DE2603570A1

DE2603570A1 - Ultraschallsuchgeraet

Info

Publication number: DE2603570A1
Application number: DE19762603570
Authority: DE
Inventors: Itsuo Fukuoka; Masajiro Iida; Hideharu Morimatsu; Yoshinari Yoshida
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1975-01-30
Filing date: 1976-01-30
Publication date: 1976-08-05
Also published as: JPS5652265B2; US4045766A; DE2603570B2; DE2603570C3; NO760268L; NO142054C; JPS5188051A; NO142054B; GB1517591A; CA1029845A

Description

"IL-.R MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-80OO München 22 D-4800 Bielefeld

Tnftstrafio 4 Siekerwall 7

FP/WG/75-09 30. Januar 1976

Furuno Electric Company, Ltd. Nagasaki-ken / Japan

Ultraschallsuchgerät

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der kombinierten Ultraschall-Sender-V-Empf anger sy steine und bezieht sich insbesondere auf ein Ultraschallsuchgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1, bei dem ein Ultraschall-Impulssignal in einem großen Winkelbereich, vorzugsweise einem Abstrahlwinkel von 360° abgestrahlt wird und bei dem die reflektierten Wellen aus den jeweiligen Richtungen empfangen und nach Umsetzung auf einer Kathodenstrahlröhre angezeigt werden.

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ORIGINAL INSPECTED

Wegen der relativ niedrigen Ausbreitungsgeschwindigkeit von
Ultraschallwellen ist es unmöglich, die reflektierten Empfangswellen auf einer Kathodenstrahlröhre durch PPI-Abtastung, also PPI-Anzeige (Plan Position Indication) darzustellen. Bei einem
bekannten Anzeigesystem dieser Art wird ein Ultraschallsignal in nicht gerichteter Form in alle Richtungen abgestrahlt und
die reflektierten, aus den jeweiligen Richtungen zurückkommenden Wellen werden durch eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern aufgenommen, die in gleich-abständiger Folge auf einer im wesentlichen kreisrunden Empfängereinheit angeordnet sind. Um
eine hohe Richtwirkung und damit gute Auflösung beim Empfang
zu erhalten, werden die Ausgangssignale mehrerer aufeinanderfolgend aneinandergrenzender Wandler zusammengefaßt und das
resultierende Signal wird auf der Kathodenstrahlröhre angezeigt. Werden mehrere solcher Art zusammengefaßter Wandlergruppen
Schritt für Schritt aufeinanderfolgend in Umfangsrichtung abgefragt, so lassen sich die aus allen Richtungen empfangenen
Signale gleichzeitig anzeigen.

Bei diesem bekannten System jedoch treten die im folgenden aufgeführten Probleme auf, die so schwerwiegend sind, daß sich
das System in der Praxis kaum durchgesetzt hat:
Zum einen muß die Anzahl der Schaltkreise zum Zusammensetzen
der Ausgangssignale der Wandler der Anzahl der Wandler selbst entsprechen. Darüber hinaus wird die gleiche Anzahl von Schaltkreisen benötigt, um die Wandler aufeinanderfolgend von einem Umlauf zum nächsten abzufragen.Dadurch sind nicht nur die Kosten für eine solche Ultraschallsuchanlage sehr hoch, das
System wird vielmehr auch sehr kompliziert und der Aufbau läßt sich nicht mehr in der erwünschten Kompaktheit für ein gut handhabbares und leicht einzubauendes Gerät verwirklichen.
Darüber hinaus ergibt sich bei den bekannten Geräten ein relativ großer, nur unbefriedigend oder überhaupt nicht abzutastender Bereich. Diese wesentliche Einschränkung gestattet nicht oder

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nur sehr unbefriedigend den Einsatz des bekannten Geräts über weite Suchbereiche. Der Grund dafür wird nachfolgend noch näher beschrieben.

Schließlich machen sich bei dem bekannten Gerät die Schaltimpulse, die für das Weiterschieben oder Umschalten auf die einzelnen Wandlergruppen benötigt werden, oftmals als sehr störender Rauschpegel bemerkbar.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallsuchgerät zu schaffen, das sich durch eine wesentlich geringere Anzahl von den Wandlern zugeordneten Ausgangsschaltkreisen, einem sehr kleinen unwirksamen Bereich und eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen störende Rauschsignale auszeichnet.

Erfindungsgemäße technische Lösungsmöglichkeiten für diese Aufgabe sind in den Patentansprüchen angegeben.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in beispielsweiser Ausführungsform erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung von Wandlern eines Ultraschallsuchgeräts der hiermit beschriebenen Art;

Fig. 2 das Schaltbild einer Ausführungsform einer Verzögerungsschaltung', die bei diesem System verwendet wird;

Fig. 3A, 3B und 3C das in drei Abschnitte unterteilte Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Ultraschallsuchgeräts erfindungsgemäßer Bauart und

Fig. 4 verdeutlicht die Signalverläufe an charakteristischen Punkten der Schaltung nach den Fig. 3A bis 3C.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 sind dreißig (30) Ultraschallwandler A₁, A-, ... A₃₀ in gleichabständiger Folge nebeneinan-

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der zu einem geschlossenen Kreis aneinandergesetzt. Diese Wandler dienen als Empfängereinheiten für Ultraschallsignale, die aus allen Umfangsrichtungen eintreffen. Diese Wandler können auch als Ultraschallsenderelemente eingesetzt werden; für den hier beschriebenen Fall wird jedoch davon ausgegangen, daß ein getrennter Ultraschallwandler ohne Richtwirkung ausschließlich als Sender vorhanden ist. Die Bündelung oder Richtwirkung jedes Wandlers ist nicht besonders scharf, so daß eine Anzahl aufeinanderfolgender Wandler im allgemeinen zusammengefaßt werden, um eine schärfere Bündelung, also einen scharfen Empfangsstrahl zu erhalten. So wird beispielsweise für die folgende Beschreibung davon ausgegangen, daß die Ausgänge von sechs Wandlern A., A₂, ... A_g zusammengefaßt werden , um einen repräsentativen Empfangsstrahl aus der Richtung Q₁ zu erhalten. Wird die Kombination der Wandler auf die Folge A₂, A₃,... A₇ umgeschaltet, so ändert sich die Richtung des repräsentativen Empfangsstrahls auf die Richtung Θ-. Wird also die Kombination von sechs Wandlern sequentiell in Umfangsrichtung in der angedeuteten Weise weiter ge schaltet', so ergeben sich ersichtlicherweise dreißig Bezugsrichtungen, d.h. die aus allen Richtungen empfangenen Signale lassen sich aufeinanderfolgend als Ausgangssignale über diese Art der Wandleranordnung abgreifen und auf einer Kathodenstrahlröhre anzeigen, um aus den so erhaltenen Bildern Objekte zu erkennen, deren Radialabstände auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre, beispielsweise den tatsächlichen Abständen der Objekte von der Meßstelle entsprechen .

Die Fig. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Zusammenfassung von jeweils sechs Wandlerausgängen. Wie die Zeichnung erkennen läßt, weist diese Schaltung sechs Eingangsklemmen P-, PJ, P₂, ΡΛ, P₃ und PI sowie eine einzige Ausgangsklemme P_n auf. Die Eingangsklemmen P₁ und P' sind über einzelne Widerstände R- und Ri mit der Ausgangsklemme P verbunden.

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Die Eingangsklemmen P₂ und P^ sind über Einzelwiderstände R₂ und RI und eine gemeinsame Induktivität L₁ mit der Ausgangsklemme P₀ verbunden, während die Eingangsklemmen P₃ und P' über Einzelwiderstände R₃ und R' sowie über eine gemeinsame Induktivität L₂ mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R₂ und R₂ und der Induktivität L₁ verbunden sind. Das ausgangsseitige Ende der Induktivität L.. liegt über einen Kondensator C. auf Masse, während das andere Ende der Induktivität L₁ über einen Kondensator C₂ auf Masse geschaltet ist.

Die den Klemmen P₁ und Pi zugeführten Signale lassen sich direkt an der Ausgangsklemme P abgreifen, während die den Klemmen P₂ und P' zugeführten Signale an der Ausgangsklemme P_ mit einer durch die Werte der Elemente L₁ und C₁ bestimmten Verzögerung abgreifbar sind, während die die Klemmen P₃ und Pl beaufschlagenden Signale um eine durch die Elemente L₂ und C₂ bestimmte Verzögerung gegenüber den Signalen verzögert sind, die den Klemmen P₁ und Pi zugeführt werden. Werden die Ausgangssignale der Wandler A₁, A₂, A-., A₄, A,- und A_fi jeweils der zugeordneten Eingangsklemme P₁, P₂ , P-,/ PA/ P₂ und Pi zugeführt und sind die Verzögerungselemente L₁, C₁, L₂ und C₂ so gewählt, daß das verzögerte Eintreffen der Ultraschallwelle an den Wandlern A₁ (und Ag) sowie A₂ (und A₅) in Bezug auf den Wandler A₃ (und A₄) aufgrund der Abstandsdifferenzen d₁ und d₂ der in Fig. 1 dargestellten Wandler kompensiert wird, so läßt sich nur das aus der Richtung Θ.. eintreffende Ultraschallsignal an der Ausgangsklemme P_Q abgreifen.

Wie sich leicht aus dem System der Fig. 1 und der soweit gegebenen Beschreibung ersehen läßt, sind dreißig (30) der in Fig. 2 gezeigten Schaltungen erforderlich, und die gleiche Anzahl von Schalterkreisen wird nochmals benötigt, um eine betriebsbereite Schaltung zu erhalten, da dreißig (30) Kombinationen von jeweils sechs Wandlern vorgesehen sind. Dies führt zu einem räumlich umfangreichen und vergleichsweise teuren

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Schaltungsaufbau.

Die dem Abstand d₁ in Fig. 1 entsprechende Verzögerungszeit läßt sich rechnerisch zu etwa 22 ^usec berechnen, wenn der Durchmesser der kreisrunden Wandleranordnung zu 50 cm angenommen wird. Es ist also mindestens ein dieser Verzögerungszeit entsprechender Zeitabstand erforderlich, um an der Ausgangsklemme P₀ das der Richtung Θ.. entsprechende Empfangssignal abgreifen zu können. In der Praxis zeigt sich jedoch, daß zusätzlich zu dieser Verzögerungszeit der empfangene Signalimpuls eine relativ lange Einschwingzeit benötigt, d.h. etwa 100 bis 200 yusec . Um einen vollständigen Empfang des aus der Richtung Θ.. reflektierten Signals zu gewährleisten, wird eine Gesamtzeit von etwa 120 bis 220yusec benötigt. Wird daher zur Gewährleistung eines einigermaßen befriedigenden Signals:Rauschverhältnisses die Abfragezeit für das Empfangssignal aus einer speziellen Richtung auf 200yusec festgesetzt, so ergibt sich die Gesamtzeit, die erforderlich ist, um dreißig (30) Signale an den Zusammensetζschaltungen der in Fig. 2 dargestellten Art abzufragen, als das dreißigfache von 200 d.h.*6000 usec oder 6 msec. Da sich die Schallwelle während 6 msec um etwa 9 m ausbreitet, entspricht die aus jeder Richtung reflektierte Welle während eines Umlaufs der Abstanddifferenz von 9 m, d.h. also von 4,5 m für jeweils einen Weg. Mit dem System lassen sich also nur Objekte erfassen, die in einem Abstandsintervall von 4,5 m vorhanden sind. Mit anderen Worten: Die zwischen diesen Abständen vorhandenen Objekte können nicht erfaßt werden. Ein solches System ist für die Praxis unzureichend und für viele Anwendungsfälle unbrauchbar.

Unter Bezug auf die Fig. 3A, 3B und 3C wird nun die erfindungsgemäß vorgesehene Verbesserung gleichfalls an einem System mit dreißig (30) Ultraschall-Empfängerwandlern A₁, A_, ... A₃₀ beschrieben, wie es in Fig. 1 im Prinzip veranschaulicht ist:

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Bei dem erfindungsgemäßen System werden die dreißig (30) Wandler in drei (3) Gruppen von jeweils zehn (10) Wandlern klassifiziert, die jeweils an zehn (10) Schalterkreise S^, S₂, ... S₁₀ so angeschlossen sind, daß jeweils drei (3) Wandler,die um 120° gegeneinander versetzt sind, mit dem gleichen Schalterkreis verbunden sind. So sind beispielsweise die Wandler A-, A-- und A„- mit dem Schalterkreis S-, die Wandler A₂, A-~ und A22 ^mit äem Schalter S-, ... und die Wandler A_1n, A_?o und A₃' mit dem Schalterkreis S-_o verbunden. Jeder Schalterkreis umfaßt drei Tore und ein ODER-Glied, die untereinander so verbunden sind, daß die Eingänge von den zugeordneten drei Wandlern über ein jeweils zugeordnetes Tor und das gemeinsame ODER-Glied auf die Ausgangsklemme gelangen. Die Tore werden durch entsprechende Steuer-Eingangssignale überwacht, die an einer Steuerklemme B-, B₃, ... B₃₀ zugeführt werden, wie die Fig. 3A zeigt.

Die Steuereingänge der Schalterkreise S-, S-, ... S-_ werden durch ein Schieberegister 101 (Fig. 3B) gespeist. Dieses Schieberegister weist dreißig (30) Ziffernstellen oder Bits und entsprechend dreißig Parallelausgänge C-, C₃, ... C₃₀ auf, die jeweils mit der zugeordneten Steuerklemme B-, B₂, ... B₃ des jeweiligen Schalterkreises S-, S₂, ... S-_Q verbunden sind. Der Schiebeeingang des Schieberegisters 101 wird von einem Frequenzteiler 104 gespeist, dem eine Taktimpulsfolge von einem Taktimpulsgenerator 102 über eine Torschaltung 103 zugeführt wird, während die in das Schieberegister 101 einlaufenden Serien-Eingangsimpulse ebenfalls über einen Frequenzteiler 104 , einen anderen Frequenzteiler 105 und einen Tastimpulsgenerator 106 angeliefert werden.

Das Tastsignal der Torschaltung 103 stammt von einem Tastimpulsgenerator 107. Der Tastimpulsgeneraotor 107 liefert außerdem ein Schaltsignal an einen Ultraschallsender 108, an den ein nicht-richtungsspezifischer, also raumstrahlender ültraschall-

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Senderwandler 109 angeschlossen ist.

Der Ausgang des Frequenzteilers 104 ist außerdem mit dem Eingang eines Zählers 110 verbunden, der zehn (10) Zählausgänge 1, 2, ... 10 aufweist und von dem ein Rücksetzeingang beispielsweise mit dem Parallelausgang C₁₀ des Schieberegisters 101 verbunden ist.

Aus der Fig. 3A ist ersichtlich, daß die Ausgänge der Schalterkreise S₁, S₂ r ··♦ S₁₀ an zehn (10) Verzögerungsschaltungen D-| , D„, ... D₁ angeschlossen sind, die alle im Prinzip gleich und entsprechend der Schaltung nach Fig. 2 aufgebaut sind, die also sechs Eingangsklemmen P₁, P_, P₃, PA, Po und P₁ sowie eine Ausgangsklemme P_Q aufweisen. Die Ausgänge der Schalterkreise S₁, S₂/··· S_1n sind mit den Verzögerungsschaltungen D₁, D„, ... D₁ so verbunden, daß zyklisch aufeinanderfolgend jeweils sechs Schalterkreise mit entsprechend zugeordneten Eingangsklemmen P₁, P-, P₃/ P₃/ PA und P' der jeweiligen Verzögerungsschaltkreise verbunden sind. So sind beispielsweise die Ausgänge der Schalterkreise S₁, S₂, S₃, S₄, S₅ und S₆ mit den entsprechend zugeordneten Eingangsklemmen P₁, P₂, P₃, P₃ ¹, PA, bzw. P^j der Verzögerungs schaltung D₁ verbunden; die Ausgänge der Schalterkreise S~, S₃, S-, S₁-, S_fi und S₇ sind mit den entsprechenden analog numerierten Eingangsklemmen der Verzögerungsschaltung D-; ... die Ausgänge der Schalterkreise S,- S-., S₀, S_Q, S₁₀ und S₁ mit den ent-

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sprechend numerierten Eingangsklemmen der Verzögerungsschaltung D_fi ... und die Ausgänge der Schalterkreise S_1n, S₁, S₂ r S-./ S. und S^ mit den entsprechend numerierten Eingangsklemmen der Verzögerungsschaltung D_1n verbunden.

Die Ausgänge der Verzögerungsschaltungen D₁, D₂, ... D_1n sind jeweils über Integrationsschaltkreise Q₁, Q₂, ... Q_1n und Tore G₁, G₂, ... G_1n auf ein gemeinsames ODER-Glied 111 geschaltet. Die Integrationsschaltkreise Q₁, Q₂,... Q₁₀ weisen

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eigene Rücksetz-Eingänge auf, die jeweils mit den Zählausgängen 2, 3, 4,... 10 und 1 des Zählers 110 verbunden sind, während die Tore G-, G₂, ... G₁₀ eigene Steuerklemmen aufweisen, die jeweils mit den Zählausgängen 1, 2, ... 9 und 10 des Zählers 110 verbunden sind, wie die Fig. 3B zeigt. Der Ausgang der ODER-Schaltung 111 ist über einen Verstärker 112 auf die Kathode 114 einer Kathodenstrahlröhre 113 geschaltet (Fig. 3C).

Der Ausgang des Taktimpulsgenerators 102 ist außerdem über eine Torschaltung 115, deren Steuerklemme mit dem Ausgang C₁₀ des Schieberegisters 101 verbunden ist, auf einen Zähler 116 geschaltet (Fig. 3C). Das kodierte Ausgangssignal des Zählers 116 gelangt auf einen Sinus-Generator 117 und einen Kosinus-Generator 118., die jeweils über Amplituden-Modulatoren 119 bzw. 120 mit der Horizontal-Ablenkelektrode 121 bzw. der Vertikal-Ablenkelektrode 122 der Kathodenstrahlröhre 113 verbunden sind. Der Zähler 116 liefert außerdem einen Ausgangsimpuls nach jeweils 360 Zählschritten an einen anderen Zähler 123, dessen kodiertes Ausgangssignal auf die Modulatoren 119 bzw. 120 gelangt. Der Zähler 123 erzeugt außerdem auf jeden vorgebbaren Zählwert einen Rücksetzimpuls und sein Rücksetzausgang ist mit den Frequenzteilern 104 und 105, den Torschaltungen 103 und 115 sowie mit dem Zähler 116 verbunden.

Unter Bezug auf die Fig. 4 wird nachfolgend die Arbeitsweise der soweit beschriebenen Schaltungsanordnung erläutert: Der Tastimpulsgenerator 107 liefert zu einem bestimmten vorgebbaren Zeitpunkt einen Tastimpuls, der als Schalt- oder Betätigungsimpuls auf den Sender 108 gelangt, so daß der Sender-Wandler 109 einen nicht gerichteten Ultraschallimpuls in alle Richtungen abstrahlt. Dieser Ultraschallimpuls breitet sich in dem umgebenden Medium, beispielsweise in Wasser aus und wird durch irgendwelche Objekte auf die Empfängerwandler A-, A₂,

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zurückreflektiert.

Andererseits gelangt der durch den Tastimpulsgenerator 107 gelieferte Tastimpuls außerdem auf die Torschaltung 103, wodurch diese öffnet. Damit gelangt eine Taktimpulsfolge vom Taktimpulsgenerator 1O2 auf den Frequenzteiler 104 und wird dort um den Faktor 12 untersetzt, so daß sich die in Fig. 4 erkennbare Taktimpulsfolge a mit der Periode T ergibt. Diese Taktimpulsfolge a gelangt auf den Schiebeeingang des Schieberegisters 101. Die Taktimpulsfolge a speist außerdem den Frequenzteiler 105 und wird dabei um den Faktor 30 untersetzt. Der Tastimpulsgenerator 106 wird vom Ausgang des Frequenzteilers 105 gesteuert und liefert einen Tastimpuls b, dessen Dauer 1OT und dessen Periode 3OT entspricht. Da die Impulsfolge b aufeinanderfolgend Bit für Bit durch den Schiebeimpuls a in das Schieberegister 101 eingelesen wird, erscheinen an den Parallelausgängen des Schieberegisters die in Fig. 4 mit C₁, c.-,, ... c-._n angegebenen Signale.

Die Tore in den Schalterkreisen S₁, S₂/ ... S10 werden jeweils durch die Signale c.., c₂, ··· C₃ gesteuert, die den Steuerklemmen B-. , B₂/ ... B₃₀ zugeführt werden. Wie die Zeichnung erkennen läßt, fällt die Rückflanke des Impulssignals C₁ mit der Vorderflanke des Signals C₁₁, die Rückflanke des Signals C₁₁ mit der Vorderflanke des Signals C₂₁ und die Rückflanke des Signals C₃₁ mit der Vorderflanke des Signals C₁ zusammen. Vermittels des Schalterkreises S₁ lassen sich also die Ausgänge der Wandler A₁, A₁₁ bzw. A₂₁ während einer Zeitperiode von 1OT jeweils in zyklischer Aufeinanderfolge alternierend abfragen. Insbesondere wird zunächst der Ausgang des Wandlers A₁ während einer Zeitperiode von 1OT abgefragt, während gleichzeitig mit dem Ende dieser Zeitperiode die Abfrage des Ausgangs des Wandlers A₁₁ beginnt. Mit dem Ende der-Abfrageperiode von 1OT für den Ausgang A₁₁ beginnt die Abfrage des Ausgangs A₃₁, während am Ende dieser Abfrageperiode die

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zweite Abfrage des Ausgangs A- beginnt. Das Umschalten der Ausgänge wird in gleicher Weise für alle Schalterkreise S₁', S₂, ... S₁₀ bewirkt.

In der Zeitperiode zwischen der Vorderflanke und der Rückflanke des Signals c. werden über die Schalterkreise S₁, S₂, ... S₁₀ die Ausgänge der Wandler A₁, A₃, ... A₁₀ abgefragt. Die Verzögerungsschaltung D₁ kombiniert also die Ausgänge der Wandler A₁, A₂, A₃, A₄, A₅ und Ag, wie zuvor in Bezug auf die Fig. 2 beschrieben, um ein Ausgangssignal zu erhalten, das repräsentativ ist für eine Ultraschallwelle, die aus der Richtung ©₁ eintrifft (Fig. 1). In analoger Weise kombiniert die Verzögerungsschaltung D~ die Ausgänge der Wandler A₂, A₃, A-, A₅, Ag und A₇ und erzeugt ein Ausgangssignal, das einem reflektierten Signal aus der Richtung θ~ entspricht. In ganz ähnlicher Weise werden über die Verzögerungsschaltungen D-j, D. und Dr jeweils Ausgangssignalc angeliefert, die den reflektierten Signalen aus den Richtungen ^Θ3' ^Θ4 k^zw- ^Θ5 entsprechen, wobei die Ausgänge der Verzögerungsschaltkreise D, bis D₁₀ während dieser Zeitperiode bedeutungslos sind.

Mit Beginn des Signals C₁₁ jedoch endet das Signal C₁ und das über den Schalterkreis S₁ abgreifbare Ausgangssignal des Wandlers A₁ wird durch das Ausgangssignal des Wandler A₁₁ ersetzt. Jetzt wird das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung Dg bedeutungsvoll und entspricht einem Reflexionssignal aus der Richtung 9g. Werden in entsprechender Weise die Signale C₁₂, ^C13' ^C14 b^zw· ^C15 aufeinanderfolgend den Schalterkreisen zugeführt, so liefern die Verzögerungsschaltungen D-, Dg, D_g und D₁₀ aufeinanderfolgend Signale _f die repräsentativ sind für die aus den Richtungen θ-, θ₈, Q~ bzw. ©₁₀ eintreffenden Reflexionssignale,

Aus der soweit gegebenen Beschreibung ist ersichtlich, daß

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während des ersten Durchgangs die Ausgangssignale der Wandler A₁, A-, ... A₁ , während des. zweiten Durchgangs jene der Wandler A₁₁, A₁₂, ... A₂₀ und während des dritten Durchgangs die der Wandler A₂-]/ A₂₂, ... A₃₀ über die Schalterkreise S₁, S₉, ... S_1n erhalten werden. Entsprechend lassen sich an den Verzögerungsschaltungen D₁, D₂, ... D. aufeinanderfolgend dreißig (30) Ausgangssignale abgreifen, die den aus den dreißig Richtungen Θ., ©₂, ... Q₃₀ während dieser drei Durchgänge, die einen Betriebszyklus bilden, reflektierten Signale entsprechen. Diese Ausgangssignale gelangen über die Integrationsschaltungen Q.., Q₂, ... Q₁ auf das jeweils zugeordnete Tor G₁, G-, ... G₁-.. Die Integrations schaltungen dienen dabei zur Abfrage und Integration der Eingangssignale, um für diese das Signal:Rauschverhältnis zu verbessern.

Der Zähler 110 (Fig. 3B) zählt die vom Frequenzteiler 104 gelieferte Taktimpulsfolge a und erzeugt an seinen Ausgangsklemmen 1, 2, ... 10 aufeinanderfolgend die" in Fig. 4 gezeigten zehn Ausgangsimpulse g₁ , g₂, ... 9T-I_n- Da die durch den Zähler 110 gezählte Taktimpulsfolge a identisch ist mit der Schiebeimpulsfolge des Schieberegisters 110, das die' Funktion der Schalterkreise S₁, S-f ... S₁₀ steuert, sind die Eingangssignale für die Integrationsschaltkreise Q₁, Q₂, ... Q₁₀ und damit für die Tore G₁, G₂, ... G_1n vollständig mit den AusgangsSignalen des Zählers 110 synchronisiert. Bei dieser Ausführungsform wird der Zähler 110 durch die Vorderflanke des Tastimpulses C₁₀ rückgesetzt. Demzufolge fällt die Rückflanke des am Ausgang 1 des Zählers 110 erzeugten Ausgangsimpulses g- unmittelbar nach der Rücksetzung mit der Rückflanke des Tastimpulses C₁ zusammen, was die Fig. 4 zeigt. Dieser Ausgangsimpuls g₁ gelangt auf das Tor G^, wodurch dieses leitend wird und das in der Integrationsschaltung Q₁ gespeicherte Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung D₁ durchläßt. Nach einer Periode T der Taktimpulsfolge a endet der Ausgangsimpuls g.., so daß die Torschaltung G- wiederum schließt. Gleichzeitig erscheint der Aüsgangsimpuls g₂ am Aus-

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gang 2 des Zählers 110. Dieser Ausgangsimpuls g₂ gelangt auf die Integrationsschaltung Q₁, um den nächsten Speichervorgang auszulösen und gleichzeitig auf das Tor G₂,so daß jetzt das in der Integrationsschaltung Q₂ gespeicherte Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung D₂ freigegeben wird. Der Eingang des ODER-Glieds 111 wird damit vom Ausgang der Verzögerungsschaltung D₁ auf jenen der Verzögerungsschaltung D₂ umgeschaltet. In gleicher Weise werden die Tore G₁, G₂, ... G_1n aufeinanderfolgend jeweils für eine bestimmte Zeit leitend und dieser Betriebsablauf wiederholt sich zyklisch. Da die Signale, die den aus den Richtungen θ-, θ₂, ... θ_1η reflektierten Signalen entsprechen, zyklisch - wie zuvor beschrieben - von den Verzögerungsschaltungen D₁, D₂, ... D₁₀ über die Integrationsschaltungen Q₁, Q₂, ... Q₁₀ im Verlauf der drei erwähnten Durchläufe auf die Tore G₁, G₂, ... G₁₀ gelangen, erscheinen diese Signale in sequentieller Folge am ODER-Glied 111 und gelangen auch sequentiell über den Verstärker 112 auf die Kathode 114 der Kathodenstrahlröhre 113 und modulieren so die Helligkeit des angezeigten Bilds.

Durch die Vorderflanke des Tastimpulses C_1n vom Schieberegister 101 wird auch die Torschaltung 115 (Fig. 3B) geöffnet, so daß die Taktimpulsfolge vom Taktimpulsgenerator 102 auf den Zähler 116 gelangt. Dieser Zähler 116 zählt die Taktimpulse und liefert sein kodiertes Zähl-Ausgangssignal sukzessiv an den Sinus-Generator 117 bzw. den Kosinus-Generator 118. Der Sinus-Generator 117 bzw. der Kosinus-Generator 118 liefern ein Sinus-Wellensignal bzw. ein Kosinus-Wellensignal und zwar in Bezug auf das gleiche kodierte Ausgangssignal, so daß die Tastung der Kathodenstrahlröhre 113 über die horizontalen und vertikalen Ablenkelektroden 121 und 122 in kreisrunder Abtastlinie erfolgt. In diesem Fall ist das System so aufgebaut, daß 360 Zählschritte des Zählers 116 einem vollständigen Abtastumlauf entsprechen. Da die Umschaltung der Wandler A₁, A₂, ... A₃ durch die Taktimpulsfolge a gesteuert wird, deren Frequenz

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einem Zwölftel (1/12) der den Zähler 116 beaufschlagenden Taktimpulsfolge entspricht, so entspricht ein Abtastumlauf auf der Kathodenstrahlröhre 113 auch einer Abfrage der dreißig Wandler A., A₂, — A₃₀ oder einer Abfrage der dreißig Signaleinfallsrichtungen θ,, θ,, ... ^Θ3_Ο· Wird also über das ODER-Glied 111 irgendein Signal erzeugt, das repräsentativ ist für ein aus einer speziellen Richtung reflektierten Signal, erscheint ein heller Fleck auf der kreisrunden Abtastlinie in der Winkelrichtung, die dieser speziellen Richtung entspricht, d.h. der Abtaststrahl wird an dieser Stelle hellgetastet.

Wie zuvor beschrieben, erzeugt der Zähler 116 außerdem nach jeweils 36Ο Zählschritten des Taktimpulses einen Ausgangsimpuls, d.h. am Ende eines Umlaufs der Abtastung. Der Zähler 123 zählt diesen Ausgangsimpuls und liefert einen kodierten Zählausgang, der sukzessiv den Amplituden-Modulatoren 119 und 120 zugeführt wird. Mit steigendem Zählwert am Zählausgang des Zählers 123 werden durch die Modulatoren 119 und 120 auch die Amplituden des Sinus-Signals bzw. Kosinus-Signals vom Generator 117 bzw. 118 größer. Dies hat eine Vergrößerung des Durchmessers der kreisrunden Abtastlinie an der Kathodenstrahlröhre 113 zur Folge, so daß der Bildschirm aufeinanderfolgend vollständig abgetastet wird.Erreicht der Zählwert am Zähler 123 einen bestimmten Wert, der einem vorgebbaren Radius auf dem Anzeigeschirm entspricht, so liefert der Zähler 123 einen Rücksetzimpuls, der auf den Zähler 116 gelangt, um die Anfangsbedingung für einen erneuten Start der kreisrunden Abtastung des Bildschirms von dessen Mitte aus wiederherzustellen. Im richtig gesteuerten Zusammenwirken dieser kreisrunden Abtastung und der sequentiellen Zuführung der zusammengesetzten Ausgangssignale der Verzögerungsschaltungen D₁, D~, ... D₁₀ auf die Kathodenstrahlröhre 113 läßt sich das zu erfassende Objekt als Bild auf dem Anzeigeschirm an einer Stelle sichtbar machen, die sowohl hinsichtlich der Richtung als auch des Ab-

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stands der tatsächlichen Position des Objekts in Bezug auf die Meβstelle entspricht.

Der Rücksetzimpuls vom Zähler 123 gelangt außerdem auf die Frequenzteiler 104 und 105 und die Torschaltkreise 103 und 115, wodurch diese Schaltkreise in den Ausgangszustand des Systems zurückgesetzt werden. Das System wird sodann durch den Tastimpuls vom Tastimpulsgenerator 107 erneut in Betrieb gesetzt, so daß der gleiche, zuvor beschriebene Betriebsablauf sich wiederholt.

Wie beschrieben, werden für das erfindungsgemäße ültraschallwandlersystem nur zehn(10) Sätze von Schaltern und Verzögerungsschaltkreisen für dreißig (30) Ultraschallwandler benötigt, während bei dem bekannten System dreißig Sätze für die gleiche Anzahl von Wandlern erforderlich waren. Wird darüber hinaus jeder Schalterkreis so aufgebaut, daß fünf Eingangssignale umgeschaltet werden können, so werden ersichtlicherweise nur sechs einander entsprechende Sätze von Schaltern und Verzögerungsgliedern benötigt, was theoretisch ohne weiteres ausreicht, um gleich gute Betriebsverhältnxsse zu erhalten, wobei dann ebenfalls die Ausgangssignale von sechs Wandlern zusammengefaßt werden, um ein richtungsbezogenes Empfangssignal zu bilden. Die vier zusätzlichen Sätze bei der hier beschriebenen, zu bevorzugenden Ausführungsform der Erfindung dienen jedoch zur Verwirklichung eines besonderen Vorteils, der nachfolgend kurz erwähnt wird:

Im Falle von sechs Sätzen von Schaltern und Verzögerungskreisen müssen die Ausgangssignale von sechs Schalterkreisen, die einem speziellen Verzögerungskreis zugeführt werden, miteinan-■ der verbunden und nach einer Zeitperiode T der Taktimpulsfolge a abgefragt werden. Wegen der relativ großen Zeitverzögerung bei ültraschallübertragung macht dies relativ lange Perioden für die Taktimpulsfolge a erforderlich, beispielsweise 200 nsec

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wie zuvor beschreiben₍und demzufolge sind bei Geräten nach dem Stand der Technik auch relativ lange Abtastzeiten erforderlich. Werden dagegen entsprechend der zu bevorzugenden Ausführungsform der Erfindung zehn Sätze von Schaltungsgruppen vorgesehen, besteht zur Bildung und Ausgabe des zusammengesetzten Signals für jede Verzögerungsschaltung eine Zeitperiode zur Verfügung, die vier Perioden 4T der Taktimpulsfolge a vom Empfang des sechsten Eingangssignals aus entspricht. Wird die Tastzeit jeder Torschaltung hinzugerechnet, so steht jeder Verzögerungsschaltung zur Bildung des richtungsbezogenen Ausgangssignals eine Zeit zur Verfügung, die fünf Perioden 5T der Taktimpulsfolge a entspricht. Beträgt die zur Bildung jedes richtungsbezogenen Ausgangssignals wie dargelegt beispielsweise 200 jusec, so kann die kürzeste Periode für die Taktimpulsfolge a auf nur 40 usec reduziert werden. Entsprechend wird die für einen Zyklus, also einen Durchlauf der dreißig Wandler A₁, A2, ... A₃₀ erforderliche Abtastzeit auf 1200 jisec verringert. Da sich eine Ultraschallwelle in 1200 ^usec um 180 cm ausbreitet, wird die Abstandsdifferenz, die der Abfragefolge entspricht, für jede reflektierte Welle, d.h. das unwirksame Intervall des Systems auf nur 90 cm verringert. Dieser Abstand ist in Anbetracht der Abstandauflösung des Abtastimpulses mit ausreichender Zuverlässigkeit vernachlässigbar. Wie oben beschrieben, läßt sich für das erfindungsgemäße System die Abfrage-oder Umschaltgeschwihdigkeit für'die Empfangssignale so hoch machen, daß eine hohe Anzeigegenauigkeit erreicht wird, selbst für vergleichsweise sehr kurze Abstände.

Wie sich aus der soweit gegebenen Beschreibung ersehen läßt, werden außerdem die Empfängerwandler, die einer jeweils betreffenden Verzögerungsschaltung zugeordnet sind, in ausreichendem Zeitabstand umgeschaltet, bevor die zugeordnete Torschaltung G₁, G^, ... oder G₁₀ leitend wird. Damit wird erreicht, daß keinerlei Rauschsignal aufgrund des Schaltimpulses

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- 17 irgendeines der Tore passieren kann.

Bei dem erfindungsgemäßen System wird jedes zusammengesetzte, richtungsbezogene Ausgangssignal der Verzögerungsschaltkreise in einer zugeordneten Integrationsschaltung gespeichert, bevor es auf das entsprechende Tor gelangt. Dies ergibt ein vergleichsweise sehr hohes Signal:Rauschverhältnis im Vergleich zu herkömmlichen Geräten, bei denen jeweils der Momentanwert des zusammengesetzten Signals abgegriffen wird.

Obgleich die obige Beschreibung auf eine Anzahl (m χ η) von dreißig (30) UltraschaAlwandlern bezogen war, wobei die Anzahl η der Schalter- oder Verzögerungskreise zehn (10) und die Anzahl k der einer Schalter- oder Verzögerungsschaltung zugeordneten Ultraschallwandler sechs (6) betrug, ist ersichtlich, daß diese .Zahlen in gewissen Grenzen willkürlich wählbar sind. So kann beispielsweise die Anzahl k der Ultraschallwandler bis auf die Anzahl η der Schalter- und Verzögerungskreise erhöht werden, ohne daß sich dabei an dem Gegenstand der soweit beschriebenen Erfindung prinzipiell etwas ändert. Jedoch gehen einige mit der Erfindung leicht zu verwirklichende Vorteile verloren, wenn die Anzahl k der Ultra schallwandler nahe an die Anzahl η der Schalter- und Verzögerungsschaltkreise herankommt, so etwa die erwähnte hohe Schaltgeschwindigkeit und die beschriebene große Unempfindlichkeit gegen Stör- oder Rauschsignale. Wird daher die Anzahl ic der Wandler zur Verbesserung der Richtwirkung des Empfangssignals erhöht, so wird es zweckmäßig sein, auch die Anzahl η der Schalter - und Verzögerungskreise entsprechend zu erhöhen. Wie beschrieben, ergibt sich bei der ©bigen Ausführungsform ein Zeitüberschuss von vier Perioden der Taktimpulsfolge a zur Abtastung des durch die Verzögerungsschaltung gebildeten zusammengesetzten Signals. Soll nun die Anzahl k der Ultraschallwandler ohne Verlust des beschriebenen Vorteils erhöht werden, so sollte auch die Anzahl η der Schalter- und Verzö-

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gerungskreise so erhöht werden,daß die Differenz (n - k)jeweils vier (4) oder mehr beträgt. Je größer diese Differenz wird, umso höher kann die resultierende Schaltgeschwindigkeit werden. Die Anzahl der Schalterkreise S-, S₂, ... muß jeweils gleich der Anzahl der Verzögerungskreise D₁, D₂/ ... sein. Wird die Anzahl der Verzögerungskreise erhöht, so impliziert dies jedoch gewisse andere Nachteile, so etwa einen bei Verwirklichung der Erfindung erzielbaren einfachen und kompakten Aufbau , obgleich sich dadurch im Prinzip die Schaltgeschwindigkeit verbessern läßt. Die Anzahl der Ultraschallwandler bzw. der Schalter- und Verzögerungskreise muß daher auch unter Berücksichtigung des Anwendungszwecks solcher Geräte zweckmäßig gewäHt werden.

Obgleich bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Parallelausgang C_1n des Schieberegisters 101 zur Rücksetzung des Zählers 110 dient, bezieht sich dies lediglich auf die Nullpunktbestimmung für die kreisförmige Abtastung der Kathodenstrahlröhre. Der gleiche Zweck läßt sich also auch erreichen, wenn ein Parallelausgang des Schieberegisters 101 anstelle des Ausgangssignals c_1o herangezogen wird.

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Claims

Furuno Electric Company, Ltd,
Nagasaki / Japan
FP/WG/75-09

Patentansprüche

.J Ultraschallsuchgerät mit Rundumabstrahlung und einer Mehrzahl von auf einem Kreisumfang gleichabständig ver-

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teilt angeordneten Ultraschallwandlern, die das aus allen Abstrahlrichtungen reflektierte Ultraschallsignal aufnehmen, mit einer Mehrzahl von Ausgangsschaltkreisen, die die Ausgangssignale von k (k >1) in einer bestimmten Kreisumfangsrichtung aufeinanderfolgenden benachbarten Wandlern zur Erzeugung einer Mehrzahl von richtungsabhängigen -zusammengesetzten Ausgangssignalen kombinieren, sowie mit einer Einrichtung zur sequentiellen, zeitunterteilten Abfrage und Anzeige der zusammengesetzten Ausgangs—-signale, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (A₁ bis A-^₀) in m Gruppen zu jeweils η in der bestimmten Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Wandlern zusammengefaßt sind, wobei die Anzahl der die Ausgangssignale zusammenfassenden Ausgangsschaltkreise η beträgt, m und η ganze Zahlen größer als 1 sind und n>k gilt, daß η Schaltkreise (S- bis S.. ) mit jeweils m Eingängen vorhanden sind, die jeweils mit einem zugeordneten Ausgang eines j-ten (j = 1, 2, ... η) Wandlers aus den m Gruppen von Wandlern"verbunden sind, daß die Schalterkrei-■ se (S₁ bis S₁₀) ausgangsseitig mit den Ausgangsschaltkreisen (D₁ bis D₁₀) derart verbunden sind, daß η Gruppen von jeweils aus k in der genannten Kreisumfangsrichtung aufeinanderfolgenden Einheiten bestehenden Schalterkreisen sequentiell auf

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die verbundenen Ausgangskreise schaltbar sind und daß unter Steuerung durch eine Steuereinheit (101 bis 123) η Ausgangssignale zu einer Taktzeit von dem im Sinne der Kreisumfangsrichtung aufeinanderfolgenden Schalterkreisen abgreifbar und gleichzeitig die Abfrage der η Ausgänge um jeweils einen Schritt im Sinne der Kreisumfangsrichtung weiterschiebbar ist.
2. Ultraschallsuchgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Schalterkreise (S₁ bis S_1n\m Tore (Q₁ bis G_1n) zur auswahlweisen Durchschaltung der jeweils m Eingänge aufweist, daß die Steuereinheit ein Schieberegister (101) mit einer Mehrzahl von Parallelausgängen (C₁ bis C_ ) enthält, deren Anzahl der Anzahl der Ultraschallwandler (A₁ bis A^_n) entspricht, daß der Serieneingang des Schieberegisters mit einem Steuerimpuls beaufschlagbar ist, dessen Dauer der Schiebezeit für η Wandler entspricht, während am Schiebeeingang des Schieberegisters eine mit dem Schiebevorgang für die Wandler synchronisierte Taktimpulsfolge zuführbar ist und daß die Parallelausgänge des Schieberegisters sequentiell auf die Steuereingänge jener Toren (G₁ bis G_1n) in den Schalterkreisen schaltbar sind, die jeweils bestimmten Wandlern zugeordnet sind.
3. Ultraschalisuchgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl k von durch jeden Ausgangskreis zusammenzufassenden Wandler-Ausgängen kleiner gewählt ist als die Anzahl der Ausgangskreise (D₁ bis D₁₀)t und daß eine Speicherschaltung (Q₁ bis Q₁₀) mit dem Ausgang jedes Ausgangskreises verbunden ist.

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