DE4345380C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erhöhen der Bildwechselfrequenz eines Phased-Array-Bildsystems - Google Patents

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 zeugten 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 Systemen 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-4,241,412 betrifft ein Verfahren, um Daten, denen räumliche Polarwinkel zugeordnet sind, in ein kartesisches Koordinatensystem abzubilden. Ultraschallwellen, die von einem rotierenden Wandler zurückkommen, werden in einem Speicher abgebildet, um deren Darstellung auf einem Monitor zu ermöglichen. Eine Tangentenfunktion wird verwendet, um die X- und die Y-Orte zu berechnen. Die Auswahl der Daten für diese Orte wird mittels einer Sekantenfunktion ge­ steuert, um Quantisierungsfehler zu minimieren.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubil­ den, daß die Auflösung erhöht wird, ohne daß in einem ent­ sprechenden Maße die Bildwechselfrequenz des Systems ver­ mindert wird.

Diese Aufgabe wird durch ein akustisches Phased-Array-Bild­ system gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß An­ spruch 3 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Bildwechselfre­ quenz des akustischen Bildsystemes erhöht, indem die Si­ gnale, die von den Wandlern erzeugt werden, interpoliert werden, bevor diese der Strahlformerschaltung zugeführt werden. Insbesondere wird die Winkeltrennung zwischen den akustischen Linien erhöht, um die Anzahl der geschossenen Linien zu vermindern, wodurch die Bildwechselrate oder Bildwechselfrequenz erhöht wird. Der entsprechende Verlust an Auflösung, der normalerweise auftreten würde, wird ver­ hindert, indem die Bildinformation synthetisiert oder kün­ stlich erzeugt wird, die normalerweise in den fehlenden akustischen Linien enthalten wäre, indem zwischen den exi­ stierenden Daten für die Winkelpositionen zwischen den exi­ stierenden Linien interpoliert wird.

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 gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, bei dem die akustischen Elemente mit einer Mehrzahl von Strahlformern mittels Interpolationsschaltungen verbunden sind;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer synthetisch zusammengesetzten Empfangsstrahlinformation unter Bezugnahme auf die Sendestrahlinformation bei Verwenden einer Schaltung, wie sie in Fig. 4 ge­ zeigt ist, sowie unter Bezugnahme auf eine Emp­ fangsinformation von drei parallelen Strahlen; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer synthetisch zusammengesetzten Empfangsstrahlinformation unter Bezugnahme auf eine Sendestrahlinformation unter Verwendung einer Schaltung, wie sie in Fig. 4 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 Ausgangssignal 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 Signalverarbeitungsrei­ henfolge verändert wird. Insbesondere kann die Auflösung des Bildes ohne Erhöhung der Anzahl der Abtastlinien verbessert werden, indem gemäß Fig. 3 die Abtastwandlung bzw. Wandlung der Signale von den R-Θ-Koordinaten in die X-Y-Koordinaten ausgeführt wird, bevor die Erfassung und Kompression statt­ findet. 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 Abtast­ wandler 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 De­ tektor 306 und der Datenkompressionsschaltung 308 zugeführt, während der Ausgang des Verstärkers 308 dem Monitor 312 zum Zwecke der Anzeige zugeführt wird.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Schaltung gemäß der vorliegen­ den Erfindung, die verwendet wird, um zusätzliche Linienin­ formationen aufgrund bestehender Wandlerempfangsausgangssi­ gnale zu erzeugen. Jedes der Wandlerelemente (von denen die Elemente 2000 und 2002 gezeigt sind) ist mit Strahlformern 2025 und 2042 durch die Interpolationsschaltung verbunden, wobei Interpolationsschaltungen 2001 und 2003 dargestellt sind. Jede dieser Interpolationsschaltungen ist identisch. Lediglich die Schaltung 2001 wird daher nachfolgend detail­ liert erläutert. Lediglich zwei synthetisch erzeugte Strahlen werden im allgemeinen erzeugt. Jedoch können die Wandlerausgangsinformationen auch verwendet werden, um drei oder mehr Empfangslinien synthetisch zu erzeugen, wie später erläutert werden wird. Die Erweiterung der Schaltung auf drei oder mehr Linien ist eine Frage einer einfachen erwei­ terten Schaltungsauslegung.

Insbesondere wird das Ausgangssignal des Elementes 2000 auf der Leitung 2004 einem Paar von Linien-Generator-Schaltungen zugeführt. Die erste Schaltung besteht aus den Multiplizie­ rern 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 Linien-Puffers 2010 zugeführt. Der Linien-Puffer 2010 verzögert 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 Leitungs­ pufferausgänge skalieren. Jeder Multiplizierer liefert ein skaliertes Ausgangssignal an einen Summationsknotenpunkt 2022. Das Skalieren und Summieren bewirkt eine synthetische Bildung eines "neuen" Empfangswertes an dem Ausgang 2023 des Summationsknotenpunktes 2022 von dem Wandlerausgang 2004 von der Empfangsinformation, die für drei aufeinanderfolgende Sendelinien verfügbar ist. Dieses synthetisch gebildete Aus­ gangssignal 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 wer­ den 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 Ausgangssi­ gnal auf der Leitung 2044. Diese Ausgangssignale können ge­ speichert 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.

Wenn zwei Empfangsstrahlen für jeden Sendestrahl synthetisch gebildet werden, ergibt sich ein Verlust bezüglich des Sig­ nal-Rausch-Verhältnisses, da die synthetisch gebildeten Emp­ fangsstrahlen nicht längs des Weges zurückkehren, der durch den Sendestrahl genommen wird. Gleichfalls kann ein Schach­ brettmuster-Artefakt erzeugt werden, da sämtliche synthe­ tisch gebildeten Empfangslinien nicht gleiche Strahlprofile haben. Um den Signal-Rausch-Nachteil und die möglichen Arte­ fakte zu vermeiden, können drei Strahlformer verwendet wer­ den, um drei Ausgangssignale aufgrund der Empfangsdaten für jeden tatsächlichen Sendestrahl zu erzeugen. Die Strahlfor­ merausgangssignale werden vorzugsweise durch die Winkelse­ quenz gebildet, die durch die folgende Tabelle für jeden Sendewinkel gegeben ist:

Tabelle I

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:

Tabelle II

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. 5 dargestellt. Die tatsächlichen Sendestrahlen sind in Fig. 5 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.

Tabelle III

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:

Tabelle IV

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. 6 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 synthetisch 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 (3)

1. Akustisches Phased-Array-Bildsystem mit einer Mehrzahl von akustischen Wandlerelementen (2000, 2002), einer Einrichtung (2025, 2044), die mit der Mehrzahl von Wand­ lerelementen (2000, 2002) verbunden ist, um der Reihe nach akustische Sendestrahlen zum Abtasten eines Objek­ tes zu erzeugen, mit:
einer Interpolations-Einrichtung (2001, 2003), die mit jedem der Mehrzahl von Wandlerelementen (2000, 2002) verbunden ist, wobei die Interpolations- Einrichtung (2001, 2003) auf Empfangssignale anspricht, die von je­ dem Wandlerelement (2000, 2002) aufgrund der von an dem Objekt reflektierten aufeinanderfolgenden Sendestrahlen erzeugt werden, um wenigstens zwei interpolierte Aus­ gangssignale (1 . . . N) derart zu erzeugen, daß zu jedem an dem Objekt reflektierten Sendestrahl wenigstens zwei zu diesem Sendestrahl symmetrische, synthetisch erzeugte Empfangsstrahlen durch Interpolation zwischen diesem re­ flektierten Sendestrahl und wenigstens dem vorhergehen­ den und dem nachfolgenden reflektierten Sendestrahl als Ausgangssignale der Interpolations-Einrichtung gebildet werden;
einer Mehrzahl von Strahlformer-Einrichtungen (2025, 2042), die auf die interpolierten Ausgangssignale (1 . . . N) ansprechen, welche durch die Interpolations-Ein­ richtung (2001, 2003) erzeugt werden, um Bilddaten (2027, 2044) entsprechend der wenigstens zwei Empfangs­ strahlen zu erzeugen; und
einer Einrichtung (310, 305, 308, 312), die auf die Bilddaten (2027, 2044) anspricht, um eine Sichtanzeige des Objektes zu erzeugen.

2. Akustisches Phased-Array-Bildsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interpolations-Einrich­ tung (2001, 2003) folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (2012, 2016), die auf die Empfangssig­ nale (2004), welche von jedem Wandlerelement (2000) er­ zeugt werden, anspricht, um zeitweilig die Empfangssig­ nale (2004) für wenigstens zwei verschiedene Zeitperio­ den zu speichern;
eine Einrichtung (2008, 2014, 2020, 2024, 2026, 2028), die auf die gespeicherten Empfangssignale (2010, 2018) anspricht, um jedes der gespeicherten Empfangssignale mit einer vorbestimmten Konstante (a1, a2, a3, b1, b2, b3) zu skalieren; und
eine Einrichtung (2022, 2030) zum Summieren der skalier­ ten Empfangssignale, um ein interpoliertes Ausgangssig­ nal (2023, 2032) zu erzeugen.

3. Verfahren zum Erhöhen der Bildwiederholrate eines aku­ stischen Phased-Array-Bildsystemes mit einer Mehrzahl von akustischen Wandlerelementen (2000, 2002), einer Einrichtung (2001, 2003, 2025, 2042), die mit einer Mehrzahl von Wandlerelementen (2000, 2002) verbunden ist, um der Reihe nach akustische Sendestrahlen zum Ab­ tasten eines Objektes zu erzeugen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• A. Erzeugen von wenigstens zwei interpolierten Aus­ gangssignalen (2023, 2034) aufgrund von Empfangssi­ gnalen (2004, 2006), die von den Wandlerelementen (2000, 2002) aufgrund der akustischen Energie von wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Sendestrahlen derart erzeugt werden, daß zu jedem an dem Objekt reflektierten Sendestrahl wenigstens zwei zu diesem Sendestrahl symmetrische, synthetisch erzeugte Emp­ fangsstrahlen durch Interpolation zwischen diesem reflektierten Sendestrahl und wenigstens dem vorher­ gehenden und dem nachfolgenden reflektierten Sende­ strahl als Ausgangssignale gebildet werden.
• B. Erzeugen von Bilddaten (2027, 2044) entsprechend we­ nigstens zwei Empfangsstrahlen aufgrund der inter­ polierten Ausgangssignale (2023, 2034), die bei dem Schritt A erzeugt worden sind; und
• C. Erzeugen einer Sichtanzeige des Objektes aufgrund der bei dem Schritt B (310, 305, 308, 312) erzeugten Bilddaten.