DE4345381C2

DE4345381C2 - Vorrichtung zum Erhöhen der Bildwiederholrate eines Phased-Array-Bildsystems

Info

Publication number: DE4345381C2
Application number: DE4345381A
Authority: DE
Inventors: Bernard J Savord
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1992-04-17
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2013-02-13
Also published as: US5318033A; DE4345379C2; US5678552A; US5431167A; JP3408284B2; JPH0614929A; DE4304275C2; DE4345380C2; DE4304275A1

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:

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. 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.

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. 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. 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.