differenz fn-Ar^ jeweils vier (4) oder mehr beträgt. Je größer diese Differenz wird, um so höher kann die resultierende Schaltgeschwindigkeit werden. Die Anzahl der Schalterkreise .S'i, .S*j... muU jeweils gleich der Anzahl der Verzögerungskreise lh, lh ■ ■ · sein. Wird die Anzahl der

Verzögerungskreise erhöht, so impliziert dies gewisse Nachteile, so etwa einen bei Verwirklichung der Erfindung erzielbaren einfachen und kompakten Aufbau, obgleich sich dadurch im Prinzip die Schaltgeschwindigkeit verbesstni !u'IJi. Die Anzahl der Ultra schallwandler bzw. der Schalter- und Verzögerungskreise muß daher auch unter Berücksichtigung des Anwendungszwecks solcher (ieräte zweckmäßig gewählt werden.

Obgleich bei der oben beschriebenen Ausfiihrungsform der Parallelausgang ivi des Schieberegisters 101 zur Riicksetzung des Zählers 110 dient, bezieht sich dies lediglich auf die Nullpunktbestimmung für die kreisförmige Abtastung der Kathodenstrahlröhre. Der gleiche

ι? Zweck laßt sich also auch erreichen, wenn ein anderer Parallelausgang des Schieberegisters 101 anstelle des Ausgangssignals o,> herangezogen wird.

Hierzu 5 Hlatt Zeichnunpen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Ultraschallsuchgerät mit Rundumabstrahlung und einer Mehrzahl von auf einem Kreisumfang gleichabständig verteilt angeordneten Ultraschallwandlern, die das aus allen Abstrahlrichtungen reflektierte Ultraschallsigiial aufnehmen, mit einer Mehrzahl von Ausgangsschaltkreisen, die die Ausgangssignale von k (k>\) in einer bestimmten Kreisumfangsrichtung aufeinanderfolgenden benachbarten Wandlern zur Erzeugung einer Mehrzahl von richtungsabhängigen zusammengesetzten Ausgangssignalen kombinieren, sowie mit einer Einrichtung zur sequentiellen, zeitunterteilten Abfrage und Anzeige der zusammengesetzten Ausgangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (Ai bis A_M) in m Gruppen zu jeweils η in der bestimmten Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Wandlern zusammenfaßbar sind, wobei die Anzahl der die Ausgangssignale zusammenfassenden Ausgangsschattkreise η beträgt, m und π ganze Zahlen größer als 1 sind und /lsi k gilt, daß η Schaltkreise (Si bis S\o) mit jeweils m Eingängen vorhanden sind, die jeweils mit einem zugeordneten Ausgang eines /-ten (j=\, 2, ...n) Wandlers aus den m Gruppen von Wandlern verbunden sind, daß die Schalterkreise (Si bis Sw) ausgangsseitig mit den Ausgangsschaltkreisen (D\ bis Ao) derart verbunden sind, daß η Gruppen von Schalterkreise n, die jeweils aus k in der genannten Kreisumfangsrichtung aufeinanderfolgenden Schalterkreisen bestehen, sequentiell auf die einzelnen Ausgangsschaltkreise schaltbar sind, und daß unter Steuerung durch eine Steuereinheit (101 bis 123) η Ausgangssignale während einer Taktzeit von den im Sinne der Kreisumfangsrichtung aufeinanderfolgenden Schalterkreisen abgreifbar und gleichzeitig die Abfrage der π Ausgänge um jeweils einen Schritt im Sinne der Kreisumfangsrichtung weiterverschiebbar ist.

2. Ultraschallsuchgerät nach Anspruch I₁. dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schalterkreise (S\ bis Si o) m Tore (Gi bis Gi₀) zur auswahlweisen Durchschaltung der jeweils m Eingänge aufweist, daß die Steuereinheit ein Schieberegister (101) mit einer Mehrzahl von Parallelausgängen (Q bis Cx) enthält, deren Anzahl der Anzahl der Uhraschallwandler (Ai bis A_x) entspricht, daß der Serieneingang des Schieberegisters mit einem Steuerimpuls beaufschlagbar ist, dessen Dauer der Schiebezeit für η Wandler entspricht, während am Schiebeeingang des Schieberegisters eine mit dem Schiebevorgang für die Wandler synchronisierte Taktimpulsfolge zuführbar ist und daß die Parallelausgänge des Schieberegisters sequentiell auf die Steuereingänge jener Tore (Gi bis do) in den Schalterkreisen schaltbar sind, die jeweils bestimmten Wandlern zugeordnet sind.

3. Ultraschallsuchgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl it von durch jeden Ausgangskreis zusammenzufassenden Wandler-Ausgängen kleiner gewählt ist als die Anzahl der Ausgangskreise (Di bis D10) und daß eine Speicherschaltung (Qi bis Q10) mit dem Ausgang jedes Ausgangskreises verbunden ist.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der kombinierten Ultraschall-Sender/Empfänger-Systeme und bezieht sich insbesondere auf ein Ultraschallsuchgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1, bei dem ein "> Ultraschall-Impulssignal in einem großen Winkelbereich, vorzugsweise einem Abstrahlwinkel von 360°, abgestrahlt wird und bei dem die reflektierten Wellen aus den jeweiligen Richtungen empfangen und nach Umsetzung auf einer Kathodenstrahlröhre angezeigt werden.

Wegen der relativ niedrigen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen ist es unmöglich, die reflektierten Empfangswellen auf einer Kathodenstrahlröhre durch PPI-Abtastung, also PPI-Anzeige (Plan Position Indication) darzustellen. Bei einem bekannten Anzeigesystem dieser Art wird ein Ultraschallsignal in nichtgerichteter Form in alle Richtungen abgestrahlt und die reflektierten, aus den jeweiligen Richtungen zurückkommenden Wellen werden durch eine Mehr-

*> zahl von Ultraschallwandlern aufgenommen, die in gleichabständiger Folge auf einer im wesentlichen kreisrunden Empfängereinheit angeordnet sind. Um eine hohe Richtwirkung und damit gute Auflösung beim Empfang zu erhalten, werden die Ausgangssignale mehrerer aufeinanderfolgend aneinandergrenzender Wandler zusammengefaßt und das resultierende Signal wird auf der Kathodenstrahlröhre angezeigt Werden mehrere solcher Art zusammengefaßter Wandlergruppen Schritt für Schritt aufeinanderfolgend in Umfangs- richtung abgefragt, so lassen sich die aus allen Richtungen empfangenen Signale gleichzeitig anzeigen. Dieses Prinzip, durch elektrisches Zusammenfassen der Empfangssignale mehrerer Wandlerelemente die Nebenmaxima von Ultraschallempfangsstrahlen zugunsten eines Hauptstrahls zu reduzieren, ist auch schon bei

Ultraschall-Meßverfahren mit gerichteten Sende- und

Empfangseinrichtungen bekannt, wie die DD-PS

1 09 267 zeigt

Bei diesem bekannten System jedoch treten die im

folgenden aufgeführten Probleme auf, die so schwerwiegend sind, daß sich das System in der Praxis kaum durchgesetzt hat:

Zum einen muß die Anzahl der Schaltkreise zum Zusammensetzen der Ausgangssignale der Wandler der Anzahl der Wandler selbst entsprechen. Darüber hinaus wird die gleiche Anzahl von Schaltkreisen benötigt, um die Wandler aufeinanderfolgend von einem Umlauf zum nächsten abzufragen. Dadurch sind nicht nur die Kosten für eine solche Ultraschallsuchanlage sehr hoch, das System wird vielmehr auch sehr kompliziert und der Aufbau läßt sich nicht mehr in der erwünschten Kompaktheit für ein gut handhabbares und leicht einzubauendes Gerät verwirklichen. Darüber hinaus ergibt sich bei den bekannten Geräten ein relativ großer, nur unbefriedigend oder überhaupt nicht ,abzutastender Bereich. Diese wesentliche Einschränkung gestattet nicht oder nur sehr unbefriedigend den Einsatz des bekannten Geräts über weite Suchbereiche. Der Grund dafür wird nachfolgend noch näher beschrieben.

Schließlich machen sich bei dem bekannten Gerät die Schaltimpulse, die für das Weiterschieben oder Umschalten auf die einzelnen Wandlergruppen benötigt werden, oftmals als sehr störender Rauschpegel

^h5 bemerkbar.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallsuchgerät zu schaffen, das sich durch eine wesentlich geringere Anzahl von den Wandlern