DE4345381C2 - Vorrichtung zum Erhöhen der Bildwiederholrate eines Phased-Array-Bildsystems - Google Patents
Vorrichtung zum Erhöhen der Bildwiederholrate eines Phased-Array-BildsystemsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf akustische Pha
sed-Array-Systeme und insbesondere auf Ultraschall-Phased-
Array-Bildsysteme.
Ultraschallbildsysteme zum Erzeugen von Echtzeitbildern von
inneren Teilen des menschlichen Körpers sind an sich allge
mein bekannt. In derartigen Systemen ist ein Array bzw. Feld
von Ultraschallwandlern in Kontakt mit dem Körper angeord
net, welches kurze elektrische Pulse in entsprechende Druck
wellen umwandelt. Die elektrischen Pulse können an jeden
einzelnen Wandler in dem Feld angelegt werden, wobei durch
Wahl der Zeit des Anlegens der Pulse an jeden der Wandler
bezüglich anderer Wandler in dem Feld die durch jeden Wand
ler erzeugten Druckwellen in einen "Sendestrahl" umgewandelt
werden können, der sich in eine vorbestimmte Richtung von
dem Feld oder Array ausgehend ausbreitet.
Während sich die Druckwellen innerhalb des Sendestrahles
durch den Körper ausbreiten, wird ein Teil der akustischen
Energie rückwärts zu dem Wandlerfeld reflektiert, sobald die
Wellen auf Gewebe stoßen, welche unterschiedliche akustische
Charakteristika haben. Ein Array oder Feld von Empfänger
wandlern (welches das gleiche wie das Sendefeld sein kann)
ist vorgesehen, um die reflektierten Druckpulse in entspre
chende elektrische Pulse umzuwandeln. Die reflektierten
Druckpulse werden durch jeden Wandler in dem Empfangsfeld
empfangen, wobei durch geeignete Wahl der relativen Verzö
gerungen zwischen den Signalen, die von jedem Wandler er
zeugt werden, und durch Kombination dieser Signale die in
einem "Empfangsstrahl" beinhalteten empfangenen Druckwellen
gegenüber anderen Druckpulsen hervorgehoben werden können.
Wie bei dem Sendestrahl können die relativen Wandlerverzö
gerungen derart eingestellt werden, daß sich der Empfangs
strahl in jegliche gewünschte Richtung aus den von dem Wand
lerfeld erstreckt.
Es ist gleichfalls möglich, die empfangenen akustischen Sig
nale an einem Punkt längs des Empfangsstrahles zu fokussie
ren oder zu bündeln. Dies wird bewerkstelligt, indem in ge
eigneter Weise die relativen Signalverzögerungen zwischen
den Wandlern derart eingestellt werden, daß die durch die
Empfangswandler erzeugten elektrischen Signale zeitlich mit
Signalen überlagert werden, die von einem Punkt längs des
Empfangsstrahles in einer vorbestimmten Entfernung von dem
Wandlerfeld empfangen werden, jedoch nicht bezüglich wei
terer Signale überlagert werden. Wenn daher die Signale kom
biniert werden, wird ein starkes Signal von Signalen er
zeugt, die diesem Punkt entsprechen, während Signale, die
von anderen Punkten bei unterschiedlichen Zeiten ankommen,
zufällige Phasenbeziehungen zueinander haben und daher sich
in einer sich gegenseitig auslöschenden Weise überlagern.
Ein zweidimensionales Bild oder ein Sektorbild können mit
diesem System erzeugt werden, indem die akustischen Wandler
derart eingestellt werden, daß sie einen Sendestrahl in
einer gewünschten Winkelrichtung ausgehend von dem Wandler
feld oder Wandlerarray erzeugen oder "abschießen". Die
Empfangswandler werden dann eingestellt, um den Empfangs
strahl in dem gleichen Winkel wie den Sendestrahl zu er
zeugen. Die Empfangswander werden eingestellt, indem der
Empfangsstrahl mit sequenziell ansteigender Entfernung von
dem Wandlerfeld längs des vorbestimmten Sendestrahlwinkels
fokussiert bzw. gebündelt wird. Die empfangenen Signale für
jeden der aufeinanderfolgenden Fokuspunkte werden gespei
chert. Der Sende- und Empfangsstrahl werden daraufhin um
einen vorbestimmten Winkelbetrag bewegt, woraufhin das Ver
fahren der Signalgewinnung wiederholt wird. Die begonnenen
Signale werden dann verarbeitet, um dann ein keilförmiges
akustisches Bild zu erzeugen, das auch Sektor genannt wird.
Da die Entfernung zwischen jedem gewünschten Fokuspunkt
längs des Empfangsstrahles und den verschiedenen Empfänger
wandlern jeweils unterschiedlich ist, und da die reflektier
ten Pulswellen bei den Wandlern zu unterschiedlichen Zeit
punkten ankommen, werden die elektrischen Signale zu unter
schiedlichen Zeitpunkten erzeugt. Es ist daher erforderlich,
kompensierende elektrische Verzögerungen zwischen den jewei
ligen Wandlern einzuführen und einen Signalsummationspunkt
zu erzeugen, so daß die Ankunftszeit aller elektrischer Sig
nale an dem Summationspunkt übereinstimmt, unabhängig davon,
welcher Wandler beteiligt ist. Die Ansammlung von Wandler
kompensationsverzögerungseinrichtungen und Signalsummations
schaltungen wird üblicherweise als "Strahlformer" bezeichnet
und ist beispielsweise in dem US-Patent 4,140,022 der Anmel
derin beschrieben. Die Offenbarung der in diesem Patent be
schriebenen Strahlformervorrichtung wird in die vorliegende
Anmeldung durch diesen Querverweis aufgenommen.
Das Ausgangssignal des Strahlformers ist allgemein ein hoch
frequentes Signal, das die Amplitude der empfangenen Druck
pulse darstellt. Die Signale sind häufig eine Funktion des
Winkels (Θ) des Empfangsstrahles und der radialen Entfernung
(R) des Empfangsstrahles, an dem der Fokuspunkt auftritt.
Daher werden die Signale als R-Θ-Koordinaten bezeichnet.
Gleichfalls ist es unter Verwendung von an sich bekannten
Konstruktionsverfahren möglich, einen Strahlformer aufzu
bauen, der eine Abtastinformation in anderen Koordinaten
systemen erzeugt, wie beispielsweise als lineare Abtastung.
Jedoch können unter Berücksichtigung der kleinen, örtlich
begrenzten Bereiche die Signale in diesen anderen Koordina
tensystemen in R-Θ-Koordinaten umgewandelt werden. Daher be
zieht sich die nachfolgende Diskussion auf R-Θ-Koordinaten,
ohne daß in dieser Annahme eine Beschränkung der Allgemein
heit zu sehen ist.
Allgemein werden die Signale auf einem Anzeigemonitor, wie
beispielsweise einem Fernsehmonitor oder Rasterabtastungs
monitor dargestellt, so daß das Format der Signale von den
R-Θ-Koordinaten in X-Y-Koordinaten umgewandelt werden muß,
da letztgenannte bei der Fernsehanzeige verwendet werden.
Diese Umwandlung wird mit einem Gerät durchgeführt, das als
X-Y-Abtastwandler bezeichnet wird. Da die tatsächlichen
Daten in den R-Θ-Koordinaten in diskreten Winkelpositionen
verfügbar sind, muß der Abtastwandler die benötigten
X-Y-Werte erzeugen, indem zwischen den R-Θ-Koordinatenwerten
interpoliert wird. Die Bauweise und Betriebsweise eines
derartigen Abtastwandlers ist an sich allgemein bekannt.
Detailliert sind derartige Abtastwandler in den US-Patenten
Nummer 4,468,747 und 4,471,449 diskutiert, welche jeweils
Patente der Anmelderin sind. Die Beschreibung dieser Patente
wird in die vorliegende Beschreibung durch Querverweis
aufgenommen, so daß in der vorliegenden Beschreibung die
detaillierte Bauweise von Abtastwandern nicht diskutiert
wird.
Es hat sich herausgestellt, daß bei einigen bekannten Ab
tastwandlersystemen bestimmte Probleme auftreten. Ein der
artiges Problem besteht darin, daß die durch das System er
zeuten Bilder häufig sogenannte "Artefakte" in dem rekon
struierten Bild haben. Artefakte sind sichtbare Anormalitä
ten, die in dem angezeigten Bild auftreten, jedoch nicht bei
dem tatsächlichen Objekt vorliegen. Derartige Anormalitäten
bestehen beispielsweise aus strahlenförmigen Linien, Schach
brettmustern und Flecken, wobei diese Störungen allgemein
mit der unvollständigen Rekonstruktion des Bildes in Verbin
dung stehen.
Ein weiteres Problem bei bekannten Systemen besteht darin,
daß diese häufig eine beschränkte Auflösung haben. Ein be
kanntes Verfahren der Erhöhung der Bildauflösung liegt in
der Erhöhung der Anzahl der akustischen Linien, die "ge
schossen" werden, indem das Winkelinkrement zwischen den Li
nien reduziert wird. Jedoch wird mit einem derartigen Lö
sungsansatz die Gesamtzeit erhöht, die erforderlich ist, um
die akustischen Daten zu erhalten und um das Bild aufzu
bauen. Da viele Ultraschallbildsysteme verwendet werden, um
sich bewegende Objekte, wie beispielsweise Herzklappen, dar
zustellen, ist es von ausschlaggebender Bedeutung, das Bild
so schnell wie möglich aufzubauen (indem die sogenannte
"Bildwechselfrequenz" oder die Anzahl der pro Zeiteinheit
erzeugten Bilder erhöht wird), so daß die Objektbewegung so
genau wie möglich beobachtet werden kann. Die Bildwieder
holfrequenz kann erhöht werden, indem die Anzahl der für die
Erzeugung eines jeden Bildes geschossenen Linien vermindert
wird. Wie jedoch bereits erörtert wurde, wird hierdurch die
Gesamtauflösung des Bildes vermindert. Daher besteht bei den
bekannten Sytemen ein Konflikt zwischen der Zielsetzung der
hohen Auflösung und der Zielsetzung der hohen Bildwechsel
frequenz.
Die EP 0 473 959 A2 betrifft ein Verfahren zur Umwandlung
eines Mehr-Strahl-Sonar-Bildes. Bei dem Verfahren werden
eine Mehrzahl von Strahlen entlang einer Mehrzahl von Linien
und über eine Mehrzahl von Bögen gleichzeitig in ein Objekt
gesendet. Die reflektierten Signale werden entlang jeder Li
nie erfaßt und abgetastet, wodurch eine Bildmatrix aus abge
tasteten Werten, die aus den Schnittpunkten zwischen jeder
Linie und jedem Bogen stammen, erzeugt wird. Für jeden
Bildwert wird eine lineare Kombination von umgebenden Werten
gebildet, um einen umgewandelten Bildwert zu erzeugen, was
die Auswirkungen der Zwischenstrahlwechselwirkung reduziert.
Die US-A-4,310,907 betrifft einen Abtastumwandler für ein
Ultraschallabbildungssystem vom Sektorabtast-Typ. Der Um
wandler umfaßt eine Abtastschaltung, die Echosignale mit
einer Geschwindigkeit umgekehrt proportional zum Kosinus des
Ablenkwinkels der radialen Abtastlinien bezüglich der Be
zugslinie abtastet. Die abgetasteten Werte werden in digi
tale Werte umgewandelt und gespeichert. Die gespeicherten
werte werden seriell wiedergewonnen und einem Interpolator
zugeführt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen
den Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
mit erhöhter Bildwiederholrate zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem einzigen
Anspruch gelöst.
Ein Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt in der Erhöhung
des Signal-Rausch-Verhältnisses des Systemes oder in der Er
höhung der Bildwechselfrequenz ohne entsprechende Erhöhung
der Menge der Gesamtschaltung oder der benötigten Zeit, die
erforderlich ist, um ein akustisches Bild zu erzeugen.
Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt in der
Nutzbarmachung von zusätzlicher Information, die üblicher
weise während des Wiederherstellungsprozesses nach dem Stand
der Technik verloren gegangen ist, um eine erhöhte Auflösung
bei dem Wiederaufbau zu schaffen.
Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt in der
Verminderung von Artefakten in dem akustischen Bild, das
durch nicht vollkommene Bildaufbauverfahren nach dem Stand
der Technik erzeugt wird.
Wiederum ein Vorteil des Erfindungsgegenstandes ist in der
Erhöhung der Auflösung ohne Erhöhung der Dichte der akusti
schen Linien zu sehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes schematisches elektrisches
Blockdiagramm eines bekannten akustischen Bild
systemes;
Fig. 2 ein detaillierteres elektrisches schematisches
Blockdiagramm der bekannten Abtastwandlerschal
tung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein vereinfachtes elektrisches schematisches
Blockdiagramm eines akustischen Bildsystemes, das
derart reorganisiert worden ist, daß die Abtast
wandlung vor der Signalerfassung und der Signal
aufzeichnung ausgeführt wird, um die Bildauf
lösung zu erhöhen;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm, bei dem die aku
stischen Elemente mit einer Mehrzahl von Strahl
formern mittels Interpolationsschaltungen ver
bunden sind;
Fig. 5 eine Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
bei der eine Mehrzahl von Interpolationsschal
tungen an den Ausgang einer Mehrzahl von Strahl
formern angeschlossen ist, um die Anzahl der aku
stischen Abtastlinien zu vermindern, die erfor
derlich sind, um das Bild zu rekonstruieren;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer synthetisch
zusammengesetzten Empfangsstrahlinformation unter
Bezugnahme auf die Sendestrahlinformation bei
Verwenden einer Schaltung, wie sie in Fig. 5 ge
zeigt ist, sowie unter Bezugnahme auf eine Emp
fangsinformation von drei parallelen Strahlen;
und
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer synthetisch
zusammengesetzten Empfangsstrahlinformation unter
Bezugnahme auf eine Sendestrahlinformation unter
Verwenden einer Schaltung, wie sie in Fig. 5 ge
zeigt ist, sowie unter Bezugnahme auf empfangene
Information von vier parallelen Strahlen.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm
eines bekannten Phased-Array-Akustikbildsystemes. Insbeson
dere sind an der linken Seite der Figur ein Feld bzw. Array
von Wandlern bzw. Übertragern mit dem Eingang einer Strahl
formerschaltung 102 verbunden (wobei lediglich ein einziger
Wandler aus Gründen der Klarheit der Darstellung gezeigt
ist). Allgemein kann das gleiche Wandlerfeld sowohl zur Er
zeugung des Sendestrahles als auch zum Empfangen der reflek
tierten Druckpulse verwendet werden. Obwohl der Wandler 100,
der schematisch dargestellt ist, direkt mit dem Strahlformer
102 verbunden ist, sind bei einer tatsächlichen Ausführung
Sendetreiberverstärker und Empfängerverstärker zwischen den
Wandlern und dem Strahlformer vorgesehen. Die Bauweise und
Verschaltung dieser letztgenannten Schaltungen ist an sich
bekannt, so daß diese Details aus Gründen der Klarheit in
der Darstellung der Fig. 1 fortgelassen sind.
Die Bauweise und Operation einer Strahlformerschaltung ist
für Fachleute auf dem vorliegenden Fachgebiet an sich be
kannt und wird detailliert in dem bereits genannten US-Pa
tent 4,140,022 beschrieben. Kurz gesagt enthält die Schal
tung eine Mehrzahl von Verzögerungsleitungen zum selektiven
Verzögern der Übertragersignale und ein Summationsnetzwerk
zum Kombinieren der verzögerten Signale zum Erzeugen eines
elektrischen Ausgangssignales auf der Leitung 104.
Der Strahlformerausgang an der Leitung 104 (der, wie bereits
erwähnt wurde, in R-Θ-Koordinaten vorliegt) wird dann verar
beitet, um die letztendlichen X-Y-Signale zu erzeugen, die
auf einer Fernsehmonitoranzeige 112 angezeigt werden können.
Insbesondere wird das Ausgangssignal auf der Leitung 104 er
faßt und komprimiert, bevor es einem Strahlwandler zugeführt
wird, der die R-Θ-Koordinaten in X-Y-Koordinaten umwandelt.
Diese zusätzliche Verarbeitung ist allgemein erforderlich,
da die Strahlformerausgangssignale einen großen Dynamikbe
reich haben, während ein typischer Fernsehmonitor lediglich
Anzeigesignale mit einem sehr begrenzten Dynamikbereich an
zeigen kann. Demgemäß wird das Strahlformerausgangssignal an
der Leitung 104 an eine Detektorschaltung 106 angelegt. Die
Detektorschaltung 106 ist typischerweise ein "Absolutwert"-
Detektor oder ein Detektor, der nach dem "Quadratgesetz" ar
beitet, welcher schematisch in Fig. 1 als Diode dargestellt
ist. Die Bauweise sowie die Operation derartiger Detektoren
ist bekannt, so daß der Detektor 106 nicht näher erläutert
werden muß, wobei jedoch angenommen werden soll, daß es sich
bei dem Detektor um einen Absolutwertdetektor handelt. Der
Ausgang des Detektors 106 ist ein Signal, welches einen
Gleichstrompegel umfaßt, das in Beziehung zu der Größe des
Eingangssignales steht. Dieses letztgenannte Signal wird dem
Verstärker 108 zugeführt.
Der Verstärker 108 wird verwendet, um den Dynamikbereich des
Signales, das durch den Detektor 104 erzeugt wird, auf einen
Signalbereich zu vermindern, der von dem Fernsehmonitor 112
gehandhabt werden kann. Ein typisches Gerät ist ein loga
rithmischer Verstärker, der nachfolgend als Logarithmierer
bezeichnet wird, welcher das Ausgangssignal log (x) in Reak
tion auf das Eingangssignal x erzeugt. Jedoch sind andere
Datenkompressionsvorrichtungen an sich bekannt und können
den Logarithmierer ersetzen. Derartige Vorrichtungen können
einen Verstärker mit einer nicht-linearen Übertragungscha
rakteristik umfassen. Die Bauweise und Operation eines der
artigen Datenkompressionsgerätes ist an sich bekannt und muß
daher nicht weiter erläutert werden.
Das Ausgangsignal des Verstärkers 108 wird dem Abtastwandler
110 zugeführt, der die Abtastdaten in R-Θ-Koordinaten in die
für die Anzeige benötigten X-Y-Koordinaten umwandelt. Allge
mein ist die Bauweise und Operation eines Abtastwandlers,
wie er schematisch als Kästchen 110 dargestellt ist, an sich
bekannt. Ein detaillierteres Blockdiagramm ist gleichfalls
in Fig. 2 dargestellt, wobei diese Figur den Aufbau der
Schaltung zeigt, die die Interpolation ausführt, die erfor
derlich ist, um die R-Θ-Signale in X-Y-Signale umzuwandeln.
Die R-Θ-Daten auf der Leitung 200 von dem Datenkompressions
gerät 108 werden direkt zu einer Skalierungsschaltung 202
zugeführt, die die Daten mit einer vorbestimmten Konstante
(A) multipliziert. Hereinkommende Daten an der Eingangslei
tung 200 werden einem "eine Linie"-Puffer 204 zugeführt. Im
Falle von analogen Daten kann der Puffer 204 eine einfache
Verzögerungsleitung sein, die die analoge Information von
der Leitung 200 während eines Zeitintervalles verzögert, das
der Zeitverzögerung zwischen den akustischen Linien ent
spricht, die von dem Wandlerfeld erzeugt werden. Wenn ande
renfalls die hereinkommenden Signale digitalisiert worden
sind, kann der Puffer 204 ein temporärer Speicher sein. In
jedem Fall ist der Ausgang des Puffers 204 mit einer zweiten
Skalierungsschaltung 206 versehen, die die Information mit
einer zweiten vorbestimmten Konstanten skaliert. Der Puffer
208 der Skalierungsschaltung 202 und der Ausgang 210 der
Skalierungsschaltung 206 werden einem Summationsnetzwerk 212
zugeführt, das das Ausgangssignal 214 erzeugt. Der Puffer
204 ermöglicht, daß die Schaltung einen interpolierten Wert
der Daten für Punkte, die zwischen den Abtastlinien auftre
ten, erzeugt. Der Ausgang des Abtastwandlers 110 wird einem
Fernsehmonitor 112 zum Zwecke der Anzeige zugeführt.
Die Auflösung des akustischen Bildes, das von einem Bilder
zeugungssystem gemäß Fig. 1 erzeugt wird, kann dadurch er
heblich verbessert werden, daß die Signalverarbeitungs
reihenfolge verändert wird. Insbesondere kann die Auflösung
des Bildes ohne Erhöhung der Anzahl der Abtastlinien ver
bessert werden, indem gemäß Fig. 3 die Abtastwandlung bzw.
Wandlung der Signale von den R-Θ-Koordinaten in die X-Y-Ko
ordinaten ausgeführt wird, bevor die Erfassung und Kompres
sion stattfindet. Insbesondere entsprechen gemäß Fig. 3 der
Wandler 300 und der Strahlformer 302 den Elementen 100 und
102 in Fig. 1. Die Datensignale, die von dem Strahlformer
302 auf der Leitung 304 erzeugt werden, werden direkt dem
Abtastwandler 312 zugeführt und nicht dem Detektor 306, wie
dies bei der Schaltung nach dem Stand der Technik der Fall
ist. Der Ausgang des Abtastwandlers 310 wird seinerseits dem
Detektor 306 und der Datenkompressionsschaltung 308 zuge
führt, während der Ausgang des Verstärkers 308 dem Monitor
312 zum Zwecke der Anzeige zugeführt wird.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Schaltung, die verwendet
werden kann, um zusätzliche Linieninformationen aufgrund
bestehender Wandlerempfangsausgangssignale zu erzeugen. Je
des der Wandlerelemente (von denen die Elemente 2000 und
2002 gezeigt sind) ist mit Strahlformern 2025 und 2042 durch
die Interpolationsschaltung verbunden, wobei Interpolations
schaltungen 2001 und 2003 dargestellt sind. Jede dieser In
terpolationsschaltungen ist identisch. Lediglich die Schal
tung 2001 wird daher nachfolgend detailliert erläutert. Le
diglich zwei synthetisch erzeugte Strahlen werden im all
gemeinen erzeugt. Jedoch können die Wandlerausgangsinforma
tionen auch verwendet werden, um drei oder mehr Empfangs
linien synthetisch zu erzeugen, wie später erläutert werden
wird. Die Erweiterung der Schaltung auf drei oder mehr Li
nien ist eine Frage einer einfachen erweiterten Schaltungs
auslegung.
Insbesondere wird das Ausgangssignal des Elementes 2000 auf
der Leitung 2004 einem Paar von Linien-Generator-Schaltungen
zugeführt. Die erste Schaltung besteht aus den Multipli
zierern 2008, 2014 und 2020 und dem Summationsknoten 2030.
In der ersten Linien-Generator-Schaltung wird der Ausgang
2004 direkt dem Multiplizierer 2008 und dem Eingang des Li
nien-Puffers 2010 zugeführt. Der Linien-Puffer 2010 verzö
gert das Ausgangssignal 2004 über eine Zeitdauer, die der
Sende- und Empfangszeit des Systemes äquivalent ist, so daß
der Ausgang 2012 des Linien-Puffers 2010 den Ausgang des
Wandlers 2000 von der vorherigen akustischen Linie umfaßt.
Der Ausgang 2012 hat seinerseits einen zweiten Linien-Puffer
2016, so daß der Ausgangs dieses letztgenannten Puffers auf
der Leitung 2018 aus den Ausgängen 2004 der Wandler 2000
nach Verzögerung um zwei Linien-Zeitperioden besteht. Die
Ausgangssignale 2012 und 2018 der Linienpuffer 2010 und 2016
werden jeweils den Multiplizieren 2014 und 2020 zugeführt.
Die Multiplizierer 2008, 2014 und 2020 werden mit Konstanten
a1, a2 und a3 versorgt, welche die Wandler und die
Leitungspufferausgänge skalieren. Jeder Multiplizierer lie
fert ein skaliertes Ausgangssignal an einen Summationskno
tenpunkt 2022. Das Skalieren und Summieren bewirkt eine
synthetische Bildung eines "neuen" Empfangswertes an dem
Ausgang 2023 des Summationsknotenpunktes 2022 von dem Wand
lerausgang 2004 von der Empfangsinformation, die für drei
aufeinanderfolgende Sendelinien verfügbar ist. Dieses syn
thetisch gebildete Ausgangssignal wird einem Eingang eines
üblichen Strahlformers 2025 zugeführt.
Der Ausgang des Wandlers 2000 auf der Leitung 2004 und die
Ausgänge 2012 und 2018 der Leitungspuffer 2010 und 2016
werden drei zusätzlichen Multiplizierern 2024, 2026 und 2028
zugeführt. Die letztgenannten Multiplizierer werden mit drei
verschiedenen Skalierungskonstanten b1, b2 und b3 versehen,
wobei die skalierten Ausgangssignale an den Summationskno
tenpunkt 2030 angelegt werden, um ein zusätzliches synthe
tisches Ausgangssignal zu erzeugen. Falls die Konstanten "a"
und "b" voneinander abweichen, unterscheidet sich das zweite
synthetisch gebildete Ausgangssignal von dem ersten synthe
tisch gebildeten Ausgangssignal. Das letztgenannte synthe
tisch gebildete Ausgangssignal auf der Leitung 2032 des Sum
mationsknotenpunktes 2030 wird zu dem ersten Eingang eines
zweiten üblichen Strahlformers 2042 geliefert.
Der Strahlformer 2025 erzeugt ein Ausgangssignal auf der
Leitung 2027. Der Strahlformer 2042 erzeugt ein Ausgangs
signal auf der Leitung 2044. Diese Ausgangssignale können
gespeichert und verarbeitet werden, als ob doppelt so viele
Linien geschossen worden wären, als die tatsächliche Anzahl
der Linien.
Eine ähnliche Interpolationsschaltung ist für den Ausgang
eines jeden Wandlerelementes vorgesehen. Beispielsweise ist
die Interpolationsschaltung 2003 an dem Ausgang des Wandler
elementes 2002 vorgesehen. Jede Interpolationsschaltung er
zeugt zwei synthetisch gebildete Linien. Eine dieser Linien
wird einem Eingang des Strahlformers 2025 zugeführt, während
die andere Linie einem Eingang des Strahlformers 2042 zuge
führt wird. Beispielsweise werden die Ausgangssignale der
Interpolationsschaltung 2003, die durch die Summationskno
tenpunkte 2034 und 2038 gebildet werden, über Leitungen 2036
und 2040 als der "n"-te Eingang den Strahlformern 2025 und
2042 zugeführt.
Ein Problem im Zusammenhang mit der in Fig. 4 gezeigten
Schaltung besteht darin, daß zwei Linienerzeugungsschaltun
gen an jeden Wandlerausgang angeschlossen sein müssen, was
zu einer Gesamtzahl von zwei N Liniengeneratorschaltungen
führt. Daher kann die Schaltung kostspielig sein.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin
dung, bei dem die Interpolation nach der Strahlformung aus
geführt wird, um die Anzahl der Linienerzeugungschaltungen,
die benötigt werden, zu vermindern. Insbesondere sind Aus
gänge der N Empfangswandlerelemente (von denen die Elemente
2100 und 2102 gezeigt sind) den beiden Strahlformern 2125
und 2142 zugeführt. Genauer gesagt wird das Ausgangssignal
des Wandlerelementes 2100 über die Leitung 2104 dem Strahl
former 2125 und über die Leitung 2101 dem Strahlformer 2142
zugeführt. In ähnlicher Weise wird der Ausgang des Wandlers
2102 über die Leitung 2103 dem Strahlformer 2125 und über
die Leitung 2105 dem Strahformer 2142 zugeführt.
Die Ausgänge eines jeden der Strahlformer 2125 und 2142 wer
den wiederum einer Interpolationsschaltung zugeführt. Bei
spielsweise wird der Ausgang des Strahlformers 2125 über die
Leitung 2127 der Interpolationsschaltung 2150 zugeführt. Der
Ausgang 2144 des Strahlformers 2142 wird an die Interpola
tionsschaltung 2152 geliefert. Die Interpolationsschaltungen
2150 und 2152 sind im wesentlichen miteinander übereinstim
mend. Lediglich die Interpolationsschaltung 2150 wird de
tailliert beschrieben.
Die Interpolationsschaltung 2150 besteht aus zwei Leitungs
puffern 2154 und 2156, drei Multiplizierern 2162 bis 2164
und einem Summationsknotenpunkt 2166. Der Multiplizierer
2160 multipliziert das Ausgangssignal des Strahlformers 2125
mit einer vorbestimmten Konstanten a1 und liefert das ska
lierte Ausgangssignal an den Summationsknotenpunkt 2166. Das
Ausgangssignal des Strahlformers 2125 wird gleichfalls an
den Leitungspuffer 2154 angelegt, der, wie bereits beschrie
ben, das Ausgangssignal über eine Zeitdauer verzögert, die
der Zeit entspricht, welche erforderlich ist, um eine aku
stische Linie zu schießen bzw. zu erzeugen. Das Ausgangs
signal des Leitungspuffers 2154 auf der Leitung 2158 wird
dem Multiplizierer 2162 geliefert, durch den es mit einer
zweiten Konstanten a2 multipliziert wird und an den Summa
tionsknotenpunkt 2166 angelegt wird. Der Ausgang des Li
nienpuffers 2154 auf der Leitung 2158 wird an den Leitungs
puffer 2156 angelegt, durch den es über eine weitere Zeit
periode verzögert wird, welche der Zeitdauer einer akusti
schen Linie entspricht. Der Ausgang des Leitungspuffers 2156
wird seinerseits an den Multiplizierer 2164 angelegt, wel
cher das Ausgangssignal mit einer Konstanten a3 multipli
ziert. Das skalierte Ausgangssignal wird einem Summations
knotenpunkt 2166 geliefert.
Durch geeignete Einstellung der Konstanten a1 bis a3 kann an
dem Ausgang 2168 des Summationsknotenpunktes 2166 eine Summe
gebildet werden, die der interpolierte Ausgang des Strahl
formers 2125 ist, welcher von drei aufeinanderfolgenden aku
stischen Linienabtastungen gebildet wird. Der Interpolator
2152 arbeitet in einer ähnlichen Weise zur Erzeugung des
zweiten interpolierten Ausgangssignales auf der Leitung
2170. Die Konstanten der Multiplizierer in dem Interpolator
2152 sind auf die gleichen Werte wie diejenigen der Multi
plizierer in dem Interpolator 2150 eingestellt. Dieses Sche
ma arbeitet ähnlich wie das unter Bezugnahme auf Fig. 4 ge
zeigte, mit der Ausnahme, daß lediglich zwei Interpolations
schaltungen anstelle von zwei N Interpolationsschaltungen
benötigt werden, welche in Fig. 4 benötigt sind.
Wenn zwei Empfangsstrahlen für jeden Sendestrahl synthetisch
gebildet werden, ergibt sich ein Verlust bezüglich des Sig
nal-Rausch-Verhältnisses, da die synthetisch gebildeten
Empfangsstrahlen nicht längs des Weges zurückkehren, der
durch den Sendestrahl genommen wird. Gleichfalls kann ein
Schachbrettmuster-Artefakt erzeugt werden, da sämtliche
synthetisch gebildeten Empfangslinien nicht gleiche Strahl
profile haben. Um den Signal-Rausch-Nachteil und die mög
lichen Artefakte zu vermeiden, können drei Strahlformer ver
wendet werden, um drei Ausgangssignale aufgrund der Emp
fangsdaten für jeden tatsächlichen Sendestrahl zu erzeugen.
Die Strahlformerausgangssignale werden vorzugsweise durch
die Winkelsequenz gebildet, die durch die folgende Tabelle
für jeden Sendewinkel gegeben ist:
Um die Empfangslinieninformationen für eine Rundumweg syn
thetisch zu erzeugen, werden die Ausgangssignale eines jeden
Strahlformers in einem Speicher gespeichert und die gespei
cherten Ausgangssignale dann kombiniert, um die Empfangs
strahlen synthetisch zu bilden. Eine bevorzugte Kombination
ist in der folgenden Tabelle II wiedergegeben:
In dieser Tabelle bezeichnet Rn(x) das gespeicherte Aus
gangssignal, welches durch den Strahlformer n aufgrund eines
Sendestrahles mit dem Steuerwinkel bzw. Ablenkwinkel x er
zeugt wird. Eine Überprüfung der Tabelle II zeigt, daß die
synthetisch erzeugten Rundumempfangsstrahldaten durch Mit
telung von Daten von Sendestrahlen erzeugt werden, die bei
zwei verschiedenen Steuerwinkeln bzw. Ablenkwinkeln geschos
sen werden. Tatsächlich bewirkt die Kombination der Daten
von zwei Sendestrahlen eine Erscheinung des Systemes, als ob
ein dritter Sendestrahl zwischen den beiden tatsächlichen
Sendestrahlen geschossen worden wäre.
Die synthetisch gebildeten Linieninformationen sind bezüg
lich der Originalsendestrahlen in Fig. 6 dargestellt. Die
tatsächlichen Sendestrahlen sind in Fig. 6 als durchgezogene
Linien 2200 bis 2208 dargestellt. Die synthetisch gebildeten
Empfangsstrahlen sind als gestrichelte Linie dargestellt.
Gemäß Tabelle II werden Daten von zwei Sendestrahlen ver
wendet, um einen der Empfangsstrahlen synthetisch zu bilden.
Beispielsweise wird der Empfangsstrahl 2210 aufgrund der Da
ten von dem Sendestrahl 2200 und der Empfangsstrahl 2214
aufgrund der Daten von dem Empfangsstrahl 2202 gebildet. Der
Empfangsstrahl 2212 wird durch Kombination der Daten von den
Sendestrahlen 2200 und 2202 erzeugt. Auf ähnliche Art werden
die Empfangsstrahlen 2218, 2222 und 2226 aufgrund der Sende
strahlen 2204, 2206 und 2208 gebildet. Die Empfangsstrahlen
2216, 2220 und 2224 werden jeweils aufgrund der Sende
strahlenpaare 2202, 2204, 2204 und 2206 bzw. 2206 und 2208
gebildet. Die Klammern 2228, 2230 und 2232 bezeichnen Emp
fangsstrahlinformationen für Gruppen von drei Sendestrahlen,
die parallel erzeugt werden.
Bei der letztgenannten synthetischen Bildung ergibt sich
kein Verlust des Signal-Rausch-Verhältnisses, da die synthe
tisch gebildeten Empfangsstrahlen perfekt entweder mit den
tatsächlichen Sendestrahlen oder mit den "synthetisch gebil
deten" Sendestrahlen ausgerichtet sind. Tatsächlich ergibt
sich sogar ein geringfügiger Signal-Rausch-Verhältnisgewinn
aufgrund eines vorteilhaften Verhaltens der Auflösung bezo
gen auf das Signal-Rausch-Verhältnis. Jedoch kann wie bei
dem Schema mit zwei parallelen Strahlen ein Schachbrettmu
sterartefakt auftreten, da nicht sämtliche Rundumlaufstrah
len das gleiche Strahlenprofil haben. Ferner ist dieses
Schema empfindlich bezüglich einer Objektbewegung, da bei
diesem Schema Daten gemittelt werden, die von Sendelinien
schüssen von unterschiedlichen Zeitpunkten erzeugt werden.
Es ist gleichfalls möglich, vier parallele Strahlformer zu
verwenden, um vier parallele Ausgangssignale bei den in Ta
belle III gezeigten Sende- und Empfangs-Winkeln zu erzeugen.
Wie bei den vorherbeschriebenen Syntheseverfahren werden die
Ausgangssignale sämtlicher Strahlformer in dem Speicher ge
speichert, wobei die gespeicherten Ausgangssignale nach und
nach in einer Linearkombination in der in Tabelle IV gezeig
ten Art zusammengesetzt werden, um die Rundumlaufempfangs
linien synthetisch zu bilden:
In dieser Tabelle bezeichnet Rn (x) das gespeicherte Aus
gangssignal, welches von dem Strahlformer n aufgrund von
Daten gebildet wird, die von einem Sendestrahlschuß bei
einem Steuerwinkel x empfangen werden. Diese Kombination
führt zu den synthetisch gebildeten Strahlen, die schema
tisch in Fig. 7 gezeigt sind.
Die tatsächlichen Sendestrahlen sind schematisch als durch
gezogene Linien gezeigt, während die synthetisch gebildeten
Empfangsstrahlen als gestrichelte Linien dargestellt sind.
Bei dem letztgenannte Verfahren werden alle Empfangsstrahlen
synthetisch aufgrund von zwei Sendestrahlen gebildet. Bei
spielsweise werden die Empfangsstrahlen 2304 und 2306 syn
thetisch aufgrund von Daten gebildet, die von den Sende
strahlen 2300 und 2302 empfangen werden. Die Klammern 2308
und 2310 bezeichnen Gruppen von parallelen Empfangsstrahlen,
die aufgrund der Sendedaten synthtisch gebildet werden. Wie
bereits bei den vorherigen drei Strahlverfahren besteht ein
geringfügiger Gewinn bezüglich des Signal-Rausch-Verhält
nisses und eine gewisse Empfindlichkeit bezüglich einer Ob
jektbewegung. Jedoch hat das Verfahren mit vier Strahlen den
Vorteil, daß sämtliche synthetisch gebildeten Strahlen vir
tuell identische Strahlprofile für sämtliche Rundumlaufwin
kel haben, so daß kein Schachbrettmuster-Artefakt auftreten
kann.
Claims (1)
1. Vorrichtung zum Erhöhen der Bildwiederholrate eines
akustischen Phased-Array- Bildsystemes mit einer Mehrzahl
von akustischen Wandlerelementen (2100, 2102), einer Ein
richtung (2125, 2142), die mit der Mehrzahl von akustischen
Wandlerelementen (2100, 2102) verbunden ist, um der Reihe
nach akustische Sendestrahlen zum Abtasten eines Objektes zu
erzeugen, mit folgenden Merkmalen:
einer Mehrzahl von Strahlformer-Einrichtungen (2125, 2142), die mit der Mehrzahl von Wandlerelementen (2100, 2102) ver bunden sind und auf Empfangssignale ansprechen, die von jedem Wandlerelement (2100, 2102) aufgrund von wenigstens zwei aufeinanderfolgenden an dem Objekt reflektierten Sende strahlen erzeugt werden, um Bilddaten (2122, 2144) zu er zeugen;
einer Interpolations-Einrichtung (2150, 2152), die mit jeder der Mehrzahl von Strahlformer- Einrichtungen (2125, 2142) verbunden ist, wobei die Interpolations-Einrichtung (2150, 2152) auf die Bilddaten (2122, 2144) anspricht, um wenigstens zwei interpolierte Ausgangssignale (2168, 2170) basierend auf Daten von zwei aufeinanderfolgenden Sende strahlen zu erzeugen; und
einer Einrichtung (310, 305, 308, 312), die auf die inter polierten Ausgangssignale (2168, 2170) anspricht, um eine Sichtanzeige des Objektes zu schaffen.
einer Mehrzahl von Strahlformer-Einrichtungen (2125, 2142), die mit der Mehrzahl von Wandlerelementen (2100, 2102) ver bunden sind und auf Empfangssignale ansprechen, die von jedem Wandlerelement (2100, 2102) aufgrund von wenigstens zwei aufeinanderfolgenden an dem Objekt reflektierten Sende strahlen erzeugt werden, um Bilddaten (2122, 2144) zu er zeugen;
einer Interpolations-Einrichtung (2150, 2152), die mit jeder der Mehrzahl von Strahlformer- Einrichtungen (2125, 2142) verbunden ist, wobei die Interpolations-Einrichtung (2150, 2152) auf die Bilddaten (2122, 2144) anspricht, um wenigstens zwei interpolierte Ausgangssignale (2168, 2170) basierend auf Daten von zwei aufeinanderfolgenden Sende strahlen zu erzeugen; und
einer Einrichtung (310, 305, 308, 312), die auf die inter polierten Ausgangssignale (2168, 2170) anspricht, um eine Sichtanzeige des Objektes zu schaffen.
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