DE3411135A1 - Azimutanpassbares, phasengesteuertes sonar - Google Patents

Azimutanpassbares, phasengesteuertes sonar

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DE3411135A1 DE19843411135 DE3411135A DE3411135A1 DE 3411135 A1 DE3411135 A1 DE 3411135A1 DE 19843411135 DE19843411135 DE 19843411135 DE 3411135 A DE3411135 A DE 3411135A DE 3411135 A1 DE3411135 A1 DE 3411135A1
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Description

BESCHREIBUNG
Azimutanpaßbares, phasengesteuertes Sonar
Die Erfindung betrifft ein azimutanpaßbares (azimuth adaptive), phasengesteuertes Sonar zur Verwendung bei einem medizinischen oder Unterwasser-Abbildungssystem, insbesondere ein derartiges Sonar, das Gitternebenzipfel Coder keulen)-Geisterbilder oder -Erscheinungen (-Artefakts) zu unterdrücken vermag.
Es sind phasengesteuerte Sonare mit einer Reihenoder Feldsonde aus einer Reihe bzw. einem Feld (array) von Wandler-Elementen bekannt, die mit einer zweckmäßigen Phasenanordnung erregt oder aktiviert werden,
um Ultraschallwellen in einen Untersuchungsraum abzustrahlen oder aus ihm zu empfangen, während die Strahlrichtung der Ultraschallwellen geführt oder gesteuert wird.
Die bisherigen phasengesteuerten Sonare sind jedoch mit dem Problem der durch Nebenzipfel, insbesondere Gitternebenzipfel erzeugten Geisterbilder (oder Artefakten) behaftet.
Durch Nebenzipfel hervorgerufene Geisterbilder erscheinen in einer Richtung, die hauptsächlich durch das Verhältnis des (Teilungs-)Abstands zwischen den Elementen zur Wellenlänge der ausgesandten und emf-
fangenen Ultraschallwellen bestimmt wird, und mit 35
einem durch die Gesamtzahl der aktivierten Wandler-
Elemente bestimmten Pegel (Größe). Diese Geisterbilder lassen sich grundsätzlich nicht durch Verbesserung der Auflösung oder des Quantisierungsfehlers einer Verzögerungsstufe (delay map) für phasengesteuerte Element-Erregung und die Gleichförmigkeit der Verstärkung sowie die Ultraschallwellen-Sende- und -Empfangsleistung vermindern. Ein Entfernen (apodization) von Elementen resultiert lediglich in scharf geschnittenen Flanken ML2 (vgl. Fig. 1) unter Beeinträchtigung der Breite eines Hauptlappens ML1, ist jedoch für Grundlinien D (Fig. 1) oder Gitter-Nebenzipfel GSL nicht wirksam. Die Grundlinien bestimmen sich durch die Gesamtzahl der Elemente und die Gleichförmigkeit oder Abweichung/ in jeder Bedeutung dieses Ausdrucks, von einem theoretischen oder idealen Wert.
Ein anderer, die Gitternebenzipfel wesentlich beein-. flussender Faktor ist eine für die Echoauswertung empfangene Wellenform (oder ein Frequenzspektrum), wie dies anhand des Prinzips der Gitter-Nebenzipfelerzeugung ersichtlich ist.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch das Prinzip der Entstehung von Gitter-Nebenzipfeln. Mit einem (Teilungs-) Abstand d angeordnete Elemente T1 - T6 werden gleichzeitig aktiviert oder erregt, um einen Hauptlappen vor der Elementreihe zu erzeugen. Gleichzeitig werden Wellen, zusätzlich zur Vorderseite der Reihe, nach der Bedingung d-sin θ =λ (A=Wellenlänge) in Richtungen - θ in Phase gebracht, um eine starke Empfindlichkeit in diesen Richtungen hervorzurufen (und damit Nebenzipfel zu erzeugen).
5Γ
Wenn die ausgesandten und empfangenen Wellen bessere Kohärenz besitzen, werden die Gitter-Nebenzipfel größer und schärfer. Wenn vollständige Impulswellen übertragen und empfangen werden, entsteht kein Nebenzipfel (grating lobe), doch heben die addierten Wellenformen von allen betreffenden Elementen einander an den Grundlinien Dn nicht genügend auf und verbleiben in erheblichem Maße als kontinuierliche Nebenzipfel oder -keulen (side lobes).
Fells die Bandbreite der übertragenen und empfangennen Wellenformen zu weit ist oder sich bei einem phasengesteuerten System in einen Hochfrequenzbereich erstreckt, neigen die Nebenzipfel dazu, in einer Winkelstellung, kleiner als ein Winkel Θ, bei einer Mittenfrequenz f0 der Ultraschallwellen aufzutreten.
Keinerlei Problem ergibt sich, wenn ein Ultraschallstrahl von der Reihe nach vorn gerichtet wird, indem der Azimut eines möglichen Nebenzipfels so gewählt wird, daß er geringfügig außerhalb (z.B. - 50°) eines Gesichtsfeldbereichs oder eines zu erfassenden Azimutbereichs (z.B. - 45°) liegt. Wenn jedoch ein Ultraschallstrahl geführt oder gesteuert (steered) und abgetastet wird, erscheinen Nebenzipfel im Blick- oder Gesichtsfeld unter Erzeugung von Geisterbildern.
Ein Kompromiß zur Lösung des genannten Problems besteht in der Regelung der Verstärkung einer Verstärkerschaltung zum Abnehmen und Verstärken eines Echosignals. Auf diese Weise wird jedoch der Rauschabstand nicht verbessert, und es werden auch keine Vorteile, keine Optimierung und keine beste Sicht-
barkeit erzielt.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines azimutanpaßbaren, phasengesteuerten Sonars, bei dem auch bei Führung oder Steuerung des Ultraschallstrahls keine Gitter-Nebenzipfel (grating lobes) in einem vorgegebenen Winkelbereich des Gesichtsfelds auftreten.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird erfindungsgemäß dann, wenn ein Ultraschallstrahl von einer Reihe von Elementen nach vorn gerichtet wird oder ist, eineMittenfrequenz f« entweder eines Empfangssignals von jedem am Ultraschallempfang beteiligten Element (oder eines Ubertragungsignals jedes an der Ultraschallübertragung beteiligten Elements) oder eines Echosignals, in welchem die empfangenen Signalein Phase kombiniert sind, so daß sie einen
gewünschten Strahlwinkel besitzen, vergrößert, um 25
eine Bandbreite für höhere Auflösung in einen höheren
Frequenzbereich zu erweitern. Wenn der Strahl zur Seite geführt wird, wird die Mittenfrequenz f~ in bezug auf einen Führungs- oder Steuerwinkel verringert, oder eine höherfrequente Komponente wird ab-30
geschnitten, um einen Nebenzipfel erzeugenden Winkel zu vergrößern, so daß kein Nebenzipfel in den Bereich eines Blick- oder Gesichtsfelds eingeführt wird.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der 35
Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung des Richtverhältnisses einer Echoempfangsempfindlichkeit bei einem bisherigen phasengesteuerten Sonar,
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Prinzips
der Entstehung eines Nebenzipfels,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines phasengesteuerten Sonars gemäß der Erfindung,
Fig. 4 und 5 graphische Darstellungen der Art und Weise, auf welche ein variables Bandpaßfilter beim erfindungsgemäßen phasengesteuerten Sonar gesteuert wird,
Fig. 6 ein Blockschaltbild des Bandpaßfilters gemäß Fig. 3 und
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Änderung der 25
Grenzfrequenz von Filtern im variablen Bandpaßfilter gemäß Fig. 6.
Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.
Fig. 3 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes phasengesteuertes Sonar, das mit Ausnahme eines variablen Bandpaßfilters 6 und eines Stellglieds oder Reglers 7 denselben Aufbau besitzt wie die bisherige Sonar-
Vorrichtung.
Untere und höhere Grenzfrequenzen des variablen Bandpaßfilters 6 werden durch den Regler 7 geregelt oder eingestellt, der ein Zeitsteuersignal zu einem Triggergenerator 1 und zu einemTGC(zeitabhängigen Verstärkungsregelungs-)Funktionsgenerator 11 sowie ein Azimutsteuersignal zu einer Ubertragungs-Verzögerungsstufe (delay map) 2a und einer Ernpfangs-Verzögerungsstufe 2b zur Gewährleistung einer zweckmäßigen Verzögerungsverteilung für die Bestimmung eines Azimuts für ausgesandten oder übertragenen und empfangenen Ultraschallstrahl, wie bei den bisherigen Sonaren, liefert. Der Regler 7 erzeugt zusätzlich Regeloder Steuersignale C1, C2 zur Änderung der unteren und oberen Grenzfrequenzen des variablen Bandpaßfilters 6 in Beziehung zum Azimutwinkel des Strahls.
Im. Betrieb wird ein vom Triggergenerator 1 erzeugtes, bezüglich des Takts (timing) vom Regler 7 gesteuertes Triggersignal der Ubertragungs-Verzögerungsstufe 2a aufgeprägt. Letztere enthält in diesem Fall Verzögerungsleitungen in einer Zahl entsprechend den Wandler-Elementen in einer Wandlerreihe 4. Die durch die Verzögerungsleitungen vorgegebenen Verzögerungen werden durch den Regler 7 zur Bestimmung einer Verzögerungszeitverteilung so geregelt, daß ein Führungs- oder Steuerwinkel oder Azimut der ausgesandten und empfangenen Strahlen einem vorbestimmten Winkel entspricht, wobei auch die Strahlfokussierung berücksichtigt wird. Die verzögerten Ausgangssignale der Verzögerungsstufe 2a werden zu einem Impulsgeber 3 geliefert, der aus einzelnen (elemental) Impulstreibern besteht, die je-
weils an die betreffenden Wandler 4 angeschlossen und durch die Ausgangssignale von den betreffenden Verzogerungsleitungen ansteuerbar sind, um Wandler-Ansteuerimpulse zum gleichzeitigen Erregen oder Aktivieren der Wandler zu erzeugen, woraufhin die Wandlerreihe eine Ultraschallwelle zum vorbestimmten Azimut emittiert. Sodann werden Echosignale von den Wandlern der Reihe 4 abgenommen und durch diese in elektrische Signale umgesetzt, die danach durch einen Empfangs-Verstärker 5 verstärkt werden. Die verstärkten Signale werden durch die Empfangs-Verzögerungsstufe 2b geleitet, in welcher die Signale einer Zeiteinstellung für gleichphasigen Empfang für einen gewünschten Strahlsteuerwinkel unterworfen werden, und sie werden sodann zu einem einzigen Signal kombiniert, das zum variablen Bandpaßfilter 6 geleitet wird. Die durch den Regler 7 dem variablen Bandpaßfilter 6 zugeführten Steuer- ^υ oder Regelsignale C1, C2 werden in Beziehung zum Strahlsteuerwinkel variiert. Demzufolge wird der Frequenzgang des variablen Bandpaßfilters 6 auf die in Fig. 4 gezeigte Weise geändert, so daß sich die Mittenfrequenz und die Bandbreite mit sich vergrößerndem Steuerwinkel θ zu niedrigeren Frequenzen hin verschieben. :
Das vom variablen Bandpaßfilter 6 erhaltene Echosignal wird durch eine logarithmische Pressungs- und Detektorschaltung 8 und ein Tiefpaßfilter 9 verarbeitet. Das verarbeitete Signal wird sodann einem ""Video- oder Fernseh-Verstärker 10 zugeführt, dessen Vorspannung zeitabhängig durch ein zeitabhängiges Vorspannsignal variiert (normalerweise erhöht) wird. Der Verstärker io liefert ein Echovideosignal, in welchem von der Tiefe einer Echoquelle abhängig hervorgerufene Ultraschalldämpfungen kompensiert sind. Da das Signal einen
AO
der logarithmischen Pressung unterworfenen Pegel besitzt, ist die Hinzufügung der Vorspannung der Multiplikation des ursprünglichen Signals vor dessen logarithmischer Pressung äquivalent, so daß eine zeitabhängige Verstärkungsregelung (TGC) bewirkt wird.
Der Frequenzgang des variablen Bandpaßfilters 6 und 10
seine Änderungen unter der Steuerung des Reglers 7 lassen sich auf die in Fig. 5 dargestellte Weise wählen.
Genauer gesagt: die Paßbandbreite B is gemäß Fig. 5(a)
verengt, die untere Grenzfrequenz ist praktisch konstant, während die höhere oder obere Grenzfrequenz unter gleichzeitiger Änderung der Mittenfrequenz f» und der Bandbreite B gemäß Fig. 5 (b) verringert ist, und die untere Grenzfrequenz ist herabgesetzt,
während die höhere Grenzfrequenz gemäß Fig. 5(c) im wesentlichen konstant ist.
Das variable Bandpaßfilter 6 sollte gemäß Fig. 6 vorzugsweise ein variables Hochpaßfilter 61 mit einer durch das Regelspannungssignal vom Regler 7 geregelten Grenzfrequenz, einen an das Hochpaßfilter 61 angeschlossenen Weitbereich-Verstärker 62 undein mit letzterem verbundenes variables Tiefpaßfilter 63 mit einer durch das Regelspannungssignal vom Regler 7 eingestellten
Grenzfrequenz umfassen. Dieses Tiefpaßfilter 63 ist speziell zur Gewährleistung einer scharfen Abschaltoder Grenzfrequenzcharakteristik erforderlich.
Die Grenzfrequenzen f ^ und f 2 des variablen Tiefg5 paßfilters 63 bzw. des variablen Hochpaßfilters 61 werden gemäß Fig. 7 in Abhängigkeit von |sin θI
gesteuert oder eingestellt. Wenn dabei der Ultraschallstrahl von der Wandlerreihe nach vorn gerichtet (Θ = 0) ist, bleibt somit die Mittenfrequenz f hoch bzw. bleibt die Bandbreite in einem höheren Frequenzbereich, so daß Bilder mit hoher Auflösung erhalten werden können. Wenn der Strahl seitwärts gesteuert wird, wird mit zunehmendem Steuerwinkel θ die Mittenfrequenz f» herabgesetzt oder der höhere Frequenzbereich abgeschnitten (gesperrt), mit dem Ergebnis, daß sich der Winkel Θ, bei dem Nebenzipfel auftreten, vergrößert und damit verhindert wird, daß die Nebenzipfel in den Gesichtsfeldbereich eintreten. Nebenzipfel-Artefakts werden somit effektiv an einer Beteiligung in den erhaltenen Bildern gehindert.
Anstelle der oder zusätzlich zur Anordnung des variablen Bandpaßfilters 6 unmittelbar hinter der Verzögerungsstufe 2b zum Wählen von Frequenzkomponenten aus dem Signal können zahlreiche variable Bandpaßfilter mit den für die einzelnen Wandler vorgesehenen Empfangs-Verstärkern verbunden sein. Wenn das variable Bandpaßfilter 6 auf Ultraschallübertragung oder -ausstrahlen umgeschaltet wird, kann diese Einrichtung zur Verarbeitung jedes Ausgangs signals vom Impulsgeber 4 geschaltet oder an den Triggergenerator 1, sofern die einzelnen (elemental) Impulstreiber Linearverstärker sind, angeschlossen sein, um den Frequenzgang der Treiber- oder Ansteuerwellenform eines zu übertragenden ursprünglichen Signals zu ändern, so daß die Mittenfrequenz einer übertragenen Ultraschallwelle in Beziehung zum Steuerwinkel θ
•J 4 Ί Ί I 'ά
variiert wird.
Die Mittenfrequenz des variablen Bandpaßfilters 6 kann nicht nur in Abhängigkeit vom Steuerwinkel Θ, sondern auch von der Tiefe der Echoquelle variiert werden, derart, daß die Mittenfrequenz mit zunehmender Tiefe der Echoquelle abnimmt.
Bei der beschriebenen Anordnung gemäß der Erfindung wird also ein variables Bandpaßfilter verwendet, dessen Mittenfrequenz verkleinert oder ein höherer Frequenzbereich abgeschnitten wird, wenn der Strahl-Steuerwinkel θ vergrößert wird, während ein Untersuchungssektor (object sector) nach einem Phasensteuerungsverfahren abgetastet wird. Das variable Bandpaßfilter kann geschaltet sein zur Verarbeitung aller Echosignale oder eines zusammengesetzten Echosignals, oder aber eines zu übertragenden ursprünglichen Signals oder von Ausgangssignalen des Impulsgebers, zweckmäßig in ihrer Phase verschoben, zur Erregung oder Aktivierung der Wandler, und es kann bei Ultraschallübertragung und/oder bei -empfang eingesetzt werden, um Nebenzipfel so zu steuern, daß sie nicht im Winkelbereich eines Blick- oder Gesichtsfelds erscheinen.
Obgleich vorstehend nur eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben ist, sind dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen innerhalb des erweiterten Schutzumfangs möglich.
- Leersei te -

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE
1. Azimutanpaßbares, phasengesteuertes Sonar, gekennzeichnet durch eine Feld- oder Reihensonde (4)
aus einer Reihe von Wandlerelementen zur Steuerung ausgesandter und empfangener Ultraschallstrahlen in einem Sektormuster zur Erzeugung eines Bildes eines (Untersuchungs-)Objekts und durch mindestens ein variables Bandpaßfilter (6)
mit einem in Abhängigkeit von einem Azimut des
ausgesandten oder empfangenen Ultraschallstrahls variablen Frequenzgang zwecks Änderung eines zu einem endgültig erhaltenen Bild beitragenden
Frequenzspektrums der ausgesandten und/oder
empfangenen Ultraschallsignale, um damit die
Entstehung von Nebenzipfel-Artefakten oder -Erscheinungen in einem durch die Ultraschallstrahlen abgetasteten Bereich zu unterdrücken.
2. Sonar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das variable Bandpaßfilter eine Mittenfrequenz besitzt, die sich mit sich vergrößerndem Azimut der Ultraschallstrahlen verkleinert.
ö
3. Sonar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Bandpaßfilter eine Paßbandbreite besitzt, die sich mit sich vergrößerndem Azimut der Ultraschallstrahlen verschmälert.
4. Sonar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß sich die höhere oder untere Grenzfrequenz des variablen Bandpaßfilters mit sich vergrößerndem Azimut der Ultraschallstrahlen verringert.
5. Sonar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Bandpaßfilter zur Verarbeitung eines den empfangenen Ultraschallstrahl angebenden Signals unmittelbar anschließend an die Erzeugung eines zusammengesetzten Ultraschallstrahls geschaltet ist.
6. Sonar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Bandpaßfilter zur Verarbeitung aller den empfangenen Ultraschallstrahl von allen am Empfang des Ultraschallstrahls beteiligten Schwinger- oder Wandlerelementen angebenden Signalen geschaltet ist.
7. Sonar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Bandpaßfilter zur Verarbeitung, jedes Ausgangssignals von einem Impulsgeber, der Impulse zum Erregen oder Aktivieren der Feldoder Reihensonde erzeugt, geschaltet ist.
8. Sonar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Bandpaßfilter zur Verarbeitung eines ursprünglichen, für die Erregung oder Aktivierung der Feld- oder Reihensonde zu verzögernden Ubertragungssignals geschaltet ist.
DE3411135A 1983-04-18 1984-03-26 Phasengesteuertes Ultraschall-Abbildungssystem Expired DE3411135C2 (de)

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