DE3701786C2 - Ultraschall-Geschwindigkeitsmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Geschwindig­ keitsmeßvorrichtung zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbeson­ dere eine Meßvorrichtung, die die Geschwindigkeit eines Blut­ stroms in einem Organismus in Echtzeit ermittelt.

Bei einer aus IEEE Transactions on Sonics and Ultra­ sonics, Band SU-17, Nr. 3, Juli 1970, Seiten 170 bis 185 be­ kannten Vorrichtung, die nach dem Impuls-Doppler-Verfahren arbeitet, werden Ultraschallimpulse wiederholt zu dem zu mes­ senden Gegenstand ausgesandt, und das aus der empfangenen Welle erhaltene Signal wird zeitlich abgetastet. Ist T das Wiederholungsintervall bei der Aussendung der Ultraschallim­ pulse, so beträgt die maximal meßbare Dopplerverschiebungs­ frequenz f_d = 1/2T. Bezeichnet man die Fortpflanzungsge­ schwindigkeit der zum Gegenstand hin ausgesandten akustischen Welle mit S, so ist die Tiefe D, bis zu der der Gegenstand gemessen werden kann (meßbare Tiefe), D = S·T/2. Damit ist das Produkt f_d·D = S/4 und somit konstant. Daher ist entweder die meßbare Geschwindigkeit oder die meßbare Tiefe begrenzt.

Eine Vorrichtung mit den im Oberbegriff angegebenen Merkmalen ist aus IEEE Cat. # 78 CH 1344 - 1SU, Seiten 348 bis 352 bekannt. Auch dort besteht das sich aus dem Zusammen­ hang zwischen maximal meßbarer Tiefe und maximal meßbarer Dopplerverschiebung ergebende Problem: Einerseits soll der Zeitabstand T zwischen zwei Ultraschallimpulsen möglichst klein sein, um eine möglichst große Dopplerverschiebung mes­ sen zu können; andererseits soll T möglichst groß sein, damit die maximal meßbare Tiefe D möglichst groß wird.

Bei einer weiteren, aus US 3,953,823 bekannten Ultra­ schall-Geschwindigkeitsmeßvorrichtung wird die Polarität der Sendeimpulse verändert, um eine eindeutige Zuordnung von Sende- und Empfangsimpulsen zu erreichen. Die Vorrichtung be­ nötigt einen zusätzlichen Pulsgenerator sowie zusätzliche Einrichtungen sowohl im Sender als auch im Empfänger zur Zu­ ordnung der Impulse.

Aus EP 0 166 392 A2 ist es bekannt, bei fester Pulswie­ derholungsfrequenz die Blutgeschwindigkeit mit unterschiedli­ chen Sendefrequenzen zu ermitteln. Da die Abschwächung von Signalen in einem lebenden Organismus stark von der Frequenz abhängt, kann sich die Signalhöhe bei der Änderung der Sende­ frequenz durch Absorption verändern, wodurch das Meßergebnis verfälscht wird.

Aus US 4,308,535 ist es bekannt, durch Differenzbildung die von ruhenden Objekten erzeugten Signale von denen beweg­ ter Objekte zu trennen. Eine Geschwindigkeitsmessung wird hier nicht durchgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den geschil­ derten Kompromiß zu vermeiden und die Geschwindigkeit eines Gegenstands mittels Ultraschall auch bei größerer Meßtiefe genau und einfach zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An­ spruch 1 gekennzeichnet. Durch die danach vorgesehene zweite Phasendifferenzbildung wird der beim Stand der Technik vor­ handene Zusammenhang zwischen maximaler Meßtiefe und maximal meßbarer Dopplerverschiebung entkoppelt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Ausfüh­ rungsbeispiels,

Fig. 2, 4, 6A und 6B Blockschaltbilder für Schaltungsbautei­ le des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,

Fig. 3A bis 3F und 5 Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,

Fig. 7 eine graphische Darstellung als Beispiel für eine Anzeige bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1,

Fig. 8 und 10 Blockschaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung, und

Fig. 9A und 9B graphische Darstellungen von Beispielen der Anzeige bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Er­ findung sind eine Wellensendeschaltung 14 und ein Empfangs­ verstärker 16 mit einem akustischen Wandler 1 verbunden. Sen­ designale in Form kurzer Impulse mit einer vorbestimmten Win­ kelfrequenz ω₀ werden wiederholt von der Sendeschaltung 14 zum akustischen Wandler 1 ausgegeben und akustische Impulswel­ len mit einer Komponente der Mittenfrequenz ω₀ werden durch den akustischen Wandler 1 zu einem Reflektor 2 ausgesandt. Eine vom Reflektor 2 reflektierte Welle wird vom akustischen Wandler 1 erfaßt. Das dadurch erfaßte Empfangssignal liegt über den Empfangsverstärker 16 an einem Phasenkomparator 3. Der Auf­ bau des Phasenkomparators 3 ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Mischer 31 mischt das empfangene Signal mit einer Bezugswelle, die durch α = A·cos ω₀t wiedergegeben ist und ein Mischer 32 mischt das empfangene Signal mit einer Bezugswelle, die durch α′ = A·sin ω₀t wiedergegeben ist. Die Ausgangssignale dieser Mischer werden über Tiefpaßfilter 33 und 34 ausgegeben. Das heißt, daß ein Ausgangssignal V_R der niederfrequente Anteil einer Mischwelle aus dem empfangenen Signal und der Bezugs­ welle α ist und daß ein Ausgangssignal V_J in niederfrequen­ ter Anteil einer Mischwelle aus dem empfangenen Signal und der Bezugswelle α′ ist, wobei diese beiden Bezugswellen einen Phasenunterschied von 90° haben.

Die Fig. 3A bis 3D zeigen die Wellenformen an den oben be­ schriebenen Teilen dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Sendeschaltung 14 gibt Wellen auf der Grundlage des in Fig. 3A dargestellten Zeitablaufs aus. Das Zeitintervall zwi­ schen dem ersten Ausgabeimpuls a₁ und einem zweiten Ausgabe­ impuls a₂ beträgt T-T_S, das Zeitintervall zwischen dem zwei­ ten Ausgabeimpuls a₂ und einem dritten Ausgabeimpuls a₃ be­ trägt T+T_S und das Zeitintervall zwischen dem dritten Ausgabe­ impuls a₃ und einem vierten Ausgabeimpuls a₄ beträgt T-T_S.

Die Intervalle der Impulse, die dann folgen, haben abwechselnd die folgenden Zeitunterschiede: T-T_s und T+T_S·T_S ist ein bestimmtes Zeitintervall, das kleiner als T ist und jede Zeit­ differenz T-T_S und T+T_S ist ein ganzzahliges Vielfaches des Intervalls 2π/ω₀ der Ausgabeimpulse und der Bezugswel­ len. Zum Vergleich zeigt Fig. 3B eine Ausgabewellenform bei dem herkömmlichen Impulsdopplerverfahren, nämlich die Wellen­ form der in regelmäßigen Intervallen ausgegebenen Impulse.

Die empfangenen Signale, die durch die reflektierten akusti­ schen Wellen dargestellt sind, die dann erhalten werden, wenn die in Fig. 3A dargestellten Impulse ausgegeben werden, sind in Fig. 3C mit C₁, C₂, C₃ . . . dargestellt. Diese empfangenen Signale haben eine Verzögerung τ₀ gegenüber den ausgegebenen Impulsen a₁, a₂ und a₃, die dem Zeitintervall entspricht, das die akustische Welle braucht, um vom Wandler 1 zum Reflektor 2 und wieder zurück zu gehen. Diese empfangenen Signale C₁, C₂ und C₃ werden mit den beiden Bezugswellen, die in Fig. 3D dar­ gestellt sind, durch die Phasenkomparatoren gemischt, um mit­ einander bezüglich ihrer Phase verglichen zu werden. Die Aus­ gangssignale des Phasenkomparators, die auf die empfangenen Signale C_n(n=1, 2, 3 . . . ) ausgegeben werden, sind durch V_Rn und V_In(n=1, 2,3 . . . ) dargestellt und gegeben durch

V_Rn = A_ncosθ_n
V_In = A_nsinθ_n

Daraus ergibt sich die folgende Gleichung:

V_n = V_Rn + jV_In = A_ne^{j θ}n.

Von V_Rn und V_In wird jeweils angenommen, daß sie der Realteil und der Imaginärteil des Vektors V_n sind. Der Phasenwinkel θ_n des Vektors V_n zeigt einen konstanten Wert θ₀, wie es in Fig. 3E dargestellt ist, wenn der Reflektor 2 unbeweglich ist.

Wenn sich andererseits der Reflektor 2 mit einer Geschwindig­ keit bewegt, die durch eine Dopplerwinkelfrequenz ωd bestimmt ist, dann bewegt sich der Phasenwinkel des empfangenen Signals bezüglich der Bezugssignale α und α′ annähernd um einen Winkel ωd pro Zeiteinheit. Der Phasenwinkel θ_n des Vektors V_n bewegt sich somit mit der Winkelfrequenz ωd, so daß der Phasenunterschied Φ_e zwischen V_n und V_n+1 bei geradzahligem n durch die folgende Gleichung gegeben ist:

Φ_E = ωd (T+T_S).

Wenn n eine ungerade Zahl ist, ist der Phasenunterschied Φ₀ zwischen V_n und V_n+1 gleich

Φ₀ = ωd (T-T_S)

Die Dopplerverschiebungsdetektorschaltung 12, die in Fig. 1 dargestellt ist, nimmt diese Phasenunterschiede Φ_E und Φ₀ wahr, bildet den Unterschied zwischen Φ_E und Φ₀, nämlich 2ωdT_S und berechnet die Dopplerwinkelfrequenz ωd.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Dopplerverschiebungs­ detektorschaltung anhand der Funktionsblöcke beschrieben, die im Block 12 von Fig. 1 dargestellt sind. Eine Phasendiffe­ renzdetektoreinrichtung 4 ermittelt bezüglich des Vektors V_n(= V_Rn + jV_In) einen Vektor Y_n, der den Phasenunterschied zwischen dem Vektor V_n und dem Vektor V_n+1 angibt, der im vor­ hergehenden Schritt erfaßt wurde. Unter Verwendung von V*_n, die die konjugiert komplexe Zahl von V_n ist, wird Y_n aus der folgenden Gleichung berechnet:

Y_n = V_n+1·V*_n

Wenn Y_n = Y_E bei geradzahligem n und wenn Y_n = Y₀ bei ungerad­ zahligem n ist, dann werden. Y_E und Y₀ durch die folgenden Glei­ chungen wiedergegeben:

Da diese Vektoren Y_E und Y₀ unter dem Einfluß von Störungen schwanken, wird der Vorgang der Aufnahme des Vektors Y_n bezüg­ lich der reflektierten Signale wiederholt, die wiederholt wer­ den können, und werden bezüglich der Vektoren Y_E und Y₀ durch die Vektoraddierer 5 und 6 Additionen vorgenommen. Wenn die Er­ gebnisse dieser Additionen gleich X_E und X₀ sind, nachdem die Additionen in einer gegebenen Anzahl, beispielsweise achtmal jeweils, wiederholt sind, ergeben sich X_E und X₀ =:

Die Phasen _e und ₀ der Vektoren X_E und X₀ sind die Mittelwerte der Phasen der Vektoren Y_E und Y₀ jeweils. X_E und X₀ werden daher als diejenigen Vektoren verwandt, die die richti­ gen Werte von Φ_E und Φ₀ angeben.

Dann wird ein Vektor U, der den Phasenunterschied zwischen X_E und X₀ wiedergibt, durch eine Phasendifferenzdetektoreinrich­ tung 7 erhalten, deren Aufbau äquivalent der Phasendifferenz­ detektoreinrichtung 4 ist. Der Vektor U am Ausgang der Phasen­ differenzdetektoreinrichtung 7 ist gleich:

Die Werte des Vektors U liegen an einer Winkeldetektoreinrich­ tung 8 und es wird der Winkel: Q = 2dT_S erhalten. Diese Winkeldetektoreinrichtung 8 berechnet den folgenden Ausdruck:

In diesem Fall ist T_S bekannt und ein Teiler 9 berechnet den Ausdruck:

Es wird dadurch ein Betrag einer Frequenzschwankung d er­ halten und die Geschwindigkeit des Reflektors ermittelt.

Der Einfachheit halber wurde im obigen die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels der Erfindung bezüglich des Falls beschrie­ ben, in dem nur ein Reflektor vorhanden ist. Da in Wirklichkeit dieses Ausführungsbeispiel so ausgelegt ist, daß die Verteilung der Blutstromgeschwindigkeit usw. erhalten wird, ist die Doppler- Verschiebungsdetektorschaltung 12 so ausgebildet, daß sie den Wert von d über den Abstand zwischen einer Sonde und jedem der verschiedenen zu messenden Teile, d. h. der Stellen an ver­ schiedenen Tiefen unter der Hautoberfläche ermittelt. Aufbau und Arbeitsweise jedes Teils der in Fig. 1 dargestellten Dopp­ ler-Verschiebungsdetektorschaltung 12 werden im folgenden mehr im einzelnen beschrieben.

Fig. 4 zeigt den Aufbau der Phasendifferenzdetektoreinrich­ tung 4 in Fig. 1. Analog/Digitalwandler 41 und 42 bilden Werte der Ausgangssignale V_R und V_I des Phasenkomparators 3 in jedem vorbestimmten Zeitintervall, um diese in der Art einer Analog/Digitalumwandlung umzuwandeln. Fig. 5 zeigt die Zeit­ intervalle, in denen diese Meßwertnahme erfolgt. Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, wird nach der Ausgabe des ersten Impul­ ses a₁ der Ausgangssignalwert für ein Zeitintervall, in dem die Signale, die von Stellen des Gegenstandes in verschiedenen Tiefen reflektiert werden, wirksam erfaßt werden, d. h. von einem Zeitpunkt unmittelbar nach der Abgabe von a₁ bis zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor der Abgabe des nächsten Im­ pulses genommen. Nach der Abgabe des zweiten Impulses a₂ oder nach der Abgabe jedes weiteren folgenden Impulses wird die Meßwertnahme für dasselbe Zeitintervall bewirkt. M Reihen von Daten werden von jedem der Ausgangssignale V_R und V_I durch die Meßwertnahme bezüglich jeder Impulsabgabe erhalten. Diese Da­ tenreihen werden nacheinander in einem Speicher 43 gespeichert, der Adressen in Richtung der Tiefe hat. Zu diesem Zeitpunkt wer­ den die Datenreihen, die im Speicher 43 bezüglich des vorher­ gehenden Impulsabgabeschrittes gespeichert worden sind, auf einen weiteren Speicher 44 mit Adressen in Richtung der Tiefe übertragen. Die Werte des Vektors V_n, die bezüglich der Tiefen 1, 2 . . . M erhalten werden, werden somit konstant im Speicher 43 gespeichert, während die Werte des Vektors V_n-1, die bezüglich der Tiefen 1, 2 . . . M im vorhergehenden Schritt berechnet wur­ den, im Speicher 44 gespeichert werden. Diese Werte der Vekto­ ren V_n und V_n-1 werden in der Reihenfolge der Tiefen 1, 2 . . . M ausgelesen und jeweils über einen Konjugator 45 in einen Vektor V_n-1* umgewandelt, der die konjugiert komplexe Zahl von V_n-1 ist. Diese Werte der Vektoren V_n-1* und V_n werden durch einen komplexen Multiplikator 46 miteinander multipliziert, um dadurch das Produkt Y_n = V_n·V_n-1* dieser Vektoren bezüglich jeder Tiefe zu erhalten. Wenn n eine gerade Zahl ist, wird der Schalter 47 auf die Seite ª umgeschaltet, um Y_n als Y_E auszu­ geben. Wenn n eine ungerade Zahl ist, wird der Schalter 47 auf die Seite b geschaltet, um Y_n als Y₀ auszugeben.

Fig. 6A zeigt den Aufbau des Vektoraddierers 5. Der Vektor­ addierer 5 weist acht Speicher 51-1, 51-2 . . . 51-8 jeweils mit Adressen 1, 2, . . . M in Richtung der Tiefe auf, um die Werte des reellen Teils Y_ER des Vektors Y_E zu halten, die in den vergangenen acht Schritten erhalten wurden, während diese Werte der Reihe nach verschoben wurden. Der Vektoraddierer 5 weist gleichfalls acht Speicher 53-1, 53-2 . . . 53-8 jeweils mit Adressen 1, 2 . . . M in Richtung der Tiefe auf, um die Werte des imaginären Teils Y_EI zu halten, die in den vergangenen acht Schritten erhalten wurden, während diese Werte der Reihe nach verschoben wurden. Jedesmal wenn die Werte des Vektors Y_E von der Phasendifferenzdetektoreinrichtung geliefert werden, die in Fig. 4 dargestellt ist, wird der Wert des reellen Teils Y_ER des Vektors Y_E mit der entsprechenden Adresse im Speicher 51-1 gespeichert. Gleichzeitig werden die Daten Y_ER, die in den vergangenen sieben Schritten gespeichert wurden, jeweils zu den unteren Speichern verschoben. Wenn diese Arbeitsvorgänge abgeschlossen sind, zeigt das Ausgangssignal eines Addierers 52 einen Wert X_ER, der dadurch erhalten wird, daß die acht Werte von Y_ER addiert werden, die in den Speichern 51-1 bis 51-8 ge­ speichert sind. Bezüglich des imaginären Teils Y_EI werden die­ selben Verschiebevorgänge in den Speichern 53-1 bis 53-8 be­ wirkt, wobei das Ausgangssignal eines Addierers 54 einen Wert X_EI zeigt, der dadurch erhalten wird, daß die acht Werte von Y_EI addiert werden. Diese Arbeitsvorgänge führen dazu, daß der Addierer 5 den addierten Vektor X_E ausgibt, der aus den Werten von Y_E in den vergangenen acht Schritten berechnet wurde.

Der Vektoraddierer 6, der in Fig. 6B dargestellt ist, hat denselben Aufbau wie der Vektoraddierer 5. X_OR wird durch die Arbeit der Speicher 61-1 bis 61-8 und eines Addierers 62 er­ halten, während X_OI durch die Arbeit der Speicher 63-1 bis 63-8 und eines Addierers 63 erhalten wird. Immer dann, wenn Y₀ bezüglich jeder Tiefe geliefert wird, wird der addierte Vektor X₀ aus den Werten von Y₀ berechnet, die in den vergangenen acht Schritten erhalten wurden.

Die Datenfelder X_E und X₀ werden einer Phasendifferenzdetektor­ einrichtung 7 mit dem gleichen Aufbau, wie er in Fig. 4 dar­ gestellt ist, eingegeben, um dadurch den Vektor U zu berechnen, wobei U = X_E·X₀*, mit X₀* gleich dem Vektor, der die konjugiert komplexe Zahl von X₀ wiedergibt. Aus den Datenfeldern für den Vektor U, die bezüglich jeder Tiefe berechnet werden, kann der Wert von ωd durch die Winkelberechnungseinheit 8 und den Teiler 9 bezüglich jeder Tiefe erhalten werden. Der Wert von ωd, der jeder der Tiefen 1, 2 . . . M entspricht, wird an der Anzeige 10 angezeigt. Fig. 7 zeigt ein Beispiel dieser Anzeige, wobei auf der Ordinate der Wert ωd und auf der Abs­ zisse die Tiefe aufgetragen sind. Aus dem Bild dieser Anzeige kann die Geschwindigkeitsverteilung in einem Gegenstand, bei­ spielsweise die Geschwindigkeitsverteilung eines Blutstromes entnommen werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Mittel der Geschwindigkeit, die während Zeitintervallen gemessen wurde, die der Impulsübertragung entspricht, die in den vergangenen sechzehn Schritten bewirkt wurde, fortlaufend durch die Arbeit der Vektoraddierer 5 und 6 berechnet, die anhand der Fig. 6A und 6B beschrieben wurden. Der Mittelwert wird immer dann fort­ geschrieben, wenn ein Impuls übertragen wird. Um diese Arbeits­ vorgänge zu bewirken, werden die Werte X_E und X₀ immer dann ausgelesen, wenn Y_E und Y₀ auf jede Impulsübertragung geliefert werden, das lesen dieser Werte kann jedoch auch in anderer Weise so bewirkt werden, daß Y_E immer dann gelesen wird, wenn der Vorgang der Speicherung der Datenfelder Y_E in den Speichern 51-1 bis 51-8 und in den Speichern 53-1 bis 53-8 bezüglich der vergangenen sechzehn Übertragungsschritte abgeschlossen ist, und daß in ähnlicher Weise X₀ immer dann gelesen wird, wenn der Vorgang der Speicherung der Datenfelder Y₀ in den Speichern 61-1 bis 61-8 und in den Speichern 63-1 bis 63-8 abgeschlossen ist. In diesem Fall wird das Mittel der Geschwindigkeit alle weiteren sechzehn Übertragungsschritte fortgeschrieben. Bei einer Ausbildung, bei der der Mittelwert alle weiteren sechzehn Übertragungsschritte fortgeschrieben wird, kann eine Abfolge von Arbeitsschritten derart bewirkt werden, daß der Übertragungs­ schritt zunächst achtmal in Zeitintervallen von T-T_S wieder­ holt wird, um den Wert von X_E zu erhalten,und dann achtmal in Zeitintervallen T+T_S wiederholt wird, um den Wert von X₀ zu erhalten.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Phasenunterschied zwischen Y_E und Y₀ direkt er­ halten wird, ohne den Vorgang der Vektoraddition bezüglich Y_E und Y₀ durchzuführen. In Fig. 8 ist nur der Teil darge­ stellt, der dem Block 12 von Fig. 1 entspricht. Die anderen Bauteile sind die gleichen wie bei der in Fig. 1 dargestell­ ten Anordnung. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbei­ spiel ist der Aufbau der Blöcke 41 bis 46 gleich dem, wie er in Fig. 4 dargestellt ist und wird der Vektor Y_n (Y_n=V_n·V_n-1*) an den Tiefen 1, 2 . . . M erhalten. Dieser Teil bildet eine erste Phasendifferenzvergleichsschaltung 4′. Der Vektor Y_n, der an jeder Tiefe gemessen wird, wird in einen Speicher 71 mit M Adressen in Richtung der Tiefe eingeschrieben. Zu diesem Zeitpunkt wird der Vektor Y_n-1(Y_n-1 = V_n-1·V_n-2*), der nach dem vorhergehenden Übertragungsschritt berechnet worden ist, vom Speicher 71 auf einen Speicher 72 übertragen. Wenn der Schritt der Datenübertragung in dieser Weise abgeschlossen ist, werden Y_n und Y_n-1 ausgelesen. Einer davon liegt über Schalter 76 und 77 an einem Konjugator 73 und der andere liegt über die­ se Schalter 76 und 77 an einem Eingang eines komplexen Multi­ plikators 74. Der durch den Konjugator 73 in die konjugiert komplexe Zahl umgewandelte Vektor liegt am anderen Eingang des komplexen Multiplikators. Die Schalter 76 und 77 werden auf die Seite ª bei geradzahligem n und auf die Seiten b bei un­ geradzahligem n umgeschaltet. Dementsprechend wird das Aus­ gangssignal W des komplexen Multiplikators 74 immer durch die folgende Gleichung wiedergegeben:

W = Y₀·Y_E*.

Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das Einschreiben der Daten­ felder Y_n bezüglich der Tiefen 1, 2 . . . M abgeschlossen ist. Es wird ein neuer Wert des Vektors Y_n in den Speicher 71 einge­ schrieben, um den obigen Vorgang zu wiederholen, immer wenn ein Impuls übertragen wird. Die Schaltungen 71 bis 77 bilden eine zweite Phasendifferenzvergleichseinrichtung 7′ zum Berech­ nen eines Vektors W, der den Unterschied zwischen dem Phasen­ unterschied Y_n, der durch die erste Phasendifferenzdetektor­ einrichtung 4′ ermittelt wurde, und dem Phasenunterschied Y_n-1 wiedergibt, der durch dieselbe Einrichtung im vorhergehenden Schritt ermittelt wurde. Dieser Vektor W wird in einen Winkel Arg {W} durch die Winkeldetektoreinrichtung 8 durch Berech­ nung des folgenden Ausdruckes umgewandelt:

Arg {W} = tan^-1 [W_I/W_R]

wobei W_I der imaginäre Teil des Vektors ist und W_R der reelle Teil des Vektors ist. Da der Wert von Arg {W} 2T_Sωd ent­ spricht, kann die Geschwindigkeitsverteilung in Echtzeit da­ durch angezeigt werden, daß an der Anzeige die Werte von Arg {W} angezeigt werden, die der Reihe nach bezüglich der Tiefen 1, 2 . . . M berechnet werden. Ein Typ einer Anzeige mit einer Nachbildeigenschaft kann dazu benutzt werden, die Änderungen der Geschwindigkeit an jeder Tiefe während eines Zeitintervalls von vergangenen Übertragungsschritten anzuzeigen, wie es in Fig. 9A dargestellt ist. Es kann auch ein Typ einer Anzeige mit einem Bildspeicher dazu verwandt werden, die Änderungen in der Geschwindigkeit an einer Tiefe bezogen auf die Zeit anzuzeigen, indem nur die Daten über die Geschwindigkeit an der Tiefe aus den Werten Arg {W} gewählt werden, die die Ge­ schwindigkeit der Tiefen 1, 2 . . . M angeben, die gewählten Da­ ten in den Bildspeicher der Reihe nach eingeschrieben werden und der Reihe nach die Datenfelder verschoben werden, die in den Bildspeicher an den vergangenen Schritten eingeschrieben worden sind. Fig. 9B zeigt ein Beispiel dieses Typs der An­ zeige.

Fig. 10 zeigt noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Aufbau und die Arbeits­ weise des Teils, in dem der Vektor U berechnet wird, nämlich des Teils, der die Phasendifferenzdetektoreinrichtungen 4 und 7 und die Vektoraddierer 5 und 6 einschließt, gleich denen, wie sie in Fig. 1 bis 7 dargestellt sind. Der Vektor U, der der Reihe nach ermittelt wird, wird als eine zeitliche Reihe U_n angesehen und es wird der Vektor

gebildet.

Ein komplexer Multiplikator 22 und ein Speicher 24 mit Adres­ sen 1, 2 . . . M in Richtung der Tiefe sind dazu vorgesehen, diesen Vektor Z_n an jeder Tiefe zu bilden. Der Vektor Z_n wird über einen Fourier-Transformator 26 nach Art einer Fourier- Transformation umgewandelt und das Ausgangssignal des Fourier- Transformators wird an der Anzeige angezeigt. Die Anzeige wird im wesentlichen in der gleichen Form bewirkt, wie sie in Fig. 9A dargestellt ist, wobei alle verschiedenen Geschwindigkeitskompo­ nenten an jeder Tiefe angezeigt werden.

Der meßbare Bereich der Doppler-Verschiebungsfrequenz bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird im folgenden be­ schrieben. Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen können zwei Phasen ohne Unbestimmtheit im Bereich der Phase des Vektors U oder des Vektors W±π bestimmt werden. Die Doppler-Verschiebungswinkelfrequenz kann daher innerhalb eines Bereiches ermittelt werden:

Die Doppler-Verschiebungsfrequenz fd kann daher innerhalb eines Bereiches ermittelt werden:

Beim Vorgang der Impulsübertragung auf der Grundlage des her­ kömmlichen Impuls-Dopplerverfahrens, wie es in Fig. 3B darge­ stellt ist, werden die Daten andererseits alle T Sekunden er­ halten, so daß die Doppler-Verschiebungsfrequenz fd innerhalb eines Bereiches ermittelt werden kann:

Der meßbare Geschwindigkeitsbereich ist somit gemäß der Er­ findung verbreitert und um T/2·T_S multipliziert.

Die maximale Tiefe D, bis zu der die Geschwindigkeit des Ge­ genstandes gemessen werden kann, wird andererseits wiederge­ geben durch:

wobei S die Schallgeschwindigkeit ist. Dann beträgt das Produkt aus D und der maximal ermittelbaren Doppler-Verschiebungsfre­ quenz fd_max

Da bei dem herkömmlichen Impuls-Dopplerverfahren D·fd_max = ist, ist der Wert von D·fd_max gemäß der Erfindung größer als derjenige, der beim herkömmlichen Impuls-Dopplerverfahren er­ halten wird, wenn

ist. Das heißt, daß es bevorzugt ist, einen Wert von T_S kleiner als T/3 zu wählen.

Claims (6)

1. Ultraschall-Geschwindigkeitsmeßvorrichtung zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Gegenstandes (2) aus den Phasen­ änderungen von am Gegenstand (2) reflektierten Wellen (C₁, C₂, . . . ) ausgesandter Ultraschallimpulse (a₁, a₂, . . . ) mit:
einer Sendeeinrichtung (14) zum wiederholten Aussenden der Ultraschallimpulse und
einer ersten Detektoreinrichtung (4, 4′) zum Ermitteln erster Phasendifferenzen (Φ_E, Φ₀) zwischen den reflektierten Wellen (C₁, C₂; C₂, C₃) aufeinanderfolgender Ultraschall­ impulse (a₁, a₂; a₂, a₃),
dadurch gekennzeichnet,
daß eine zweite Detektoreinrichtung (7, 7′) zur Ermitt­ lung einer zweiten Phasendifferenz (Φ_E-Φ₀) zwischen den ersten Phasendifferenzen (Φ_E, Φ₀) vorgesehen ist,
daß die Sendeeinrichtung (14) die Ultraschallimpulse mit unterschiedlichen zeitlichen Abständen aussendet, und
daß die Geschwindigkeit des Gegenstandes auf der Grund­ lage der zweiten Phasendifferenz (Φ_E-Φ₀) ermittelt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sendeeinrichtung (14) die Ultraschallimpulse mit abwechselnden zeitlichen Abständen (T-T_S, T+T_S) aussendet,
daß ein Phasenkomparator (3) zur Erzeugung zweier gemischter Wellen durch Mischen eines Empfangssignals mit zwei um 90° gegeneinander phasenverschobenen Bezugswellen (α, α′) vorgesehen ist,
daß die beiden gemischten Wellen durch ein Paar von Vektoren (V_R, V_I) wiedergegeben werden,
daß die erste Detektoreinrichtung (4, 4′) die ersten Phasendifferenzen (Φ_E, Φ₀) zwischen den Vektoren (V_R, V_I), die bezüglich aufeinanderfolgender Ultraschallimpulse ermittelt wurden, jeweils für die beiden zeitlichen Abstände (T-T_S, T+T_S) ermittelt, und
daß die zweite Detektoreinrichtung (7, 7′) die zweite Phasendifferenz (Φ_E-Φ₀) zwischen den auf die beiden zeit­ lichen Abstände bezogenen ersten Phasendifferenzen (Φ_E, Φ₀) ermittelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten Phasendifferenzen (Φ_E, Φ₀) bezüglich der beiden zeitlichen Abstände (T-T_S, T+T_S) wiederholt ermittelt werden,
daß eine Vektoraddiervorrichtung (5, 6) die ersten Phasendifferenzen (Φ_E, Φ₀) jeweils auf einen der beiden zeit­ lichen Abstände bezogen mittelt, und
daß die zweite Phasendifferenz (_e-₀) aus den gemit­ telten ersten Phasendifferenzen (_E, ₀) ermittelt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Detektoreinrichtung (4, 4′) aufweist:
eine Vorrichtung (41-44) zum Abtasten der beiden gemischten Wellen in einem bestimmten Zeitintervall (Fig. 5) nach dem Aussenden eines Ultraschallimpulses und zur Ermitt­ lung der Vektoren (V_R, V_I) und
eine Vorrichtung (45-47) zur Ermittlung von Vektoren (Y_E, Y₀) der ersten Phasendifferenzen (Φ_E, Φ₀)

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
einen Vektormultiplikator (22) zum Addieren und Multi­ plizieren von die zweite Phasendifferenz (Φ_E-Φ₀) angebenden Vektoren (U) und
einen Fourier-Transformator (26) zum Transformieren der Ergebnisse des Vektormultiplikators (22).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß T_S < ist.