DE69325868T2

DE69325868T2 - Verfahren und Vorrichtung zur akustischen Prüfung mit Zeitumkehrsignalen

Info

Publication number: DE69325868T2
Application number: DE69325868T
Authority: DE
Inventors: Mathias Fink
Original assignee: APPLIC DU RETOURNEMENT TEMPORE
Current assignee: APPLIC DU RETOURNEMENT TEMPORE
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2013-10-02
Also published as: ES2137238T3; DE69325868D1; JPH06341978A; EP0591061B1; EP0615625A1; CA2107525A1; FR2696573B1; EP0591061A1; IL107159A; JP3623246B2; CA2107525C; US5428999A; IL107159A0; WO1994008253A1; FR2696573A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur akustischen Prüfung eines Milieus (wobei der Ausdruck akustisch in einem allgemeinen Sinne ohne Beschränkung auf hörbare Frequenzen verstanden werden soll), um Ziele zu erkennen, die eine akustische Impedanz aufweisen, die unterschiedlich zu derjenigen des umgebenden Milieus ist.
Die Erfindung ist anwendbar in zahlreichen Bereichen der Technik, unter denen man zitieren kann:
- die Erkennung und Ortung von Fehlern, wie Sprünge, Risse, Spalte und Ungleichartigkeiten der kristallographischen Strukturen in verschiedenen Materialien, wie Metallen, Verbundstoffen und Keramiken für Objekte irgendwelcher Form,
- die Suche nach festen Objekten in einer Meeresumgebung oder in Sedimenten, die den Boden von Wassermassen bedecken,
- die Erkennung von Ungleichartigkeiten im Erdboden,
- die Erkennung von zu ergreifenden Objekten durch einen Roboter.
Man kennt bereits (EP-A-0 383 650) ein Verfahren zur akustischen, nicht destruktiven Prüfung eine Milieus nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es genügt eine geringe Anzahl von Iterationen, um nur die Signale erscheinen zu lassen, die von dem wichtigsten Reflektor des Milieus oder durch den am stärksten reflektierenden Punkt eines weiten reflektierenden Ziels reflektiert werden, in Form einer Gesamtheit von Signalen, welche ein Maximum aufweisen, das auf jeder der Empfangsbahnen hervortritt, entsprechend jedes auf einer der Empfangsbahnen, entsprechend jedes auf einem der Wandler des Netzes.
Bei besonderen Ausführungsformen des vorbeschriebenen Verfahrens wird die Verteilung der Maxima der Signale in der Zeit in der Absicht einer späteren Verwendung gespeichert werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Abstufung der Signale in der Zeit bestimmt durch eine Interkorrelation zwischen Signalpaaren. Diese letzte Lösung erfordert jedoch aufwendige Berechnungen. Die eine und die andere der Lösungen gibt keine Anzeige, welche direkt interpretierbar im Hinblick auf den Standort des Ziels oder der Ziele in dem Milieu sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu liefern, das angewendet werden kann zur Erkennung von reflektierenden Zielen, zu ihrer Lokalisierung, zu einer ultraschallechographischen Abbildung und evtl. zu einer Insonifikation (d. h. einer Konzentration der akustischen Energie) eines Ziels, und das besser als die bekannten Verfahren den Anforderungen der Praxis genügt.
Genauer liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, insbesondere, aber nicht ausschließlich verschiedene Probleme zu lösen, die in der Technik der zeitlichen Umkehrung liegen, wie dies vorstehend beschrieben wurden. Bis heute war die zeitliche Umkehrung nur in Betracht gezogen worden, um eine Autofokussierung hervorzurufen, welche sich überträgt durch eine optimale Fokussierung einer Sendung in Gegenwart eines Ziels. In anderen Worten wäre das Verfahren bestimmt zur Schaffung eines maximalen akustischen Drucks am Standort des Ziels. Aber für viele Anwendungen bleibt es notwendig oder wenigstens wünschenswert, das Ziel im Raum zu lokalisieren, sobald die Gegenwart eines Ziels erkannt worden ist. Insbesondere ist es häufig wünschenswert, das vorangehend entdeckte Ziel durch Bildung eines Abbildes vom echographischen Typ zu charakterisieren.
Dies macht eine Autofokussierung im Empfang notwendig.
Übrigens weist das weiter oben definierte Verfahren, wenn es gute Ergebnisse liefert, im Gegenteil eine Beschränkung auf, wenn man die Anzahl der Iterationen zu steigern wünscht: Die echographischen Signale werden mehr und mehr länger in dem Maße, wie man die zeitlichen Umkehrabfolgen wiederholt, was sich in einem Verlust der axialen Auflösung überträgt, was in manchen Fällen die Qualität der Abbilder beeinträchtigt. Um diese axiale Auflösung zu verbessern und so besser bei der Sendung zu fokussieren, schlägt die Erfindung die Merkmale gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 vor.
Diese Lösung erlaubt es insbesondere, wenn ein Ziel entdeckt worden ist, ein intensives Ultraschallbündel zu synthetisieren, welches gegen den am stärksten reflektierenden Punkt des Ziels konvergiert, insbesondere in dem Fall, wo man versucht, dieses Ziel zu zerstören.
Das erhaltene Gesetz der zeitlichen Verzögerung kann gleichermaßen verwendet werden, um die Gesamtheit der Empfangssignale zu summieren, nachdem sie durch Anwendung des Verzögerungsgesetzes durchgefallen lassen worden sind auf der ganzen Dauer des zeitlichen Fensters (Patentanspruch 2). Man kann so die Oberfläche der optimalen Welle synthetisieren und dann später eine Fokussierung bei der Sendung und/oder beim Empfang bewirken.
Man hat festgestellt, dass in Gegenwart eines reflektierenden Ziels in einer durch die Wahl eines zeitlichen Fensters ausgewählten Zone eine ungerade Anzahl von zeitlichen Umkehrungen auf jeder Bahn ein echographisches Signal symmetri scher Form verursacht, welches ein Maximum aufweist, das aufgrund der Reflektion auf dem Ziel besser dem Standort der Wellenfront entspricht, oder in anderen Worten an der Oberfläche dieser akustischen Wellenfront.
Dies ist, nachdem man evtl. die Gegenwart einer Wellenfront verifiziert hat und nach einer letzten zeitlichen Umkehrung der Größenordnung 2n + 1 (wobei n eine ganze positive Zahl oder Null ist) auf der ganzen Tiefe eines zeitlichen Messfensters, der Grund, warum man die Charakteristiken der Wellenfront bestimmt, die am nächsten an den Maxima der Signale vorbeigeht, vorteilhafterweise in Form der zeitlichen Verteilung der Maxima, die häufig angenähert werden kann durch ein polynominales Gesetz.
Man kann daraus die zeitlichen Verzögerungen für jeden Wandler ableiten, welche die Rekonstruktion dieser Wellenfront bei der Sendung erlauben. Man kann außerdem die Summe der verzögerten Signale durch Anwendung dieser zeitlichen Verzögerungen zur Realisierung einer Lokalisierung bilden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform verwendet man den numerischen Speicher zum Empfang auf jeder Bahn, d. h. für jeden zum Empfang verwendeten Wandler und man bestimmt die Ankunftszeitpunkte der Maxima des Signals auf jedem Wandler durch eingehende Prüfung des Gehalts der auf einanderfolgenden Adressen der für die Muster verwendeten Speicher.
Ein anderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 16.

Suche nach einem eventuell reflektierenden Ziel

Wie weiter oben erwähnt, muss die Bestimmung der Relativposition der Maxima und das Durchfallenlassen der Signale bei der Sendung und/oder beim Empfang im allgemeinen nur bewirkt werden, wenn man zuerst die Gegenwart einer Wellenfront festgestellt hat, die aus einem Ziel in einem Fenster herauskommt, wo zuerst die Messung und dann die zeitliche Umkehrung bewirkt worden sind. Im allgemeinen wird das zeitliche Umkehrfenster ausgewählt, um den interessanten Teilen des zu untersuchenden Milieus zu entsprechen.
Das Fenster kann a priori bekannt sein, zum Beispiel in dem Falle, wo ein Ziel vorangehend durch Echographie oder X-Radiologie entdeckt worden ist. Es kann gleichermaßen auch durch grobe Auswertung der Flugzeit entsprechend dem ausgewählten Ziel bestimmt werden. Der Standort und die Größe des zeitlichen Fensters werden derart gewählt, dass die Signale aufgrund der Reflektion oder der Diffraktion auf diesem Ziel sicherlich in dem Fenster eingeschlossen sind. Man kann dann, wie z. B. bei der Suche von Fehlern in einem Material großer Dicke, die Tiefe der Untersuchung in mehrere Fenster unterteilen und nach mehreren Iterationen der zeitlichen Umkehrung verifizieren, ob innerhalb des Fensters wichtige Echos existieren. Man kann dazu nach jeder Iteration während der gesamten Dauer der Signale in dem Fenster die inkoherente Summe der empfangenen Signale auf jeder Bahn bewirken und verifizieren, ob das resultierende Signal ein lokales Maximum in dem Fenster aufweist. Das Verfahren der Suche nach Maxima auf jeder Bahn ist dann dem günstigen Resultat eines Verfahrens des Vergleichens des resultierenden Signals mit einem vorbestimmten Wert untergeordnet.
Ein noch anderes Verfahren besteht darin, die in dem Fenster für zwei aufeinanderfolgende Iterationen empfangenen Signale zu vergleichen. Dieses letztere Verfahren ist insbesondere interessant in dem Falle, wo man die Gegenwart von Fehlern im Kreise eines Milieus sucht, das sich in Form von kleinen Ungleichartigkeiten ausbreitet, die dicht und zufällig verteilt sind. Titanverbindungen, Verbundmaterialien, Stahlkörner bilden Beispiele solcher Milieus. Wenn von den Wandlern des Netzes aufgefangene Signale aus einem reflektierenden Ziel herauskommen, wird ihre räumliche Struktur praktisch unverändert von einem Abschuss zum folgenden bleiben. Wenn im Gegenteil die empfangenen Signale im Laufe von zwei aufeinanderfolgenden Abschüssen nicht miteinander korreliert sind, ist dies, weil sie aus Diffusoren stammen, die zu eng verbunden in dem Milieu sind, um durch die Operation der zeitlichen Umkehrung getrennt werden zu können.
Ein Maß der Korrelation oder des Grades der Ähnlichkeit zwischen Echosignalen, welche aus zwei aufeinanderfolgenden Iterationen stammen, kann erhalten werden durch Summierung der Interkorrelationskoeffizienten von zwei aufeinanderfolgenden Abschüssen für jeden der Wandler. Wenn man mit EkP(t) das Signal bezeichnet, das in dem zeitlichen Fenster während der Iteration p durch den Wandler der Ordnung k erhalten wird und mit Ekp+1(t) das Signal, das während der Iteration p + 1 erhalten wird, schreibt sich die Gesamtkorrelationsfunktion c(τ) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abschüssen:
wobei T die Größe des zeitlichen Fensters ist.
Der Korrelationskoeffizient ist gleich dem Wert des Maximums von c(τ). Wenn dieses Maximum nahe 1 ist, kann man daraus ableiten, dass das Fenster ein reflektierendes Ziel enthält. Wenn es unterhalb eines vorgegebenen Wertes ist, der ausge wählt wird in Funktion von experimentellen Bedingungen und z. B. gleich 0,5 ist, kann man daraus ableiten, dass das beobachtete Milieu diffus ist und kein vorherrschendes Ziel enthält.
Wenn die Wandler vom Milieu durch eine Zwischenfläche getrennt sind, werden die zeitlichen Fenster (welche dieselben oder verschiedene während aufeinanderfolgender Abschüsse sein können) derart ausgewählt werden, um Echosignale auf der Zwischenfläche geeignet zu eliminieren sowie auf einer evtl. hinteren Zwischenfläche.

Entdeckung und Abbildung

Die vorangehenden Operationen können betrachtet werden als dafür bestimmt zu sein, die Gegenwart eines evtl. Ziels zu suchen. Es verbleibt, das Ziel zu entdecken und zu lokalisieren und evtl. ein Abbild zu bilden.
Wenn man wünscht, das Ziel durch Lieferung eines Abbildes desselben zu charakterisieren, kann man ein echographisches Verfahren verwenden, das ein Abbild der Zone liefert, die das Ziel umgibt, das die entdeckte Wellenfront erzeugt, indem man die zeitlichen Positionen relativ zu den Maxima der Wellenfront bestimmt.
Dazu kann man verschiedene Verfahren verwenden.
Man kann insbesondere ein Abbild der ersten Zeile des echographischen Bildes (die auf dem Ziel zentriert ist) bilden, indem man eine Beleuchtungswellenfront aufgrund einer Anregung mit sehr kurzer Dauer sendet, z. B. ungefähr eine halbe akustische Periode, indem man die Wandler in einer Größenordnung komplementär zu den Verzögerungen anregt, d. h., dass ein Wandler, der ein Signal zu einem Zeitpunkt t erhalten hat, angeregt wird zu einem Zeitpunkt T&sub0; - τ, wobei T&sub0; eine Konstante ist. Man summiert dann die Gesamtheit der Empfangssignale, die durch Anwendung der zeitlichen Verzögerungen durchgefallen lassen worden sind.
Eine andere Annäherung besteht darin, eine sektorielle Erforschung um die erste Zeile des Bildes zu bewirken. Dazu modifiziert man das Gesetz der Verzögerungen, das vorangehend gefunden worden ist, indem man die Summe mit einem anderen Verzögerungsgesetz bildet, das einer Abweichung des Ultraschallbündels um einen geringen Winkel 6 entspricht, gemäß der Technik, die Netzphase genannt wird. Indem man das neue Verzögerungsgesetz bei der Sendung und beim Empfang verwendet, erhält man dann, indem man von Neuem die empfangenen Signale summiert, ein echographisches Abbild, das in einer Richtung fokussiert ist, die einen Winkel 6 im Verhältnis zur Achse des Ziels einschließt.
Durch Anwendung von Verzögerungsgesetzen entsprechend der verschiedenen Winkelstellungen erhält man ein Abbild durch sequentielles Abtasten.
Bei einer noch anderen Variante sendet man nicht mehr kurze identische Impulse auf jeder Bahn, sondern Signale, von denen jedes die zeitliche Umkehrung des bei der letzten Iteration empfangenen Signals ist, im Laufe eines relativ kurzen zeitlichen Intervalls (einige Perioden) zentriert um die Maxima.
Die seitliche Fokussierung ist dann besser als die, welche aus der Sendung einer einfachen Wellenfront resultiert, aber demgegenüber reduziert man die axiale Auflösung.
Diese Variante ist insbesondere nützlich, wenn es notwendig ist, über sehr inhomogene Milieus zu fokussieren, weil sie die seitliche Refokussierung verbessert. Dies resultiert daraus, dass die optimale Fokussierung in einem Punkt erhalten wird durch Wiedersenden eines "Wellenvolumens" gegenüber einer Wellenoberfläche.
Aus demselben Grunde kann es vorteilhaft sein, die Fokussierung beim Empfang zu verbessern, vor allem in dem Falle eines inhomogenen Milieus, indem man das Produkt der Wiedervereinigung der echographischen Signale und der zeitlichen Umkehrungen der Sendesignale bildet. Das Ersetzen einer einfachen zeitlichen Verzögerungsoperation verbietet die Verwendung von einfachen Linien mit einer Verzögerung gegenüber dem Vorteil der materiellen Mittel und logischen Mittel zur Wiedervereinigung, aber es gibt ein intensiveres echographisches Signal für eine Energie, die durch die Gesamtheit der Wandler ausgesendet wird, aufgrund der Summierung auf allen Bahnen der Wiedervereinigungsprodukte. Der Aufwand der notwendigen Berechnungen ist jedoch nur gerechtfertigt für stark inhomogene Ziele.
Ferner ist es möglich, die Fokussierungslinien winkelförmig zu verschieben, indem die Sendesignale und/oder Empfangssignale durch ein geeignetes Verzögerungsgesetz verschoben werden. Diese Verschiebung kann insbesondere ausgeführt werden, wenn man numerische Vereinigungen ausführt durch eine zeitliche Verschiebung, die sich überträgt durch eine Verschiebung im Lesen der Positionen im Speicher, der die zu sendenden Signale enthält, vor der Vereinigung.
Wie weiter oben erwähnt worden ist, sind komplexe Berechnungen im allgemeinen nicht notwendig im Falle von Milieus mit geringen Inhomogenitäten. Es genügt dann, eine Fokussierung und die Synthese einer Wellenoberfläche ausgehend von der Position der Maxima zu bewirken.
In diesem Falle kann man selbst häufig die Wellenfront mit einer geometrischen Oberfläche einer einfachen Form mittels einer mathematischen Optimierungsmethode im Sinne eines bestimmten Kriteriums verwenden, wie diejenige der geringeren quadratischen Abweichungen.
Das Problem ist noch zu vereinfachen in dem besonderen Falle eines praktisch homogenen Milieus, weil die Wellenfront die aus einem Punkt herauskommt, dann durch eine Kugeloberfläche angenähert werden kann.
Man kann dann das Gesetz der Verteilung der Maxima demjenigen der Kugel annähern, die diesem am besten entspricht, nach einem vorbestimmten Kriterium, wie dasjenige der geringeren quadratischen Abweichungen.
Eine Bewertung der Gültigkeit der Annäherung kann gemacht werden, indem man die Varianz der Abweichungen bestimmt. Wenn sie ausreichend gering ist, kann man so die experimentellen Fehler korrigieren.
Dies ist insbesondere wünschenswert, wenn man im Laufe einer Endstufe die Verteilung der Verzögerungen entsprechend einer durch eine Kugel angenäherten Wellenfront reproduziert, um eine Ultraschallenergie auf das am stärksten reflektierende Ziel zu konzentrieren.
Es ist übrigens möglich, in der Vielzahl der Fälle aus der Berechnung die Charakteristiken der Kugel aus den Resultaten abzuleiten, welche von einer geringen Anzahl von Wandlern eines Netzes geliefert werden und daraus die auf jeden der Wandler des Netzes anzuwendenden Verzögerungen abzuleiten, bei der Sendung, um die Energie auf das Ziel zu fokussieren, das seitlich im Verhältnis zur Netzachse abweichen kann. Im Falle eines homogenen Milieus kann man so die Erfindung einsetzen, indem man die zeitlichen Umkehrmittel nur mit Bahnen zur Messung solcher Wandler ausrüstet.
Die Erfindung wird besser verstanden werden anhand der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, die für eine besondere Ausführungsform folgt, die nur beispielhaft aber nicht beschränkend angegeben wird. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
- die Fig. 1, 2 und 3 Prinzipschemata sind, die drei aufeinanderfolgende Phasen der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen einschließlich von Chronogrammen, welche jeweils den Verlauf der elektrischen Signale zeigen: angewendet auf wenigstens einen Wandler (Fig. 1) während des ersten Abschusses; erhalten ausgehend von dem ersten Abschuss (Fig. 2); und angewendet auf die Wandler (Fig. 3) nach einer zeitlichen Umkehrung;
- die Fig. 3A einen Synthetisierungsmodus einer kugelförmigen Wellenfront zeigt;
- die Fig. 4 ein Prinzipschema einer Messbahn ist, die mit einem besonderen Wandler in einer Vorrichtung nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung verbunden ist;
- die Fig. 5 eine mögliche Matrixanordnung von Wandlern in einer Vorrichtung zeigt, welche zur Durchführung der Erfindung geeignet ist;
- die Fig. 6 ein Chronogramm ist, welches die Echosignale zeigt, die von 32 Wandlern geliefert werden, welche ein Netz gemäß dem Schema nach Fig. 5 bilden, mit einer ersten Reflektion auf ein einheitlich erstrecktes Ziel (z. B. biliare Berechnung), das in dem untersuchten Milieu gelegen ist, in Antwort auf die Aussendung eines Impulses durch den zentralen Wandler;
- die Fig. 7 ein Chronogramm ist, das die Signale zeigt, welche von denselben 32 Wandlern empfangen worden sind, welche den Matrixaufbau nach Fig. 5 aufweisen, nach einer ersten zeitlichen Umkehrung;
- die Fig. 8 und 9, ähnlich den Fig. 6 und 7, die Signale zeigen, die in einem Milieu erhalten werden, das drei Ziele verschiedener Größen in Form von reinen Kugeln enthält;
- die Fig. 10, ähnlich der Fig. 9, die Echosignale nach fünf zeitlichen Umkehrungen zeigt, welche jeweils einer Fensterbildung unterzogen worden sind;
- die Fig. 11 und 12 das Druckfeld zeigen, das in der Ebene gemessen worden ist, die drei Ziele enthält und das durch Sendung der zeitlichen Umkehrung der Signale nach Fig. 8 und 10 erhalten worden ist, jeweils nach einer ersten Umkehrung und nach fünf Umkehrungen und im letzteren Fall mit einer Aktivierung der Wandler entsprechend einem "Kugel"-Gesetz in dem Falle einer Vorrichtung, deren Wandler im Kreis des Netzes der Fig. 5 verteilt sind;
- die Fig. 13 die zeitliche Verteilung der Maxima der verschiedenen Bahnen nach Fig. 10 zeigt, in dem Falle desselben Milieus wie dasjenige, das durch die Signale der Fig. 8 und 10 verursacht worden ist;
- die Fig. 14 die zeitliche Verteilung der Signale zeigt, die zur Wiederherstellung einer kugelförmigen Wellenoberfläche gesendet worden sind, welche am besten die Verteilung nach der Fig. 13 annähert;
- die Fig. 15 und 16 die Variation in der Zeit t der inkoherenten Summe (Fig. 15) und der koherenten Summe ( Fig. 16) der Signale zeigt, die auf verschiedenen Bahnen in dem Falle eines Echosignals empfangen worden sind, welches aus einem festen Milieu stammt, das zwei reine Zwischenflächen und einen Fehler aufweist, der im Volumen lokalisiert wird, im Stadium der Rückkehr einer Aussendung im Niveau der Fig. 3;
- die Fig. 17 einen Summationsmodus zeigt nach einem Vereinigungsprodukt der empfangenen Signale nach einer Sendung mit zeitlicher Umkehr durch die umgekehrten Sendesignale.
Die Erfindung ist geeignet mit einer Vorrichtung des Typs ausgeführt zu werden, welche in der Druckschrift EP-A- 0 383 650 beschrieben ist, die bereits erwähnt worden ist. Folglich wird diese Vorrichtung hier nur zusammenfassend beschrieben.
Wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, ist das erfindungsgemäße Verfahren dazu bestimmt, die progressive Bildung eines akustischen Druckfeldes hervorzurufen, das gegen ein Hauptziel 10 konvergiert, das in einem Milieu 18 angeordnet ist.
Im Verlaufe einer Stufe (a) beleuchtet man die Zone, in der sich das zu lokalisierende Ziel 10 befindet, mit Hilfe eines großen, nicht fokussierten Bündels (Fig. 1). In Fig. 1 wird dieses Bündel durch den zentralen Wandler einer Matrix 12 von Ultraschallwandlern 1, 2, ..., i, ..., n geliefert (mit n = 64 zum Beispiel), welche im Laufe der folgenden Stufen verwendet wird. Diese Wandler werden häufig in einer Matrix mit zwei Dimensionen verteilt, obgleich die Wandler entlang einer einzigen Linie gezeigt sind. Die Matrix kann plan oder konkav sein. Sie kann mit einem rechtwinkligen Netz versehen sein. Die Wandler können gleichermaßen entlang konzentrischer Kreise verteilt sein, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist oder sogar nach einer lückenhaften Verteilung im Raum.
Es ist gleichermaßen möglich, einige Wandler der Matrix oder sogar alle für die erste Beleuchtung zu verwenden. In dem in Fig. 1 gezeigten Fall wird der zentrale Wandler im Laufe der ersten Beleuchtung durch eine Schaltung 14 angeregt. Man erhält so ein nicht fokussiertes Bündel, das das Ziel 10 beleuchtet, welches sich in dem Milieu 18 befindet.
Die Schaltung 14 kann ein Generator mit kurzen Impulsen sein, der einen oder mehrere Wandler beaufschlagt.
Im Laufe einer Stufe (b) fängt man ein von den Wandlern der Matrix 12 empfangenes Echosignal auf und speichert die Form und die Relativposition in der Zeit t der Signale mit Hilfe einer Schaltung 16 (Fig. 2). Diese ersten Echosignale haben z. B. die in Fig. 2 gezeigte Form, während das elektrische Anregungssignal der Stufe (a) ein kurzer Impuls ist.
Die Prüfung, z. B. auf einem Oscilloscop oder einem Fernsehmonitor, der empfangenen Signale erlaubt es, ein Zeitfenster mit einer Dauer T auszuwählen, das die Quasi-Gesamtheit der Energie enthält, die reflektiert und von den Wandlern der Matrix 12 empfangen wird. Dies sind nur die Signale, die in diesem Zeitfenster enthalten sind und die in der Schaltung 16 gespeichert werden.
Im Laufe einer Stufe (c) kehrt man zum ersten Mal die während des zeitlichen Fensters T empfangenen Signale zeitlich um und man sendet sie zurück (Fig. 3) mit einem Verstärkungsfaktor, der derselbe sein kann für alle Wandler. Er wird auf automatische Weise unter Respektierung einer Bedingung geregelt, keine der Bahnen darf beim Empfang gesättigt werden.
Die so gebildete Wellenfront wird automatisch symmetrisiert und das bei der Rückkehr durch die Wandler der Matrix 12 empfangene Echo wird am Ausgang jedes dieser Wandler in der Form eines symmetrischen Signals im Verhältnis zu einem zentralen Maximalwert erscheinen. Wenn der Prozess der zeitli chen Umkehrung und der Speicherung der Eche mehrere Male wiederholt wird, wird man bei jeder ungeraden Stufe symmetrische Signale auf jeder Entdeckungsbahn empfangen, die mit einem Wandler verbunden ist, und zu derselben Zeit wird sich eine progressive Konzentration der Energie auf das wichtigste Ziel bilden, in dem Falle, wo das Milieu mehrere Ziele enthält, oder auf den am stärksten reflektierenden Teil eines Ziels.
Es ist dann möglich, ausgehend von den Signalen, die während der letzten ungeraden Iteration empfangen worden sind, die Linie oder die einfache geometrische Oberfläche 40 (wie eine Kugel) zu bestimmen, die am nächsten an der Wellenfront 42 ist, die definiert ist als die Oberfläche, die an den Maxima der verschiedenen Signale vorbeitritt.
Das Interesse, eine Approximation der Wellenfront in Form einer einfachen geometrischen Oberfläche oder Kurve zu machen, ist, zu erlauben, leicht das Zentrum zu bestimmen oder den Brennpunkt der Oberfläche und exakt die Position der am stärksten reflektierenden Zone des Ziels zu kennen.
Dies erlaubt es, das Verfahren durch eine Endstufe zu vervollständigen, die an die vorgesehene Anwendung angepaßt ist.
In dem Falle, wo die Endstufe in einer Stufe der Zerstörung besteht, kann sie mit einer sehr starken Verstärkung des auf jeden Wandler ausgeübten Signals und durch ein Durchfallenlassen jedes der Signale durch Anwendung einer Verzögerung entsprechend einer Fokussierung auf das Zentrum der Oberfläche 40 bewirkt werden.
In diesem Falle wird die Wahrscheinlichkeit, dass das Zentrum der Kugel dem Standort einer Zone des zu zerstörenden Ziels im allgemeinen nahe bei 100% sein. Um diese quasi- Sicherheit zu erreichen, wird im allgemeinen eine Verifikation ausgeführt: sie besteht darin, die Varianz der Abweichungen zwischen der Oberfläche 40 und den Standorten der Maxima zu bestimmen. Man verschiebt dann die Oberfläche 40 in der Eigenschaft als Darstellung der Wellenfront, wenn die Varianz einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Andere Anwendungen machen eine Bewertung der Größe des Ziels wünschenswert. Dazu kann man insbesondere die Verzögerungen entsprechend der Wellenfront, die auf die am stärksten reflektierende Zone des Ziels 10 zentriert ist, speichern, dann die Abschüsse mit Verzögerungen bewirken, die gemäß einem Gesetz des Typs des sektoriellen Phasennetzes modifiziert werden, um einer Fokussierung auf die Punkte zu entsprechen, die eine seitliche Verschiebung haben. Für jede Verteilung der Verzögerungen bei der Sendung kann man auch eine Fokussierung beim Empfang bewirken, indem alle Empfangssignale verschoben werden, und zwar nach einem Gesetz der Verzögerungen bei der zurückgeschickten Sendung und Summierung auf allen Kanälen. Entsprechend dem Winkel findet man die Fig. 9 oder 10, welche eine Darstellung im echographischen Modus B oder C, ausgehend von den Verzögerungen der Fig. 14, erlaubt, die ein Modus A ist.
Die Größe des Stückes kann ausgehend vom Abstand d bewertet werden, jenseits dessen die maximale Amplitude kleiner als ein Schwellwert s ist.
Die Suche der geometrischen Oberfläche 40, welche durch eine Polynomgleichung darstellbar ist, und die am besten der Wellenfront 42 entspricht, kann durch ein klassisches Polynomannäherungsverfahren bewirkt werden und im allgemeinen verwendet man das Verfahren der geringsten quadratischen Abweichungen.
Die Erfindung kann durchgeführt werden, indem man eine Vorrichtung verwendet, in der jede Messbahn 20, die mit einem Wandler der Ordnung i verbunden ist, den Aufbau hat, der in Fig. 4 gezeigt ist. Die Bahn 20 weist einen Musterbildner 22 auf, der analoge Muster des von dem durch den Wandler i empfangenen Signals liefert mit einer Taktfrequenz 24, während der Zeitfenster T, die durch den Taktgeber 26 fixiert werden. Die durch einen Umwandler 28 numerisierten Muster werden in einem Speicher 30 gespeichert, der in einer Wartezelle oder LIFO organisiert ist.
Der Taktgeber 26 ist derart programmiert, dass er eine Sendung der zurückgekehrten Wellenfront am Ende einer vorbestimmten Verzögerung nach dem Ende des Echos bewirkt.
Um auf den Wandler i das umgekehrte Signal anzuwenden, weist die Bahn 20 einen numerisch-analogen Umwandler 32 auf, gefolgt von einem Verstärker 34. Um die Absorption in dem Milieu zu kompensieren, weist die dargestellte Bahn 20 einen Verstärker 38 auf, dem ein Verminderer 40 folgt, dessen Verminderungskoeffizient in Funktion der Zeit durch einen Programmierer 42 modifiziert wird, welcher die inverse Exponentialfunktion der negativen Absorption in dem Milieu enthält.
Die Vorrichtung weist außerdem Rechenmittel 36 zum Zugreifen auf den Speicher 30 im Lese- und Schreibmodus auf, welche es erlauben, für jedes gespeicherte Signal den zeitlichen Standort des Maximums zu bestimmen und die ein Programm zur Bestimmung der Oberfläche aufweisen, die die bestmögliche Übereinstimmung mit der zeitlichen Verteilung der Maxima haben, die durch Lesen der Speicher 30 erhalten worden sind und die es erlauben, evtl. in jedem Speicher 30 den Wert und die zeitliche Position der Muster derart zu modifizieren, um exakt dem letzten Abschuss mit der bewirkten geometrischen Annäherung der Wellenfront zu entsprechen.
Die Elektronik der Vorrichtung kann anders ausgestaltet sein, als in Fig. 4 dargestellt. Insbesondere ist es möglich, eine Anordnung des Typs zu verwenden, wie diese in der französischen Patentanmeldung FR 91 13629 beschrieben ist, wo jede Bahn aufeinanderfolgend einen logarithmischen Verstärker mit Torsteuerung, einen analognumerischen Umwandler aufweist, der das Signal bemustert und jedes Muster quantifiziert. Das nummerisierte Signal kann an einen Videobus übertragen werden, der eine Visualisierung ermöglicht. Es ist gleichermaßen anwendbar auf eine Anordnung zur Speicherung und zur Tiefenkompensation, welche einen aktiven Speicher und einen Addierer/Subtrahierer aufweist, der es erlaubt, dem Signal eine gespeicherte numerische Rampe hinzuzufügen. Die Bahn kann komplettiert werden durch einen Zeichendetektor, der am Eingang des logarithmischen Verstärkers angeordnet ist.
In diesem Fall weist der Teil der Vorrichtung, der für die Zurücksendung bestimmt ist, eine Exponentialschaltung (z. B. ein aktiver Speicher) auf. Die erhaltenen numerischen Signale werden aufgrund der logarithmischen Umwandlung ihres Vorzeichens beraubt. Ein Vorzeichen wird ihnen hinzugefügt, z. B. durch Hinzufügung eines Zeichenbits in dem Speicher.
Dieses Bit wird von einem Vorzeichendetektor geliefert. Der Speicher wird in zeitlicher Umkehrung gelesen. Die polarisierten numerischen Muster, die in den Speicher gelesen werden, werden durch einen numerisch-analogen Umwandler in analoge Form gebracht und auf einen linearen Verstärker angewendet, der auf den Wandler zugreift, aus dem das Signal herauskommt.
Wie weiter oben ausgeführt, können die Wandler entlang von Matritzen mit sehr verschiedenen Naturen verteilt sein.
Die Fig. 5 zeigt beispielhaft eine Matrix mit 121 Wandlern, nummeriert von 0 bis 120.
Die Fig. 6 und 7 zeigen die Signale, die in der Vorrichtung erscheinen bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Matrix von 121 Wandlern in einem Falle eines Milieus mit einem einzigen stark reflektierenden Ziel. Die Fig. 6 zeigt die Variation in der Zeit der Echosignale, welche durch die dreißig Wandler (der Wandler 1 ist der am weitesten von der Achse entfernte) in Antwort auf eine Beleuchtung nur durch den zentralen Wandler geliefert werden, d. h. die während der Stufe (b), die weiter oben definiert worden ist, erhalten werden. Man stellt fest, dass die Signale sehr asymetrisch sind und keine exakte Lokalisierung des Maximums der Wellenfront erlauben. Im Gegenteil lassen die Echosignale, die nach der ersten zeitlichen Umkehrung (Stufe (c)), die in Fig. 7 dargestellt sind, klar einerseits die Symmetrie und andererseits die Gegenwart eines Netzmaximums erkennen, was bereits eine gute Annäherung erlaubt.
Die Konzentration des Bündels auf das Ziel folgt dann während evtl. aufeinanderfolgender Iterationen, wobei das Echosignal bei jeder ungeraden Iteration symmetrisch ist.
Wenn das Ziel im Verhältnis zur Matrix der Wandler nicht zentriert ist, richten sich die Maxima entlang einer Folgelinie aus.
Die Fig. 8 und 9 sind ähnlich den Fig. 6 und 7, entsprechen aber dem Fall von drei Zielen, die im Milieu verteilt sind; die Fig. 10 ist erhalten worden nach fünf zeitlichen Umkehrungen.
Die Fig. 11 und 12 zeigen auf den Ordinaten den akustischen Druck, der in der Ebene der Ziele gemessen worden ist. Die Ziele weisen dieselbe Verteilung wie im Falle der Fig. 8, 9 und 10 auf und haben die Anzahl 3.
Die Fig. 11 zeigt die Verteilung des akustischen Drucks, der nach der ersten zeitlichen Umkehrung erhalten worden ist.
Die Gegenwart von drei Maxima, die den drei Zielen entsprechen, erscheint bereits deutlich. Diese Lokalisierung verschwindet beim Ausgang der zweiten zeitlichen Umkehrung.
In dem Maße, wie man eine ungerade Iteration passiert, akzentuiert sich der Fokussierungseffekt auf dem wichtigsten Ziel und nach der fünften Umkehrung erreicht man mit einer Annäherung der Wellenfront durch eine Kugel und der Zurücksendung mit einem Verzögerungsgesetz entsprechend dem Zentrum der Kugel eine Verteilung des akustischen Druckes, wie diese in Fig. 12 gezeigt ist.
Die Fig. 13 und 14 zeigen beispielhaft die Resultate, die mit einem Netz von 121 Wandlern und mit einem beobachteten Milieu erhalten werden, das identisch demjenigen ist, das aus den Signalen der Fig. 8 und 10 stammt. Die Suche der Maxima, ausgehend von den Signalen der Fig. 10, z. B. durch Bestimmung der Adressen der Muster mit Maximalwert, gibt die Verteilung, die in Fig. 13 gezeigt ist, wo man die Gegenwart von abweichenden Punkten bemerkt, solche wie die, die durch einen gestrichelten Kreis umgeben sind. Durch Verschiebung dieser abweichenden Punkte erlaubt die durch die Muster nach Fig. 13 dargestellte Wellenfront die Berechnung der Koordinaten des Ziels. Dann ist es, ausgehend von dem theoretischen Modell der Koordinaten, möglich, die Wellenfront durch Sendung von Impulsen zu synthetisieren, die die relative Anordnung haben, die in Fig. 14 dargestellt ist, welche der Annäherung durch eine Kugel entspricht.
Wie weiter oben ausgeführt, ist es möglich, das zu verwendende Zeitfenster zu suchen, indem man während der gesamten Dauer der empfangenen Signale die Summe der Umhüllungen der auf jeder Bahn empfangenen Signale bildet, d. h. eine inkoherente Summe, um schließlich zu verifizieren, dass das resultierende Signal ein lokales Maximum in dem ausgewählten Fenster aufweist.
Die Fig. 15 zeigt den Verlauf der Variation der Summe S der auf verschiedenen Bahnen empfangenen Signale nach einer Umkehrung in dem Falle eines Netzes und eines untersuchten Milieus, das von einem festen Block mit einem im Volumen lokalisierten Fehler gebildet ist.
Man kann gleichermaßen die koherente Summe der Signale bewirken, d. h. eine Summe nach dem zeitlichen Durchfallenlassen, und in diesem Fall erreicht man eine Verteilung des Typs der in Fig. 16 gezeigten Art, welche die Gegenwart von Zielen noch besser offensichtlich macht.
Wenn eine optimale Fokussierung beim Empfang der Signale, die aus einem inhomogenen Milieu stammen, notwendig ist, kann schließlich die einfache zeitliche Verschiebung der echographischen Signale ersetzt werden durch eine Operation der Wiedervereinigung zwischen den echographischen Signalen 44 und den Signalen 46, welche die umgekehrten zeitlichen Sendesignale bilden (Fig. 17). Die Produkte der Vereinigung, die in den individuellen Vereinigern 48 erhalten worden sind, werden in einem Summierer 50 addiert. Man wird dann im allgemeinen numerische Systeme verwenden und man kann das für jede Bahn verwendete Zeitfenster ΔT anpassen, bis es optimal ist.

Claims

1. Verfahren zur akustischen (schallenden oder ultraschallenden), nicht destruktiven Prüfung eines Milieus zur Erkennung von reflektierenden Zielen, bei welchem

(a) man das Milieu (18) mit Hilfe eines akustischen Bündels mit einem großen Öffnungswinkel ausgehend von wenigstens einem Wandler bestrahlt;

(b) man die Signale detektiert, die von dem Milieu reflektiert und von mehreren Wandlern (1, ..., n) empfangen werden, die zu einem Netz (12) gehören;

(c) man mit Hilfe eines Zeitfensters (T) die Echosignale auswählt, die von einer besonderen Zone des Milieus reflektiert werden, und man diese in numerischer Form speichert;

(d) man diese Echosignale zeitlich umkehrt und man sie zurückschickt;

(e) man die neuen reflektierten Echosignale speichert und die Operation der zeitlichen Umkehrung wiederholt, wobei man nach einer letzten zeitlichen Umkehrung die Charakteristiken der Wellenfront bestimmt, die am nächsten an den Maxima der reflektierten Signale vorbeigeht, dadurch gekennzeichnet,

dass: (f) man eine letzte Bestrahlungswellenfront durch Sendung auf allen Wegen bildet, wobei jeder Weg jeweils einem der mehreren Wandlern entspricht, und zwar mit Signalen derselben Form und sehr kurzer Dauer zu einem für jeden Wandler durch eine Verzögerung definierten Zeitpunkt, welche ein Komplement der zeitlichen Verteilung der Maxima bildet, wobei die ersten Maxima den Signalen mit sehr kurzer Dauer entsprechen, die zuletzt gesendet worden sind, dass die letzte zeitliche Umkehrung von der Größenordnung 2n + 1 (wobei n eine positive ganze Zahl oder Null ist) ist, und dass man nach einer letzten zeitlichen Umkehrung die Charakteristiken einer einfachen geometrischen Oberfläche bestimmt, welche am nächsten an den Maxima der reflektierten Signale vorbeigeht und repräsentativ für die Wellenfront der letzten empfangenen Echos ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Summe der Signale bildet, die ausgehend von den Signalen, die durch Anwendung der zeitlichen Verzögerungen auf der gesamten Tiefe eines zeitlichen Messfensters (Fig. 16) durchgefallen lassen worden sind, reflektiert worden sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Milieu eine Zwischenfläche aufweist, wobei die reflektierten Signale während der Stufe (c) nur während eines Zeitfensters reflektiert werden, das die Echos auf der Zwi schenfläche eliminiert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man außerdem das den Maxima entsprechende Ziel sektoriell ausbeutet, indem man eine Focussierung beim Senden und Empfangen durch Kombination der Verzögerungen mit einem anderen Verzögerungsgesetz aufrechterhält.

5. Verfahren nach irgendeinem der Patentansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine vorausgehende Stufe zur Bestimmung des zeitlichen Fensters (T) durch Anzeige der inkoherenten Summe der Echos, die aus der Bestrahlung stammen, und durch Auswahl des Zeitfensters, damit es die Maxima aller reflektierten Signale einschließt.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das Zeitfenster zufällig in Abhängigkeit einer Information auswählt, die auf der Tiefe der eventuellen Ziele (10) in dem Milieu verfügbar ist.

7. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man eine einfache geometrische Oberfläche bestimmt, wie eine Kugel, welche besser der Wellenfront gemäß einem vor bestimmten Kriterium entspricht und repräsentierbar durch eine Polynom-Gleichung ist.

8. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium dasjenige der geringeren quadratischen Abweichungen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Varianz der Abweichungen bestimmt, und dass man die Oberfläche in der Eigenschaft als Darstellung der Wellenfront verschiebt, wenn die Varianz einen vorbestimmten Wert überschreitet.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass man im Laufe einer späteren Stufe die Verteilung der Verspätungen entsprechend der Oberfläche reproduziert, um eine Ultraschallenergie auf dem wichtigsten Ziel zu konzentrieren.

11. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eine Kugel ist, und dass man durch Berechnung ausgehend von den Charakteristiken der Kugel den Ort ihres Zentrums und die Verzögerungen ableitet, die den auf jeden der Wandler angewendeten Signale zu geben sind, um die von den Wandlern gesendete Energie auf einen Punkt seitlich verschoben im Verhältnis zum Zentrum zu focussieren.

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Stufe zur Suche des reflektierenden Ziels (10) durch Vergleich der reflektierten Echosignale, die im Laufe von zwei aufeinanderfolgenden Iterationen mit zeitlicher Umkehrung empfangen werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ähnlichkeit zwischen während aufeinanderfolgender Iterationen empfangener Signale durch Vergleich bei einem Schwellenwert des Maßes der Interkorrelationskoeffizienten von zwei aufeinanderfolgenden Abschüssen für jeden der Wandler bestimmt wird.

14. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man beim Empfang das Wiedervereinigungsprodukt der echographischen Signale und der zeitlich umgekehrten Signale der Sendesignale bildet.

15. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man im Laufe der Stufe (c) die analogen Echosignale, die aus den Wandlern stammen, einer logarithmischen Verstärkung unterzieht, dass man sie in Form von numerischen logarithmischen Mustern speichert, versehen mit einem Bezeichnungs-Bit, dass man eine numerische Kompensationstiefenrampe zu den Mustern hinzufügt, und dass man im Laufe der Stufe (d) die Bezeichnung den korrigierten Mustern wieder hinzufügt, eine numerische Exponentiation der mit einer Bezeichnung versehenen Muster bewirkt und man vor der Zurücksendung durch die jeweiligen Wandler eine numerisch-analoge Umwandlung bewirkt.

16. Vorrichtung zur akustischen Überprüfung eines Milieus zur Erkennung von reflektierenden Zielen mit mehreren Sender- Empfänger-Wandlern, die eine Wandlermatrix (12) bilden, einer Schaltung (16), die mit den Wandlern verbunden ist und vorgesehen ist, um nach einer ersten Sendung gegen das Milieu eine ungerade Anzahl einer Empfangssequenz von Echosignalen zu wiederholen, die aus den Wandlern stammen, zur Speicherung dieser Signale und zur Zurücksendung der gespeicherten Signale zu den Wandlern nach einer zeitlichen Umkehrung,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schaltung (16) Mittel (36) zur Bestimmung der Charakteristiken einer geometrischen Oberfläche, die am nächsten an den Maxima der Signale vorbeigeht und eine Wellenfront darstellt, und Mittel zur Bildung einer letzten Be strahlungswellenfront aufweist, durch Sendung auf allen Bahnen entsprechend jeweils einem der mehreren Wandler von Signalen derselben Form und einer sehr kurzen Dauer zu einem Zeitpunkt, welcher für jeden Wandler durch eine Verzögerung definiert ist, die ein Komplement der zeitlichen Verteilung der Maxima bildet, wobei die ersten Maxima den Signalen kurzer Dauer entsprechen, die zuletzt gesendet worden sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung für jeden Wandler (1, ..., i, ..., n) eine Bahn (20) mit einem Musterbildner (22), einen analognumerischen Umwandler (28), einen Speicher (30), der als Warteelement organisiert ist, einen numerisch-analogen Wandler und Mittel zur Verstärkung und zur Kompensation der Dämpfung (38, 40, 42, 34) aufweist, und dass die Rechenmittel vorgesehen und programmiert sind, um Zugang zu jedem der Speicher (30) zum Lesen und zum Schreiben und zum Modifizieren des Wertes und der zeitlichen Verteilung der gespeicherten Muster zu haben, um diese in Übereinstimmung mit der geometrischen Annäherung zu bringen, die von der Wellenfront bewirkt wird.