FR2694653A1 - Dispositif de formation de voies pour système d'imagerie acoustique. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les dispositifs permettant de former des voies dans les systèmes d'imagerie acoustique tels que les sonars ou les échographes médicaux. Elle consiste dans un tel système à utiliser par capteur de l'antenne comme convertisseur analogique-digital un modulateur du type SIGMA/DELTA (102) suivi d'une ligne à retard à 1 bit (103). Elle permet d'obtenir un dispositif de très petite taille pouvant se loger directement dans l'antenne, une sonde médicale par exemple.

Description

DISPOSITIF DE FORMATION DE VOIES
POUR SYSTEME D'IMAGERIE ACOUSTIQUE
La présente invention se rapporte aux dispositifs qui permettent de former des voies, notamment des voies de réception, dans les systèmes d'imagerie acoustique. Ces systèmes d'imagerie acoustique peuvent être par exemple des sonars ou des échographes médicaux.

On sait que de tels systèmes comportent une antenne de réception des ondes acoustiques, éventuellement confondue avec l'antenne d'émission, formée d'un certain nombre N de capteurs individuels répartis dans l'espace. Une répartition courante consiste à répartir régulièrement ces capteurs le long d'un segment de droite ou, plus particulièrement dans le cas des sondes médicales, le long d'un segment de circonférence sous la forme d'une barrette.

Les capteurs individuels délivrent donc des signaux individuels, et en combinant ces signaux entre eux on obtient un diagramme de réception dont la forme en fonction de la direction peut être modifiée à volonté, tout au moins dans certaines limites, en appliquant à ces signaux individuels des retards et/ou des pondérations.

La technique habituelle permet d'effectuer ces traitements en numérique avec plus de facilité et d'économie que dans les anciennes méthodes qui utilisaient des systèmes analogiques. Pour cela on échantillonne tout d'abord les signaux reçus à une fréquence au moins égale à deux fois la fréquence maximum contenue dans ces signaux, pour répondre aux critères du théorème de Shannon. On numérise ensuite ces échantillons, pour obtenir des mots binaires sur lesquels on peut effectuer tous les traitements numériques souhaités. Ces traitements numériques sur les échantillons, appelés S.(t) dans la suite du
1 texte, peuvent être effectués dans des circuits de calcul spécialisés ou dans un calculateur numérique standard convenablement programmé.

Pour obtenir une voie de réception, c'est-à-dire un lobe de réception étroit dirigé dans une direction privilégiée, on effectue le traitement défini par l'algorithme suivant
N (1) V = La. s.(t- T.

k i i i,k#
i=l Dans cette formule Tli k est un retard qui dépend de l'emplacement des capteurs et de la direction de la voie. Par exemple pour une antenne linéaire formée de n capteurs équidistants d'une distance d, pour une voie d'indice k située dans une direction Ok par rapport à l'axe de l'antenne (défini comme la normale à la droite sur laquelle sont répartis les capteurs), et c étant la vitesse des ondes acoustiques dans le milieu considéré, ce retard est donné par la formule d (2)i,k = (i-l) c cos sk
Les termes a. sont appelés coefficients de pondération et ils permettent, de manière connue, d'atténuer les lobes secondaires qui apparaissent inévitablement dans ce type de traitement.

L'échantillonnage et la numérisation des signaux provenant des capteurs sont souvent effectués simultanément dans des convertisseurs analogiques digitaux, par exemple du type connu FLASH utilisé plus particulièrement pour sa rapidité de fonctionnement.

Ces convertisseurs sont par exemple décrits dans trois articles de W. Kester parus dans Elektronik 1991
Volume 40,4, pages 58 à 63, volume 40,5 pages 68 à 70 et volume 40,6 pages 76 à 85.

L'algorithme défini par la formule 1 est donc mis en oeuvre dans un calculateur standard ou dans un processeur spécialisé, et compte tenu de la vitesse actuellement atteinte par ceux-ci on arrive à multiplexer le traitement de manière à traiter l'ensemble des signaux dans une seule période d'échantillonnage.

Il y a néanmoins de nombreuses opérations à effectuer, et dans les sonars on est amené à traiter plusieurs bandes de fréquences différentes, la sélection étant généralement obtenue par filtrage numérique dans le même calculateur à l'aide d'un processus plus ou moins imbriqué dans celui de formation de voies.

Dans ces conditions la capacité des moyens de traitement doit être importante et le matériel nécessaire prend une place qui est loin d'être négligeable surtout dans les sonars installés à bord de véhicules. A titre d'exemple on peut être amené à utiliser une capacité de plusieurs centaines de Méga
Opérations par seconde et un matériel pouvant atteindre 3 bacs à cartes standards.

Dans le cas particulier des échographes médicaux un tel matériel ne peut bien entendu pas être intégré dans la sonde, ce qui nécessite des liaisons multifilaires nombreuses pour transporter des signaux de faible niveau d'où un risque important de diaphonie et l'utilisation d'un câble encombrant, onéreux et peu flexible.

Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un dispositif selon la revendication 1.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent
- la figure 1 : un schéma de principe d'un dispositif selon l'invention
- la figure 2 : un schéma partiel du dispositif de la figure 1 dans lequel on a remplacé la mémoire 105 par plusieurs sous-mémoires 205
- la figure 3 : une vue en coupe partielle d'une antenne de sonde d'échographe médical utilisant l'invention avec une barrette de transducteurs courbe.

Le dispositif de formation de voies selon l'invention représenté en figure 1 comprend une antenne formée d'un ensemble de N hydrophones 101 délivrant chacun un signal analogique représentant les signaux acoustiques reçus.

Les sorties de ces transducteurs sont reliées aux entrées d'un ensemble de modulateurs analogique-numérique 102 répartis à raison d'un modulateur par transducteur. Pour simplifier la description, on admet que chacun de ces modulateurs comprend tous les moyens bien connus permettant cette conversion, en particulier les filtres anti-repliement et les moyens d'échantillonnage permettant d'obtenir les échantillons dont la valeur est ensuite traduite en numérique. Cet échantillonnage s'effectuera à une fréquence nettement supérieure à celle exigée par le théorème de Shannon afin de permettre d'obtenir un diagramme de réception ayant les caractéristiques voulues. Une telle fréquence élevée d'échantillonnage offrira d'autres avantages, en particulier une simplification des filtres anti-repliement.On utilisera par exemple une fréquence d'échantillonnage égale à au moins 8 fois la fréquence maximale des signaux utiles fournis par les transducteurs.

Selon l'invention, les modulateurs analogiques-numériques 102 sont du type connu dit Ces Ces modulateurs présentent différents avantages, en particulier une réalisation extrêmement simple conduisant à un volume très faible, à des coûts réduits et la possibilité de fonctionner à des fréquences très élevées. Cette possibilité est justement particulièrement intéressante dans le cas du suréchantillonnage nécessaire comme on l'a vu pour obtenir des diagrammes de réception corrects.

L'utilisation de modulateurs Z/A permettra donc d'utiliser un tel surchantillonnage même dans le cas des sondes médicales, pour lesquelles la fréquence centrale de fonctionnement est couramment de l'ordre de 5 MHz.

En eux-mêmes les modulateurs Z/A sont bien connus et on en trouvera par exemple une description dans IEEE Journal of Solid-State Circuits Vol. 26, NO 3
Mars 1991 pages 176 à 183. Selon cette technique on peut arriver à obtenir un modulateur occupant une surface de l'ordre du lmm2 et consommant 3 mW sous une tension faible de l'ordre + 2,5 V.

Les sorties de ces modulateurs 102 sont appliquées aux entrées d'un ensemble de lignes à retard 103, une par convertisseur, qui permettent d'appliquer au signal numérique provenant de la conversion un retard variable permettant d'obtenir la voie orientée selon la direction choisie. Pour cela, le retard est sélectionné en fonction de la voie désirée à partir d'un circuit de sélection 104. Compte tenu de ce que, de manière connue, le signal sortant d'un convertisseur du type Z/A est essentiellement un signal série dit à 1 bit, ces lignes à retard peuvent être très facilement réalisées à l'aide d'un registre à décalage dont l'étage de sortie est sélectionné par le circuit 104.

Toutes les sorties des lignes à retard sont connectées à l'entrée d'une mémoire adressable 105 qui permet de former la, ou les, voies désirées. Cette formation se fait par addition de mots binaires représentant les échantillons et retardés dans les lignes à retard 103 avec les coefficients de pondération déterminés préalablement de manière connue. Ceci se fait par sélection des adresses adéquates dans la mémoire sous la commande là aussi du circuit de sélection 104, les jeux des adresses étant préalablement calculés, comme les coefficients de pondération, pour obtenir la, ou les, voies désirées.

Le signal en sortie de cette mémoire, qui est sous la forme d'une succession de mots de N bits, représente donc de manière numérique la valeur des signaux acoustiques dans la, ou les, voies considérées.

Ce signal peut être utilisé tel quel à partir de ce moment dans divers dispositifs de traitement de signaux. Toutefois, pour faciliter la compréhension de l'invention, on a représenté sur cette figure 1 le cas où ce signal est ensuite utilisé dans un dispositif analogique, par exemple un afficheur Pour cela les signaux numériques provenant de la mémoire sont convertis en analogique dans un convertisseur numérique-analogique 106 suivi d'un filtre passe-bas 107 qui délivre le signal de sortie analogique S, pouvant être appliqué par exemple à un indicateur panoramique recevant par ailleurs les signaux de synchronisation de voie, afin d'afficher l'image du secteur surveillé pour un sonar, ou de l'organe étudié pour un échographe médical.

On a en outre représenté sur la figure, à titre purement indicatif, un signal d'horloge à la fréquence fech d'échantillonnage qui est appliqué tant au convertisseur 102 qu'aux lignes à retard 103 et au convertisseur numérique analogique 106.

A titre de variante on peut utiliser, comme représenté très schématiquement sur la figure 2, plusieurs mémoires 205 dont les sorties sont rassemblées par des étages de sommation 208 répartis sur plusieurs niveaux de manière à obtenir une sortie unique sur N bits.

Dans une réalisation préférée de l'invention, on utilisera pour réaliser les modulateurs 103 du type quelquefois appelés dans la littérature convertisseurs, la technique des courants commutés, qui est plus particulièrement décrite dans la publication de l'IEEE de mars 1991 citée plus haut.

En fait dans ce dispositif l'encombrement maximal est essentiellement situé au niveau des lignes à retard. Lorsque la profondeur d'antenne, c'est-à-dire le retard maximal à appliquer, n'est pas trop grande, on peut alors placer tout le dispositif de formation de voies immédiatement derrière les capteurs de l'antenne, selon une disposition dite "front-end" en terminologie anglo-saxonne.

Une telle implantation est particulièrement intéressante lorsque la place disponible est réduite, ce qui est le cas par exemple pour les sonars montés dans les torpilles et surtout pour les sondes des échographes médicaux.

Dans le cas particulier des sondes pour échographes médicaux, outre la formation de voies on réalise également une focalisation du faisceau à l'intérieur de chaque voie, puisque le champ à observer est très proche de l'antenne elle-même. Cette focalisation s'obtient en appliquant aux signaux des retards qui sont fonction de la distance de l'écho à observer. En principe ces retards s'additionnent algébriquement aux retards nécessaires pour obtenir la voie désirée. Cependant il est fréquent d'utiliser, comme représenté sur la figure 3, des antennes formées de barrettes courbes qui présentent une surface extérieure 301 sensiblement cylindrique et à l'intérieur desquelles on trouve des sous-ensembles d'éléments émetteurs et récepteur tels que 302, qui permettent de définir les voies telles que 303.On utilise alors un balayage par commutation successive de ces sous-ensembles pour couvrir un secteur d'image 304. Dans ces conditions la formation de voies est obtenue par la courbure de la barrette et les seuls retards à utiliser sont ceux nécessaires à la focalisation. Ces retards étant relativement faibles peuvent alors être sans difficulté obtenus par des circuits à retard placés justement à l'intérieur de l'antenne proprement dite, comme représenté sur la figure.

Cependant, même dans le cas où les barrettes sont linéaires et nécessitent alors l'utilisation d'une technique de formation de voies dites "phased-array" en terminologie anglo-saxonne, on peut utiliser la fonction de voies selon l'invention.

Comme on l'a vu plus haut, on peut utiliser une fréquence d'échantillonnage particulièrement élevée par rapport à celle nécessaire en relation avec le théorème de Shannon. Dans ces conditions il est possible de faire varier l'instant d'échantillonnage sans nuire à la représentation du spectre, puisque l'on respectera toujours ce théorème de Shannon. Il est alors très intéressant, à titre de variante de l'invention, d'obtenir le retard nécessaire à la formation de voies non plus par des dispositifs physiques tels que des lignes à retard 103, mais justement en faisant varier l'instant d'échantillonnage. Cela réduit ainsi encore plus le volume du matériel à utiliser.

Par ailleurs, bien que la description ait été faite en regard de la figure 1 avec un retour en analogique en sortie du dispositif, il est tout à fait possible de rester en numérique pour obtenir le traitement ultérieur, par exemple en cascadant plusieurs filtres décimateurs tels que décrits dans l'article de T. Saramàki et H. Tenhunen dans la revue
ISCAS'88 page 1525 à 1528.

Enfin, compte tenu de la symétrie généralement présente dans les antennes, on peut avantageusement utiliser une seule chaîne de traitement pour traiter les signaux de deux capteurs placés symétriquement de part et d'autre du milieu de l'antenne.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de formation de voies pour système d'imagerie acoustique, du type comportant un ensemble de transducteurs (101) destinés à recevoir les signaux acoustiques et à délivrer un ensemble de signaux électriques représentant ces signaux acoustiques, des moyens de conversion analogique-numérique (102) pour convertir ces signaux électriques analogiques en signaux électriques numériques, des moyens pour retarder (103) chacun de ces signaux numériques d'une durée variable permettant de former les voies de réception souhaitées, et des moyens (105) pour additionner les signaux ainsi retardés afin d'obtenir les signaux formant les voies de réception, caractérisé en ce que les moyens de conversion analogique-numérique (102) sont des modulateurs du type S/Q.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens permettant d'additionner les signaux numériques (105) permettent en outre de pondérer chacun de ces signaux pour diminuer le niveau des lobes secondaires.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les moyens permettant d'additionner les signaux numériques sont formés d'une mémoire adressable (105).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la mémoire adressable est formée d'un ensemble de sous-mémoires (205) dont les sorties sont réunies par un ensemble d'additionneurs(208).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce, que la fréquence d'échantillonnage des signaux analogiques à convertir en numérique étant suffisamment grande vis-à-vis de la fréquence déterminée par le théorème de Shannon, les moyens permettant de retarder les signaux numériques (103) sont constitués par des moyens permettant de retarder l'instant d'échantillonnage du signal analogique.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on utilise une seule chaîne de traitement comportant un seul convertisseur du type S/! (102) pour traiter les signaux provenant de deux capteurs (101) situés symétriquement de part et d'autre du centre de l'ensemble de capteurs.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ensemble de capteurs (302) est situé dans une antenne courbe (301) d'une sonde d'échographe médicale et que les moyens de retard sont limités à des moyens permettant d'obtenir la focalisation de la voie sélectionnée.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les capteurs sont placés dans une barrette linéaire (402) formant une sonde d'échographe médical et que les moyens permettant de retarder les signaux pour obtenir les voies de réception comprennent des moyens permettant de retarder d'une manière supplémentaire ces signaux (405) pour obtenir la focalisation de ces voies.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (106, 107) pour reconvertir en analogique les signaux numériques de voies.

10. Disposition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de filtres décimateurs disposés en cascade pour utiliser en numérique le signal numérique formant les voies.