ES2525600B1

ES2525600B1 - METHOD FOR REAL-TIME CONTROL OF DYNAMIC APPROACH IN ULTRASONIC IMAGE SYSTEMS AND DEVICE SAMPLING ADVANCED CALCULATOR ASSOCIATED WITH THE SAME

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Publication number: ES2525600B1
Application number: ES201230799A
Authority: ES
Inventors: Carlos Fritsch Yusta; Jorge FERNÁNDEZ CRUZA; Jorge CAMACHO SOSA-DÍAS; José Miguel MORENO LLAMAS; José BRIZUELA SÁNCHEZ; Luis MEDINA VALDÉS
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2015-11-06
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: ES2525600A2; ES2525600R1

Abstract

Método para el control en tiempo real del enfoque dinámico en sistemas de imagen ultrasónica y dispositivo calculador de adelanto de muestreo asociado al mismo.#La presente invención divulga un dispositivo y un método que realizan la focalización dinámica en sistemas de imagen ultrasónica, aplicables a inspecciones con presencia de un medio de acoplamiento entre el transductor y la parte inspeccionada. Los sistemas de imagen ultrasónica comprenden un array de N elementos transductores que emiten pulsos ultrasónicos con tiempos de vuelo característicos a puntos focales dentro del objeto a inspeccionar. La presente invención calcula un array virtual equivalente en tiempos de vuelo al array de N elementos, donde cada elemento perteneciente al array de N elementos virtual se calcula a partir de las coordenadas de dos focos F{sub,A} y F{sub,B}, ambos situados en un rayo principal, y de la ecuación: t{sub,K} = t{sub,CF} + t{sub,FA} t{sub,BF} - t{sub,FV} donde t{sub,CF}, t{sub,FA}, t{sub,BF}, t{sub,FV} son los tiempos de vuelo característicos, y t{sub,K} es una constante independiente de la posición del punto focal.Method for real-time control of the dynamic approach in ultrasonic imaging systems and sampling advance calculating device associated therewith. # The present invention discloses a device and method that performs dynamic focusing on ultrasonic imaging systems, applicable to inspections with the presence of a coupling means between the transducer and the inspected part. Ultrasonic imaging systems comprise an array of N transducer elements that emit ultrasonic pulses with characteristic flight times to focal points within the object to be inspected. The present invention calculates a virtual array equivalent in flight times to the array of N elements, where each element belonging to the array of N virtual elements is calculated from the coordinates of two foci F {sub, A} and F {sub, B }, both located on a main ray, and from the equation: t {sub, K} = t {sub, CF} + t {sub, FA} - t {sub, BF} - t {sub, FV} where t {sub, CF}, t {sub, FA}, t {sub, BF}, t {sub, FV} are the characteristic flight times, and t {sub, K} is a constant independent of the position of the focal point.

Description

Método para el control en tiempo real del enfoque dinámico en sistemas de imagen ultrasónica y dispositivo calculador de adelanto de muestreo asociado al mismo Method for real-time control of the dynamic approach in ultrasonic imaging systems and sampling advance calculating device associated with it

OBJETO DE LA INVENCiÓN OBJECT OF THE INVENTION

Esta invención descubre un método y un dispositivo para controlar automáticamente y en tiempo real el enfoque a lodas las profundidades en sistemas de imagen ultrasónica. La presente invención opera tanto con medios homogéneos como cuando hay un acoplamiento (cuña, agua, elc.) entre el transductor y el medio inspeccionado, es decir, medios heterogéneos. This invention discovers a method and a device for automatically and in real time controlling the approach to all depths in ultrasonic imaging systems. The present invention operates both with homogeneous means and when there is a coupling (wedge, water, elc.) Between the transducer and the inspected medium, that is, heterogeneous means.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN BACKGROUND OF THE INVENTION

Los sistemas de imagen ultrasónica se basan en un conjunto o array de N elementos transductores que, al ser excitados eléctricamente, emiten pulsos ultrasónicos en el medio que se desea inspeccionar. El instante de emisión de cada elemento está temporizado para enviar el pulso ultrasónico en una dirección determinada. Se denomina ley focal al conjunto de retardos que deflectan y enfocan dicho pulso en una dirección y rango determinados. Cambiando la ley focal de emisión se modifica la dirección del pulso ultrasónico emitido (deflexión) para realizar un barrido angular de la región de interés. Ultrasonic imaging systems are based on a set or array of N transducer elements that, when electrically excited, emit ultrasonic pulses in the medium to be inspected. The instant of emission of each element is timed to send the ultrasonic pulse in a certain direction. Focal law is the set of delays that deflect and focus this pulse in a certain direction and range. Changing the focal emission law modifies the direction of the emitted ultrasonic pulse (deflection) to perform an angular scan of the region of interest.

En recepción, los ecos producidos por discontinuidades en el medio inspeccionado llegan al receptor, el cual, con frecuencia, coincide con el emisor. Las señales recibidas se amplifican y digitalizan. A estas señales también se les aplican leyes focales que hacen una recepción selectiva de los ecos generados por reflectores situados a cierta profundidad en la dirección del haz emitido. On reception, the echoes produced by discontinuities in the inspected medium reach the receiver, which frequently coincides with the emitter. Received signals are amplified and digitized. Focal laws are also applied to these signals that make a selective reception of the echoes generated by reflectors located at a certain depth in the direction of the emitted beam.

Para ello, hay que compensar las diferencias de tiempo de vuelo en ida y vuelta desde el instante de emisión (que se supone originado en el centro del array) a cada foco y a cada elemento. Esta operación, denominada foca lización o enfoque dinámico, requiere modificar dinámicamente el conjunto de retardos aplicados para cada muestra o, altemativamente, capturar selectivamente los ecos en los instantes en que se supone que llegan desde cada foco a cada elemento. Al realizar la suma de las muestras así obtenidas se obtiene una traza enfocada a todas las profundidades To do this, we must compensate for differences in round trip flight time from the moment of emission (which is supposed to originate in the center of the array) to each focus and each element. This operation, called focalization or dynamic approach, requires dynamically modifying the set of delays applied to each sample or, alternatively, selectively capturing the echoes in the moments in which each element is supposed to arrive from each focus. By making the sum of the samples thus obtained, a trace focused at all depths is obtained

El proceso se repite para cada ángulo de deflexión del haz, realizando un barrido de la zona inspeccionada. Al visua lizar la intensidad de las señales de eco recibidas y enfocadas, la imagen muestra la amplitud de los reflectores en las posIciones que ocupan The process is repeated for each beam deflection angle, scanning the inspected area. By visualizing the intensity of the echo signals received and focused, the image shows the amplitude of the reflectors in the positions they occupy

Existe una amplia bibliografia de métodos para realizar la foca lización dinámica, como S C. Miller et al., Method and apparatus for providing dynamically variable time delays for ultrasound beamformer, US Pa!. 5.844.139, 1 Dic. 1998, y There is an extensive bibliography of methods for performing dynamic targeting, such as S C. Miller et al., Method and apparatus for providing dynamically variable time delays for ultrasound beamformer, US Pa !. 5,844,139, 1 Dec. 1998, and

M. D. Poland, Ultrasonic diagnostic imaging with automatic adjustment of beamforming parameters, US2007f0088213 A1 , Apr. 19, 2007 M. D. Poland, Ultrasonic diagnostic imaging with automatic adjustment of beamforming parameters, US2007f0088213 A1, Apr. 19, 2007

Uno de los aspectos claves de este proceso es la determinación y gestión dinámica de los retardos de enfoque a aplicar a las señales recibidas por cada elemento y para cada muestra. Como es bien conocido, tales retardos han de programarse con una resolución del Ofden de 1f16 a 1/64 el periodo de la señal, y son diferentes para cada canal y para cada muestra de la señal recibida. Como la frecuencia de muestreo de las señales de eco es elevada (típicamente entre 10 y 50 MHz), el volumen de información que supone el conjunto de los retardos de enfoque dinámico es considerable One of the key aspects of this process is the determination and dynamic management of the focus delays to be applied to the signals received by each element and for each sample. As is well known, such delays have to be programmed with an Ofden resolution of 1f16 to 1/64 the period of the signal, and they are different for each channel and for each sample of the received signal. Since the sampling frequency of the echo signals is high (typically between 10 and 50 MHz), the volume of information assumed by the set of dynamic focus delays is considerable

En el pasado se han proporcionado métodos que permiten compactar la infOfmación requerida por el proceso de enfoque dinámico a un bit por foco y canal (C. Fritsch et al., Composición coherente de señales por corrección focal progresiva, Pa!. 2004f00203, 30 Ene. 2004). Sin embargo, es preciso calcular todos los retardos de enfoque, codificarlos y almacenarlos en memorias del sistema de imagen como paso previo a su utilización en tiempo real. In the past, methods have been provided that allow compacting the information required by the dynamic focus process at one bit per focus and channel (C. Fritsch et al., Consistent composition of signals by progressive focal correction, Pa !. 2004f00203, 30 Jan . 2004). However, it is necessary to calculate all focusing delays, encode them and store them in memories of the imaging system as a previous step to their use in real time.

Para evitar este proceso, se han propuesto técnicas que calculan los retardos de enfoque en tiempo real o controladores de enfoque. En K. Jeon et al., An efficient real time focusing delay calculation in ultrasonic imaging systems, Ultrasonic Imaging, 16, pp. 231-248, 1994, se describe una técnica basada en el algoritmo del punto medio usado en funciones gráficas de computación que evalúa las leyes focales en tiempo real; en R. Beaudin, M. Anlhony, Delay Generator for phased array ultrasound beamformer, US Pa!. 5522391, 4 Jun. 1996, se describe una técnica similar para realizar un generador de retardos en tiempo real; en S. Park et al., Real-time digital reception focusing method and apparatus adopting the same, US Pa!. 5669384, 23 Sep!. 1997, se propone el método del punto medio para rea lizar un generador de reloj que determina el instante de muestreo en cada canal para realizar la focalización dinámica; en M. Bae, Focusing delay calculation method for real-time digital focusing and apparatus adopting the same, US Pa!. 5836881 , 17 Nov. 1998 se modifica la patente anterior para obtener los retardos de enfoque; en H. T. Feldkamper et al., Low power delay calculation for digital beamfonning in handheld ultrasound systems, Proc. IEEE Ultrason. Symp., 2, pp. 1763-1766, 2000 se propone otra variante que calcula los retardos de enfoque en tiempo real con menor consumo energético; en R To avoid this process, techniques that calculate real-time focus delays or focus controllers have been proposed. In K. Jeon et al., An efficient real time focusing delay calculation in ultrasonic imaging systems, Ultrasonic Imaging, 16, pp. 231-248, 1994, describes a technique based on the midpoint algorithm used in computer graphic functions that evaluates focal laws in real time; in R. Beaudin, M. Anlhony, Delay Generator for phased array ultrasound beamformer, US Pa !. 5522391, June 4, 1996, a similar technique for real time delay generator is described; in S. Park et al., Real-time digital reception focusing method and apparatus adopting the same, US Pa !. 5669384, Sep 23 !. 1997, the midpoint method is proposed to perform a clock generator that determines the sampling time in each channel to perform dynamic focusing; in M. Bae, Focusing delay calculation method for real-time digital focusing and apparatus adopting the same, US Pa !. 5836881, 17 Nov. 1998 the previous patent is modified to obtain the focus delays; in H. T. Feldkamper et al., Low power delay calculation for digital beamfonning in handheld ultrasound systems, Proc. IEEE Ultrason. Symp., 2, pp. 1763-1766, 2000 proposes another variant that calculates real-time focus delays with lower energy consumption; in R

ES 2 525 600 A2 ES 2 525 600 A2

Alexandru, De/ay control/er for ultrasound receive beamfonner, US Pat 7804736 82, 28 Sep_2010 se propone otro circuito que evalúa los retardos de enfoque con un número limitado de recursos. Alexandru, De / a and control / er for ultrasound receive beamfonner, US Pat 7804736 82, 28 Sep_2010 proposes another circuit that evaluates focus delays with a limited number of resources.

Si bien estas técnicas son útiles para operar en medios homogéneos, ninguna de ellas es válida para calcular las leyes focales en tiempo real cuando hay varios medios de propagación, ya que los algoritmos y circuitos descritos en las referencias citadas consideran que el ultrasonido se propaga con velocidad constante por un único medio homogéneo Although these techniques are useful for operating in homogeneous media, none of them is valid for calculating the focal laws in real time when there are several propagation media, since the algorithms and circuits described in the references cited consider that ultrasound propagates with constant speed by a single homogeneous means

Sin embargo, una situación habitual en Ensayos No Destructivos, es la inserción de una ~cuña' o una "suela" entre el transductor y la pieza a inspeccionar, o bien la inspección se realiza por inmersión de la pieza en agua. En estos casos existen dos medios de propagación: el del acoplamiento (material de la cuña, suela o agua) y el de la pieza, cada uno de ellos coo su propia velocidad de propagación. Por tanto, no son aplicables las técnicas mencionadas, ya que en la interfaz entre ambos materiales han de aplicarse las leyes de refracción, aspecto no considerado por los métodos conocidos para ca lcular las leyes focales en tiempo real. However, a usual situation in Non-Destructive Tests is the insertion of a wedge or a "sole" between the transducer and the piece to be inspected, or the inspection is carried out by immersion of the piece in water. In these cases there are two means of propagation: that of the coupling (wedge material, sole or water) and that of the piece, each of them with its own propagation speed. Therefore, the mentioned techniques are not applicable, since in the interface between both materials the laws of refraction have to be applied, an aspect not considered by the known methods to calculate the focal laws in real time.

En la actualidad, a falta de controladores de enfoque en tiempo real, los cálculos han de realizarse previamente mediante métodos numéricos. Las leyes focales resultantes deben ser programadas en memorias para su utilización posterior en tiempo real. Los requisitos de memoria son elevados y, además, en espacios separados para cada canal At present, in the absence of real-time focus controllers, the calculations have to be done previously using numerical methods. The resulting focal laws must be programmed in reports for later use in real time. The memory requirements are high and, in addition, in separate spaces for each channel

Además, es bien conocido que, cuando existe una intel1az entre dos medios con velocidades de propagación diferentes, el cálculo de las leyes focales es costoso en tiempo. En primer lugar hay que determinar el punto de entrada en la pieza de un hipotético rayo para cada elemento y cada foco según las leyes de la refracción (aplicación de la ley de Snell o del principio de Fermat), lo cual requiere un proceso de aproximaciones sucesivas para cada foco y cada elemento. Posteriormente, se determinan los tiempos de vuelo en ida y vuelta del ultrasonido en ambos medios siguiendo el rayo asi determinado. Finalmente, se obtienen las leyes focales de las diferencias en los tiempos de vuelo y, de éstas, los códigos de enfoque. El proceso requiere un tiempo considerable de cálculo cuando se quiere realizar la focalización dinámica de todas las muestras adquiridas. Furthermore, it is well known that, when there is an intel1az between two media with different propagation speeds, the calculation of the focal laws is costly in time. First, the point of entry into the piece of a hypothetical ray for each element and each focus must be determined according to the laws of refraction (application of Snell's law or Fermat's principle), which requires an approximation process successive for each focus and each element. Subsequently, the round trip flight times of the ultrasound in both media are determined following the ray thus determined. Finally, the focal laws of the differences in flight times and, of these, the focus codes are obtained. The process requires a considerable calculation time when you want to perform the dynamic targeting of all acquired samples.

Por consiguiente, es muy deseable obtener un dispositivo que evite este proceso previo y facilite el cálculo de las leyes focales en tiempo real dentro del propio sistema de imagen con total generalidad, esto es, tanto para medios homogéneos como para aplicaciones con un medio de acoplamiento interpuesto entre transductor y pieza. Proporciooar tal método y dispositivo es el objeto de la presente invención. Therefore, it is very desirable to obtain a device that avoids this previous process and facilitates the calculation of the focal laws in real time within the imaging system in general, that is, both for homogeneous means and for applications with a coupling means interposed between transducer and piece. Providing such method and device is the object of the present invention.

DESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invención divulga un dispositivo calculador de adelanto de muestreo que controla en tiempo real el enfoque dinámico de todas las muestras adquiridas, operando indistintamente en medios homogéneos o en medios heterogéneos, es decir, en aplicaciones donde exista un medio de acoplamiento entre transductor y pieza . Se entiende por tiempo real el intervalo de tiempo predefinido para que se produzca un acontecimiento The present invention discloses a sampling advance calculating device that controls in real time the dynamic focus of all acquired samples, operating interchangeably in homogeneous media or in heterogeneous media, that is, in applications where there is a coupling means between transducer and part . Real time means the predefined time interval for an event to occur

El problema se aborda en dos pasos: The problem is addressed in two steps:

;) ;): Una fase de preparación o método por el cual se obtiene un array virtual equivalente en tiempo de vuelo del A preparation phase or method by which an equivalent virtual array in flight time is obtained from the

ultrasonido que opera en un único medio, evitando las complicaciones asociadas al paso de una ultrasound that operates in a single medium, avoiding complications associated with the passage of a: interfaz Interface

(refracción, etc.). (refraction, etc.).

ii) ii): Un controlador o aparato que, a partir de parámetros derivados de las posiciones de los elementos del array A controller or device that, based on parameters derived from the positions of the array elements

virtual equivalente, mantiene el enfoque para cada muestra adquirida en cada canal. virtual equivalent, maintains the focus for each sample acquired in each channel.

Por tanto, en un primer aspecto de la invención se divulga un método para el control en tiempo real del enfoque en sistemas de imagen ultrasónica que opera tanto en un medio homogéneo o cuando existe un acoplamiento interpuesto entre transductor y pieza. Los sistemas de imagen ultrasónica comprenden un array de N elementos transductores que emiten pulsos ultrasónicos con tiempos de vuelo caracteristicos a una diversidad de puntos focales comprendidos dentro de un objeto a inspeccionar. El método para el control en tiempo real del enfoque en sistemas de imagen ultrasónica comprende calcular un array de N elementos virtual equivalente en tiempos de vuelo al array de N elementos comprendido en el sistema de imagen ultrasónica, donde las coordenadas (xv, zv) de cada elemento perteneciente al array de N elementos virtual se calculan a partir de las coordenadas de dos focos FA Y Fa, ambos situados en un rayo principal que parte del centro del array de N elementos transductores y el punto focal, y de la ecuación· Therefore, in a first aspect of the invention a method is disclosed for real-time control of the focus on ultrasonic imaging systems that operates both in a homogeneous medium or when there is a coupling interposed between transducer and part. Ultrasonic imaging systems comprise an array of N transducer elements that emit ultrasonic pulses with characteristic flight times at a variety of focal points comprised within an object to be inspected. The method for real-time control of the focus on ultrasonic imaging systems comprises calculating an array of N virtual elements equivalent in flight times to the array of N elements comprised in the ultrasonic imaging system, where the coordinates (xv, zv) of Each element belonging to the array of N virtual elements is calculated from the coordinates of two FA and Fa foci, both located in a main ray that starts from the center of the array of N transducer elements and the focal point, and the equation ·

tK =tCF +t¡:.-I -tBI-" -tl-"Y donde los ta, tFA, tSF, tFv son los tiempos de vuelo característicos entre cada dos puntos indicados en los subíndices, siendo ~B" el centro del array de N elementos virtual, "A" el transductor del array de N elementos transductores que recibe el eco del rayo principal y 'YO el punto del array de N elementos virtual correspondiente al punto "A", y tKes una constante independiente de la posición del punto focal; y donde el array de N elementos virtual es independiente del tipo de objeto a inspeccionar y del medio de acoplamiento entre el array de N elementos transductores y el objeto inspeccionado. Uno de los focos FA se ubica en las proximidades de la interfaz que separa los dos medios, uno de los tK = tCF + t¡: .- I -tBI- "-tl-" And where the ta, tFA, tSF, tFv are the characteristic flight times between each two points indicated in the subscripts, being ~ B "the center of the array of N virtual elements, "A" the transducer of the array of N transducer elements that receives the echo of the main ray and 'YO the point of the array of N virtual elements corresponding to point "A", and tK is a constant independent of position of the focal point, and where the array of N virtual elements is independent of the type of object to be inspected and of the coupling means between the array of N transducer elements and the object inspected One of the FA foci is located in the vicinity of the interface that separates the two means, one of the

ES 2 525 600 A2 ES 2 525 600 A2

medios alberga al array de N elementos transductores y el otro medio alberga al objeto a inspeccionar, y el otro foco Fe se encuentra en el límile del campo cercano dado por el rango: media houses the array of N transducer elements and the other media houses the object to be inspected, and the other focus Fe is in the near field boundary given by the range:

R = D3 R = D3

B 4J B 4J

donde DA es el tamaño de la apertura y A=~ff la longitud de onda en el segundo medio, siendo f la frecuencia 5 fundamental dellransductor. El liempo de vuelo característico tn de los elementos del array de N elementos virtua l a un punto focal n, el cual pertenece a la diversidad de puntos focales, se obtiene en tiempo real mediante el cálculo de una where DA is the size of the aperture and A = ~ ff the wavelength in the second medium, f being the fundamental frequency of the transducer. The characteristic flight time tn of the array elements of N virtuous elements at a focal point n, which belongs to the diversity of focal points, is obtained in real time by calculating a

estimación I ~ tal que" I ~ estimate such that "

1'. -i. 1,;; l/v one'. -i. one,;; l / v

siendo v un valor arbitrario mayor que la unidad. El cálculo de la estimación In tiene asodado un error acotado v being an arbitrary value greater than unity. The calculation of the In estimate has a bounded error

10 obteniendo una variable binaria Qn, tal que incrementa la estimación In en 1 o en 1· lIv para determinar la siguiente 10 obtaining a binary variable Qn, such that it increases the In estimate by 1 or 1 · lIv to determine the following

estimación 1"+1 ' dependiendo de si la estimación actual es menor o mayor que el valor In estimate 1 "+1 'depending on whether the current estimate is less than or greater than the value In

En un segundo aspecto de la invención se divulga un dispositivo calculador de adelanto de muestreo que comprende dos registros, un contador, un multiplicador, cuatro sumadores y un multiplexor que calcula en tiempo real la variable 15 binaria Qn de un 1 bit definida en el primer aspecto de la invención. Los dos registros son cargados con unos valores iniciales determinados por las posiciones de los elementos del array de N elementos virtual definido en el primer aspecto In a second aspect of the invention a sampling advance calculating device is disclosed comprising two registers, a counter, a multiplier, four adders and a multiplexer that calculates in real time the binary variable Qn of a 1 bit defined in the first aspect of the invention. The two records are loaded with initial values determined by the positions of the elements of the array of N virtual elements defined in the first aspect

de la invención y de un tiempo resultado del cálculo de la estimación 1" definido en el primer aspecto de la invención of the invention and of a time resulting from the calculation of the estimate 1 "defined in the first aspect of the invention

Dada la naturaleza de la presente invención, es necesario para la comprensión de la misma su apoyo en las figuras 20 adjuntas. Por tanto, los detalles relacionados con los aspectos de la presente invención se encuentran en el apartado de ~forma de realización de la invención" Given the nature of the present invention, its support in the attached figures is necessary for the understanding thereof. Therefore, details related to aspects of the present invention are found in the embodiment section of the invention "

DESCRIPTION OF THE FIGURES.

25 Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejO( comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realizaciÓfl práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente· To complement the description that is being made and in order to help a better (understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization thereof, a set is attached as an integral part of said description). of drawings where illustrative and not limiting, the following has been represented ·

30 La Fig. 1 muestra una discontinuidad de medios que produce efectos de refracción sobre el ultrasonido emitido por un array y sobre los ecos devueltos por un posible reflector en el foco. 30 Fig. 1 shows a discontinuity of media that produces refractive effects on the ultrasound emitted by an array and on the echoes returned by a possible reflector in the focus.

La Fig. 2 muestra la construcción de un array virtual que opera en un único medio y, por tanto, está libre de los problemas debidos a la refracción. Fig. 2 shows the construction of a virtual array that operates in a single medium and, therefore, is free from the problems due to refraction.

35 La Fig. 3 muestra el centro del array virtual situado en el origen de coordenadas y los elementos necesarios para el cálculo de leyes focales 35 Fig. 3 shows the center of the virtual array located at the origin of coordinates and the elements necessary for the calculation of focal laws

La Fig 4 muestra una realización preferida de un controlador de enfoque que opera en tiempo real Fig 4 shows a preferred embodiment of a focus controller operating in real time

La Fig. 5 muestra un esquema de aplicación del controlador de enfoque a un banco de filtros de retardo fraccional. Fig. 5 shows a scheme of application of the focus controller to a fractional delay filter bank.

La Fig 6 muestra los errores en los tiempos de vuelo en ida y vuelta a todas las muestras de un ejemplo de aplicación del controlador de enfoque que opera sobre el array virtual. Fig 6 shows the errors in round-trip flight times to all samples of an application example of the focus controller operating on the virtual array.

FORM OF INVENTION

Respecto del primer aspecto de la invención, la Figura 1 muestra un array (10) y una intertaz (12) que separa dos medios con velocidades de propagación Cj y C2 correspondientes al medio de acoplamiento y a la pieza a inspeccionar, With respect to the first aspect of the invention, Figure 1 shows an array (10) and an intertz (12) separating two means with propagation speeds Cj and C2 corresponding to the coupling means and the part to be inspected,

50 respectivamente. Se considera que la emisión se realiza desde el centro e del array en la dirección (13) o rayo principal, en el que se ubican los focos en el interior de la pieza El tiempo de vuelo de ida y vuelta a un foco en F y al elemento A está dado por 50 respectively. It is considered that the emission is made from the center e of the array in the direction (13) or main beam, in which the foci are located inside the part The round trip flight time to a focus on F and to element A is given by

[CE EF) [FG GA)[CE EF) [FG GA)

/CF + / FA = --+--+ --+--(1 ) el el/ CF + / FA = - + - + - + - (1) on

e2 ez e2 ez

ES 2 525 600 A2 ES 2 525 600 A2

donde E Y G son los puntos de cruce de la interfaz del rayo principal y del de retorno where E and G are the crossing points of the main beam and return interface

El cálculo anterior requiere conocer la posición de los puntos E y G. Al 00 existir formulaciones cerradas generales, este cálculo se realiza por métodos numéricos buscando, para lodos los puntos de entrada posibles, aquellos que minimizan tCF Y tFA para E y G, respectivamente, por aplicación del conocido principio de Fermat También puede aplicarse la conocida ley de Snell de la refracción para evaluar las posiciones de estos puntos, conociendo la normal a la interiaz en cada punto. En ambos casos el proceso de cálculo es costoso, pues hay que repetirlo para cada uno de los focos, para todos los elementos del array y para todos los ángulos de deflexión. The previous calculation requires to know the position of points E and G. When 00 there are general closed formulations, this calculation is carried out by numerical methods seeking, for all possible entry points, those that minimize tCF and tFA for E and G, respectively , by application of the well-known Fermat principle, the well-known Snell's law of refraction can also be applied to evaluate the positions of these points, knowing the normal to the interiaz at each point. In both cases the calculation process is expensive, because it must be repeated for each of the foci, for all the elements of the array and for all the angles of deflection.

Una simplificación, que es un primer objetivo de la presente invención, consiste en obtener un array virtual que, operando únicamente en el segundo medio, proporcione tiempos de vuelo a los focos prácticamente iguales a los del array real. La Figura 2 muestra el array virtual (11) en el que, para el elemento V que corresponde al A del array real, se verifica: A simplification, which is a first objective of the present invention, is to obtain a virtual array that, operating only in the second medium, provides flight times to the foci practically equal to those of the real array. Figure 2 shows the virtual array (11) in which, for the element V corresponding to the A of the real array, it is verified:

(2) (2)

donde tK es una constante independiente de la posición del foco. Para su aplicación, es preciso calcular las coordenadas de los elementos del array virtual equivalente y el valor de la constante tK. where tK is a constant independent of the focus position. For its application, it is necessary to calculate the coordinates of the elements of the equivalent virtual array and the value of the constant tK.

El array virtual evita las complicaciones del paso de la interfaz y, en particular, del cálculo de las posiciones de los puntos E y G para cada uno de los focos. Además, al operar en un único medio homogéneo con velocidad de propagación e2, se abre la posibilidad de operar con circuitos ya conocidos de cálculo de leyes focales en tiempo real y, preferiblemente, con los que se describen posteriormente en esta memoria. The virtual array avoids the complications of the interface step and, in particular, of the calculation of the positions of points E and G for each of the foci. Furthermore, when operating in a single homogeneous medium with propagation speed e2, the possibility of operating with known circuits for calculating focal laws in real time and, preferably, with those described later in this specification, opens up.

El centro B del array virtual (11) se sitúa sobre la prolongación del rayo principal, ya que la ecuación (2) se verifica para todos los elementos del array, incluido uno que estuviera ubicado en su centro. The center B of the virtual array (11) is placed on the extension of the main ray, since equation (2) is verified for all the elements of the array, including one that was located in its center.

Utilizando la ecuación (2) con el signo de igualdad Using equation (2) with the sign of equality

(5) (5)

La diferencia de tiempo tC¡=-tSF es una constante independiente de la posición del foco, igual a la diferencia en los tiempos de vuelo desde los centros de ambos arrays al punto de entrada E del rayo principal· The time difference tC¡ = -tSF is a constant independent of the focus position, equal to the difference in flight times from the centers of both arrays to the entry point E of the main beam ·

(6) (6)

Los otros términos son: The other terms are:

',., -'FV ~ AG + GF _ FV ~ AG + GF _[ VG + GF J ',., -'FV ~ AG + GF _ FV ~ AG + GF _ [VG + GF J

(7) (7)

el e2 e2 e2 e2 c2the e2 e2 e2 e2 c2

Cl Cl

donde se ha considerado que el rayo de retomo FV pasa, aproximadamente, por el punto G evaluado para un foco lejano. Sustituyendo (6) y (7) en (5)· where it has been considered that the PV return beam passes, approximately, through the G-spot evaluated for a distant focus. Substituting (6) and (7) in (5)

(8) (8)

En óptica geométrica el invariante de Abbe establece que, para una interfaz de radio de CUlvatura mucho mayor que la distancia de la fuente a su superficie S, yen la región paraxial, la imagen se forma a una distancia S2 tal que c,S,""C2S2. Su aplicación a la geometria actual proporciona: In geometric optics, the Abbe invariant establishes that, for a radius interface of CUlvatura much greater than the distance from the source to its surface S, and in the paraxial region, the image is formed at a distance S2 such that c, S, " "C2S2. Its application to the current geometry provides:

(9) (9)

Sustituyendo en (8) se obtiene el valor de la constante k Substituting in (8) the value of the constant k is obtained

= D.IE+ AG[I_ c~J = D.IE + AG [I_ c ~ J

(10) (10)

IK IK

el he

C2 C2

Las coordenadas (xv, zv) de los elementos del array virtual se calculan a partir de dos focos FA Y Fe (Fig 2) en el rayo The coordinates (xv, zv) of the virtual array elements are calculated from two FA and Fe foci (Fig 2) in the ray

ES 2 525 600 A2 ES 2 525 600 A2

principal y resolviendo la ecuación (2) con el signo de igualdad Preferentemente FA se ubica en las proximidades de la interfaz y Fe en el límile del campo cercano, dado por el rango: principal and solving equation (2) with the sign of equality Preferably FA is located in the vicinity of the interface and Fe in the near field boundary, given by the range:

R = D~ R = D ~

(11 )(eleven )

B 4A donde DA es el tamaño de la apertura y A=cz/f la longitud de onda en el segundo medio, siendo f la frecuencia 5 fundamental del transductor. No es crítica la posición de Fe, por lo que puede utilizarse para DA el tamaño de la apertura real, ya que el de la virtual sólo será conocido tras obtener las posiciones de sus elementos. La ubicación de FA tampoco es crítica, pudiendo situarse dentro de la pieza a una distancia RA tal que 0 .50... ~ RA !> 1.5 DA_ En los focos FA y Fe la ecuación (2) se cumplirá exactamente, mientras que en los focos intermedios lo hará de forma aproximada B 4A where DA is the size of the aperture and A = cz / f the wavelength in the second medium, f being the fundamental frequency 5 of the transducer. The position of Faith is not critical, so the size of the actual opening can be used for DA, since that of the virtual one will only be known after obtaining the positions of its elements. The location of FA is also not critical, being able to be located within the piece at a distance RA such that 0 .50 ... ~ RA!> 1.5 DA_ In the foci FA and Fe equation (2) will be exactly fulfilled, while in the intermediate bulbs will do it approximately

10 Una vez fijadas las coordenadas (XFA, ZFA) y (xFa, zFa) de los focos FA y Fa, se evalúa la ecuación (1) mediante los métodos numéricos descritos anteriormente (aplicación del principio de Fermat o de la ley de Snell), obteniendo los tiempos de vuelo fA y fa, respectivamente. Su sustitución en (2) con el signo de igualdad proporciona el par de ecuaciones 10 Once the coordinates (XFA, ZFA) and (xFa, zFa) of the foci FA and Fa are set, equation (1) is evaluated by the numerical methods described above (application of the Fermat principle or Snell's law) , obtaining the flight times fA and fa, respectively. Its substitution in (2) with the sign of equality provides the pair of equations

(12) (12)

e, and,

con incógnitas Xv, Zv y tK dado por la ecuación (10). Elevando al cuadrado: with unknowns Xv, Zv and tK given by equation (10). Squared:

(xv -XFA)2 + (z v -ZFA )2 = ciu A -/K)2 (xv -XFA) 2 + (z v -ZFA) 2 = ciu A - / K) 2

(13) (xv -XFB)2 + (Zv -ZFO)2 = ci (l-IK)2 (13) (xv -XFB) 2 + (Zv -ZFO) 2 = ci (l-IK) 2

o or

Denominando Naming

kA =c2(1.4 -IK) = C2(1H -IK)kA = c2 (1.4 -IK) = C2 (1H -IK)

kn 2 2 2 2 k' k' kn 2 2 2 2 k 'k'

K --XFA-XFB+ ZFA-ZFB-.01+ B (14) K --XFA-XFB + ZFA-ZFB-.01 + B (14)

K K

a to

b = ZFA-ZFB XFA-XFB b = ZFA-ZFB XFA-XFB

se llega a la ecuación de 2" grado: You get to the 2 "degree equation:

(15) en la que· (15) in which

A = 1+b ' B = 2bx¡.'A -2ab -(16) A = 1 + b ' B = 2bx¡.'A -2ab - (16)

2zPA e = xi·A+ zi'A +a2 -2axFA -k3 2zPA e = xi · A + zi'A + a2 -2axFA -k3

Resolviendo (15) se obtienen las soluciones· Solving (15) the solutions are obtained ·

ES 2 525 600 A2 ES 2 525 600 A2

-8 -..)8' -4AC . N -8 - ..) 8 '-4AC. N

ZV = para e1ementos / :S ZV = for e1ementos /: S

2A 2 -8 +..)8' -4A C N 2A 2 -8 + ..) 8 '-4A C N

ZV = para elementos i > -(17) 2A 2 ZV = for elements i> - (17) 2A 2

siendo N el número de elementos del array e i el índice con el rango de variación expresado N being the number of array elements and i the index with the range of variation expressed

5 Es importante destacar que los métodos numéricos se utilizan únicamente para dos focos (FA y Fe) en lugar de los miles de focos que componen una señal. Por consiguiente, el cálculo es cientos de veces más rápido que la aplicación de técnicas convencionales. Además, una vez obtenidas las posiciones de los elementos del array virtual con la ecuación (17), pueden calcularse las leyes focales prescindiendo de la interfaz y, por tanto, de las complicaciones asociadas a la refracción. Esto es también más rápido pero, incluso, es innecesario con los circuitos que se presentan a continuación. 5 It is important to note that numerical methods are used only for two foci (FA and Fe) instead of the thousands of foci that make up a signal. Therefore, the calculation is hundreds of times faster than the application of conventional techniques. In addition, once the positions of the virtual array elements with equation (17) have been obtained, the focal laws can be calculated regardless of the interface and, therefore, of the complications associated with refraction. This is also faster but, even, it is unnecessary with the circuits presented below.

10 Respecto del segundo aspecto de la invención, la Figura 3 muestra el array virtual calculado según el procedimiento descrito anteriormente, donde las coordenadas de cada elemento (xv, zv) se evalúan por medio de la ecuación (17) y el origen de coordenadas se ha situado en el centro del array virtual B en (xg, ZS) mediante una mera traslación With respect to the second aspect of the invention, Figure 3 shows the virtual array calculated according to the procedure described above, where the coordinates of each element (xv, zv) are evaluated by means of equation (17) and the origin of coordinates is has placed in the center of the virtual array B in (xg, ZS) by a mere translation

x'V= XV-XB' z'V= ZV-ZB (18) x'V = XV-XB 'z'V = ZV-ZB (18)

15 El tiempo de vuelo en ida y vuelta de un elemento del array virtual a un foco F en estas coordenadas locales es: 15 The round-trip flight time of an element of the virtual array to a focus F at these local coordinates is:

RF + rp RF + rp

IF = (19) IF = (19)

e, and,

donde RF es la distancia del centro del array al foco (camino de ida) y fF es la distancia del foco al elemento (camino de vuelta), siendo: where RF is the distance from the center of the array to the focus (way back) and fF is the distance from the focus to the element (way back), being:

El intervalo I'lR entre muestras está determinado por el periodo de muestreo Ts que, en ida y vuelta yen la pieza es' The I'lR interval between samples is determined by the sampling period Ts which, in round trip and in the piece is'

óR = c2 7.~ (21 ) óR = c2 7. ~ (21)

Tomando flR como unidad de medida, las distancias se corresponden con intervalos de tiempo expresados en periodos Ts. En particular, los tiempos asociados a las distancias RF = {I'lR, 21'lR, 31'lR, ...} quedan representados por la 25 secuencia de números naturales n = {1 , 2, 3, }. Escalando RF, fF, x'v y z'v por I'lR se obtienen los valores n, f, x y z, respectivamente, que representan dichas distancias por el tiempo de vuelo en ida y vuelta en periodos Ts Taking flR as a unit of measurement, the distances correspond to time intervals expressed in periods Ts. In particular, the times associated with the distances RF = {I'lR, 21'lR, 31'lR, ...} are represented by the sequence of natural numbers n = {1, 2, 3,}. By scaling RF, fF, x'v and z'v by I'lR, the values n, f, x and z are obtained, respectively, which represent these distances by the round trip flight time in periods Ts

Elevando al cuadrado y denominando a = x sin 8 + =cos 8 , /l = X2 +Z2, siendo ambas constantes independientes del foco, se obtiene: rn2= n2-2na + /l (24) 35 De (19), el tiempo de vuelo ilv al foco n en intervalos Ts es, 11+ 1' Squared and naming a = x without 8 + = cos 8, / l = X2 + Z2, both being constant independent of the focus, we obtain: rn2 = n2-2na + / l (24) 35 From (19), the flight time ilv to focus n at intervals Ts is, 11+ 1 '

I =---" (25)I = --- "(25)

" 2 " 2

Esta expresión debe obtener f n de (23), lo que requeriria circuitos demasiado complicados para operar en tiempo real. Pero, en rea lidad, basta obtener estimaciones In de t" tales que el error sea pequeño, esto es, This expression must obtain f n of (23), which would require circuits too complicated to operate in real time. But, in reality, it is enough to obtain In estimates of t "such that the error is small, that is,

(26) (26)

donde v es un valor arbitrario mayor que la unidad y, además, no es necesario que sea entero ni potencia de 2 Por ejemplo, eligiendo v=10, el error de la estimación In respecto al valor real 1" será inferior a 1f10 del periodo de muestreo. Entonces, si la frecuencia de muestreo es 4 veces la del transductor, el error en la estimación del tiempo de where v is an arbitrary value greater than unity and, in addition, it is not necessary that it be an integer or power of 2 For example, by choosing v = 10, the error of the estimate In with respect to the real value 1 "will be less than 1f10 of the period of sampling Then, if the sampling frequency is 4 times that of the transducer, the error in the estimation of the time of

ES 2 525 600 A2 ES 2 525 600 A2

vuelo será inferior a 1/40 el periodo de la señal. Como es conocido por los especialistas, los errores comprendidos entre 1f16 y 1/64 el periodo de la señal son aceptables por lo que, típicamente, 4 S v s 16. flight will be less than 1/40 the signal period. As is known to specialists, errors between 1f16 and 1/64 the signal period are acceptable, so typically 4 S v s 16.

Para mantener el error acotado según (26), esta invención evalúa una variable binaria Qn (Qn ={O,1}) que incrementa la To keep the error bounded according to (26), this invention evaluates a binary variable Qn (Qn = {O, 1}) that increases the

estimación actual In en 1 o en 1-1/v para obtener la siguiente, ' n+l' dependiendo de si la estimación es menor o mayor current estimate In in 1 or 1-1 / v to obtain the following, 'n + l' depending on whether the estimate is lower or higher

que el valor actual In, esto es· than the current value In, this is ·

(27) (27)

(28) (28)

La ecuación (27) determina que si la estimación es inferior al valor actual resulta Qn = O, Y la ecuación (28) indica que, en este caso, para la muestra n+1 se mantenga el intervalo de muestreo nominal, Ts_Si, por el contrario, la estimación supera al valor actual, entonces On =1 y para la muestra n+1 el instante de muestreo se adelanta una cantidad Ts Iv. En Equation (27) determines that if the estimate is lower than the current value, Qn = O results, and equation (28) indicates that, in this case, for the sample n + 1 the nominal sampling interval, Ts_Si, is maintained for on the contrary, the estimate exceeds the current value, then On = 1 and for the sample n + 1 the sampling time is advanced by a quantity Ts Iv. In

definitiva es un sistema de control que procura mantener la estimación ': próxima al va lor actual tn, con un error Definitive is a control system that seeks to maintain the estimate ': close to the current value tn, with an error

absoluto inferior a Ts Iv. absolute inferior to Ts Iv.

Las ecuaciones (27) y (28) proporcionan estimaciones con un error inferior a lIv respecto al tiempo de vuelo verdadero a partir de cierto rango Ro para el que la diferencia de tiempos de vuelo a muestras consecutivas verifica· Equations (27) and (28) provide estimates with an error lower than lV with respect to the true flight time from a certain range Ro for which the difference in flight times to consecutive samples verifies ·

I I

1--:::; /,,+]-ln< 1 (29) one--:::; / ,, +] - ln <1 (29)

V V

En efecto, si 1i" -1" 1< 1 / V, la aplicación de (28) producirá 1ini ] -1n¡.] 1< l / ven todo el rango en que se verifique Indeed, if 1i "-1" 1 <1 / V, the application of (28) will produce 1ini] -1n¡.] 1 <l / see the entire range in which it is verified

(29). El rango mínimo Ro depende de v y del tamaño de la apertura D y viene dado por: (29). The minimum range Ro depends on v and the size of the opening D and is given by:

Dv Dv

R, = .----c (30) R, = .---- c (30)

4v'v-1 Se comprueba que, para v=8, la mínima apertura numérica utilizable es F#n,,,, =RrlD =0.76 . Otros calculadores de leyes focales requieren F#n,., > 1 para operar con la misma precisión (v=8) , por lo que el método descrito en esta patente opera en regiones más próximas al array con apertura completa. 4v'v-1 It is found that, for v = 8, the minimum usable numerical aperture is F # n ,,,, = RrlD = 0.76. Other focal law calculators require F # n,.,> 1 to operate with the same precision (v = 8), so the method described in this patent operates in regions closer to the array with full aperture.

Un aspecto clave de la presente invención es obtener en tiempo real los valores sucesivos de O" para todas las muestras n > no = [RoI.6.R]¡ mediante un sencillo circuito. Así, el valor obtenido se utiliza para adelantar en Tslv (O" = 1) A key aspect of the present invention is to obtain in real time the successive values of O "for all samples n> no = [RoI.6.R] ¡by a simple circuit. Thus, the obtained value is used to advance in Tslv (O "= 1)

o !lO adelantar (Q" =O) el instante de muestreo de la muestra n para mantener enfocada la recepción Para ello, de (25), o! lO advance (Q "= O) the sampling time of the sample n to keep the reception focused. To do so, of (25),

(31 ) (31)

r -r + 1r -r + 1

111 = 1 _1 = n+l " (32)111 = 1 _1 = n + l "(32)

" "+1" 2 "" +1 "2

Combinando este resultado con la expresión (29) se obtiene, Combining this result with the expression (29) is obtained,

r +1--<1' <1' +1 (33)r +1 - <1 '<1' +1 (33)

" V -"il " "V -" il "

Como en el caso de la ecuación (27), O" puede obtenerse de la comparación del valor estimado rcon el actual de I~ .As in the case of equation (27), O "can be obtained from the comparison of the estimated value r with the current one of I ~.

n n

(34a) (34a)

(35) (35)

Para evaluar (34a) podemos operar con los cuadrados ya que se trata de magnitudes positivas Esto es, igualmente se puede decir que: To evaluate (34a) we can operate with the squares since they are positive magnitudes. That is, it can also be said that:

(34b) (34b)

Así, elevando (24) al cuadrado se obtiene: Thus, raising (24) squared you get:

r}+l = n + 2n + 1-2na -2a + p (36) r} + l = n + 2n + 1-2na -2a + p (36)

ES 2 525 600 A2 ES 2 525 600 A2

zO zO

Llamando A = 1-2a = 1-2(xsin e+ zcosB) , cOflstanle para un elemento y una dirección de deflexión determinados, (36) queda: Calling A = 1-2a = 1-2 (xsin e + zcosB), cOflstanle for a given deflection element and direction, (36) it remains:

(37) (37)

Por otra parte, elevando (35) al cuadrado y denominando P"=1 -2Q,,lv, ;.2 =P2+ 2PP +p2 (38) On the other hand, squareing (35) and naming P "= 1 -2Q ,, lv,; .2 = P2 + 2PP + p2 (38)

11+\ n " n n 11+ \ n "n n

Restando esta ecuación de la (37), Subtracting this equation from (37),

r2 _;2 =(r2_,,2)+2n+A _2Pr _p2 (39) r2 _; 2 = (r2 _ ,, 2) + 2n + A _2Pr _p2 (39)

n,1 n,1 " " " n n n, 1 n, 1 "" "n n

Denominando, Naming,

B"= 211+A C" = PJ21:+ PJ (40) D,,= r}_ P,,2 B "= 211 + A C" = PJ21: + PJ (40) D ,, = r} _ P ,, 2

se obtienen de (35) y (39) las siguientes fórmulas de cálculo iterativo: the following iterative calculation formulas are obtained from (35) and (39):

B,nl = B" +2 Dn+l = D" + BII -en (41 ) P =r +P B, nl = B "+2 Dn + l = D" + BII -en (41) P = r + P

n~ 1 n n n ~ 1 n n

Por otra parte, teniendo en cuenta (34a) y (34b):On the other hand, taking into account (34a) and (34b):

º"=(r" < r") =(r} < r} ) =(D" < O) (42) º "= (r" <r ") = (r} <r}) = (D" <O) (42)

esto es, el valor de O" es el bit de signo de Dn_Además, como P,,=1·2Q,, {v: that is, the value of O "is the sign bit of Dn_ Also, as P ,, = 1 · 2Q ,, {v:

Si D" <!: O es Q" =0 Y Pn =1 Si D" < Oes Q" =1 YPI! =1-21v If D "<!: O is Q" = 0 Y Pn = 1 If D "<Oes Q" = 1 YPI! = 1-21v

El proceso de cálculo es aplicable a partir de un primer valor n=no para el cual se establecen los valores iniciales· The calculation process is applicable from a first value n = no for which the initial values are established ·

11 =110 = [R,fLV1l, A = 1-2(xsin8+zcos8) P= ro = 1'(110 ) (43) 11 = 110 = [R, fLV1l, A = 1-2 (xsin8 + zcos8) P = ro = 1 '(110) (43)

n n

D" = Do =0 Bn = Bo = 2110+ A D "= Do = 0 Bn = Bo = 2110+ A

donde "1" en [x]¡ representa el redondeo por exceso del argumento x. where "1" in [x] ¡represents the rounding by excess of the argument x.

Las va riables Bn, Dn y Pse actualizan en tiempo real para cada muestra n > no tal y como indica las ecuaciones (41 ). The variables Bn, Dn and Pse are updated in real time for each sample n> not as indicated by equations (41).

n n

Los restantes valores son: The remaining values are:

º" = (D" < O) º "= (D" <O)

F;, = 1-2Q"/ v (44) C" = F;,(Zr; + F;,) F ;, = 1-2Q "/ v (44) C" = F;, (Zr; + F ;,)

Con eslo se completa el cálculo de la variable binaria On para realizar el enfoque en tiempo real por aplicación de la ecuación (45). El método se basa en evaluar los valores Bn+t , Cn+1 y Dn+1 a partir de los anteriores Bn, Cn, Dn y On. This completes the calculation of the binary variable On to perform the real-time approach by application of equation (45). The method is based on evaluating the values Bn + t, Cn + 1 and Dn + 1 from the previous Bn, Cn, Dn and On.

La Figura 4 muestra un circuito que realiza los cálculos de las ecuaciones (41) y (44). La lógica evalúa las tres variables registradas Dn, Bn y l~n (unidades 21 , 22 Y 23, respectivamente) mediante sumadores (unidades 24, 25, 26 Y 27), un multiplicador (unidad 29) y un multiplexor (unidad 30). El multiplicador x2 (unidad 28) no requiere lógica, es un mero Figure 4 shows a circuit that performs the calculations of equations (41) and (44). Logic evaluates the three recorded variables Dn, Bn and l ~ n (units 21, 22 and 23, respectively) by means of adders (units 24, 25, 26 and 27), a multiplier (unit 29) and a multiplexer (unit 30). The multiplier x2 (unit 28) does not require logic, it is a mere

desplazamiento a la izquierda de los bits del registro R (unidad 23), añadiendo un O en el bit menos significativo shift to the left of the R register bits (unit 23), adding an O in the least significant bit

ES 2 525 600 A2 ES 2 525 600 A2

Los registros R y D (unidades 21 y 23) actualizan en cada ciclo de reloj los valores r" y Dn con los valores presentes a The R and D registers (units 21 and 23) update in each clock cycle the values r "and Dn with the values present at

sus entradas respectivas, que corresponden a los valores r n+l y 0 ,,+1 dados por (41). Por su parte, B (unidad 22) their respective entries, which correspond to the values r n + l and 0 ,, + 1 given by (41). On the other hand, B (unit 22)

incrementa su valor en 2 unidades en cada ciclo de reloj, como indica la misma ecuación. El reloj para estas unidades es el de muestreo, de modo que la actualización de su contenido se produce en cada muestra, realizando por consiguiente el enfoque dinámico en cada muestra. Por claridad, en este esquema se ha omitido la lógica para la carga de los valores iniciales en estos registros aspecto que, por otra parte, es trivial Increase its value by 2 units in each clock cycle, as indicated by the same equation. The clock for these units is that of sampling, so that the update of its content occurs in each sample, therefore performing the dynamic approach in each sample. For clarity, in this scheme the logic for loading the initial values in these registers has been omitted, aspect that, on the other hand, is trivial

El valor de Q" está representado por el signo actual de Orlo que es el bit más significativo del registro O (23). Este se utiliza para controlar el multiplexor (30), de forma que si Qn =0 se selecciona Pn =1 y si Qn =1 se obtiene Pn =1-2Jv, de acuerdo con lo expresado por la teoría desarrollada The value of Q "is represented by the current Orlo sign which is the most significant bit of the register O (23). This is used to control the multiplexer (30), so that if Qn = 0 Pn = 1 is selected and if Qn = 1, Pn = 1-2Jv is obtained, according to what is expressed by the theory developed

El valor de r•• ,se obtiene a la entrada del registro R como la suma en la unidad (24) de su contenido actual rcon el The value of r •• is obtained at the entry of the R record as the sum in unit (24) of its current content r with the

n valor Pn proporcionado por el multiplexor. El contenido de R será actualizado en el siguiente ciclo de reloj. n Pn value provided by the multiplexer. The content of R will be updated in the next clock cycle.

El cálculo de en requiere el va lor 2Pn, que se obtiene en (28) por un simple desplazamiento a la izquierda de la salida The calculation of in requires the value 2Pn, which is obtained in (28) by a simple shift to the left of the output

de R, operación que se realiza sin coste alguno de lógica. El sumador (25) obtiene 21~ + P n ' que se proporciona como of R, operation that is performed without any cost of logic. Adder (25) gets 21 ~ + P n 'that is provided as

una de las entradas al multiplicador (29), cuya salida es el valor en = P"(21~ + p,, ) one of the inputs to the multiplier (29), whose output is the value at = P "(21 ~ + p ,,)

Por su parte, el restador (26) obtiene a su salida Bn-en valor que, a su vez, constituye una de las entradas del sumador (27). Este obtiene la suma final (Bn -e n) + On que es el valor On+1 preparado a la entrada del registro O (23) para ser actualizado en el siguiente ciclo de reloj. On the other hand, the subtractor (26) obtains at its exit Bn-in value which, in turn, constitutes one of the inputs of the adder (27). This obtains the final sum (Bn -e n) + On which is the On + 1 value prepared at the entry of register O (23) to be updated in the next clock cycle.

Este circuito presenta diversas ventajas frente a otras realizaciones. En primer lugar, utiliza un multiplicador que le da la versatilidad de poder elegir arbitrariamente la fracción v que controla el error de enfoque. Hasta ahora, se ha tratado de evitar el uso de multiplicadores por el gran número de recursos lógicos que consume esta operación. Sin embargo, los actuales dispositivos de lógica programable contienen decenas a miles de multiplicadores realizados en silicio con alta precisión, velocidad y bajo consumo energético Por tanto, usar un multiplicador no supone una desventaja en cuanto a consumo de recursos This circuit has several advantages over other embodiments. First, it uses a multiplier that gives it the versatility of being able to arbitrarily choose the fraction v that controls the focus error. Until now, attempts have been made to avoid the use of multipliers due to the large number of logical resources consumed by this operation. However, current programmable logic devices contain tens to thousands of multipliers made of silicon with high precision, speed and low energy consumption. Therefore, using a multiplier does not represent a disadvantage in terms of resource consumption.

Otra ventaja del circuito propuesto es la posibilidad de rea lizarlo con celdas dedicadas (celdas DSP) disponibles en los modernos dispositivos de lógica programable. Estas celdas no consumen recursos lógicos, tienen bajo consumo y elevada precisión, lo que dota de mayor versatilidad al diseño. Una particularidad del circuito propuesto es que se trata de un diseño en cadena, cuya segmentación es sencilla, lo que facilitaría compartir un único circuito de control de enfoque entre varios canales, con el consiguiente ahorro de recursos Another advantage of the proposed circuit is the possibility of performing it with dedicated cells (DSP cells) available in modern programmable logic devices. These cells do not consume logical resources, have low consumption and high precision, which gives greater versatility to the design. A particularity of the proposed circuit is that it is a chain design, whose segmentation is simple, which would facilitate sharing a single focus control circuit between several channels, with the consequent saving of resources

Una ventaja adicional es que el circuito proporciona una única sa lida de un bit (la variable Qn) que marca el instante de muestreo en cada canal para mantener la recepciórJ enfocada en todo el recorrido, evitando la transferencia de palabras multi-bit a otras unidades. En sí mismo el circuito descrito es un generador de reloj de muestreo para cada cana l, que sólo requiere la carga de 2 parámetros iniciales (ro y Bo) Utilizando la salida Qn como reloj de muestreo se mantiene la imagen ultrasónica enfocada muestra a muestra. An additional advantage is that the circuit provides a single one-bit output (the Qn variable) that marks the sampling time on each channel to keep the reception focused on the entire path, avoiding the transfer of multi-bit words to other units. . In itself, the circuit described is a sampling clock generator for each channel, which only requires the loading of 2 initial parameters (ro and Bo). Using the Qn output as a sampling clock, the focused ultrasonic image is maintained sample by sample.

El circuito es útil también para calcular el tiempo de vuelo array-foco-elemento en tiempo real y, de este resultado, obtener los retardos de enfoque en periodos de muestreo, aunque este modo no sea el preferido por requerir una salida multí-bit. Para ello, basta sumar el contenido del registro R (unidad 21 , rn ) con el de un contador N (no mostrado) que The circuit is also useful for calculating the flight time array-focus-element in real time and, from this result, obtain the focus delays in sampling periods, although this mode is not preferred by requiring a multi-bit output. To do this, it is enough to add the contents of the register R (unit 21, rn) with that of a counter N (not shown) that

cuenta el número de muestras n desde el disparo; dividiendo el resultado por 2, tal y como expresa la ecuaciÓfl (25), se obtiene el tiempo de vuelo en ida y vuelta count the number of samples n since the shot; dividing the result by 2, as expressed in equation (25), the round trip flight time is obtained

En la realización preferida de este circuito, la única salida necesaria es el valor del bit Qn, siendo las restantes variables instrumentos para su cálculo. Para operar con conversores analógico-digitales que tienen un reloj común en todos los canales, la señal binaria Qn se utiliza para "adelantar" en lIv la señal adquirida con un reloj de muestreo de frecuencia constante. Para ello se utiliza un banco de v filtros de retardo fraccional como indica la Figura 5 para v=4 . In the preferred embodiment of this circuit, the only necessary output is the value of the Qn bit, the remaining variables being instruments for its calculation. To operate with analog-digital converters that have a common clock on all channels, the binary signal Qn is used to "forward" the acquired signal with a constant frequency sampling clock in lV. For this, a bank of v fractional delay filters is used as indicated in Figure 5 for v = 4.

En esta forma de aplicación de la presente invención la señal Q (32) acciona un contador de b bits (40) que selecciona la salida de uno de los vfiltros de retardo fraccional mediante el multiplexor 45. Estos filtros interpolan las muestras de la señal de entrada Xk = x(kTs), con k= entero, y proporciooan a la salida muestras Yk = x(kTs +aJvTs), con a/v = fraccionario, esto es retrasadas una fracción aJvTs. Estos filtros son bien conocidos y su diseño está descrito, por ejemplo, en T. l. Laakso et al., Splitting the Unit De/ay, IEEE Sigo Proc. Magazine, pp. 3G-58, Jan. 1996. In this form of application of the present invention the signal Q (32) drives a b-bit counter (40) that selects the output of one of the fractional delay vfilters by means of multiplexer 45. These filters interpolate the samples of the signal of input Xk = x (kTs), with k = integer, and provide samples Yk = x (kTs + aJvTs) at the output, with a / v = fractional, this is delayed a fraction aJvTs. These filters are well known and their design is described, for example, in T. l. Laakso et al., Splitting the Unit De / ay, IEEE Sigo Proc. Magazine, pp. 3G-58, Jan. 1996.

En el ejemplo mostrado en la figura 5, v =4 y cada filtro (unidades 41 a 44) proporciona el valor de la muestra de entrada In the example shown in Figure 5, v = 4 and each filter (units 41 to 44) provides the value of the input sample

(50) retrasada una cantidad (1+1 )·Ts, (1+1f4)·Ts, (1+1f2)·Ts Y (1+3f4)·Ts, respectivamente. Esto es, el intervalo (50) delayed a quantity (1 + 1) · Ts, (1 + 1f4) · Ts, (1 + 1f2) · Ts Y (1 + 3f4) · Ts, respectively. That is, the interval

ES 2 525 600 A2 ES 2 525 600 A2

temporal entre las salidas es Ts/V, en este caso Tsf4 Para otros valores de v los retardos de los filtros y su número cambian de forma correspondiente. The time between outputs is Ts / V, in this case Tsf4 For other values of v the filter delays and their number change accordingly.

Cuando la entrada 32 indica Q = 1, el contador (40) avanza y hace que el multiplexor (45) seleccione la salida del siguiente filtro de retardo fraccional para producir en la salida (51) muestras con un retardo Tslv inferior, esto es, se adelanta la señal en T $Iv. Justamente esta es la aplicación de la ecuación 28 que, como se ha demostrado, mantiene las muestras con un error en los retardos inferior a Ts/V (ecuaciórJ 26). When input 32 indicates Q = 1, the counter (40) advances and causes the multiplexer (45) to select the output of the next fractional delay filter to produce at the output (51) samples with a lower Tslv delay, that is, the signal is advanced in T $ Iv. Precisely this is the application of equation 28 which, as has been shown, maintains the samples with an error in delays lower than Ts / V (equation J 26).

El consumo de recursos de los circuitos presentados (Figuras 4 y 5) es limitado, pudiendo integrarse fácilmente en los dispositivos de lógica programable actuales. Puesto que la frecuencia de operación es la de muestreo, no existen problemas críticos para el enrutamiento de las señales. The resource consumption of the circuits presented (Figures 4 and 5) is limited, and can easily be integrated into current programmable logic devices. Since the operating frequency is that of sampling, there are no critical problems for signal routing.

Finalmente, aplicando la metodologia descrita, estos circuitos realizan automáticamente el control del enfoque con independencia de que exista o no una interfaz interpuesta entre el transductor y la región de interés, aspecto que diferencia especialmente a esta invención de otras propuestas con anterioridad. Finally, applying the described methodology, these circuits automatically control the approach regardless of whether or not there is an interface interposed between the transducer and the region of interest, an aspect that especially distinguishes this invention from other proposals previously.

Ejemplo de realización Execution Example

A continuación se especifica un ejemplo de realización de la presente invención con valores reales de una posible situación real. En este ejemplo se trata de realizar una imagen ultrasónica por inmersión de una pieza cilíndrica de acero. Las velocidades de propagación del ultrasonido en el agua y en la pieza son CI :: 1500 mis y e2 = 6000 mis, respectivamente. Se utiliza un array coo N=32 elementos, de frecuencia central (=5 MHz y distancia entre elementos d =0.6 mm. Todos estos valores son típicos en situaciones reales y la geometría es la mostrada en la Fig. 1, para un rayo con un ángulo de deflexión de 400 respecto a la normal en la superficie de la pieza Este es uno de los múltiples rayos generados para realizar un barrido sectorial de la pieza. An example of embodiment of the present invention with real values of a possible real situation is specified below. In this example, we try to make an ultrasonic image by immersion of a cylindrical piece of steel. The propagation speeds of ultrasound in water and in the piece are CI :: 1500 mis and e2 = 6000 mis, respectively. An array of coo N = 32 elements is used, of central frequency (= 5 MHz and distance between elements d = 0.6 mm. All these values are typical in real situations and the geometry is shown in Fig. 1, for a beam with an angle of deflection of 400 with respect to the normal one in the surface of the piece This is one of the multiple rays generated to realize a sectorial sweep of the piece.

Se ha evaluado el array virtual pa ra esta situación, obteniéndose el resultado mostrado en la Fig 2. Con los parámetros calculados de este array virtual, se ha obtenido el rango mínimo Ro (ecuación 30) y, para este rango, los valores iniciales dados por la ecuación 43 The virtual array has been evaluated for this situation, obtaining the result shown in Fig 2. With the calculated parameters of this virtual array, the minimum range Ro (equation 30) has been obtained and, for this range, the initial values given by equation 43

Se ha simulado la operación del circuito mostrado en la Figura 4 para el elemento 32 en un rango entre 14 mm y 144 mm de la interiaz, donde el valor inferior correspoode a Ro. Se han anotado los tiempos de vuelo en ida y vuelta proporcionados por el circuito a los focos situados a intervalos 6.R =0.075 mm en dicho rango, utilizando un factor v=8 y una frecuencia de muestreo de 40 MHz (periodo Ts =25 ns). The circuit operation shown in Figure 4 has been simulated for element 32 in a range between 14 mm and 144 mm of the interiaz, where the lower value corresponds to Ro. The round-trip flight times provided by the circuit to the foci located at intervals 6.R = 0.075 mm in that range have been recorded, using a factor v = 8 and a sampling frequency of 40 MHz (period Ts = 25 ns).

Por otro lado, para cootrastar estos resultados, se han calculado los tiempos de vuelo a cada uno de los focos atravesando la interiaz utilizando métodos numéricos (aplicación del principio de Fermat), esto es, teniendo en cuenta la refracción como hacen los métodos convencionales On the other hand, to co-treat these results, the flight times to each of the foci have been calculated through the interiaz using numerical methods (application of the Fermat principle), that is, taking into account the refraction as conventional methods do

La Fig. 6 muestra el valor absoluto de las diferencias en los tiempos de vuelo entre uno y otro método, las cuales se consideran errores. Como puede observarse, estos son muy limitados (errores inferiores a 9 ns en todo el rango), lo que para este array representa 1122 el periodo de la señal. Se ha repetido el proceso para todos los demás elementos, encontrándose que los errores son en todos los casos inferiores a los mostrados en la Figura 6. Fig. 6 shows the absolute value of the differences in flight times between one method and another, which are considered errors. As can be seen, these are very limited (errors less than 9 ns in the entire range), which for this array represents 1122 the signal period. The process has been repeated for all other elements, finding that the errors are in all cases inferior to those shown in Figure 6.

Se observa que estos errores tienen dos componentes: una única oscilación en todo el rango, responsable de la mayor amplitud del error, a la que se superponen múltiples oscilaciones de pequeña amplitud. La primera componente se debe a las aproximaciones de cálculo realizadas para obtener el array virtual equivalente en un único medio. La componente de menor amplitud y variación más rápida es debida al circuito de control de enfoque, cuyo error teórico es inferior a Ts/V =3.125 ns en este ejemplo. Se comprueba que, en efecto, las oscilaciones son inferiores a esta cantidad. It is observed that these errors have two components: a single oscillation in the whole range, responsible for the greater amplitude of the error, to which multiple oscillations of small amplitude overlap. The first component is due to the calculation approximations made to obtain the equivalent virtual array in a single medium. The component of smaller amplitude and faster variation is due to the focus control circuit, whose theoretical error is less than Ts / V = 3.125 ns in this example. It is found that, in effect, the oscillations are less than this amount.

El proceso se ha repetido también para otras configuraciones, geometrías, valores de v, ángulos de deflexión, etc., encontrando en todos los casos resultados similares: bajos errores en los tiempos de vuelo que mantendrán un correcto enfoque a todas las profundidades en tiempo real. The process has also been repeated for other configurations, geometries, v values, deflection angles, etc., finding similar results in all cases: low errors in flight times that will maintain a correct approach at all depths in real time .

Por otra parte, se ha verificado que si el medio es homogéneo (esto es, no existe interiaz), el array virtual coincide con el real y los únicos errores son los debidos al circuito de control del enfoque, que son inferiores a Tslv On the other hand, it has been verified that if the medium is homogeneous (that is, there is no intertwining), the virtual array coincides with the real one and the only errors are those due to the focus control circuit, which are lower than Tslv

Por consiguiente, se concluye que el método y circuitos descritos son válidos para mantener el enfoque controlado en toda la profundidad, tanto si se trata de un único medio homogéneo, como cuando existe un acoplamiento interpuesto entre el transductor y la pieza inspeccionada Therefore, it is concluded that the described method and circuits are valid to keep the approach controlled in full depth, whether it is a single homogeneous medium, or when there is a coupling interposed between the transducer and the inspected part

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Claims

Method for real-time control of the dynamic approach in ultrasonic imaging systems, where ultrasonic imaging systems comprise an array of N transducer elements that emit ultrasonic pulses with characteristic flight times at a variety of focal points comprised within an object a to inspect; the method is characterized by comprising "

• calculate an array of N virtual elements equivalent in flight times to the array of N transducer elements included in the ultrasonic imaging system, where the coordinates (xv, z ..) of each element belonging to the array of N virtual elements are calculated at from the coordinates of two foci FA and Fe, both located in a main ray that starts from the center ac "of the array of N transducer elements and the focal point uF", and of the equation ·

= ICF + IFA -IBF

IK IFV

where the ta, tFA, tsp, tFv soo the characteristic flight times between every two points indicated in the

subindices, "S" being the center of the array of N virtual elements, "A" the transducer of the array of N elements

transducers that receives the echo of the main beam and "V" the point of the array of N virtual elements

corresponds to point "A", and tK is a constant independent of the position of the focal point; Y,

where said array of N virtual elements is independent of the type of object to be inspected and the means of

coupling between the array of N transducer elements and the object inspected

2. Method for real-time control of the dynamic approach in ultrasonic imaging systems according to claim 1, characterized in that one of the FA foci is located in the vicinity of an interiaz that separates two means, one of the means houses the array of N transducer elements and the other medium houses the object to be inspected, and the focus air Fe is located at the limit of the near field, given by the range:

R = D3

'42

where DA is the size of the aperture and A = ~ ff the wavelength in the second medium, f being the fundamental frequency of the transducer.

Method for the real-time control of the dynamic approach in ultrasonic imaging systems according to claim 1, characterized in that the characteristic flight time tn of the array elements of N virtual elements to a focal point ln, which belongs to the diversity of focal points, is calculated in real time by

calculation of an estimate '"such that ·

being and an arbitrary value greater than unity.

4. Method for real-time control of the dynamic approach in ultrasonic imaging systems according to the

claim 3, characterized in that the calculation of the estimate In has an associated error that is bounded

by calculating a binary variable Qn that increases the estimate 'n by 10 by 1-1 f and to obtain the following

estimate In +1 'depending on whether the estimate is less than or greater than the current value In

5. 5.: Dispositivo calculador de adelanto de muestreo adecuado para llevar a cabo el método definido en una cualquiera de las reivindicaciooes anteriores, que comprende tres registros (21, 22, 23) que cargan sendas variables iniciales, un contador, un primer multiplicador (29), cuatro sumadores (24, 25, 26, 27) Y un multiplexor (30) que calcula en tiempo real la variable bina ria Qn de un 1 bit definida en la reivindicación 4; donde un sumador (26) de los cuatro sumadores recibe la señal de un registro (22) a la que le resta la señal de otro registro (21) tras pasar, dicha señal, por un multiplicador (28), otro sumador (25) de los cuatro sumadores y el primer multiplicador (29); la salida de dicho un sumador (26) se conecta a otro sumador (27) y la salida de este se conecta a un registro (23), cuya salida está conectada a la entrada del control del multiplexor (30) que conecta su salida con una de sus entradas de valor 1 y 1-2/v en función del valor de la entrada de control Sampling advance calculating device suitable for carrying out the method defined in any one of the preceding claims, comprising three registers (21, 22, 23) that load initial variable paths, a counter, a first multiplier (29), four adders (24, 25, 26, 27) and a multiplexer (30) that calculates in real time the binary variable Qn of a 1 bit defined in claim 4; where an adder (26) of the four adders receives the signal from a register (22) to which the signal of another register (21) is subtracted after passing, said signal, by a multiplier (28), another adder (25) of the four adders and the first multiplier (29); the output of said an adder (26) is connected to another adder (27) and its output is connected to a register (23), whose output is connected to the input of the multiplexer control (30) that connects its output with one of its inputs of value 1 and 1-2 / v depending on the value of the control input

6. 6.: Dispositivo calculador de adelanto de muestreo, según la reivindicación 5, caracterizado porque los dos registros son cargados con unos valores iniciales que están determinados por las posiciones de los elementos del array de N elementos virtual definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 y de un tiempo resultado del cálculo de la Sampling advance calculating device according to claim 5, characterized in that the two registers are loaded with initial values that are determined by the positions of the array elements of N virtual elements defined in any one of claims 1 to 4 and of a time resulting from the calculation of the

estimate 1 "defined in any one of claims 3 to 4.