DE2435666B2

DE2435666B2 - Ultraschall-abbildungsanordnung

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Publication number: DE2435666B2
Application number: DE19742435666
Authority: DE
Priority date: 1973-07-25
Filing date: 1974-07-24
Publication date: 1977-06-16
Also published as: FR2238938A1; US3918025A; JPS5519392B2; FR2238938B1; DE2435666A1; JPS5033855A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Abbildungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Ultraschall-Abbildungsanordnung ist bereits seit langem bekannt (vgl. US-PS 25 28 730). Bei dieser werden von einem nicht näher beschriebenen Ultraschall-Sender Ultraschallwellen auf ein Zielobjekt gerichtet, von dessen Oberfläche die Ultraschallwellen zu dem Ultraschall-Empfänger gestreut oder reflektiert werden, von dessen einzelnen Gliedern der Schall über Schalleiter zu einer entsprechend großen Anzahl von

Schallkontakten geführt wird, die zeitlich nacheinander vpn einem umlaufenden Schalleiterarm abgetastet werden, so daß nacheinander der Schall von den einzelnen Gliedern zu einem magnetostriktiven Kern gelangt, der in eine elektrische Spule eingeführt ist. deren Ausgangssignal über einen Verstärker und einen Gleichrichter an eine Elektronenstrahlröhre gelegt wird-

Mit dieser bekannten Ultraschall-Abbildungsanordpung kann aber auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre nur ein zweidimensionales bzw. Fläehenbilü des Zielobjekts erzeugt werden, d.h. die Darstellung nur einer bestimmten Zielebene eines normalerweise aus vielen Zielebenen (senkrecht zur Schaliwellen-Ausbreitungsrichtung) zusammengesetzten, also räumlichen Zielobjekts.

Eine räumliche bzw. dreidimensionale Abbildung ist aber für viele Zwecke erwünscht, z. B. bei Unterwasserarbeiten, insbesondere im Meer, zur medizinischen Ultraschall-Diagnostik, aber auch ganz tllgemein zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Wollte man mit der bekannten Ultraschall-Abbildungsanordnung eine räumliche Untersuchung des gesamten Zielobjekts durchführen, so müßte man von Hand eine Verstellung der Abbildungsanordnung vornehmen, um eine Ziel(objekt)ebene nach der anderen zu erfassen. Dabei blieben aber die über die einzelnen Ziel(objekt)ebenen gewonnenen Informationen voneinander isoliert, da auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre jeweils nur das Bild einer der vielen Ziel(objekt)ebenen dargestellt wu>de. Mit der bekannten Ultraschall-Abbildungsanordnung können also nicht gleichzeitig mehrere Ziel(objekt)ebenen beobachtet werden.

Hinzu kommt, daß selbst dann, wenn das Zielobjekt ein flächiger, also ebener Körper ist, die Flächenebene nicht unbedingt senkrecht zur Schallwellen-Ausbreitungsrichtung liegen, sondern meistens geneigt sein wird, so daß bei Verwendung der bekannten Ultraschall-Abbildungsanordnung auch in diesem Fall jeweils nur ein Teil des flächigen Zielobjekts beobachtet werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Ultraschall-Abbildungsanordnung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß mit ihr auf ihrem Sichtgerät ein Bild des Zielobjekts erzeugt werden kann, das nicht nur Information über dessen Beschaffenheit in Vertikal- und Horizontalrichtung, sondern auch in dessen Tiefenrichtung enthält, also mit einer Einstellung der Ultraschall-Abbildungsanordnung das gesamte Zielobjekt erfaßt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Frequenzanalysator zur Frequenzanalyse der aus dem Ultraschall-Empfangswandler abgeleiteten elektrischen Signale ist es möglich, die Reflexionsorte auf einer Zielebene in einer Richtung mit Hilfe der Frequenz und in der anderen Richtung mit Hilfe der Positionen der einzelnen Glieder des Ultraschall-Empfangswandlers derart zu unterscheiden, daß das Bild des Zielobjekts durch die reflektierten Schallwellen auf den durch die beschriebene Unterscheidung in den beiden Richtungen erhaltenen Positionen erhältlich ist, wobei die Frequenzanalyse vom Frequenzanalysator in vorbestimmten Zeitabständen durchgeführt wird, um mit dem Ankunftszeitpunkt der jeweils reflektierten Schallwellen übereinzustimmen, die aus mehreren Zielebenen stammen und in Tiefenrichtung des Zielobjekls jeweils um einen vorbestimmten räumlichen Abstand getrennt sind, so daß mehrere zweidimensional Ultraschallbilder von unterschiedlichen Tiefen des Zielobjekts erhalten werden, die durch Überlagerung auf dem Sichtgerät letzlich ein dreidimensionales Bild des Zielobjekts ergeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demgegenüber ist lediglich noch eine Schall-Entfernungsmeßanordnung bekanntgeworden (vgL US-PS 30 16 513), die einen Sägezahngenerator aufweist, der einerseits an eine Elektronenstrahlröhre und andererseits an einen frequenzmodulierten Oszillator angeschlossen ist, der seinerseits über einen Leistungsverstärker einen Schallsender speist, während ein zugeordneter Schallempfänger über mehrere Demodulator- und Verstärker-Stufen parallel einen Lautsprecher und die Elektronenstrahlröhre speist Dabei ist der frequenzmodulierte Oszillator auch mit einer ersten der dem Schallempfänger nachgeschalteten Demodulator-Stufen verbunden. Mit dieser bekannten Anordnung kann ebenfalls nur zweidimensionale Information, und zwar hinsichtlich Abstand und Entfernung des Zielobjekts, auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre abgebildet werden, d. h. eine gleichzeitige Anzeige von Information über verschiedene Tiefen des Zielobjekts ist unmöglich.

Die trfindungsgemäße Ultraschall-Abbildungsanordnung kann insbesondere in trübem Wasser eingesetzt werden, wenn in größeren Tiefen eine optische Beobachtung nicht mehr gut möglich ist.

Auf dem Bildschirm des Sichtgeräts können die den verschiedenen Zielobjektebenen entsprechenden Bildanteile z. 3. durch unterschiedliche Helligkeit oder Farbgebung angedeutet werden, um die gewünschte dreidimensionale Abbildung zu erzielen.

Dabei spielt für die Einstellung der Ultraschall-Abbildungsanordnung die Entfernung des Zielobjekts grundsätzlich keine Rolle. Lediglich bei Verwendung einer Schall-Linse vor dem Ultraschall-Sendewandler muß diese Entfernung innerhalb des Scharfeinsteilbereichs der Linse liegen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung,

F i g. 2 Signale zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 1,

F g. 3 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ultraschall-Abbildungsanordnung,

F i g. 4 Signale zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3,

F i g. 5 ein Rasterdiagramm zur Erläuterung der Ablenkung in einem im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 verwendeten Sichtgerät,

F i g. 6 eine Schaltung eines im Aiisführungsbeispie¹ nach F i g. 3 eingesetzten Anaiogschalters 46 und

F i g. 7 Signale zur Erläuterung der Arbeitsweise de; in F i g. 6 gezeigten Analogschalters.

In Fig. 1 ist angenommen, daß ein Zielobjekt < mehrere Zielebencn 6-1,6-2,..., 6- M enthalt,derei jede sich zweidimensional in x- und y-Richtun| erstreckt. Ein Sendewandler 1 sendet Schal!- ode Ultraschallwellen (im folgenden allgemein als Ultra schallwellen bezeichnet) aus, die in /Richtung auseinan derlaufen. Eine elektrische Signalquelle 20 erzeugt ei: elektrisches Signal veränderlicher Frequenz derart, dal mit Frequenzänderungen dieses Signals die Richtun]

der vom Sendewandler 1 ausgesandten Ultraschallwellen in x-Richtung veränderlich ist. Ein Empfangswandler 5 besteht aus mehreren, in y-Richtung verteilten Empfangsgliedern und empfängt Ultraschallwellen, die an den Zielebenen 6—1 bis 6— M reflektiert werden, s und setzt diese reflektierten Ultraschallwellen in elektrische Signale um. Ein Frequenzanalysator 40 analysiert die Frequenzen der Ausgangssignale des Empfangswandlers 5 und leitet daraus benötigte Frequenzkomponenten ab. Ein Sichtgerät-Signalgene- ι ο rator 50 setzt die Ausgangssignale des Frequenzanalysator 40 in Signale um, die zur Darstellung auf einem Sichtgerät 60, das weiter unten beschrieben wird, geeignet sind. Ein Steuersignalgenerator 30 erzeugt Steuersignale für die Steuerung des Frequenzanalysators 40 und für den Sichtgerät-Signalgenerator 50.

Mehrere aus den Zielebenen 6—1, 6—2 6-M

abgeleitete Bilder werden auf dem Sichtgerät 60 derart überlagert dargestellt, daß der relative Abstand dieser Bilder zueinander unterschieden werden kann.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun vor einer genaueren Beschreibung der Erfindung der Bildabnahmevorgang für eine Zielebene, z. B. die Zielebene 6—!,beschrieben.

F i g. 2 zeigt Signale zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 1. Der Sendewandler 1 wird mit einem Signal (a) gespeist, dessen Frequenz zeitabhängig ist. Wenn ein derartiges Signal in den Sendewandler 1 eingespeist wird, der Ultraschallwellen abstrahilt, tritt am Empfangswandler 5 ein Reflexions- yo signal (b) auf, dessen Frequenz sich nach F i g. 2 ändert. Wie man sieht, ist das Signal (b) gegenüber dem Signal (a) um eine Zeitdauer Td = 21/V verzögert, die zum Senden zum Empfangen erforderlich ist, mit: 1 = Abstand zwischen der Zielebene 6—1 und den Sende- und Empfangswandlern 1 und 5, und V= Ultraschallwellengeschwindigkeit.

Wenn ein Signal mit kleinem Frequenzunterschied Δ F zur Frequenz des Signals (b)zum Signa! φ/addiert wird, enthält das resultierende Signal die Frequenzkomponente AF. Wenn dieses Signal durch ein Bandpaßfüter mit einer Durchlaßbandbreite AF übertragen wird, ergibt sich ein Signal (c) der Frequenz AF. Das ist diejenige Signalkomponente, die nur das an der Zielebene 6—1 reflektierte Signal enthält. Wenn die 4> Frequenzänderungsperiode T gleich der Horizontal-Ablenkperiode des Sichtgerätes 60 nach F i g. 1 gewählt wird und wenn die Periode Γ«, die zum Abtasten aller Glieder des Empfangswandlers 5 benötigt wird, gleich der Vertikal-Ablenkperiode Tr des Sichtgerätes 60 so gewählt wird, stellt das Signal (c) das Bildsignal der Zielebene 6—1 dar.

In der erfindungsgemäßen Anordnung erhält man ähnliche Bildsignale auch aus den übrigen Zielebenen 6—2, 6—3,..., 6— M, die auf dem Sichtgerät 60 in überlagerter Form dargestellt werden. Zum Beispiel ist die zur Aufnahme eines an der Zielebene 6—2 reflektierten und durch den Empfangswandler 5 aufgenommenen Signals (d) benötigte Periode um Δ Τ größer als beim Signal föjt Das Signal ist also gegenüber dem Signal (b)um AT= 2 AMVverzögert, wobei A 1 der Abstand zwischen den Zielebenen 6— 1 und 6—2 ist. Das Bildsignal der Zielebene 6—2 kann also durch Addieren eines Signals mit einem Frequenzunterschied A F zum Empfangssignal (d) erhalten werden, das fts synchron zum Empfangssignal ist, und durch Überlagerungsdetektion des Summensignals. Die auf diese Weise erhaltenen Bildsignale der einzelnen Zielebenen werden auf derselben Sichtgerätfläche des Sichtgerätes 60 in überlagerter Form dargestellt, wobei sie voneinander abgesetzt sind durch unterschiedliche Helligkeit, unterschiedliche Farben od. dgl., um ein dreidimensionales Bild des Zielobjekts darzustellen.

Die Erfindung wird nun anhand der F i g. 3 bis 7 näher beschrieben. F i g. 3 zeigt ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ultraschall-Abbildungsanordnung darstellt, und Fig.4 zeigt Signale, die die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3 erläutern.

Nach F i g. 3 erzeugt ein Taktimpulsgenerator 21 ein Taktsignal, das die Zeitbeziehungen bei der Operation der Ultraschall-Abbildungsanordnung steuert. Das Taktsignal (a) nach Fig.4 besitzt einen Impulsabstand 7"_o Ein Zähler 22 erzeugt ein Impulssignal (d) nach F i g. 4 mit einer Periode T. Anhand des Signals (d) nach F i g. 4 ist ersichtlich, daß ein Impuls immer dann erzeugt wird, wenn TIT_C Impulse des Taktsignals des Taktimpulsgenerators 21 durch den Zähler 22 gezählt sind. Das Signal (d) nach F i g. 4 dient als Triggersignal für einen Sägezahngenerator 23, der ein Sägezahnsignal (e) erzeugt. Die Spannung dieses Sägezahnsignals wird anschließend in einem spannungsgesteuerten Oszillator 24 in ein Frequenzablenksignal (f) mit einer Periode T nach Fig.4 umgesetzt. Im Signal (f) nach Fig.4 stellt die vertikale Achse die Frequenz dar, und der Frequenzablenkbereich geht von /}. bis f_ti. Dieses Frequenzablenksignal wird über einen Leistungsverstärker 25 in den Sendewandler 1 eingespeist und dort in ein Ultraschallsignal umgesetzt, das auf ein Zielobjekt 6 gerichtet wird. Die Richtung der vom Sendewandler 1 abgestrahlten Ultraschallwellen ist in einer Richtung veränderlich, und zwar abhängig von der Frequenzänderung im Bereich fi. bis fu. Die veränderliche Richtung ist z. B. die Horizontalrichtung. Der Sendewandler 1 ist derart aufgebaut, daß eine Anzahl von Sendegliedern aus elektrostriktivem oder aus anderem geeignetem Material geradlinig in einer vorbestimmten Richtung angeordnet sind; die Polarisationsrichtungen der einzelnen Sendeglieder sind derart gewählt, daß die Polarisationsrichtung eines Sendegliedes sich z. B. um 180° von derjenigen eines benachbarten Sendegliedes unterscheidet.

Bei Anlegen des Frequenzablenksignals an diesen Sendewandler 1 werden ebene Ultraschallwellen abgestrahlt, deren Strahlungsrichtung von der Frequenzänderung abhängt. Diese Ultraschallwellen werden durch eine plankonkave Schall-Linse 2 zu einem sogenannten Sektorbündel aus Ultraschallwellen zusammengefaßt; dieses Bündel bestrahlt bzw. beschallt das Zielobjekt 6. Von einer vorbestimmten Zielebene des Zielobjekts 6 reflektierte Schallwellen durchlaufen eine Schall-Linse 4 und werden in einem Empfangswandler 5 fokussiert Somit werden die Schallwellen, die dem Reflexionsbild des Zielobjekts 6 entsprechen, in dem Empfangswandler 5 eingespeist. Der Empfangswandler 5 besteht aus einer Anzahl von Empfangsgliedern, die in vorbestimmter Richtung derart verteilt sind, daß die Reflexionspunkte in vertikaler Richtung des Zielobjekts 6 durch die Lagen der einzelnen Empfangsglieder unterscheidbar sind.

Die Anzahl der den Empfangswandler 5 bildenden Empfangsglieder sei N. Die Ausgangssignale dieser N Empfangsglieder werden in einen N-Kanal-Überlagerungsfrequenzanalysator 40 eingespeist. Dieser Frequenzanalysator 40 besteht aus N Vorverstärkern 41 — 1 bis 41 — N, entsprechend den N zugehörigen Gliedern

des Empfangswandlers 5, aus N Frequenzumsetzern 42-1 bis42- N,aus NBandpaßfiltern43-1 bis43-/V, aus N Hüllkurvendetektoren 44— 1 bis 44— Nund aus N Zwischenverstärkern 45 — 1 bis 45—N. Ein Analogschalter 46 dient zum sequentiellen Umschalten der N s parallelen Ausgangssignale des Frequenzanalysators 40, so daß diese Ausgangssignale in ein Zeitreihensignal umgesetzt werden.

Ein lokaler bzw. örtlicher Oszillator speist sein Ausgangssignal in den Überlagerungsfrequenzanalysator 40 ein, damit ein dreidimensionales Bild erhalten werden kann. Zu diesem Zweck ist ein in Fig. 3 dargestellter Zähler 34 an den Taktimpulsgenerator 21 angeschlossen, um ein Impulssignal Q) nach Fig.4 mit einer Periode von (M + \)Tzu erzeugen, wobei M die Anzahl der Zielebenen ist, d. h. die Anzahl von Schritten in der Tiefenrichtung, die hier aus Gründen der Zweckmäßigkeit zu acht angenommen ist. Das Impulssignal des Zählers 34 hat somit eine Periode 977 Jeder Impuls dieses Impulssignals wird als Löschimpuls für einen Zähler 31 verwendet. An den Zähler 34 ist eine Verzögerungsschaltung 35 angeschlossen, die das Impulssignal am Ausgang des Zählers 34 um eine Zeitdauer Td-AT verzögert, mit: AT= benötigte Zeitdauer für Schallwellen, um eine Schritteinheit in der ;* Tiefenrichtung hin und zurück zu laufen. Am Ausgang der Verzögerungsschaltung 35 tritt ein Impulssignal (i) nach Fig. 4 auf, dessen Periode ebenfalls 9 Γ ist. Diese Impulse dienen als Zählimpulse für den Zähler 31 aus F i g. 3.

Das Taktimpulssignal mit der Periode T_c wird in den Zähler 31 eingespeist, der durch den Setzimpuls (i) nach Fig.4 gesetzt und durch den Löschimpuls Q) nach Fig.4 gelöscht wird. Am Zähler 31 tritt somit ein Impulssignal ^nach Fig.4 mit einer Periode T + AT ;s auf. Dieses !mpulssignal triggert einen Sägezahngenerator 32, dessen Sägezahnsignal in einen spannungsgesteuerten Oszillator 33 eingespeist wird, so daß ein Frequenzablenksignal (h) nach Fig.4 entsteht. Der Frequenzbereich dieses Ablenksignals geht von/", + AF bis f_u + AF, mit: 4 und /</ = untere und obere Grenze des Frequenzablenksignals aus dem Oszillator 24. Das Frequenzablenksignal (h) nach F i g. 4 dient als lokales Schwingungssignal, das in den Überlagerungsfrequenzanalysator 40 eingespeist wird. 4s

Aus F i g. 4 geht hervor, daß die die Tiefe bezeichnenden lokalen Schwingungssignale 1, 2,..., 8 von (h) nacheinander auftreten, und zwar mit entsprechenden Verzögerungszeiten Td, Td + AT. Td + 2 AT, .... Td + u AT, bezogen auf die einzelnen Sendesignale 1,2, .... 8 von (f). Die Schallwellen, die nacheinander an den Zielebenen reflektiert werden und deren Abstände zueinander je einer Verzögerungszeit Δ Τ entsprechen, werden somit nacheinander vom Empfangswandler 5 empfangen.

Der Löschimpuls Q) nach Fig.4 muß nach dem Auftreten des den letzten Schritt entsprechenden Triggerimpulses aus Triggerimpulsen erscheinen, die in den Sägezahngenerator 32 eingespeist werden, um aus dem Oszillator 33 das lokale Schwingungssignal zu f>o erhalten. Dieser besondere Triggerimpuls ist der M-te Impuls, da die Anzahl von Schritten M ist Somit muß folgende Beziehung gelten:

M(T+ΔΤ)+ Td-ATOT. Daraus ergibt sich eine weitere Beziehung:

Da der Zeitabstand zwischen dem Löschimpuls und dem Setzimpuls Td-A T ist, und der Setzimpuls nach dem Auftreten des Löschimpulses auftreten muß, gilt ferner:

Td > IT.

(M- I) IT+ Td < T.

(Il

Um beide Beziehungen (1) und (2) zu erfüllen, müssen folgende Größen geeignet gewählt werden: die Entfernungseinheit AT zwischen den Schritten, der Abstand Td zwischen dem Sendewandler 1 und dem Empfangswandler 5 von der nächstliegenden Zielebene, und T, das im wesentlichen der Teilbild- oder Rahmenperiode entspricht.

Daraus geht hervor, daß der Frequenzunterschied zwischen dem reflektierten Schallwellensignal und dem lokalen Schwingungssignal immer nur dann AF sein kann, wenn die Ausgangssignale des Empfangswandlers 5 den Frequenzanalysator 40 im Takt des Signals (h) nach F i g. 4 speisen, oder anders ausgedrückt: Nur wenn die reflektierten Schallwellen aus aufeinanderfolgenden Lagen des Zielobjekts ankommen, dessen Lagen voneinander durch einen Abstand V- 4772 getrennt sind, mit: V = Schallwellengcschwindigkeit. Die sogenannte ÜberlagerungsfreqL .nalyse ist durchführbar, wenn die Mittenfrequeiu ü'!o· Handpaßfilter 43—1 bis 43—yV nach Fig. 3 zu AFgewählt ist. Durch Anlegen der lokalen Schwingungssignale 1, 2 ... 8 von (h) nach F i g. 4 können infolgedessen analysierte Ausgangssignale erhalten werden, die den reflektierten Schallwellen aus den acht Lagen oder Schritten in Tiefenrichtung entsprechen, da M = 8 gewählt ist.

Der Analogschalter 46 setzt die Ausgangssignale der N Kanäle, d. h. die Ausgangssignale der Zwischenverstärker 45 — 1 bis 45 —N, in ein Zeitreihensignal um. Wenn z. B. für ein Sichtgerät 60 ein ähnliches Abtastverfahren wie für eine Elektronenstrahlröhre in einem Fernsehempfänger verwendet wird, wird ein dementstrechendes Zeitreihensignal erzeugt. Wenn die Vertikal-Ablenkperiode nach Fig. 5 zu 7"« und die Horizontal-Ablenkperiode zu T gewählt sind, werden die Ausgangssignale der Zwischenverstärker 45—1 bis 45 —N nacheinander mit einer Periode von Tr/N = T innerhalb der Zeit Tk umgesetzt, so daß ein Zeitreihensignal entsteht.

Fig.6 zeigt den Aufbau des Analogschalters 46 und Fig. 7 stellt Signale zur Erläuterung der Arbeitsweise dieses Analogschalters 46 dar. Nach Fig. 6 ist ein Schieberegister 39 an einen Zähler 38 aus F i g. 3 angeschlossen. Der Zähler 38 gibt Ausgangsimpulse (b) nach F i g. 7 mit einem Zeitabstand T_s ab, die in das Schieberegister 39 eingespeist werden, und die Lage einer »1« im Schieberegister 39 wird durch die Ausgangsimpulse des Zählers 38 nacheinander verscho ben. Die Ausgänge b\, h, ■■■, b\ des Schieberegisters werden nacheinander an entsprechende Analoggatter 48—1, 48—2,..., 48—N angelegt, um diese Gatter zu triggern. Außerdem werden an diese Analoggatter auch Ausgangssignale y_u y₂,.., y_N der Zwischenverstärker 45—1, 45—2, ..., 45—N angelegt, damit diese beim Triggern der Gatter an diesen auftreten. Die Ausgangs signale der Analoggatter 48—1, 48—2 48—N

werden durch eine Verknüpfungsschaltung 49 miteinander verknüpft, so daß ein Zeitreihensignal (^nach Fi g. 7 erhältlich ist, aus dem hervorgeht, daß die Ausgangssignale yuy2..·-,yN der entsprechenden Zwischenverstär ker 45—1, 45—2, .... 45—N mit der Periode 7", umgesetzt sind. Im Signal (I) nach Fi g. 7 bezeichnen x\, *i,.., Signale,die bei einzelnen Lagen einer Zielebene

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in x-Richtung erhalten werden, und y_u y₂, ■■■, Yn bezeichnen Signale, die bei einzelnen Lagen der Zielebene in ^-Richtung erhalten werden. Derjenige Zeitpunkt, zu dem das Ausgangssignal b\ auftritt, ist durch den Setzimpuls aus der Verzögerungsschaltung s 35 nach F i g. 3 bestimmt, und in ähnlicher Weise wird die Operation nach dem Auftreten des Löschimpulses am Zähler 34 beendet. Während sich die vorhergehende Beschreibung auf ein Zeitreihensignal bezieht, das durch Schallwellen erhalten wird, die an einer Zielebene ι ο reflektiert werden, können die durch Abtasten der entsprechenden Zielebenen 6—1, 6—2, .... t—M in verschiedenen Tiefen erzeugten Zeitreihensignale durch aufeinanderfolgendes Einspeisen der lokalen Schwingungssignale 1,2,... 8 von (tynach F i g. 4 in den ι s Frequenzanalysator 40 erhalten werden.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die den N Kanälen entsprechenden Schaltungselemente des Frequenzsnalysators 40 parallel angeordnet, und der Analogschalter 46 ist an den Frequenzschalter 40 derart angeschlossen, daß er die Ausgangssignale der N Kanäle in ein Zeitreihensignal umsetzt. Die Lage des Analogschalters 46 ist jedoch keineswegs auf die in der F i g. 3 gezeigten Lage beschränkt, vielmehr kann der Analogschalter 46 zwischen den Bandpaßfiltern 43 und den Hüllkurvendetektoren 44 liegen oder zwischen den Frequenzumsetzern 42 und den Bandpaßfiltern 43, und sein Ausgang kann aus einem einzigen Kanal bestehen.

Nach Fig.3 wird das Ausgangssignal des Analogschalters 46 über einen Zwischenverstärker 47 in einen weiteren Analogschalter 5! eingespeist. In diesen Analogschalter 51 wird zusätzlich das Impulssignal (g) nach F i g. 4, dessen Periode T + Δ Tist, aus dem Zähler 31 eingespeist, so daß die analysierten Ausgangssignale des Frequenzanalysators 40 durch sequentielles Umschalten der Schritte umschaltbar sind, wodurch die Signale aus den einzelnen Zielebenen unterschieden werden können. Diese Signale werden in eine Farbmatrix 52 eingespeist. In der Farbmatrix 52 werden die den einzelnen Abständen entsprechenden Signale in verschiedene Farbsignale umgesetzt, die zuvor für die einzelnen Abstände ausgewählt wurden. Diese Farbsignale speisen ein Sichtgerät, z. B. eine Farbelektronenstrahlröhre derart, daß die nach den Abständen in Tiefenrichtung durch Farben klassierten reflektierten Bildmuster auf dem Schirm der Farbelektronenstrahlröhre 60 darstellbar sind.

Die Zuordnung der Farben, die die verschiedenen Abstände kennzeichen, können z. B. ähnlich wie bei einer Farbzuordnung in Landkarten gewählt sein. Mit anderen Worten: Die Farbe Rot, die üblicherweise als auffällige Farbe bezeichnet wird, kann zum Kennzeichnen der geringsten Entfernung verwendet werden, und die Farbe Blau, die üblicherweise als unauffällige Farbe bezeichnet wird, kann zum Kennzeichnen der größten Entfernung verwendet werden, so daß eine Farbzuordnung entsteht, die von Rot über Grün bis Blau reicht.

Ein dreidimensionales Reflexionsbild eines Zielobjektes erhält man durch Darstellung der Vertikalpositionen des Zielobjektes in Vertikalrichtung des Schirms, durch Darstellung der Horizontalpositionen des Zielobjekts in Horizontalrichtung des Schirms und durch Darstellung der Tiefenpositionen des Zielobjektes durch unterschiedliche Farben. Anstatt durch Farben kann die Tiefe des Zielobjektes auch durch unterschiedliche Hellig keitspegel unterschieden werden.

Es seien nun folgende Zahlenwerte angenommen: Kanal-Umschaltperiode = 1 μ5, Anzahl der den Empfangswandler 5 darstellenden Glieder, NR = 100, Anzahl der Kanäle des Frequenzanalysators 40, N = 100, und Anzahl der Schritte in Tiefenrichtung oder Farbarten, M=S. Dann gilt für die Zeitdauer T>, die für eine dreidimensionale Darstellung benötigt wird:

T_F= Tc- Nr- N- M= 2 χ 100 χ 100 χ 8 μ5 = 160ms.

Die Bildaufnahmegeschwindigkeit beträgt also etwa 6 Teilbilder/s. Diese Geschwindigkeit kann erhöht werden, wenn die Kanal-Umschaltrate so weit erhöht wird, wie es die Schaltgeschwindigkeit des Analogschalters 51 zuläßt

Obwohl sich in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Frequenz des an den Sendewandler angelegten Signals linear mit der Zeit ändert, kann sich diese Frequenz natürlich auch stufenweise oder quadratisch ändern.

Aus der vorhergehenden genauen Beschreibung der Erfindung ist ersichtlich, daß der Aufbau, z. B. der Umriß, eines Zielobjekts in trübem Wasser unabhängig von der Situation und dem Abstand des Zieiobjektes zuverlässig erfaßbar ist. (Wenn jedoch eine Schall-Linse vor dem Sendewandler angeordnet ist, muß dieser Abstand innerhalb des Scharfeinstellbereiches der Linse liegen). Somit ist die vorliegende Erfindung bereits bekannten zweidimensionalen Abbildungsanordnungen überlegen, indem die Leistungsfähigkeit bei der Durchführung verbessert und die Sicherheit vergrößert ist. Die Erfindung läßt sich in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen, beispielsweise bei Konsiruktions- und Vermessungsarbeiten in Meerwasser, für medizinische Anwendungen zum Erfassen von inneren Schäden im menschlichen Körper, die nicht optisch feststellbar sind, oder zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ulti^schall-Abbildungsanordnung, mit einem Ultraschall-Sender zum Abstrahlen von Ultraschallwellen, mit einem auf mehrere Glieder im wesentlichen senkrecht zur Strahlungsrichtung der Ultraschallwellen aufgeteilten Ultraschall-Empfangswandler, mit einem Sichtgerät-Signalgenerator zur Erzeugung von Sichtgerät-Ansteuersignalen und mit ,₀ einem dem Sichtgerät-Signalgenerator aachgeschalteten Bildsichtgerät,dadurchgekennzeichn e t, daß der Ultraschall-Sender aufweist: eine erste Signalquelle (20) zum Erzeugen mehrerer Wiederholungssignale, deren Frequenz sich innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls ändert, und einen vom Ausgangssignal der ersten Signalquelle (20) betriebenen Ultraschall-Sendewandler (1) zum Abstrahlen von Ultraschallwellen, deren Strahlungsrichtung in einer Richtung mit der Frequenz des Ausgangssignals der ersten Signalquelle (20) veränderlich ist; daß eine zweite Signalquelle (30) zum Erzeugen mehrerer Wiederholungssignale vorgesehen ist, die den einzelnen Wiederholungssignalei, von der ersten Signalquelle (20) entsprechen und zu Zeitpunkten auftreten, die um verschiedene Verzögerungszeiten, bezogen auf die Wiederholungssignale von der ersten Signalquelle (20), verzögert sind; daß ein Frequenzanalysator (40) zum Durchführen einer Frequenzanalyse bei Anlegen der Ausgangssignale des Ultraschall-Empfangswandlers (5) und der zweiten Signalquelle (30) vorgesehen ist, um die empfangenen Schallwellen entsprechend ihrer relativen Intensität in Signale umzuwandeln, und daß der Sichtgerät-Signalgenerator (50) an den Ausgang des Frequenzanalysator (40) angeschlossen ist (F i g. 1).

2. Ultraschall-Abbildungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Signalquelle (20) ein Sägezahngenerator mit vorbestimmter Periode ist. _+D

3. Ultraschall-Abbildungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzanalysator (40) aus mehreren Parallelschaltungen besteht, deren jede einen Frequenzumsetzer (42), ein Bandpaßfilter (43) und einen Hüllkurvendetektor (44) enthält, die in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, wobei die Frequenzumsetzer an die Ausgänge der zugehörigen Glieder des Empfangswandlers (5) angeschlossen sind, wobei das Ausgangssignal der zweiten Signalquelle (30) gemeinsam an die Frequenzumsetzer angelegt ist, und wobei die Ausgangssignale der Hüllkurvendetektoren einen Analogschalter (46) speisen, der die Ausgangssignale der Hüllkurvendetektoren periodisch derart umschaltet, daß diese Ausgangssignale in Zeitreihensignale umsetzbar sind (F i g. 1,3).

4. Ultraschall-Abbildungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sichtgerät-Signalgenerator (50) synchron mit dem Ausgangssignal der zweiten Signalquelle umschaltbar <w ist, um die Zeitreihensignale in verschiedene Farbsignale umzusetzen, und daß das Bild sichtgerät (60) eine Farbelektronenstrahlröhre ist (F i g. 1,3).

5. Ultraschall-Abbildungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitab- < >s stand zwischen den einzelnen Wiederholungssignalen aus der ersten Signalquelle gleich der Horizontal- oder Vertikalablenkperiode der Elektronenstrahlröhre ist, und daß die Umschaltperiode der Hüllkurvendetektoren gleich der Vertikal- oder Horizontalablenkperiode der Elektronenstrahlröhre ist.

6. Ultraschall-Abbildungsanordnuiig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzanalysator mehrere Parallelschaltungen aus je einem Frequenzumsetzer und einem Bandpaßfilter enthält, die in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, wobei die Frequenzumsetzer an die Ausgänge der zugehörigen Glieder des Empfangswandlers angeschlossen sind, wobei das Ausgangssignal der zweiten Signalquelle gemeinsam an die Frequenzumsetzer angelegt ist, wobei die Bandpaßfilter an einen Analogschalter angeschlossen sind, der die Ausgangssignale der Bandpaßfilter periodisch umschaltet, um diese Ausgangssignale in Zeitreihensignale umzusetzen, und wobei das Ausgangssignal des Analogschalters in ein einzelnes Bandpaßfilter einspeisbar ist.

7. Ultraschall-Abbildungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der ersten Signalquelle ein Sägezahnsignal mit vorbestimmter Periode ist.

8. Ultraschall-Abbildungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Signalquelle enthält:

einen Taktimpulsgenerator (21);
einen ersten Zähler (22) zum Zählen der vom Taktimpulsgenerator erzeugten Taktimpulse derart. daß in jeder Periode des Ausgangssignals der ersten Signalquelle ein Ausgangsimpuls ableitbar ist;
einen durch das Ausgangssignal des ersten Zählers getriggerten Sägezahngenerator (23) und
einen Oszillator (24) zum Umsetzen des Sägezahnsignals aus dem Sägezahngenerator in ein Sägezahn-Frequenzsignal und
daß die zweite Signalqucüe enthält:
einen zweiten Zähler (34) zum Zählen der vom Taktimpulsgenerator erzeugten Taktimpulse, so daß in jeder Periode des Ausgangssignals der ersten Signalquelle ein Ausgangsimpuls ableitbar ist;
eine Verzögerungsschaltung (35) zum Verzögern des Ausgangssignals des zweiten Zählers um eine vorbestimmte Zeitdauer;

einen durch das Ausgangssignal der zweiten Verzögerungsschaltung derart getriggerten dritten Zähler (31), daß Ausgangsimpulse mit einem vorbestimmten Zeitabstand ableitbar sind;
einen durch das Ausgangssignal des dritten Zählers getriggerten Sägezahngenerator (32) und
einen spannungsgesteuerten Oszillator (33) zum Umsetzen der Sägezahnspannung vom Sägezahngenerator in ein Sägezahn-Frequenzsignal.