DE2041459B2

DE2041459B2 - Doppler-Relativgeschwindigkeitsmeßanordnung mit einem einzigen Sende-Empfangs-Wandler

Info

Publication number: DE2041459B2
Application number: DE2041459A
Authority: DE
Inventors: Harold Lee Hightstown Massie; Bruce Elson Wayne Mount
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 1969-09-10
Filing date: 1970-08-20
Publication date: 1974-03-21
Also published as: DE2041459C3; US3617993A; FR2061627A1; DK132594B; CA942878A; DK132594C; JPS528705B1; CH517310A; NL7013052A; FR2061627B1; GB1326612A; DE2041459A1; SE362299B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Relativgeschwindigkeit von bewegten Objekten nach dem Dopplerprinzip mit einem einzigen Wandler für die Sende- und Empfangsfanktion, der mit einem kontinuierlich arbeitenden Sender und mit einem einen Amplitudendemodulator umfassenden Empfänger gekoppelt ist.

Es sind Anordnungen zur Messung der Relativgcschwindigkeit von bewegten Objekten nach dem Dopplerprinzip bekannt, weiche jeweils einen separaten Wandler für die Sende- und für die Empfangsfunktion besitzen. Die beiden Wandler müssen in geeigneter Weise voneinander isoliert sein, um ein Übersprechen der gesendeten Frequenz auf den zum Empfang dienenden Wandler niedrig zu halten. Die Isolation erschwert die Konstruktion der Wandler, insbesondere bei einer Arbeitsweise mit Ultraschall für Anwendungen in der medizinischen Meßtechnik. In der USA.-Patentschrift 3 284 800 ist eine Anordnung zur Messung der Relativgeschwindigkeit von bewegten Objekten nach dem Dopplerprinzip beschrieben, die mit nur einem einzigen Wandler für die Sende- und Empfangsfunktion arbeitet, der durch eine Antenne gebildet ist. Die Antenne wird aus einem arbeitenden, ein unmoduliertes Signal abgebenden Sender gespeist. Außer dem Sender ist an die Antenne ein Empfänger angeschlossen, welcher einen Amplitudendetektor umfaßt. Da nur ein einziger Wandler vorgesehen ist, wird ein Isolation zwischen zwei Wandlern bei der aus der USA.-Patentschrift bekannten Anordnung natürlich nicht benötigt. Dafür hat diese Anordnung den Nachteil, daß wegen der gegenüber der gesendeten WdIe geringen Intensität der empfangenen Welle nur ein schwaches Copplerfrequenz-Signal erzielbar ist, was sich wegen des relativ hohen Rauschanteils der gesendeten Welle in einem sehr ungünstigen Rauschabstand auswirkt. Besondere Maßnahmen zur Verbesserung des Rauschabstandes sind in der USA.-Patentschrift nicht angegeben; ihrem Gegenstand liegt vielmehr die Aufgabe zugrunde, einen Weg anzugeben, nach dem auch die Objektdistanz bestimmt werden kann, was dann dadurch geschieht, daß die Intensitätsänderung der reflektierten Welle infolge der Bewegung des Objekts in Relation zur Dopplerfrequenz gesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung der Rdativgeschwindigkeit von bewegten Objekten nach dem Dopplerprinzip mit einem nicht gepulsten Sender zu schaffen, bei der trotz der im Hinblick auf die Isolationsprobleme vorteilhaften Verwendung nur eines einzigen Wandlers für die Sende- und Empfangsfunktion ein hoher Rauschabstand erzielt ist.

Diese Aufgabe ist, ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art, in überraschend einfacher Weise dadurch gelöst, daß der Sender so ausgebildet ist, daß seine Ausgangssignale Rechtecksignale sind. Durch diese Maßnahme wird mit einfachen Mitteln der angestrebte frohe Rauschabstand erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bezüglich des Rechtecksignals abgebenden Senders und eines einem solchen Sender besonders angepaßten Empfängers sowie einer bevorzugten Kopplung zwischen diesen Gliedern sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten an Hand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Schaltbild des Senders in der Anordnung nach F i g. 1,

F i g. 3 ein Schaltbild des Empfängers in der Anordnung nach Fig. I,

F i g. 4 eine Kurvendarstellung der Dämpfungscharakteristik des in F i g. 3 dargestellten Verstärkers,

Fig.5 ein Schaltbild einer alternativen Form des im Empfänger enthaltenen Amplitudendemodulators,

F i g. 6 ein Blockschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung ist vorzugsweise für die Fälle bestimmt, bei der das Objekt, dessen Relativgeschwindigkeit gemessen werden soll, die sich bewegende Oberfläche eines lebenden Organs, z. B. eine Arterienwand, ist.

Die gezeigte Anordnung umfaßt einen als Kristalloszillator ausgebildeten Sinus-Oszillator 11, der eine Frequenz von beispielsweise 2 MHz liefert. An diesen

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ist ein Begrenzungsverstärker 12 angeschlossen, welcher die Nulldurchgänge des Sinussignals vom Sinus-Oszillator 11 erfaßt. Die Ausgänge des Begrenzungsverstärkers 12 sind mit den Basisanschlüssen der Transistoren 14 und 15 eines Schaltverstärkers 13 verbunden. DL Emitter der Transistoren 14 und 15 sind geerdet; ihre Kollektoren sind über Widerstände 17 und 18 mit den entgegengesetzten Enden einer Spule 16 eines Transformators 19 verbunden. Eine Mittelanzapfung der Spule 16 ist an eine geeignete Spannungsquelie angeschlossen, die, falls die Transistoren 14 und 15 vom npn-Typ sind, positiv, falls die Transistoren 14 und 15 vom pnp-Typ sind, negativ sein muß.

Eine Ausführungsform des Begrenzungsverstärkers 12 zur Verwendung im Sender ist in F i g. 2 zusammen mit dem Schaltverstärker 13 und dem Transformator 19 gezeigt und enthält ein Transistorenpaar 21 und 22. Der Transistor 21 ist kapazith mit dem Oszillator 11 gekoppelt. Die Emitter der Transistoren 21 und 22 sind über die Kapazität 23 wechselstrommäßig gekoppelt und zusätzlich über die Widerstände 24 und 25 mit einem festen Potential verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 21 und 22 sind mit den Basisanschlüssen der Transistoren 14 und 15 verbunden und über Widerstände 26 und 27 geerdet. Die Basisanschlüsse der Transistoren 21 und 22 sind über einen Widerstand 28 bzw. 29 an den Abgrifi eines einen Widerstand 32 umfassenden Spannungsteilers angeschlossen. Der Abgriff ist über eine Kapazität 31 wechselstrommäßig geerdet. Zur Verwendung mit einem 2-MHz-Kristalloszillator sind die folgenden Widerstands- und Kapazitätswerte für den Begrenzungsverstärker und den Schaltverstärker geeignet:

R 24. R 25 3.3 kP

R 26, R 27 IkQ

R 17, R 18 150 Ω

R 28, R 29 5.6 kQ

R 32 3.3 kQ

C 23 18 nF

C 31 10OnF

Der Begrenzungsveistärker 12 arbeitet im Untersättigungsbetrieb, wodurch sich eine höhere Genauigkeit bei der Erfassung der Nulldurchgänge ergibt, und steuert die Transistoren 14 und 15 abwechselnd in den Sättigungs- und Sperbereich und liefert so die für den Transformaior 19 nötige Leistung mit einem Minimum an AM-Rauschen, indem die AM-Modulation wirksam begrenzt wird. Die Transistoren 21 und 22 seien zunächst in Durchlaßrichtung vorgespannt und sollen gleich groß konstante Ströme führen. Wenn die ansteigende Flanke des sinusförmigen Ausgangssignals des Kristalloszillators 11 die Nullinie überschreitet, wird das Potential an der Basis des Transistors 21 stärker positiv und verursacht ein Abfallen des Kollektorenstroms des Transistors 21 auf Null, wodurch Transistor 15 abgeschaltet wird. Der Strom fließt danr durch die parallelgeschalteten Widerstände 24 und 25, durch den Transistor 22 und den Widerstand 27 und liefert einen Strom an die Basis des Transistors 7.4, wodurch dieser durchgeschaltet und durch einen konstanten Kolektorstrom durch den kleinen Widerstand 17 schnell in Sättigung getrieben wird; dadurch wird die AM-Modulation begrenzt und ein verstärktes Sendesignal mit ausreichender Leistung durch die eine Hälfte der Spule 16 des Transformators 19 geliefert. In gleicher Weise wird, wenn die abfallende Ranke des sinusförmigen Ausgangssignals des Kristalloszillator 11 die NuIlä linie kreuzt, der nicht in Sättigung betriebene Begrenzungstransistors 21 durchgeschaltet, während Transistor 22 gesperrt ist, wodurch der Transistor 15 durchgeschaltet und schnell in Sättigung geirieben wird und ein Signal durch die andere Haltte der

ίο Spule 16 liefert.

Wie F i g. 1 ferner zeigt, ist mit dem Transformator 19 auch eine Spule 41 gekoppelt, deren Windungszahl im Verhältnis 2 :1 zu einer Hälfte der Spule 16 steht. Der Spule 41 ist ein Wandler 42 parallel geschaltet, der dazu dient, eine Ultraschallwelle mit einer durch den Kristalloszillator vorgegebenen Frequenz zu der zu messenden, bewegten Oberfläche 43 zu senden. Der Wandler wird gleichzeitig für Senden und Empfang verwendet. Es ist vvichtig, daß die

so Werte der Ausgangswiderstände 17 und 18 des Senders groß im Vergleich zu üem mit 44 bezeichneten Widerstand des Wandlers sinti, so daß das reflektierte von der bewegten Fläche 43 stammende Signal nicht kurzgeschlossen wird. Im vorliegenden Fall, in dem die Spule 41 ein Windungsverhältnis von 2 : 1 mit jeder Hälfte der Spule 16 hat. ist der Ausgangswiderstand an den Ausgangsanschlüssen der Spule 41 gleich dem Quadrat des Windungsverhältnisses, multipliziert mit dem Wert des Widerstand 17 oder 18.

d.h. 4· 150 Ω = 600 Ω.

Auf der Empfängerseite der Anordnung ist eine Spule 45, deren Windungszahl zur Spule 41 in einem solchen Verhältnis steht, daß eine Anpassung zwischen der Wandlerimpedanz 44 und der äquivalenten Empfängerimpedanz 50 erzielt wird, mit eiu-im Amplitudendemodulator 46 verbunden, der beispielsweise ein Hüllkurvendetektor, ein Produktdetektor mit einer η 2-verschobenen Referenzfrequenz oder ein anderer geeigneter Detektor sein kann. Ein speziell entwickelter Amplitudenmodulator, der die Erfindung durch weitere Reduzierung des durch den Beyrenzungsempfänger 12 bei Nulldurchgangsfehlern verursachten AM-Rauschens vervollständigt, wird später im Zusammenhang mit F i g. 5 beschrieben.

Erwünschtenfalls kann der Wandler mit dem Empfängereingang parallel zur Spule 41 verbunden werden, wodurch die Spule 45 überflüssig wird. Ein Vorteil der Verwendung einer separaten Spule 45 besteht in d::r besseren holation des Wandlers zur Sicherheit eines Patienten in den Fällen, in denen die Anordnung zur Ultraschallmessung am Menschen verwendet wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich für interferierende Signale eine höhere Gleichtaktunterdrückung ergibt. Zwischen dem Amplitudondemodulator 46 und einem Ausgangsverstärker 48 mit einem Ausgangsanschluß 49 ist ein Differenzierglied 47 eingefügt.

In F i g. 3 ist ein Empfänger für eine Dopplerire· qucnz im Bereich von 25 bis 600 Hz bei einer 2-MHz-Sendefrequenz gezeigt. Der Amplitudendemodulator 46 enthält eine Diode 51, einen Widerstand 52 und eine Kapazität 53. Das Eingangssignal wird du- ch die Diode 51 gleichgerichtet. Die Kapazität 53 lädt sich auf die am Widerstand 52 liegende Spannung auf und entlädt sich, wenn die Diode 51 gesperrt ist, wodurch eine im wesentlichen der Hüllkurve des Eingangssignals entsprechende Ausgangsspannun« erzielt wird. Das DifLrenzierglied 47 ist aus der Kapazität 54

und dem Widerstand 55 zusammengesetzt, wobei der Ausgang am Widerstand 55 abgenommen und den in Kaskade geschalteten Verstärkern 56 und 57 eingegeben wird. Zur Erzielung der in F i g. 4 gezeigten Dampfungskennlinie werden die Widerstände 58 und 59 und die Kapazitäten 61, 62 sowie die beiden Schattelemente des Differenziergliedes vorzugsweise wie folgt gewählt:

R 55 221 kn

R 58 IkU

«59 100 kß

C 54 0,82 nF

C 61 2,2 nF

C 62 3,3 nF

Eine andere Form des Amplitudendemodulators 46, die die Begrenzung des AM-Rauschens noch verbessert, ist in F i g. 5 gezeigt. Zwar arbeitet der Sender in einem Schaltbetrieb, um das AM-Ravischen im Sender möglichst klein zu halten, jedoch kann das durch die Erfassung der Nulldurchgänge entstehende Rauschen ebenfalls ein im Amplitudendemodulator auftretendes Rauschen verursachen, das wiederum wegen einer Änderung der Gleichstromreferenz des Signals, wenn dieses über einen Transformator oder eine Kapazität wechselstrommäßig gekoppelt wird, ein asymmetrisches Signal bewirkt. Das entstehende Hüllkurvensignal wird von einem üblichen Amplitudendemodulator wie eine AM-Modulation aufgenommen; diese »Modulation« unterscheidet sich jedoch von einer echten AM-Modulation, da die positive und negative Hüllkurve in Phase sind. Der nachfolgend beschriebene Amplitudendemodulator spricht auf ein durch Asymmetrie erzeugtes Hüllkurvensignal nicht an.

Der Amplitudendemodulator nach F i g. 5 enthält ein Paar entgegengesetzt geschalteter Dioden 71, 72, deren Ausgänge über die Impedanzen 73, 74 geerdet sind. Der Ausgang der Diode 71 ist auch über den Widerstand 75 mit einem Additionsverstärker 76 verbunden, während der Ausgang der Diode 72 über eine Inversionsstufe 77 und einen Widerstand 78 mit dem Additionsverstärker 76 verbunden ist. Im Betrieb durchläuft dei positive Teil des asymmetrischen Signals die Diode 71, der negative Teil die Diode 72 und die Inversionsstufe 77, so daß das Signal durch den Additionsverstärker 76 aufgehoben wird. Erwünschtensfalls können die Widerstände 75, 87, die Inversionsstufe 77 und der Additionsverstärker 76 durch einen Verstärker mit einer festen VerstärkungsdiSerenz ersetzt werden.

Im Betrieb wird der Wandler 42 gegenüber einer Oberfläche 43 angeordnet, deren Geschwindigkeit erfaßt werden soll. Im Falle einer Messung am Menschen kann die Oberfläche 43 beispielsweise eine Arterienwand, ein Teil der Herzwand oder eine beliebige Fläche eines Fötus usw. sein, und die vom Wandler 42 abgegebene Welle ist dann in der Regel eine Ultraschallwelle. Das durch den Kristalloszillator 11 erzeugte 2-MHz-Signal wird durch die Erfassung der Nulldurchgänge im Begrenzungsverstärker 12 zu einem Rechtecksignal umgeformt und dann im Schaltverstärker 13 begrenzt und verstärkt, um über

ίο den Aufwärtstransformator 19 eine für den Betrieb des Wandlers 42 zur Erzeugung einer auf die Fläche 43 gerichteten 2-MHz-Ultraschallwelle ausreichende Leistung zu liefern. Die von der Oberfläche 43 reflektrierte, um die Dopplerfrequenz verschiebbare Ultraschallwelle wird dann vom gleichen Wandler 42 aufgenommen und als entsprechendes Signal dem Transformator 19 zugeführt. Da die effektive Ausgangsimpedanz des Senders im Vergleich zur Wandlerimpedanz hoch ist, geht nur ein geringer Anteil

ao des empfangenen Signals durch die Kurzschlußwirkung der Senderimpedanz verloren. Im Transformator 19 findet eine Überlagerung des empfangenen, frequenzverschoberen Signals und des ausgesendeten Signals s? Ut. Dadurch entsteht am Eingang des Empfängers auf der Sekundärseite des Transformators ein Eingangssignal, dessen Amplitude sich periodisch mit der Dopplerfrequenz ändert, so daß auch das am Ausgang des Amplitudendemodulator erhaltene, der Hüllkurve dieses Eingangssignals entsprechende Signal die Dopplerfrequenz hat. Wenn die Amplitude des reflektierten, frequenzverschobenen Signals sehr vierl kleiner als die Amplitude des gesendeten Signals ist (z. B. 1 : 50), ist das durch Differenzieren des Hüllkurvensignals gewonnene Signal praktisch nur von der Frequenz des Hüllkurvensignals abhängig und gibt darum unmittelbar die Relativgeschwindigkeit der Oberfläche 43 an.

In F i g. 6 ist eine andere Ausführungsfonn der Erfindung gezeigt, in welcher der Schaltverstärker und der Transformator durch einen verstärkenden Schalttransistor 81 ersetzt sind. Dieser npn-Transistor wird während der negativen Hälfte der hochfrequenten Rechteckwelle, die an seine Basis angelegt wird, abgeschaltet, wodurch über den Widerstand 82 (600 Q] ein Strom von einer Spannungsquelle zum Wandlei 42 geliefert wird. Während der positiven Häute des Rechtecksignals ist Transistor 81 durchgeschaltet und der Wandler ist kurzgeschlossen. Ein Vorteil die ser Ausführungform besteht in der Vermeidung voi Gleichstromfehlern bei der Erfassung der Nulldurch gänge im Begrenzungsverstärker auf Grund der Null referenz (keine Wechselstroinkopplung). Für die Ul traschallanwendung am Menschen hat diese Variant« den Nachteil, daß der Patient nicht vom Sende und vom Empfänger isoliert ist, wie es sonst durcl den Transformator geschieht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung der Relativgeschwindigkeit von bewegten Objekten nach, dem Dopplerprinzip mit einem einzigen Wandler für die Sende- und Empfangsfunktion, der mit einem kontinuierlich arbeitenden Sender und mit einem einen Amplitudendemodulator umfassenden Empfänger gekoppelt ist, dadurchgekennzeichnet, daß der Sender (11, 12) so ausgebildet ist, daß seine Ausgangssignale Rechtecksignale sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsimpedanz des Senders (11, 12) groß gegenüber der Eingangsimpedanz des Empfängers (46, 47) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenazcichnet, daß der Sender einen Sinus-Oszillator (11) und einen nachgeschalteten Begrenzungsverstärker (12) umfaßt, welcher die Nulldurchgänge des Sinussignals vom Sinus-Oszillator erfaßt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Begre.izungsverstärker (12) ein Schaltverstärker (13) zur weiteren Be- as grenzung des Rechtecksignals vom Begrenzungsverstärker nachgeschaltet ist.

5. Anordnur j nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Amplitudenmodulator (46) de«, Empfängers ein Differenzierglied (47) nachgescLaltet ^:5t, dessen Ausgangssignal zur Angabe der Relarivgeschwindigkeit des Objekts dient.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudenmodulator (46) als Hüllkurvendetektor ausgebildet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (42) mittels eines Transformators (19) mit dem Sender (11, 12) und dem Empfänger (46, 47) gekoppelt ist.