KR20000070742A - 다차원 빔형성 장치 - Google Patents

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제프리 엠. 길버트
앨리스 엠. 치앙
스티븐 알. 브로드스톤
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테라테크 코포레이션
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Abstract

본 발명은 다차원 빔형성 장치에 관한 것이고, 상기 장치는 연속 1차원 동작을 수행한다. 예를 들면, 2차원 어레이를 위한 빔조정은 어레이의 개별축상으로의 빔의 투영을 포함한다. 이러한 장치에서, 제 1 빔형성 처리 엘리먼트는 주어진 행을 따라 각각의 어레이 출력을 위한 다중빔을 형성하는데 사용된다. 바람직한 실시예에서, 제 1 처리 엘리먼트로부터의 순차적인 출력 벡터가 메모리를 전치 또는 동조시키도록 제공되고, 데이터는 어레이의 주어진 행상의 모든 엘리먼트가 제 2 빔형성 처리 엘리먼트에 제공되도록 리포맷된다.

Description

다차원 빔형성 장치 {MULTI-DIMENSIONAL BEAMFORMING DEVICE}
센서 어레이는 특정 방향으로부터 진행하는 또는 특정 방향으로 전파하는 신호 성분을 격리하는데 사용되어 왔다. 이들은 많은 응용에서 사용되어 왔다. 예를 들면, 수중 음파 탐지 장치는 잡음원의 위치를 결정하기 위해 수중 음향 신호를 처리하는 센서 어레이에서 사용되어 왔고, 이러한 어레이는 정확한 모양의 레이다빔을 발생시키기 위해 레이다 장치에서 사용되기도 한다. 수신된 신호를 격리시키기 위한 어레이 처리 기술은 빔형성으로서 공지되어 있고, 동일한 또는 유사한 원리가 신호의 전송을 포커싱하는데 사용될 때 이러한 기술은 빔조정으로 불린다.
특히, 빔형성의 프로세스를 고려해보면 원하는 방향의 빔을 형성하기 위해 상당한 수의 신호 처리 성분이 사용될 필요가 있다. 각각의 센서로부터의 신호는 전형적으로 각각의 신호가 다중 위상 시프트, 시간 지연 또는 어레이내의 센서의 개별 상대 위치와 관련된 동등한 시간 지연을 삭제하는 동작을 겪게 함으로써 대표 컴포넌트으로 분할된다. 방향성 빔을 형성하기 위해 각각의 센서로부터 시간 시프팅된 신호는 함께 합산된다. 분리된 시간 지연은 원하는 각도 방향으로부터 전달된 신호가 간섭적으로 합해지도록 하는 반면 다른 방향으로부터 전달된 신호는 간섭적으로 합해지지 않도록 선택되고 이들이 상쇄되도록 한다. 결과로서의 빔폭 및 측면로브(sidelobe) 억제를 제어하기 위해, 각각의 시간 지연된 신호는 전형적으로 어레이내의 센서의 상대적 위치에 의존하는 가중 인수에 의해 곱해지거나 또는 "진폭 쉐이딩(shaded)"된다.
따라서, 1차원에서의 빔형성은 센서와 빔 형성 프로세서 또는 빔형성기의 선형 어레이를 사용하여 비교적 수월하게 수행되고, 이는 적절한 양에 의해 각각의 센서 출력을 지연시키고, 원하는 가중 인수를 곱함으로써 각각의 센서 출력을 가중하고 다음으로 곱셈 동작의 출력을 합산한다. 이러한 빔형성기를 실행하는 한 방법은 각각의 어레이 엘리먼트에 결합된 탭핑된 지연 라인을 사용하여 임의의 방향으로의 원하는 지연이 적절한 출력 탭을 선택함으로써 쉽게 얻어질 수 있도록 하는 것이다. 다음으로, 빔 조정 동작이 적정 탭 결합으로 구성되고 적용되기 위해 가중된다.
하지만, 빔형성 프로세서는 2차원 센서 어레이가 사용될 때 더욱 복잡해진다. 시간 지연 동작의 수가 어레이 크기의 제곱에 비례하여 증가될 뿐만 아니라 각각의 센서를 해당 지연에 결합하는데 요구되는 물리적 구조 또한 복잡해진다. 동시에, 각각의 지연 유닛은 다중빔의 형성을 위한 다중 탭을 구비하여야만 한다. 다중빔이 동시에 형성될 필요가 있을 때 문제가 심각해진다.
실행 선택에 있어서, 빔형성 기술은 수중음파 탐지기에서 음향 신호를 검출하는 것에 대해 발전되어 왔다. 빔형성기가 엘리먼트의 합산과 지연을 실행하기 위해 아날로그 지연 라인 및 아날로그 신호 처리 컴포넌트에서 사용된 이러한 초기 수중음파 탐지기를 위해 고안되었다. 다음으로 저항기 네트워크가 지연된 신호를 적절하게 가중하고 합산하기 위해 사용되었다. 하지만, 이러한 기술에서 쉽게 실행될 수 있는 빔의 수는 각각의 빔이 많은 이산 지연 라인 또는 많은 탭과 많은 다른 가중 네트워크를 가진 지연 라인을 요구하기 때문에 제한된다. 결과적으로, 모든 방향으로 연속하여 볼 수 있는 주사 스위치를 사용하여 지연 라인을 공유하는 것이 일반화되어 왔다. 하지만, 이러한 근사법은 주어진 시간에서 오로지 하나의 빔만을 사용할 수 있다.
집적 회로 전자공학분야에서 실용적인 디지털 빔형성 시스템을 실행할 수 있을 정도로 발전했다. 이러한 시스템에서, 각각의 센서로부터의 신호는 빔형성이전에 가장먼저 아날로그에서 디지털로 변환된다. 빔형성기는 디지털 시프트 저항기를 사용하여 지연을 실행하고 디지털 멀티플라이어 컴포넌트를 사용하여 원하는 가중 연산을 실행한다. 시프트 저항기와 멀티플라이어 컴포넌트는 전형적으로 원하는 어레이 빔 위치를 얻기 위해 필요한 지연값 및 위상 가중치를 연산하는 알고리즘 또는 식을 사용하는 일반적인 용도의 컴퓨터에서 발생된 명령신호에 의해 제어된다. 따라서, 빔제어는 적정 명령을 연산하고 공급하는 상당히 복잡한 데이터 프로세서 및/또는 신호 프로세서를 필요로 하는데, 이는 특히 하나 이상의 빔이 동시에 형성될 경우에 더욱 그러하다.
이러한 이유로, 최소 실행 복잡성을 가지고 실시간으로 동작할 수 있는 수개의 다차원 다중빔 시스템이 존재한다.
본 발명은 빔형성 및 빔형성 장치에 관한 것이고, 특히 다차원 센서 어레이로부터 다중빔을 형성 또는 조정하기 위한 장치에서 사용되는 처리 기술에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 동시 빔형성기 페이(fay)의 직렬 실행의 블록도이다.
도 2는 센서 어레이내 여러 엘리먼트를 지시하는 부호와 이들의 빔변형을 도시한다.
도 3은 한 쌍의 직교 어레이 축상으로의 투영과 함께 형성된 빔을 도시하는 어레이의 입체도이다.
도 4는 제 1의 1D 빔형성기, 전치연산기 및 제 2의 1D 빔형성기와 이러한 컴포넌트에 의해 형성된 센서 샘플의 여러 매트릭스와 함께 도시된 본 발명의 상세 블록도이다.
도 5는 1차원 빔형성기의 직렬 실행의 블록도이다.
도 6은 전치연산기의 직렬 실행의 블록도이다.
도 7은 다중 동시 빔형성 시스템의 병렬 실행을 도시하는 도 1과 유사한 블록도이다.
도 8은 병렬 실행을 위한 컴포넌트간의 상호결합을 도시하는 상세도이다.
도 9는 병렬 실행에서 사용된 처리 엘리먼트의 상세 블록도이다.
도 10은 본 발명을 사용하는 빔조정 시스템의 블록도이다.
도 11은 다중 동시 빔형성 시스템의 고차원 실행의 블록도이다.
도 12는 프로그램가능 지연을 사용하여 빔형성하는 단계, 쉐이딩하는 단계 및 가중하는 단계를 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 전자적으로 조정가능한 음향 컨포멀 렌즈를 위한 하부어레이로 구성된 어레이를 도시한다.
도 14a는 본 발명에 따른 전자적으로 제어된 빔형성 시스템을 도시한다.
도 14b와 도 14c는 본 발명에 따른 빔형성 시스템의 추가적인 바람직한 실시예를 도시한다.
도 15는 본 발명에 따른 지연을 조정하고 주사 패턴을 쉐이딩하는 방법을 도시한다.
도 16은 본 발명에 따른 실시간 처리를 위해 지연 조건들을 병렬로 계산하는 방법을 도시한다.
도 17a 내지 도 17e는 본 발명에 따른 시스템의 개략도이다.
도 18a와 도 18b는 본 발명에 따른 전달 빔형성 시스템을 도시한다.
도 19는 본 발명에 따른 집적 회로 제어기 엘리먼트의 개략도이다.
도 20은 채널 제어기의 다른 바람직한 실시예를 도시한다.
도 21a 내지 도 21d는 순차적 및 병렬 빔형성과 관련 이미지 평면 주사 패턴을 도시한다.
도 22a 내지 도 22c는 단일 프로세서, 이중 프로세서 및 4중 프로세서 시스템에 대한 이미지 평면 주사 패턴을 도시한다.
도 23은 192개의 엘리먼트를 가진 트랜스듀서 어레이내에서의 순차적 및 병렬 빔형성의 일례를 도시한다.
도 24는 본 발명에 따른 도플러 소노그램을 형성하는 방법을 도시한다.
도 25는 2차원 어레이를 사용하는 시간에 대한 칼라 플로우를 형성하는 방법을 도시한다.
도 26은 펄스화된 도플러 초음파 이미징 시스템에 대한 블록도이다.
도 27은 칼라 플로우 맵핑을 위한 2-PDP 시스템을 도시한다.
도 28은 푸우리에 변환 프로세스에 기초한 칼라 플로우 맵 분석에 대한 순서도이다.
도 29는 최적의 평균 속도에 기초한 칼라 플로우 맵에 대한 순서도이다.
도 30은 교차-상관 과정에 기초한 칼라 플로우 맵에 대한 순서도이다.
본 발명은 연속하는 1차원 동작인 다차원 빔형성 동작을 수행하는 빔조정 또는 빔형성 장치(일반적으로, 빔형성 장치)에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 두 동작은 전치(transpose) 연산에 의해 간섭(interpose)된다. 예를 들면, 센서의 2차원 어레이를 위한 빔형성은 각각의 원하는 출력빔을 어레이의 두 개의 개별 축 각각에 투영(projection)한 세트로서 수행된다.
신호 샘플은 어레이내의 각각의 센서로부터 주기적으로 선택되고 다음으로 샘플 그룹 또는 매트릭스로서 동작된다. 제 1의 1차원(1D) 빔형성기는 샘플 매트릭스의 주어진 행으로부터의 각각의 센서 출력을 위한 다중빔을 형성하기 위해 사용된다. 다음으로, 제 1의 1D 빔형성기로부터의 다중 출력빔이 샘플 매트릭스를 리포맷(reformat)하여 센서 어레이의 주어진 열로부터의 샘플이 제 2의 1차원 빔형성기에 그룹으로 제공되도록 하는 전치 연산을 한다.
빔형성기는 직렬의 행과 열 연산으로 센서 출력의 샘플상에서 동작하거나 또는 샘플 매트릭스상에서 병렬로 연산하는 아키텍쳐를 실행할 수 있다. 직렬 실행에서, 멀티플렉서의 그룹이 제 1의 1D 빔형성기의 입력에서 사용된다. 각각의 멀티플렉서는 어레이의 주어진 열에 위치하는 센서의 출력을 순차적으로 샘플링한다. 멀티플렉서는 시간 동기화 방식으로 동작하여 주어진 시간에서 멀티플렉서 그룹으로부터의 출력이 어레이의 각각의 행에 위치하는 센서로부터의 샘플을 제공하도록 한다.
다음으로, 멀티플렉서는 원하는 각각의 각도에 대해 제 1 어레이 축상으로의 각각의 열의 투영을 계산하는 제 1 의 1D 빔형성기를 피딩(feeding)한다. 직렬 실행에서, 제 1의 1D 빔형성기는 전하 커플링된 장치(charge coupled device : CCD)로부터 형성된 탭핑된 지연 라인 세트로서 실행된다. 각각의 지연 라인은 멀티플렉서 출력중 하나를 수신한다. 많은 고정 가중 멀티플렉서는 각각의 지연 라인에서 제 1 어레이 축에 대해 원하는 각도 세트에 의해 미리 설정된 탭 위치에 결합되고 원하는 빔폭과 측면돌출부 억압에 따라 가중한다. 제 1의 1D 빔형성기의 각각의 출력은 각각의 지연 라인으로부터의 멀티플라이어 출력중 하나를 합산함으로써 제공된다.
전치연산기의 직렬 실행은 제 1의 1D 빔형성기의 각각의 출력을 위한 하나의 지연 라인을 가진 탭핑된 지연 라인 세트를 사용한다. 탭핑된 지연 라인은 점진적으로 증가하는 수의 지연 단계를 가진다. 원하는 전치 연산을 제공하기 위하여, 샘플이 제 1의 1D 빔형성기로부터 수신되는 순서와 동일한 순서로 지연 라인에 피딩되지만, 샘플은 다른 순서로 지연 라인으로부터 판독된다. 특히, 주어진 시간에서 빔형성기의 출력은 지연 라인중 하나의 최종 단계의 특정 세트로부터 모두 선택된다.
마지막으로, 제 2의 1D 빔형성기는 제 1의 1D 빔형성기와 동일한 방식으로 탭핑된 지연 라인, 고정 가중 멀티플라이어 및 합산기 세트로 구성된다. 하지만, 제 2의 1D 빔형성기에 의해 제공된 가중 및 지연은 어레이의 제 2축에 대해 형성될 원하는 각도의 세트에 의해 결정된다.
본 발명의 병렬 실행에 있어서, 멀티플렉서는 사용되지 않고, 대신에 어레이의 출력이 센서로부터 모두 선택된 샘플상에서 동시에 동작하는 병렬 처리 엘리먼트 세트에 곧바로 피딩된다. 각각의 처리 엘리먼트는 제 1 어레이 축에 대해 각각의 원하는 각도에서 빔형성된 센서의 열중 하나로부터 선택된 샘플에 해당하는 빔형성된 출력 세트를 형성한다. 이러한 병렬 실행에서, 전치 연산은 제 1의 1D 빔형성기내의 처리 엘리먼트의 출력을 제 2의 1D 빔형성기의 적절한 입력으로 간단히 루트 설정함으로써 수행된다. 제 2의 1D 빔형성기 또한 병렬 처리 엘리먼트로서 실행되고, 이러한 처리 엘리먼트는 어레이의 행중 하나로부터 선택되고 제 2 어레이 축에 대해 각각의 원하는 각도에서 빔형성된 것에 해당하는 빔형성된 샘플상에서 동작한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 저전력 시간 영역 지연과 합산 빔형성 프로세서는 컨포멀(conformal) 음향 렌즈를 제공하기 위해 프로그램 가능 지연 회로를 순차적으로 포함한다. 이러한 전자적으로 조정가능한 음향 컨포멀 렌즈는 이미징을 위해 시야각과 이들의 출력을 간섭적으로 합산되도록 분리 제어할 수 있는 다수의 하부어레이를 가진다.
본 발명은 종래의 빔형성기보다 실질적인 장점을 가진다. 예를 들면, 10×10 음향 어레이에 대해 100개의 빔을 조정할 수 있는 장치가 3.5메가헤르츠(MHz)의 비교적 낮은 클록률로 동작하고 초당 대략 140억 곱셈-축적 동작을 하는 연속 등가 처리율을 나타내는 단일 집적 회로 칩상에 설치된다.
본 발명은 첨부된 청구항에 지적되어 있다. 본 발명은 이상의 및 추가의 장점은 이하의 첨부된 도면을 참조로 하여 이하에서 상세히 설명될 거이다.
도 1은 본 발명의 직렬 실행에 따른 2차원 평탄한 센서 어레이를 사용하기 위한 시스템(10)을 도시한다. 도 1에 도시된 시스템(10)은 빔형성 시스템 즉, 수신된 신호를 검출하는 센서(12)로 동작하는 시스템(10)이다. 하지만, 이하의 설명으로부터 본 발명이 센서(12)가 신호를 전달하고 신호 방향이 반대가 되는 빔조정 시스템에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
빔형성 시스템(10)은 평탄한 어레이(14)내에 위치하는 많은 센서(12), n개의 멀티플렉서(17-0, 17-1,....17-(n-1)), 제 1의 1D 빔형성기, 전치연산기(20) 및 제 2의 1D 빔형성기(22)로 구성된다.
어레이(14)는 m개의 열(15-0, 15-1,..., 15-(m-1))m의 어레이내에 위치하는 많은 센서(12)로 구성되고, 각각의 열은 n개의 센서(12)를 가지고, n개의 행(16-0, 16-1,...16-(n-1))은 m개의 센서(12)를 가진다. 어레이는 정사각형일 수도 있고 아닐 수도 있다 즉, n은 m과 같을 수도 있고 아닐 수도 있다.
센서(12)의 정확한 형태는 시스템(10)의 특정 사용에 따른다. 예를 들면, 수중 음파 탐지기에 사용하도록 고안된 시스템(10)에서, 각각의 센서(12)는 하이드로폰(hydrophone)이다. 레이다 시스템에 사용될 때, 각각의 센서(12)는 안테나이다.
시스템(10)의 컴포넌트의 나머지는 다중 출력빔(24)을 동시에 형성하도록 동작한다. 시스템(10)의 구조와 동작에 대한 상세한 설명 이전에, 여러 센서(12)를 도 2에 도시된 바와 같은 참조부호로 한정하는 것이 바람직하다. 특히, 어레이(14)내의 각각의 (n×m) 센서(12)는 자신의 상대 수평 및 수직 위치 (x, y)에 따라 표현된다. 따라서, 예를 들면, 참조부호 Dx, y는 열수 x, 행수 y에 위치하는 센서(12)에 의해 제공된 신호를 나타낸다.
참조부호 Dx, v는 어레이(14)에 대해 특정각 v에서 주어진 열 x에 위치하는 모든 센서를 사용하여 형성된 빔을 가리킨다. Dw, y는 어레이에 대한 각 w에서 주어진 열 y내의 센서(12)를 사용하여 특정각 w에서 형성된 빔을 나타낸다. 참조부호 Dw, v는 어레이(14)에 대해 2차원각(w, v)에서 형성된 빔을 나타낸다. Dw, v[t]는 각 (w, v)에서, 시간 t에서 또는 어레이(14)의 (x, y) 평면으로부터 깊이 t에서 형성된 빔을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 동작이 더 잘 이해될 수 있다. 특히, 도 3은 평탄한 어레이(14)를 입체도로 도시하고 어레이(14)가 위치하는 (x, y) 평면에 대한 각 (w, v)사어에 형성된 예시적인 빔을 도시한다. 추가의 제 3축 z가 도시되고 (x, y) 평면에 직교하는 것을 한정된다.
도면으로부터 알 수 있듯이, 각 (w, v)에서 형성된 빔(26)은 z축과 각각의 어레이 축 x와 y에 의해 형성된 두 평면상에 투영된 한 쌍의 성분을 가지는 것을 간주된다. 특히, 빔(26)은 x축에 대해 각 w를 형성하는 xz 평면내에 제 1 성분(26-1) 뿐만 아니라 y축에 대해 각 v를 형성하는 yz 평면내에 제 2 성분(26-2)를 가진다.
빔(26)이 직교 평면 xz 및 yz상에 투영된 한 쌍의 성분(26-1, 26-2)으로 표현된다는 이러한 가정은 먼-필드(far field) 연산 근사가 어레이(14)로부터 수신된 처리 신호에 대해 유효하다는 가정에 기초한다. 먼-필드(far-field) 근사는 예를 들면, 대부분의 수중 음파 탐지기 응용에 있어서의 어레이(14)에 대해 유효하다. 이러한 응용에서, 센서(12)는 전형적으로 대략 1미터 이격하여 위치하고, 음원(sound source)은 어레이(14)로부터 100미터 또는 그 이상에 위치한다. 그러므로, 먼-필드 근사 가정은 센서 이격 l이 감지될 음원으로부터의 거리보다 더 작은 응용에서 유효하다. 어레이 센서 이격과 음원에 대한 거리 사이의 크기의 적어도 두 배의 차이가 근사값을 유효하게 하는데 충분하다.
따라서, 다양한 각 (w, v)에서 많은 원하는 빔(26)을 형성하는데 요구되는 동작은 센서 출력상에서의 한 쌍의 연속 1차원 동작으로 분리될 수 있다. 주어진 방향 (w, v)내의 빔조정은 x축에 대해 각 w를 형성하는 xz 평면상으로의 빔(26)의 투영과 뒤이은 y축에 대해 각 v를 형성하는 yz 평면상으로의 투영에 의해 달성될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 제 1의 1D 빔형성기(18)가 xz 평면상으로의 빔의 투영을 수행한다는 것과 yz 평면상으로의 투영이 제 2의 1D 빔형성기(22)의 순차적인 동작에 의해 수행된다는 것을 알 수 있다. 제 1의 1D 빔형성기(18)는 어레이(14)의 주어진 행(15)에 위치하는 센서(12)로부터 신호 출력의 샘플을 선택함으로써 각각의 원하는 빔 각 v에 대한 빔 세트를 형성한다. 제 1의 1D 빔형성기(18)로부터의 출력은 전치연산기(20)에 의해 재배치되고, 주어진 열(16)로부터 유도된 빔형성된 출력을 함께 배치한다. 이는 제 2의 1D 빔형성기(22)로 하여금 각각의 각 w에서 원하는 동작을 수행하도록 하는 반면, 동시에 제 2의 1D 빔형성기(22)로 하여금 제 1의 1D 빔형성기(18)와 동일한 내부 구조를 가지도록 한다.
도 4는 제 1의 1D 빔형성기(18), 전치연산기(20) 및 제 2의 1D 빔형성기(22)의 동작을 상세히 도시한다. 형성될 빔의 수는 센서(12)의 수와 동일하여, 주어진 각에서 빔(26)의 2차원 어레이가 형성되도록 하는 것으로 가정된다:
(wi, vj) I=0 내지 n-1일 때
및 j=0 내지 m-1일 때
하지만, 빔은 어레이와 동일한 방향일 필요는 없고, 빔(26)의 전체 수가 센서(12)의 전체 수와 동일할 필요는 없다는 것을 숙지한다.
도 4는 샘플 매트릭스와 같이 배치된 센서(12)로부터의 입력을 도시한다. 특히, 제 1의 1D 빔형성기(18)로의 샘플 입력은:
(Di, j) I=0 내지 n-1
및 j=0 내지 m-1
각각의 개별 열과 행 위치로 배치된 센서로부터 선택된 신호 샘플이다. 샘플은 시스템(10)에 의해 2차원 그룹 또는 매트릭스상에서 동작하고, 어레이(14)로부터 선택된 샘플 세트는 매트릭스(30)로 불린다.
제 1의 1D 빔형성기(18)는 각각의 원하는 빔 각(w0, w1,..., w(n-1))에서 x 방향을 따라 빔형성 동작을 수행한다. 예를 들면, 출력 Dw0, y0은 빔 각 w0에서 빔형성된 0의 열 좌표를 가진 샘플을 나타낸다. 즉, 출력 Dw0, y0은 원하는 빔 각 중 하나 w0에서 열 15-0내에 위치하는 샘플(D0, 0; D0, 1;...,D0,(n-1))상에서의 빔형성 동작의 결과를 나타낸다. 이와 유사하게, Dw1, y0은 빔 각 w1에서의 빔형성기(18)의 출력에 해당하고, 나머지도 마찬가지이다.
따라서, 제 1의 1D 빔형성기(18)에 의한 제 1 빔형성된 매트릭스(32) 출력은 원하는 빔 각 w0, w1,..., w(n-1)으로 x축을 따라 빔형성된 입력 샘플 Dx, y를 나타낸다.
전치연산기(20)는 제 1 빔형성된 매트릭스(32)의 열과 행을 전치하여 전치된 매트릭스(34)를 형성한다. 전치된 매트릭스(34)는 주어진 행에 위치하는 동일한 해당 y값을 가진 빔형성된 샘플 및 주어진 열에 위치하는 동일한 빔 각 w를 가진 빔형성된 샘플을 배치시킨다. 이는 제 2의 1D 빔형성기로 하여금 j-0 내지 (m-1)에 대해 다른 각 vj을 가지고 각각의 열내의 샘플상에서 1D 빔형성 동작을 수행하도록 한다.
결과적으로, 제 2의 1D 빔형성기(22)로부터의 출력 매트릭스(36)는 각 (w0, v0)에서의 빔을 나타내는 출력 Dw0, v0 및 각 (w0, v1)에서의 빔에 해당하는 출력 Dw0, v1 등을 가지는 2차원 빔형성된 출력(24)을 나타내고, 나머지도 마찬가지이다. 다시 말해, 제 2의 1D 빔형성기(22)의 샘플 출력은 원하는 각에서 형성된 모든 2차원 빔에 해당한다;
(wi, vj) I=0 내지 n-1 및
j=0 내지 m-1 .
비록 도 4가 1D 빔형성기(22)가 y축을 따라 이동하기 전에 x축을 따라 이동하는 1D 빔형성기(18)를 도시하지만, 1D 빔형성 동작의 순서는 상호교환가능하다는 것을 주목한다.
본 발명의 직렬 파이프라인형 실행을 위해, 도 4의 매트릭스는 제 1의 1D 빔형성기(18), 전치연산기(20) 및 제 2의 1D 빔형성기(22)에 의해 샘플이 동작하는 시간 시퀀스를 도시하는 것으로서 설명될 수 있다. 예를 들면, 도 4에서 매트릭스(30)내의 각각의 열은 도 1의 n개의 멀티플렉서(17)중 특정한 하나로부터 선택된 샘플을 나타낸다. 그러므로, 도 1의 멀티플렉서는 주어진 열(13)내의 엘리먼트중 하나의 출력을 순차적으로 선택한다. 예를 들면, 제 1 멀티플렉서(17-0)는 어레이(14)의 제 1 열(16-0)에 위치하는 센서(12)의 출력을 순차적으로 샘플링한다. 이와 유사하게, 제 2 멀티플렉서(17-1)는 어레이(14)의 제 2 열(16-1)에 위치하는 센서(12)의 출력을 순차적으로 샘플링한다. 멀티플렉서는 각각의 센서(12)가 fs의 샘플링율로 효과적으로 샘플링되도록 순차적으로 동작한다.
매트릭스(30)의 맨 왼쪽의 열은 도 1의 제 1 멀티플렉서(17-0)로부터 선택된 출력의 순서를 나타낸다. 시간 시퀀스는 매트릭스(30)의 하단 행에서 시작하여 열을 따라 위쪽으로 동작한다. 그러므로, 샘플은 멀티플렉서(17-0)에 의해 시퀀스(Dx0, y0; Dx0, y1;...;Dx0, ym-1)로 출력된다. 멀티플렉서(17)가 병렬 행 동기화 방식으로 동작하기 때문에, 제 1 행(15-0)상에 위치하는 센서(12)로부터 선택된 샘플 즉, 샘플(Dx0, y0; Dx1, y-0; Dx2, y0;...;Dx(n-1), y0)이 제 1의 1D 빔형성기(18)에 동시에 제공된다. 다음으로, 제 2 행(15-1)로부터의 샘플 즉, 샘플(Dx0, y1; Dx1, y1;...; Dx(n-1), y1)이 제 1의 1D 빔형성기(18)에 제공되고, 나머지도 같은 방식으로 제공된다.
제 1의 1D 빔형성기(18)가 주어진 행(15)내의 샘플상에서 1D 빔형성 동작을 수행하기 때문에, 제 1의 1D 빔형성기는 샘플의 새로운 행이 장치와 동작에 반복적으로 즉시 공급되도록 파이라인형 장치로서 실행될 수 있다.
도 5는 10×10 센서 어레이(14)를 위한 제 1 빔형성기(18)의 직렬 파이프라인형 실행의 상세도이다. 도시된 1D 빔형성기(18)는 10개의 탭핑된 지연 라인(40-0, 40-1,..., 40-9)로 구성되고, 탭핑된 지연 라인(40)은 멀티플렉서(17-0, 17-1,..., 17-9)중 해당하는 하나로부터의 출력에 결합된다. 멀티플렉서의 제 1 그룹(41-0-0, 41-0-1,..., 41-0-9)는 제 1 탭핑된 지연 라인(40-0)과 관련하고, 멀티플렉서의 제 2 그룹(41-1-0, 41-1-1,..., 41-1-9)은 제 2 탭핑된 지연 라인(40-1)과 관련하고, 다음도 마찬가지이다. "x0"로 지시된 샘플 즉, 샘플(Dx0, y0; Dx0, y1;...; Dx0, y9)은 제 1 탭핑된 지연 라인(40-0) 상부의 참조부호 Dx0이 반복되는 시퀀스로 탭핑된 지연 라인(40-0)의 입력에 공급된다.
특정 위치로부터의 신호의 상대 전파 지연을 계산하기 위해 탭핑된 지연 라인(40)이 센서 출력내에 적절한 지연을 삽입한다. 지연 라인(40)은 특정 다수의 지연 단계로부터의 출력이 멀티플라이어(41)의 입력에 제공되도록 각각 탭핑된다.
각각의 지연 라인(40)의 내부 클록률은 입력 샘플율 fs의 10배이고 각각의 지연 라인(40)으로의 10개의 센서의 샘플링을 가능케 한다. 각각의 지연 라인(40)내의 전체 단계 수는 각 w중 최대로 요구되는 하나에서 빔형성과 관련된 최대 지연을 제공하기에 충분하다. 예시된 실행에서, 지연 라인(40-0)의 전체 길이는 대략 1350단계이고 10개의 동일하게 이격된 각 w를 제공하는 10개의 탭 위치 세트를 가진다.
탭 위치 즉, 개별 멀티플라이어(41)에 대한 입력이 선택되는 정확한 위치는 원하는 수의 빔에 의존한다. 원하는 빔 모양은 멀티플라이어(41)에 제공된 가중치에 의해 한정된다.
따라서, 입력 샘플의 각각의 행(15)으로부터 10개의 빔을 형성하는 어레이(14)에 대해, 제 1의 1D 빔형성기(18)는 10개의 탭핑된 지연 라인으로 구성되고, 각각의 지연 라인은 10개의 탭과 10개의 멀티플라이어(41)를 가진다.
만일 원하는 빔의 수와 위치가 미리 알려진다면, 멀티플라이어(41)에 가중치로서의 탭 위치와 일정한 값 입력은 하드 와이어링될 수 있거나 또는 마스크 프로그램 가능하다.
탭핑된 지연 라인(40)은 바람직하게는 고정 가중 멀티플라이어를 가진 전하 커플링된 장치(CCD)형 지연 라인으로서 실행된다. 본 발명의 바람직한 실행은 공동계류중인 수잔느 에이. 폴에 의해 1995년 12월 27일 출원된 미국 특허출원번호 제 08/580,427호인 "전하 영역 발생 및 복재 장치"에 개시되어 있고, 여기서는 참조를 위해 인용된다.
멀티플라이어(41)의 출력은 합산되어 원하는 다중 동시 빔형성 함수를 얻는다. 다음으로 멀티플라이어(40)로부터 가중된 출력은 동시에 합산되어 주어진 행을 따라 원하는 빔 출력을 형성한다. 예를 들면, 출력 Dwo는 각각의 탭핑된 지연 라인(40)과 관련된 최종 멀티플라이어(41-0-9, 41-1-9,..., 41-9-9)의 출력을 합산함으로써 선택된다.
도 6은 전치연산기(20)의 파이프라인형 직렬 실행의 상세 블록도이다. 10×10 어레이에 의한 실행에서, 전치연산기(20)는 10개의 병렬 입력을 유지하고 이후에 10개의 연속한 입력 샘플 시간 주기가 도 4에 따른 전치된 10×10 매트릭스를 형성한다. 직렬 동작을 위한 이러한 실행에서, 각각의 10개의 입력(Dx0, Dx1,.., Dx9)이 샘플 탭핑된 지연 라인(50-0, 50-1,..., 50-9)에 공급된다. 탭핑된 지연 라인(50)은 입력 샘플링율로서 동일한 클록율 fs로 동작한다.
각각의 지연 라인(50) 내부의 지연 단계의 수는 열 지표에 따라 점진적으로 증가한다. 예를 들면, 제 1 탭핑된 지연 라인(50-0)은 매트릭스 행의 수 m보다 하나 더 많은 길이 즉, 11단계를 가지고, 제 2 지연 라인(50-1)은 12단계를 가지고, 10번째 지연 라인(50-9)이 20단계 길이를 가질 때까지 계속된다. 각각의 지연 라인(50)중 최종 10단계만이 탭핑되어 출력을 제공한다.
동작시, 각각의 지연 라인과 관련된 탭은 지연 라인과 관련된 시간 슬롯내에서 동시에 인에이블링된다. 예를 들면, 제 1 시간 p0에서 제 1 지연 라인(50-0)으로부터 모든 탭은 10개의 출력(Dw0, y0; Dw0, y1;...; Dw0, y9)을 제공한다. 제 2 시간 p1에서, 제 2 지연 라인(50-1)으로부터의 탭만이 인에이블링된다. 이러한 시간 p9에서 최종 지연 라인(50-9)상의 탭이 인에이블링될 때까지 계속된다.
도 7은 다중 동시 빔형성 시스템(10)의 병렬 실행의 블록도이다. 도면으로부터 알 수 있듯이, 어레이(14)의 배치는 도 1의 직렬 실행과 유사하다. 하지만, 이러한 실행에서 멀티플렉서가 제거되고 모든 n×m 센서 출력은 제 1의 1D 빔형성기(118)에 곧바로 제공된다. 제 1의 1D 빔형성기(118), 병렬 전치연산기(120) 및 제 2의 1D 빔형성기(122)는 도 4의 매트릭스 동작과 동일하게 수행되는 점에서 직렬 실행과 유사하다. 하지만, 직렬 실행과는 달리 병렬 실행은 하드웨어를 복제한다.
도 8은 10×10 어레이를 위한 병렬 실행의 상세도를 도시한다. 센서(12)로부터의 100개의 샘플(Dx0, y0; Dx1, y0;...; Dx9, y9)이 10개의 처리 엘리먼트(140-0, 140-1,..., 140-9)의 뱅크에 곧바로 제공된다. 처리 엘리먼트(140-0)와 같은 주어진 처리 엘리먼트(140)는 어레이(14)의 특정 행(150-0)로부터 샘플(Dx0, y0; Dx1, y0;...; Dx9, y0)을 수신하고 이에 따라 처리 엘리먼트(140-0)는 이러한 행에 대한 10개의 빔형성 샘플(Dw0, y0; Dw1, y0;...; Dw9, y0)을 제공한다.
10개의 처리 엘리먼트(140)는 병렬로 동작하여 x축을 따라 형성된 10개의 개별 빔의 출력을 나타내는 100개의 출력(Dw0, y0; Dw1, y0;...; Dw9, y9)을 동시에 형성한다.
이러한 병렬 실행에서, 전치연산기(20)는 제 1의 1D 빔형성기(18)의 출력을 제 2의 1D 빔형성기(22)의 입력으로 적절하게 루트를 설정한다.
제 2의 1D 빔형성기(122)는 제 1의 1D 빔형성기(118)와 동일한 방법으로 실행되고 처리 엘리먼트(142-0, 142-1,..., 142-9)의 뱅크를 포함한다. 10개의 처리 엘리먼트(142)는 병렬로 동작하여 100개의 빔형성된 출력(Dw0, v0; Dw1, v1;...; Dw9, v9)을 형성한디.
예시적인 병렬 처리 엘리먼트(140-0)가 도 9에 상세히 도시되어 있다. 직렬 실행과 유사하게 병렬 처리 엘리먼트(140-0)는 10개의 탭핑된 지연 라인(144-0, 144-1,..., 144-9)로 구성되고, 이들은 병렬로 동작하고 센서 출력에 지연을 삽입하여 측정 위치로부터의 신호의 상대 전파 지연을 계산한다. 센서 출력은 가중 인수가 곱해지고 다음으로 합산된다. 이전의 실시예에서와 같이, 멀티플라이어(146-0-0, 146-0-1,..., 146-0-9) 세트에 의해 다른 가중치가 주어진 지연 라인(144-0)의 다른 탭에 제공된다. 직렬 실행에서, 동시에 다중 빔형성을 이루기 위해, 다중 탭이 각각의 지연 라인(144)을 따라 결합된다, 가중된 탭 출력은 합산기 세트(148-0, 148-2,.., 148-9)에 의해 합산되어 특정 빔 출력을 형성한다.
이러한 병렬 실행에서, 실시간 처리를 이루기 위해 지연 라인(144)의 클록율은 10배 더 느리다 예를 들면, 클록율은 입력 샘플링율 fs과 동일할 필요는 없다. 하지만, 필요한 빔형성 매트릭스(32)를 형성하기 위해 처리 엘리먼트(140)중 10개가 필요하다는 것이 트래이드-오프(trade-off)이다.
제 2의 1D 빔형성기(122)와 관련된 처리 엘리먼트(142)는 예시적인 처리 엘리먼트(140-0)와 유사하다.
도 10은 본 발명의 빔조정 실행을 도시한다. 여기서, 센서(12)는 송신 장치이고, 샘플의 흐름은 반대 방향이다. 또한, 멀티플렉서(17)는 디멀티플렉서(117)로 대체된다. 다른 점에서는 빔조정 장치(10)의 동작은 도 1의 빔형성 장치의 동작과 유사하다.
도 11을 참조하면, 본 발명은 고차원 빔형성 또는 빔조정을 제공할 수 있다. 예를 들면, 3차원 빔형성기(220)는 앞에서 설명된 바와 같이 제 1의 1D 빔형성기(218), 제 1 전치연산기(220) 및 제 2의 1D 빔형성기(222)와 제 2 전치연산기(224) 및 제 3의 1D 빔형성기(226)로부터 실행된다. 빔형성을 위한 제 3 축은 3차원 어레이로 배치된 센서 세트에 의해 제공된 축이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예는 대형 2차원 트랜스듀서 어레이의 복귀를 동시에 처리할 수 있는 시간-영역 지연-및-합산 빔형성 프로세서에 관한 것이다. 저전력 고집적 빔형성기는 전체 어레이의 실시간 처리 및 많은 다른 응용에 적합한 소형의 입수가능한 유닛을 가능케 한다. 지연-및-합산 빔형성기는 2D 어레이로 하여금 특정 위치에서 전파하는 신호를 "향할 수(look)" 있도록 한다. 각각의 어레이 엘리먼트와 관련된 지연을 조정함으로써 어레이의 방향성이 방사원을 향해 전자적으로 조정가능하게 된다. 빔형성기의 지연 및 2D 이미징 평면을 따라 쉐이딩을 규칙적으로 변화시킴으로써, 도시된 어레이의 2D 주사 응답이 측정될 수 있고 2D 방사원을 나타내는 2D 이미지를 형성할 수 있다.
3D 초음파/수중 음파 탐지 이미징 시스템(300)을 위한 시간-영역 빔형성 장치의 개략도가 도 2에 도시되어 있다. 이러한 시스템은 시야를 통해 초당 30프레임이상의 연속 실시간 대형 영역 2D 주사 이미지를 제공한다. 이미지 크기는 전체적으로 프로그램 가능하고, 이는 예를 들면, 128×128 또는 256×256이다. 지연-및-합산 빔형성 방법은 타겟 범위가 타임-오브-플라이트(time-of-flight) 연산으로부터 얻어질 수 있도록 한다. 타겟 영역기 전자적으로 조정된 이미징 시스템에 의해 식별될 때, 빔형성 전자회로는 고분해능 이미지를 위한 더 적은 시야로 줌-인되도록 조정될 수 있다. 게다가, 주어진 최대 송신밀도를 위해, 정합된 필터(312)가 빔형성된 출력에 제공되어 추가의 감도를 제공한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 프리앰플리퍼 시간-이득 제어(302)와 광대역 샘플링(304)이 트랜스듀서 출력 신호상에서 수행된다. 프로그램 가능 지연(306), 쉐이딩(308) 및 합산(310)이 수행되어 빔형성된 출력을 발생시킨다. 정합 필터링(312) 이후에, 이들의 결과인 2D 이미지가 디스플레이된다(314).
코드화된 또는 분포된 스펙트럼 신호화를 사용하는 것이 통신에 있어서 호응을 얻고 있다. 이는 이제는 위성, 휴대전화 및 무선 디지털 통신 시스템에서 널리 사용되고 있다. 대조적으로, 음향 시스템에 대한 이러한 기술의 적용은 전자기파 전파의 경우에 비해 수중 또는 공기중에서의 신호 전파 조건 및 비교적 낮은 음속(100m/s)으로 인해 사용되지 않았었다.
이러한 문제점에도 불구하고, 수중 음향 시스템에서 코드화된 신호를 사용하는 것은 예를 들면, 고분해능 이미징의 가능성을 제공하면서도 외부 검출의 가능성을 상당히 저하시킨다는 장점을 가진다. 이러한 신호는 또한 전체 시스템 검출 감도를 개선시키는 신호 처리 이득을 제공한다.
직접 시퀀스 변조는 코드 시퀀스에 의한 캐리어 신호의 변조이다. 실제적으로, 이러한 신호는 AM(펄스), FM, 진폭, 위상 또는 각 변조일 수 있다. 특정 시간 주기 이후에 반복되는 이진값의 시퀀스로 구성된 의사무작위 또는 PN 시퀀스일 수 있다.
직접 시퀀스 시스템를 사용함으로써 실현된 처리 이득은 정보의 비트율에 대한 송신된 신호의 함수이다. 계산된 이득은 RF로부터 정보 대역폭 트래이드오프로부터의 증가된 양이다. 직접-시퀀스 변조를 사용함으로써, 프로세스 이득은 기초대역 채널내의 정보에 의해 분할된 RF-분포된 스펙트럼 신호 대역폭의 비와 같고 즉, GP=BWRF/R 여기서, R은 전형적으로 디지털 통신에 대한 비트/Hz로서 표현된다.
빔형성 시스템의 목적은 트랜스듀서 어레이상에 이미지 포인트로부터 수신된 신호를 포커싱하는 것이다. 특정방향으로 전파하는 웨이브프론트에 빔형성기내 적절한 지연을 삽입함으로써, 원하는 방향으로부터 도달한 신호가 간섭적으로 합해지는 동안 다른 방향으로부터의 신호는 간섭적으로 합해지지 않거나 또는 제거된다. 다중-빔 시스템에서, 분리 전자회로가 각각의 빔에 대해 필요하다.
통상적인 실행을 사용하여, 이에 따른 전자회로는 빔의 수가 증가함에 따라 부피가 커지고 고가가 된다. 전형적으로, 고분해능 빔형성기의 가격, 크기, 복잡성 및 전력 요구조건 때문에 전형적으로 수중 음파 탐지 어레이에서 사용된 많은 트랜스듀서 엘리먼트를 형성하는 "워크-어라운드(work-around)" 시스템에 사용되지 않았다. 전형적인 구성은 중심빔과 더불어 중심으로부터 상하좌우에 인접한 4개의 빔을 사용한다. 빔은 원하는 5개의 방향에서 간섭성 합산을 위해 각각 위상차를 가진 어레이내에 50 또는 그이상의 엘리먼트로부터 각각 형성된다. 이러한 많은 엘리먼트를 사용하는 장점은 더 적은 어레이에 비해 더 좁은 대역폭을 가진다는 것이지만 외부에 대한 정보는 여전히 5개의 화소 이미지에 기초한다. 실시간 3D 고분해능 수중 음향 탐지 이미징 응용에 있어서, 지연-및-합산 연산 알고리즘에 기초한 전자적으로 조정가능한 2차원 빔형성 처리를 사용하는 것이 바람직하다.
지연-및-합산 빔형성기는 2D 어레이가 특정 방향으로 전파하는 신호를 "향할 수" 있도록 한다. 어레이의 각각의 엘리먼트와 관련된 지연을 조정함으로써, 어레이의 "향하는" 방향 또는 시야는 방사원을 향해 전자적으로 조정될 수 있다. 빔형성기의 지연 및 이에 따른 쉐이딩 또는 어포다이제이션(apodization)을 2D 이미징 평면을 따라 규칙적으로 변화시킴으로써, 어레이의 2D 주사 응답이 측정될 수 있고 2D 방사원을 나타내는 이미지가 발생될 수 있다. 이러한 지연-및-합산 빔형성기를 실현하기 위해, 프로그램 가능 지연 라인이 각각의 수신기에 필요하다. 하지만, 어레이가 이미징 평면을 통해 주사되기 때문에, 두 가지 단점이 있다: 첫 번째로는 각각의 지연 라인이 대형 영역 어레이의 경로차를 보상하기에 충분히 길어야 한다는 것이고, 두 번째는 지연값이 적정 빔조정기에 대한 각각의 클록 사이클에서 조절되어야만 한다는 것(즉, 방사원으로부터 포커스 포인트로의 타임-오브-플라이트가 모든 클록 사이클에서 계산되어야 한다는 것)이다. 예를 들면, 1 또는 2센티미터의 분해능을 가진 10m 범위의 요구조건에 대해 40㎝ 범위의 어레이 개구부가 요구된다. 30도 주사 볼륨을 실현하기 위해 70㎲의 최대 지연이 필요하다. 이는 타임-오브-플라이트 지연 요구조건을 이루기 위해 각각의 수신에서 2,300-단계 지연 라인과 12-비트 제어어(control word)가 필요하다는 것을 의미한다. 긴 지연과 다양한 디지털 I/O가 하나의 칩상에 얼마나 많은 프로세서가 집적될 수 있는지에 관한 상한선을 설정한다. 예를 들면, 64-채널 시간 영역 빔형성 전극에 대해, 직선 실행은 64 2,300-단계 지연 라인과 768 디지털 I/O 패드를 필요로 한다. 이러한 대형 영역 칩과 다수의 I/O 결합은 실행이 불가능하도록 한다.
실행불가능한 긴 지연 라인 요구조건을 피하기 위해 전자 빔형성 구조가 설명되었고, 디지털 I/O 요구조건을 감소시키기 위해 타임-오브-플라이트 표면 좌표의 결정에 기초하여 지연-업데이트 계산이 제안되었다. 이러한 전자 프로그램 가능 빔형성 구조물은 전자적으로 조정/제어 가능한 가상 음향 렌즈와 같은 역할을 한다. 이러한 이유로, 이러한 장치는 여기서 전자적으로-제어된 컨포멀 렌즈라 불린다.
전자적으로-제어된 음향 컨포멀 렌즈는 비교적 작은 하부어레이의 평면 "타일"이 제공되는 2D 트랜스듀서 어레이의 분할된 표면을 사용한다. 도 13의 실시예에 도시된 바와 같이, 타일/하부어레이(320)는 매우 작게 형성되어, 물체가 이미징 시스템내의 시야내에 놓일 때, 물체로부터 각각의 "타일"로 입사하는 방사능(322)이 먼-필드 접근법을 사용하여 처리될 수 있도록 한다. 추가의 지연 엘리먼트가 각각의 하부어레이에 결합되어 모든 하부어레이가 간섭적으로 합산되도록 한다(즉, 지연과 다음으로 모든 하부어레이로부터의 출력을 합산함으로써 글로벌 근-필드(near field) 빔형성이 얻어진다). 지연-및-합산 빔형성기는 각각의 하부어레이(324)가 형상(324a)과 형상(324b) 사이의 차이로 도시된 바와 같이 특정 방향으로부터 방사하는 신호를 "향할 수" 있도록 한다. 어레이의 각각의 엘리먼트와 관련된 지연을 조절함으로써, 어레이의 시야각 방향이 방사원쪽으로 전자적으로 조정된다. 하부어레이의 각각의 엘리먼트의 지연 라인 요구조건은 수백 단계만큼 짧을 수 있다. 글로벌 합산을 위한 단일 긴 지연만이 각각의 하부어레이 프로세서에 필요하다.
본 발명에 따른 전자적으로-제어된 빔형성 시스템의 상세도가 도 14a에 도시된다. 이러한 시스템은 병렬 하부어레이 프로세서(3301내지 330N)의 뱅크로 구성된다. 각각의 프로세서는 두 개의 컴포넌트를 포함하는 단일 집적 실리콘 회로이고, 이러한 컴포넌트 먼-필드 빔조정/포커싱을 위한 2D 하부어레이 빔형성기(332) 및 각각의 하부어레이로부터의 출력의 계층적 근-필드 빔형성을 가능케 하는 추가의 지연 라인(334)이다. 이상에서 언급한 바와 같이, 각각의 수신기 엘리먼트와 관련된 지연은 하부어레이가 특정 방향으로부터 도달된 신호에 대해 "향할 수" 있도록 조절되어야 한다. 도 14a로부터 알 수 있듯이, m-엘리먼트 하부어레이에 대해, m-병렬 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인(3401내지 340m)이 지연 조정을 위해 사용된다. 각각의 지연 라인내에서, 타임-오브-플라이트 계산 회로(342)가 탭핑된 지연 라인 출력을 비-파괴적으로 감지하는 전하-영역 회로로부터의 탭 위치 출력을 선택하는데 사용된다. 이러한 전하 감지 메커니즘의 부정확성은 10-6이하의 전하 이동 부효율성에 의해서만 제한된다. 결과적으로, 지연은 지연 분해능이 클록율에 의해 결정되는 모든 클록 사이클에서 동적으로 조절될 수 있다. 1ns 이하로 제어될 수 있는 클록 스큐우(skew)를 제외하고, 다른 스퓨리어스 또는 분포 효과는 없다. 각각의 수신기는 빔 쉐이딩/어포다이제이션을 위한 멀티플라이어(344)를 가진다. 각각의 프로세서내에서, 모든 멀티플라이어는 공통 출력(346)을 공유한다. 합산된 전하가 제 2 탭핑된 지연 라인(350)에 공유되고, 이는 각각의 하부어레이로부터의 지연이 조절되어 모든 하부어레이가 동일한 방사원을 향할 수 있도록 한다. 전하-영역 A/D 컨버터(352)가 계층적 합산(354)이 디지털화하여 출력되도록 사용된다.
다운변환을 가진 수중 음파 탐지 빔형성기를 위한 시스템이 도 14b와 도 14c에 도시된다. 도 14b에 도시된 제 1 실시예는 정합된 필터(345)에 뒤이은 다운변환을 도시한다. 복소수치 멀티플라이(347)가 수행되고, 다음으로 저-대역 필터링(353)과 샘플율 다운-변환(355)이 수행된다. 다음으로 절대값이 선택되어 신호의 포락선을 검색한다. A/D 변환이 복소수치 멀티플리케이션 다음으로 수행되지만, 이러한 실시예는 각각의 계층적 근-필드 BF 블록내에서 하나의 A/D를 사용한다.
도 14c의 다운컨버터는 하부모듈의 각각의 채널내의 제 1 동작(357)으로서 도시된다. 비록 이는 시스템의 나머지를 통해 신호 대역폭/데이터율을 감소시키기에 바람직한 방법이지만, 이는 더많은 하드웨어 집약 시스템이 된다. 멀티플라이어(361)는 지연(358) 이전에 저대역 필터링되고(367) 컨버팅되며(369) 그리고 합산되는(371) 동상(in phase : I)과 구적(quadrature : Q) 성분(363, 365)을 발생시킨다.
빔형성기 지연과 이의 2D 이미징 평면을 따른 쉐이딩을 규칙적으로 변화시킴으로써, 어레이의 수직선형 2D 주사 패턴(360)이 측정되고 이에 따라 2D 방사원을 나타내는 2D 이미지가 형성될 수 있고, 이는 도 15를 참조한다. 시스템은 30프레임/초 또는 그 이상으로 연속 실시간 대형 영역 주사 이미지를 넓은 시야로 제공할 수 있다. 지연-및-합산 빔형성 시스템은 타임-오프-플라이트 계산으로부터 얻어지는 타겟 범위 정보를 제공한다. 타겟 영역이 전자적으로 조정 가능한 수중 음파 탐지 시스템에 의해 식별될 때, 빔형성 전자회로(364)는 고분해능 이미지를 위해 더 좁은 시야로 줌-인되도록 조정될 수 있다. 게다가, 주어진 최대 송신 강도를 위해, 정합된 필터가 빔형성된 출력에 제공되어 추가의 감도를 제공하도록 한다. 저전력 유한-임펄스-응답(Finite-impulse-response : FIR) 필터가 빔형성 프로세스의 출력에서 정합된 필터를 실행시키는데 사용되어 시스템의 신호대잡음비를 개선시킬 수 있다.
실시간 이미징 응용에서, 포커스-및 조정 이미지는 각각의 소스로부터 어레이내의 각각의 수신기로의 플라이드 시간에 대한 정보를 필요로 한다. 임의의 타임-오브-플라이트상의 새로운 포인트를 계산하기 위해, 표면은 제곱의 합의 제곱근을 필요로 하고, 이는 매우 집약적인 계산을 요한다. 임의의 타임-오프-플라이트 표면상의 새로운 포인트의 직교 좌표의 결정을 단일 합산의 계산 시간으로 감소시키는 지연-업데이트 계산 방법이 사용될 수 있다는 것이 공지되어 있다. 모멘트의 방법이 임의의 다차원 함수를 나타내는 합성 기초 함수에 사용될 수 있다. 비록 완전한 기초는 무한한 많은 계수의 결정을 필요로 하지만 유한-각도 기초 함수는 최소-평균-제곱(least-mean-square : LMS) 근사법을 사용하여 발생된다. 유한 각도 기초의 특정 형태는 함수 분리성과 지지 영역의 제한에 의존한다. 절단된 모멘트 기초의 순방향-차이 표시를 사용하여, 새로운 함수값이 매 클록 사이클마다 계산될 수 있다. 계산이 지지부의 제곱 영역내에서 수행된다면, 유한 차이의 방향은 함수가 계산되는 방향과 일치한다. 예를 들면, 지지 영역내에서 상단-우측으로부터 하단-좌측 코너로의 함수적 합성은 다차원 역방향 차이 표시의 계산을 의미한다. 이와는 반대로, 앞에서 설명된 다차원 순방향-차이 표시는 함수적 합성이 지지 영역내에서 하단-좌측으로부터 상단-우측 코너로 진행하도록 한다. 이러한 접근법은 통상적인 타임-오브-플라이트 계산보다 적어도 한 차수 더 빠르게 이미지를 형성한다.
실제로, 표면의 완전한 모멘트 기초 표시는 합성에 대해 차수-제한을 가진다. 하나의 절단 방법은 f(x,y)를 차수 M의 이중변수 다항식으로 근사시키는 것이다. 이중-M 차수 근사는 이와 같이 표현될 수 있고
여기서,는 LMS 기준에 기초하여 다음과 같이 유도될 수 있다
.
일단 이중-M 차수 다항식의 계수가 x와 y의 양의 정수 멱으로 진행할 때, 이는 안정된 순방향-차이 식으로 공식화될 수 있다. 일반적으로, (M+1)2순방향-차이 항은 x와 y의 최고 차수가 M인 다항식승로 표현되기에 충분하다. 이러한 항들은 지지 영역내에서을 완전하게 상술한다.
표면이 래스터 방식으로 주사되고 스케일링되었다는 가정하에서, 단계 크기는 1이다. 이 경우, 1차원에서의 제 1 및 제 2 순방향 차이는
,
이다.
이러한 순방향 차이를 사용하여, 1차원에서의 2차수 다항식은 이와 같은 차이 형태로 표현될 수 있고
여기서
이다.
2차원 순방향 차이가내의 외적을 계산함으로써 얻어진다면,
이다.
CMOS 계산 구조가 다차원 유한차수 다항식을 사용하는 함수적 합성을 수행하는데 사용될 수 있다. 이러한 실행은 어떠한 곱산없이 반복되는 합산을 사용하여 임의의 함수의 합성을 가능케 한다. 이러한 계산 구조(370)의 예가 2차원 1차수 순방향 차이 실현에 대해 도 16에 도시되어 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 사각형으로 표현된 각각의 레지스터(372)는 적절한 순방향-차이 항을 포함한다. 레지스터사이에 위치하는 스위치는 x 또는 y 방향중 어느 것이 합성되는가를 결정한다. 이러한 구조의 장점은 각각의 합산기(376)에서 합산이 동시에 일어나도록 한다는 것이다. 따라서, 하나의 합산 시간만이 다음 함수값을 발생시키는데 필요하다. 다중-채널 프로세서에 대해, 각각의 채널은 자신의 함수적 업데이트 회로를 포함한다. 빔이 주어진 이미징 평면을 통해 조정되기 때문에, 각각의 채널에 요구되는 지연은 병렬로 계산되고 하나의 클록 주기내에서 업데이팅될 수 있다. 64채널 빔형성 프로세서에 대해, 40MHz 클록율에서 이러한 접근법에 기초하여 300억비트/초의 연속 지연 업데이트율이 얻어진다.
선택적인 11비트/채널을 사용하는 것 대신에 이러한 접근법을 사용함으로써, 디지털 결합이 1비트/채널로 감소하고, 다음으로 칩상 계산 회로가 300억비트/초 병렬 업데이트율을 유지하면서 동일한 12비트값을 발생시킨다.
고성능 초음파 이미징 시스템의 바람직한 엘리먼트는 1)다중영역 송신 포커스, 2)다른 펄스 모양 및 주파수를 제공하는 능력, 3)여러 주사 모드를 위한 지지(예를 들면, 선형, 사다리꼴, 곡선-선형 또는 섹터), 4)M-모드, B-모드, 도플러 소노그램과 같은 다중 디스플레이 모드 및 칼라-플로우 맵핑(color-flow mapping : CFM)과 같은 특성을 제공하는 능력을 포함한다. 이러한 시스템의 바람직한 실시예는 여기서 설명된 집적된 빔형성 칩에 기초한다. 모든 4개의 시스템은 이상에서 설명된 원하는 능력을 제공할 수 있고, 물리적인 크기 및 전력소비에 대한 다른 강조를 가진다.
도 17a에 도시된 시스템(400)에서, 빔형성을 위한 집적 회로(모듈)(414), 송/수신 선택(416) 및 프리앰플리퍼/TGC 침(418)은 트랜스듀서 어레이(420)를 가진 프로브-하우징(402)내에 집적되고, 이는 시스템 제어기(422)와 같다. 시스템 제어기(422)는 적정 클록킹과 메모리(424) 동작을 유지하여 연속 데이터 출력을 가능케 하고 또한 메모리 출력 포트에서 데이터 패킷의 (3개의 모듈을 따라) 의도한 수신기를 지시하는 클록 및 제어 신호를 발생한다. 제어기(422)는 또한 인터페이스(404)를 따라 PCI 버스 또는 화이어와이어(426)를 통해 주컴퓨터(일반 개인용 컴퓨터, PC)와 인터페이스 접속하여 주컴퓨터가 프로브상 메모리를 업데이팅하도록 또는 프로브로부터 초음파 데이터를 수신하도록 한다. (모든 신호는 호스트PC와 프로브 사이를 PCI 또는 화이어와이어를 통해 통과한다.) 신호 다운 변환, (직교좌표 시스템내의 디스플레이를 리포맷하는) 주사 변환 및 포스트 신호 처리는 호스트 PC의 마이크로프로세싱 시스템(412)에 의해 수행된다. 게다가, 이러한 시스템 설계에서, 칼라-플로우 맵 및 도플러 소노그램 계산은 두 개의 다른 실행에 의해 수행된다: 도 17a에 도시된 바와 같이 하드웨어에 기초한 실행 및 소프트웨어 실행. 전용 도플러-프로세서 칩이 (PC 내의) 백-엔드 카드(408)상에 장착될 수 있고 주컴퓨터에 대해 코-프로세서로서 사용되어 도플러 소노그램 계산과 CFM 계산을 수행할 수 있다. 하지만, 도 17a는 CFM과 소노그램 계산이 소프웨어내의 호스트 PC와 출력에 의해 수행되어 디스플레이(410)되는 것을 도시한다.
도 17b는 더욱 소형인 프로브 하우징(442) 또는 스캔헤드를 가능케 하는 시스템(440)을 도시한다. 이러한 설계에서, 트랜스듀서 어레이(444)는 동축 케이블(448)을 통해 전용 처리 모듈(446)에 결합된 프로브 하우징(442)내에 장착된다. 컴포넌트 모듈(빔형성, 프리앰프/TGC 및 송/수신 칩)은 전체 처리 모듈(446)내에 하우징되고, PCI 또는 화이어와이어(450)를 통해 호스트 PC(452)와 통신한다.
빔형성을 위한 전하-영역 프로세서(470)(CDP) 또한 도 17c에 도시된 바와 같이 전용 시스템 내부에 완전히 집적된다. 여기서, 트랜스듀서 어레이는 분리된 스캔헤드 유닛(466)내에 하우징되고 동축 케이블(464)을 사용하여 호스트에 결합된다. MCDP 처리 모듈(470)(송/수신, 프리앰프/TGC 및 빔형성 칩)은 주 시스템 유닛내에 물리적으로 하우징된다. 이러한 설계는 병렬 CDP 빔형성 칩의 사용을 가진 다중빔형성을 지지한다. 이러한 시스템은 현존하는 초음파시스템을 위한 빔형성이 CDP 장치에 의해 수행될 수 있는 경우 이들의 CDP 등을 원래의 빔형성 모듈로 교체하는 경우도 포함한다.
노이즈와 케이블 손실을 최소화하는 소형 스캔헤드에 대한 바람직한 실시예가 도 17d에 도시된다. 이러한 시스템(480)은 송/수신 칩과 프로브(482)상의 프리앰프/TGC 칩을 트랜스듀서와 함께 통합한다. 시스템 제어기, 메모리 또는 빔형성 칩(또는 다중 빔형성을 위한 칩)이 PCI 또는 화이어와이어를 통해 다운 변환, 주사 변환 및 포스트 신호 처리를 수행하는 호스트 PC(488)에 결합된 분리 처리 모듈(486)내에 하우징된다. 이러한 설계는 도 17a의 설계에 비해 스캔헤드 프로브 크기를 감소시킨다.
송/수신 칩과 프리앰프/TGC 칩이 트랜스듀서 어레이를 가지고 프로브상에 위치하는 도 17d에 도시된 세미-집적된 프론트-엔드 프로브(482)는 케이블(484)을 가지고 CDP 빔형성기를 사용하는 모듈(486)에 결합된다. 이러한 설계는 도 17c의 설계와 비교되고, 이는 초음파 시스템내의 CDP 빔형성을 사용한다. 차이점은 추가의 처리가 스캔헤드상에서 수행되어 모든 처리가 데이터가 동축 케이블을 통해 스캔헤드로부터 호스트로 송신된 이후 수행되는 도 17c의 시스템에 비해 노이즈 및 케이블 손실을 감소시킨다는 것이다. 도 17e의 시스템은 도 17d와 같은 또는 동일한 프로브 설계를 유지하지만, 도 17d의 처리 모듈의 엘리먼트는 도 17e의 처리 모듈(492)내에 포함된다.
다차원 빔형성기 처리 시스템은 송/수신 펄스 및/또는 2차원 어레이(502) 복귀를 동시에 처리하는 시간-영역 프로세서이다. 송신 빔형성을 위해, 시스템은 분리된 송신 트랜스듀서 어레이(502)를 사용하는 바이스태틱 모드로 사용될 수 있거나 또는 송신 포커스를 위한 수신 어레이(504)를 사용할 수도 있다. 도 18a에 도시된 바와 같이, 바이스태틱 구성(500)을 위해, 분리 송신기(502)는 단일 송신을 가진 이미지 평면(506)을 도시하는 단일-핑(single-ping) 실행일 수 있다. 선택적으로, 트랜스미션은 도 18b에 도시된 바와 같은 이미지 평면(514)을 덮는 조밀하지 않게 팩킹된 빔 패턴으로 실행될 수 있다. 송신 빔형성을 위해, 송신 제어 칩이 어레이(512)의 각각의 트랜스듀서 엘리먼트에 제공되는 고전압 구동 펄스에 지연을 제공하여 송신된 펄스가 원하는 송신 포커스 포인트(516)에서 이미지 평면상에서 간섭적으로 합산될 수 있도록 하는데 필요하다.
다중 채널 송신/수신 칩은 송신 빔형성, 송신 및 수신 모드 사이를 스위칭(TR스위치) 및 고전압 레벨 시프팅의 함수를 수행한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 다중 채널 송/수신 칩은 각각의 채널 프로세서에 마스터 클록 및 비트값을 동보통신하는 글로벌 카운터(542)로 구성된다. 글로벌 메모리(544)는 송신 주파수, 펄스수, 펄스 시퀀스 및 송/수신 선택을 제어한다. 로컬 비교기(546)는 각각의 채널에 대한 지연 선택을 제공한다. 예를 들면, 60MHz 클록과 10비트 글로벌 카운터를 가지고 비교기는 각각의 채널에 17-ms 지연을 제공할 수 있다. 로컬 주파수 카운터(548)는 프로그램 가능 송신 주파수를 제공한다. 4-비트 카운터는 16개의 다른 주파수 선택을 제공한다. 예를 들면, 60MHz 마스터 클록을 사용하여, 4-비트 카운터는 60/2=30MHz, 60/3=20MHz, 60/4=15MHz, 60/5=12MHz 및 60/6=10MHz 등을 제공하도록 프로그래밍될 수 있다. 로컬 펄스 카운터(550)는 다른 펄스 시퀀스를 제공한다. 예를 들면, 6-비트 카운터는 하나의 펄스로부터 64개의 펄스에 이른 프로그램 가능 송신 펄스 길이를 제공할 수 있다. 로컬 프로그램 가능 펄스 선택기(552)는 하부-클록 어레이 분해능을 제공한다. 예를 들면, 60MHz 마스터 클록과 2-대-1(two-and-one) 펄스 선택기는 8-ns 지연 분해능을 제공한다.
전형적으로 송신-칩 클록의 주기가 지연 분해능을 결정하는 반면 프로그램 가능 하부클록 지연 분해능이라 불리는 기술은 지연 분해능이 클록 주기보다 더 정확하게 되도록 한다. 프로그램 가능 하부클록 지연 분해능으로, 주파수 카운터의 출력은 퍼-채널(per-channel) 기초상에서 프로그램 가능한 클록의 위상에 게이팅된다. 간단한 형태로, 2-위상 클록이 사용되고 주파수 카운터의 출력은 어서팅된(asserted) 또는 디어서팅된(deasserted) 클록에 게이팅된다. 선택적으로, 다중 스큐우 클록이 사용될 수 있다. 하나의 퍼-채널이 주파수 카운터로부터 조밀하지 않은 타이밍 신호를 게이팅하기 위해 선택되고 사용될 수 있다. 도 20에 도시된 다른 실행(560)에서, T/R 스위치와 고전압 레벨 시프터(562)가 다른 컴포넌트로부터 분리되어 고전압 동작을 가능케 한다.
2D 이미징 평면을 따라 빔형성기 지연과 쉐이딩을 규칙적으로 변화시킴으로써, 2D 트랜스듀서 어레이의 2D 스캔 응답이 측정될 수 있고 2D 방사원을 나타내는 2D 이미지가 형성될 수 있다. 이러한 방법은 시간이 흐름에 따라 이미지 평면을 규칙적으로 변화시킴으로써 2D 평면이 아니라 3D 입체를 주사하도록 확장될 수 있고, 각각이 앞에서 설명된 바와 같은 2D 빔형성 프로세서에 의해 발생된 2D 이미지의 시퀀스를 발생시킨다. 이미지의 시퀀스는 도 21a에 도시된 3D 입체의 일련의 단면도를 도시한다. 이러한 방법으로, 3D 물체의 완전한 주사가 얻어질 수 있다. 두 가지 동작 모드가 있는데, 이들은 순차적 모드와 병렬 모드이다. 순차적 모드에서는, 단일 조정 가능 빔형성 프로세서가 2D 어레이와 사용된다. 도 21b에 도시된 바와 같이, 이미지 평면은 전체 이미지 평면이 처리될 때까지 화소별로 직렬 주사된다(즉, 빔형성은 화소별로 계산된다). 병렬 모드에서는, 하나 이상의 빔형성 프로세서가 사용된다. 도 21c는 두 개의 조정 가능한 빔형성 프로세서의 경우를 도시한다. 임의의 주어진 시간에서 두 개의 수신빔이 각각의 프로세서에 의해 형성된다. 해당 주사 패턴이 도 21D에 도시되어 있고, 여기서 이미지 평면은 반으로 나뉘고 각각의 빔형성 프로세서는 이미지 평면의 반을 주사하는데 사용된다. 결과적으로, 프레임율이 이러한 병렬 빔형성 모드에서 두 배가 된다. 4중 병렬 수신 빔형성 프로세서에 의해 발생된 주사 패턴이 도 22a 내지 도 22c에 도시된다. 4중 병렬 빔형성 시스템의 프레임율이 단일 빔형성 시스템의 경우보다 4배 더 빠르다고 추론할 수 있다. 일반적으로, m-병렬 수신 빔 시스템에서, 프레임율은 인수 m만큼 증가된다.
동일 순차적 수신 빔형성 대 병렬 수신 빔형성 아키택쳐는 1D 선형 또는 곡선 선형 어레이에 적용된다. 일례로 도 23은 192-엘리먼트 1차원 어레이(600)를 도시한다. 단일 64-엘리먼트 빔형성 프로세서가 사용된 순차적 모드에서, 주사 라인(수신된 빔)이 하나씩 형성된다. 즉, 602에서의 라인 1이 (트랜스듀서 표면으로부터의 법선 방향에 대한 각으로 한정되는) 시야각 -0에서 64를 통해 엘리먼트(1)로부터의 복귀된 에코우를 처리함으로써 가장먼저 형성된다. 라인 2는 법선 시야각에서 128을 통해 엘리먼트(64)로부터의 복귀를 처리함으로써 다음으로 형성된다. 라인 3은 시야각 -0 + 0/S에서 64를 통해 엘리먼트(1)로부터의 복귀에 의해 다음으로 형성되고, 그 다음도 그러하다. (S-1)번째 라인이 시야각 -0/S에서 64를 통해 엘리먼트(1)로부터의 복귀에 의해 형성된다. S번째 라인이 트랜스듀서 표면으로부터 법선 방향에서 192를 통해 엘리먼트(128)로부터의 복귀에 의해 형성된다. 마지막으로, L번째 주사 라인이 시야각 +0에서 192를 통해 엘리먼트(128)로부터의 복귀를 처리함으로써 604에서 형성된다. 병렬 모드에서, 다중 빔형성 프로세서는 병렬로 사용된다. 두 개의 64-엘리먼트 빔형성 프로세서의 경우, 주어진 시간에서 두 개의 주사 라인(또는 두 개의 빔)이 제 1 프로세서에 의해 형성되고 홀수개의 라인은 제 2 프로세서에 의해 형성된다. 주사 라인의 수는 주어진 응용의 이미징 품질 요구조건에 기초하여 선택된다. 예를 들면, 이미징 시스템은 256개의 주사 라인을 제공하도록 설계될 수 있다 즉, L=256 및 W=64. 한편, 고분해능 이미징 응용을 위해, 시스템은 1024개의 주사 라인을 제공하도록 설계될 수 있다 즉, L=1024 및 S=128. 두 프로세서 시스템의 프레임율이 단일 프로세서 시스템의 프레임율보다 두 배 더 빠르는다는 것을 주목한다. 일반적으로, m-프로세서 빔형성 시스템에 대해 프레임율은 단일-프로세서 시스템에 비해 인수 m정도 증가될 수 있다.
도플러 소노그램(620)은 도 24에 도시된 바와 같이 단일-범위-게이트 도플러 처리를 사용하여 발생될 수 있다. N개의 초음파 펄스의 시퀀스가 주어진 시야각을 따라 펄스 반복 주파수 fprf로 송신된다. 복귀 에코우(622)는 범위 게이팅되고 단일 범위 빈으로부터의 복귀만이 사용되는데, 이는 선택된 시야각을 따라 트랜스듀서 어레이로부터의 선택된 거리(예를 들면, 깊이 d 내지 d+Sd)를 가진 영역에 해당하는 복귀 신호만이 도플러 정보를 추출하기 위해 처리된다는 것을 의미한다. 선택된 영역내에서의 산란의 속도 형상은 산란으로부터 수신된 에코우의 도플러 시프트를 계산함으로써 얻어질 수 있다. 즉, 수신된 시간 영역 신호의 624에서의 푸우리에 변환은 원하는 도플러 시프트 fd를 포함하는 주파수 정보를 제공한다. 원하는 영역내의 산란의 속도 분포는 이하의 식으로부터 얻어질 수 있고
여기서, c는 전송매체내에서의 음속이고 fc는 트랜스듀서의 중심 주파수이다. 일례로서, N=16이고 fprf=1KHz라면 앞의 식은 도플러 데이터의 16ms를 디스플레이하는 소노그램을 발생시키는데 사용될 수 있다. 만일 이러한 과정이 매 N/fprf초마다 반복된다면, 연속 도플러 소노그램 도면이 형성될 수 있다.
이하의 설명은 3D 칼라 플로우 맵 응용에 대한 펄스-도플러 프로세서에 관한 것이다. 여기서 설명된 펄스화된 시스템은 혈관내의 혈류와 같은 플로우 패턴 및 속도를 인테로게이팅하기 위해 사용될 수 있다. 속도 분포의 시간 전개는 소노그램으로 나타내지고 혈관의 다른 부분은 범위를 이동시키고 그 크기를 변화시킴으로써 측정될 수 있다. 초음파로 순환 시스템을 측정하는 것을 위한 궁극적인 목적은 혈류의 전체 맵을 실시간으로 디스플레이하는 것이다. 이는 혈관내의 속도 형상과 혈류의 박동을 디스플레이하는 것을 가능케 한다. 이러한 목적을 이루기 위한 하나의 단계는 칼라 플로우 맵핑(CFM) 시스템을 사용하는 것이다. 이들은 앞에서 설명된 다중게이팅된 시스템의 확장인데, 그 이유는 혈류 패턴의 이미지를 형성하도록 많은 방향(주사 라인)에 대해 혈류 속도가 평가되어야 하기 때문이다. 속도 이미지는 B-모드 이미지상에서 중첩되고, 속도는 칼라 강도로서 코드화되며, 혈류의 방향이 칼라로서 코드화된다. 예를 들면, 빨간 색은 트랜스듀서를 향하는 방향을 나타내고 푸른색은 트랜스듀서로부터 멀어지는 방향을 나타낸다. 펄스화된 도플러 처리에 기초한 칼라 플로우 맵이 도 25에 도시되어 있다. 단일 범위 빈 대신에, 다른 깊이로부터의 귀환에 해당하는 J 범위 빈으로부터의 데이터가 병렬로 처리된다. 주어진 주사 각에서, N-펄스 복귀가 어레이(640)에서 처리된 이후에 출력은 JNX 범위-대-도플러 분포를 나타낸다. 주어진 범위 빈 예를 들면, 주어진 깊이에서 데이터는 N 속도 분포 형상을 발생시키는데 사용될 수 있다. 이러한 분포 형상으로부터 계산된 평균 속도는 주어진 깊이의 칼라-플로우 맵상의 한 포인트를 형성하는데 사용될 수 있고, 표준 편차는 터뷸런스를 평가하는데 사용될 수 있다. 만일 전체 이미지 평면이 덮이도록 모든 주사 각에 대해 반복되어 실행되면, 각각이 d1, d2및 d3에서의 다른 깊이에 해당하는 2D 칼라-플로우 플롯의 시퀀스로서 도시되는 3D 칼라-플로우 맵이 형성될 수 있다.
펄스 복귀의 제 1 모멘트와 속도 분포를 계산하기 위한 알고리즘이 사용될 수 있다. 푸우리에 변형-기초한 계산 대신에, 얀센, 조르단 에이.의 "초음파를 사용한 혈류 속도 추정"(1996. 캠브리지 대학 출판)에 개시된 교차 상관 기술이 유사한 칼라 플로우 맵을 형성하도록 사용될 수 있고, 이는 참조를 위해 인용된다. 게다가, 최적 평균 속도 추정이 사용될 수 있다.
평균 속도(즉, 제 1 스펙트럼 모멘트) 추정은 많은 펄스 도플러 데이터 처리의 중심이다. 평균 속도를 디스플레이하기 위한 칼라 플로우 맵과 같은 응용에서, 고주사율과 미세한 (방위각) 주사 패턴을 위한 요구조건이 펄스 샘플의 할당을 범위 셀당 매우 작은 수로 제한한다. 결과적으로, 이러한 응용은 이들의 추정 능력의 기본적인 제한에 인접한 시간에서 동작한다. 이러한 특정 필요조건을 위해, 공지된 스텍트럼 폭(SW) 및 신호 대 잡음비(SNR)의 경우에 최적 도플러 중심 추정이 설명된다.
공분산 매트릭스 T=E[ZZ*]을 가진 복소 가우시안 프로세스의 N개의 동일-이격한 샘플을 가진 단일 범위셀에 해당하는 복소수치 벡터 복귀(z1, z2,..., zN)의 펄스-도플러 관찰을 위한 일반적인 확률론적 모델을 고려해보자. 가우시안-형 신호와 상관되지 않은 부가 노이즈로 구성된 공통 단일-소스 샘플-공분산 모델을 채택하면:
식(1)이고
여기서, 모델 파라미터와 σν는 평균 도플러 속도와 도플러 SW를 나타내고, λ는 트랜스듀서 RF 파장을 S와 N은 각각 신호대 잡음 전력 크기를 나타낸다.
라 정의할 수 있고,
여기서,,및이다.
최대 우도(maximum likehood : ML) 추정의 경우, 그 결과는 간단한 평균 속도식으로 표현되고
식(2)
여기서,는 이하에 의해 정의되는 가중 자기상관 추정이고
식(3),
와는 매트릭스 Γ의 엘리먼트이고,
와이다.
펄스 도플러 초음파 이미징을 위한 일반적인 파형이 도 26에 도시되어 있다. 파형은 버스트내에서 각각의 펄스를 수집하는데 필요한 만큼의 범위깊이 샘플을 가진 N개 펄스(660)의 버스트로 구성된다. 도 26은 또한 이러한 기술을 위한 신호 프로세서의 블록도를 도시하고, 여기서 각각의 트랜스듀서에 의해 수신된 복귀된 에코우는 동상 및 구적 복조 이전에 샘플링되고 간섭적으로 합산된다. 복조된 복귀는 디지털 신호로 컨버팅되고 다음으로 간섭 간격을 가진 모든 펄스 복귀가 수신될 때까지 버퍼 메모리내에 저장된다. 각각의 깊이에 대해 수집된 N 펄스 복귀는 메모리로부터 판독되고, 가중 시퀀스 v(n)가 제어 도플러 측면로브에 제공되어, N-포인트 FFT(661)가 완결된다. 시간이 흐르는 동안 하나의 간섭성 간격으로부터의 깊이 샘플은 도플러 필터를 통해 처리되고, 다음 간섭성 간격으로부터의 복귀가 도달하여 제 2 입력 범퍼내에 저장된다. FFT 출력은 지연 유닛에 곧바로 전달되거나 또는 지연직전에 시간-평균 도플러에 의해 추가로 처리된다.
여기에 설명된 CDP 장치는 A/D 변환을 제외하고 도 26의 점선 박스(662)로 표시된 모든 기능을 수행하는데, 이러한 A/D 변환은 CDP가 아날로그 샘플링된 데이터 기능을 제공하기 때문에 꼭 필요한 것은 아니다. 이러한 CDP 펄스화된 도플러 프로세서(PDP) 장치는 매트릭스-매트릭스 적(product)을 계산할 수 있는 능력을 가지므로 더 넓은 범위의 가능성을 가진다. 장치는 제 1 매트릭스의 열들을 제 2 매트릭스의 해당 행들과 짝지음으로써 형성된 외적을 합산하여 두 개의 실수값을 가진 매트릭스의 적을 계산한다.
PDP를 도플러 필터링 문제로의 응용에 관해 설명하기 위해, 가장먼저 도플러 필터링 식을 실수값 매트릭스 연산을 합한다. 도플러 필터링은 원하는 각각의 깊이에 대한 가중된 펄스 복귀의 이산 푸우리에 변형(DFT)을 계산함으로써 달성된다. 만일 깊이 도플러 샘플을 g(kj)라 하면 다음과 같다.
식(4)
가중 함수는 DFT 핵(kernel)과 조합되어 이하에 의해 주어진 엘리먼트를 가지는 도플러 필터 변형 매트릭스를 얻게된다.
식(5)
도플러 필터링된 신호의 실수 및 허수 성분은 이하와 같이 표현될 수 있다
식(6).
식(4)에서, 이중-지수 변수는 매트릭스 지수로서 간주된다. 그러므로, 매트릭스 식에서 도플러 필터링은 매트릭스 적 연산으로서 표현될 수 있다. PDP 장치는 4개의 매트릭스 곱을 각각 수행하는데 사용되어 도플러 필터링 연산을 실행한다.
PDP 장치의 블록도가 도 26에 도시된다. 장치는 J-단계 CCd 탭핑된 지연 라인(664), J CCD MDAC(multiplying digital-to-analog converter)(666), JXK 축적기, JXK 도플러 샘플 버퍼(668) 및 PISO(parallel-in-serial out) 출력 시프트 레지스터(670)를 포함한다. MDAC는 계수 매트릭스로부터 엘리먼트가 제공되는 공통 8-비트 디지털 입력을 공유한다. 탭핑된 지연 라인은 샘플-앤드-홀드 기능을 수행하고 연속-시간 아날로그 입력 신호를 샘플링된 아날로그 신호로 컨버팅한다.
초음파 이미징 시스템내의 칼라 플로우 맵핑을 위한 두-PDP 실행이 도 27에 도시된다. 이러한 장치에서, 하나의 펄스 반복 간격동안 최상부 PDP 컴포넌트는 식(5)에 도시된 wrfr및 wsfr의 모든 항을 계산하는 반면, 기저부 PDP 컴포넌트는 -wifi및 wrfi를 계산한다. 다음으로, 각각의 컴포넌트의 출력이 합산되어 gr및 gi를 선택적으로 얻는다.
도플러 및 칼라 플로우 맵 처리는 상당한 계산을 포함한다. 이러한 처리는 일반용 마이크로프로세서를 사용하는 소프트웨어로 수행될 수 있다. 인텔 MMX 특성 세트와 같은 매트릭스-매트릭스 연산에 최적화된 지시어가 존재함으로써 성능을 상당히 개선시킬 수 있다. 푸우리에 변형 계산에 기초한 칼라-플로우 맵 계산(700)을 위한 소프트웨어 플로우가 도 28에 도시된다. 초기화(702) 이후에, 다운컨버팅된 데이터가 얻어지고(704), 포인터(P)가 주사 각의 시작에 위치하며(706), 범위 데이터가 수집되고 저장되며(708), 가중 함수가 적용되고(710), 푸우리에 변형이 계산되고(712), 각각의 주파수에 대한 크기 z(k)를 계산한 다음 제 1 및 제 2 모멘트의 계산하며(716) 그리고 칼라로 디스플레이(718)된다. 포인터는 증가되고 각각의 주사 라인이 필요한 만큼 처리된다.
이상에서 설명된 최적 평균 속도 추정에 기초한 칼라-플로우-맵 계산에 대한 소프트웨어 순서도(740)가 도 29에 도시된다. 초기화(742) 이후, 다운컨버팅된 데이터가 얻어지고(744) 포인터(p)가 주사 각의 시작에 위치하며(746), 범위 데이터가 수집되고 저장되며(748), 가중 자기상관 함수가 식(3)에 기초해 계산된다(750). 다음으로, 평균 속도가 칼라로 디스플레이(754)된다. 포인터는 증가되고 각각의 주사 라인이 필요한 만큼 처리된다.
교차상관 계산에 기초한 칼라-플로우 맵 계산에 대한 소프트웨어 순서도(760)가 도 30에 도시된다. 초기화(762) 이후, 범위 데이터가 얻어진다(766). 교차 상관이 계산되고(768) 평균된다(770). 속도 분포(772), 제 1 및 제 2 모멘트(774)가 계산되고 디스플레이된다(776). 범위데이터는 주어진 주사 라인상의 모든 데이터가 처리될 때까지 증가된다. 다음 주사 라인을 위해 완전한 이미지 평면을 따라 모든 주사 라인이 처리될 때까지 처리가 반복된다.
이상에서 본 발명이 수 개의 실시예를 통해 도시되고 설명되었지만, 이에 한정되는 것은 아니기 때문에, 당업자라면 다양한 변화와 변경이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 어레이 신호를 제공하는 다차원 센서 어레이;
    상기 다차원 센서 어레이에 결합되며, 상기 어레이 신호에 기초하여 지연된 출력 신호를 발생시키는 제 1 빔형성 탭핑된 지연 라인 장치; 및
    상기 제 1 탭핑된 지연 라인 장치에 결합되며, 상기 지연된 출력 신호에 기초하여 원하는 영역의 다차원 대표신호를 발생시키는 제 2 빔형성 탭핑된 지연 라인 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 탭핑된 지연 라인 장치에 의해 발생된 상기 지연된 출력 신호를 전치하여 상기 제 2 탭핑된 지연 라인 장치가 상기 전치된 지연 출력 신호에 기초하여 상기 원하는 영역의 다차원 대표신호를 발생시키도록 상기 제 1 및 제 2 탭핑된 지연 라인 장치 사이에 결합되는 전치연산 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 탭핑된 지연 라인 장치는 제 1의 1차원 빔형성기의 적어도 일부에서 형성되고, 상기 제 2 탭핑된 지연 라인 장치는 제 2의 1차원 빔형기의 적어도 일부에서 형성되는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1의 1차원 빔형성기는 제 1 평면에 대해 형성된 제 1 세트의 각을 따라 빔을 형성하고, 상기 제 2의 1차원 빔형성기는 상기 제 1 평면과 비-평면인 제 2 평면에 대해 형성된 제 2 세트의 각을 따라 빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 다차원 센서 어레이는 센서 엘리먼트의 하부어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 제 1 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치는 상기 다차원 센서 어레이의 하부어레이에 해당하는 제 1 지연 라인 그룹을 포함하고, 상기 그룹의 각각의 제 1 지연 라인은 상기 그룹의 해당 하부어레이의 센서 엘리먼트에 결합되는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 제 2 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치는 제 2 지연 라인을 포함하고, 상기 제 2 지연 라인은 상기 제 1 지연 라인 그룹중 하나에 결합되는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 제 1 프로그램 가능 지연 라인 장치는 상기 지연된 출력 신호의 적어도 일부가 제 1 분해능을 가진 다차원 대표신호를 형성하도록 동작하고, 상기 다차원 대표신호는 상기 제 1 분해능보다 낮은 제 2 분해능을 가진 제 2 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 제 1 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치는 먼-필드 근사를 수행하도록 배치되고, 제 2 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치는 근-필드 근사를 수행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  10. 다차원 센서 어레이로부터 어레이 신호를 얻는 단계;
    상기 어레이 신호에 기초하여 지연된 출력 신호를 발생시키도록 제 1 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치를 프로그래밍하는 단계; 및
    상기 지연된 출력 신호에 기초하여 원하는 영역의 다차원 대표신호를 발생시키도록 제 2 프로그래밍 가능 탭핑된 지연 라인 장치를 프로그래밍하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치에 의해 발생된 상기 지연 출력 신호를 전치하여 상기 제 2 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치가 상기 전치된 지연 출력 신호에 기초하여 상기 원하는 영역의 다차원 대표신호를 발생시키도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 빔형성 벙법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치를 프로그래밍하는 단계는 제 1 평면에 대해 형성된 제 1 세트 각을 따라 빔을 형성하는 단계를 구비하고, 상기 제 2 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치를 프로그래밍하는 단계는 상기 제 1 평면과 비-평면인 제 2 평면에 대해 형성된 제 2 세트 각을 따라 빔을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 빔형성 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치를 프로그래밍하는 단계는 제 1 분해능을 가진 다차원 대표신호를 형성하는 단계를 구비하며, 상기 다차원 대표신호는 상기 제 1 분해능보다 낮은 제 2 분해능을 가진 상기 제 2 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 빔형성 방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치를 프로그래밍하는 단계는 먼-필드 근사를 수행하는 단계를 구비하고, 상기 제 2 프로그램 가능 탭핑된 지연 라인 장치를 프로그래밍하는 단계는 근-필드 근사를 수행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 빔형성 방법.
  15. 다차원 센서 어레이 및
    송신 어레이를 위한 송신 신호를 발생시키며, 상기 센서로부터 발생된 신호를 수신하고 및 원하는 영역의 다차원 대표신호를 발생시키는 프로그램 가능 지연 라인 장치에 의해 지연된 출력 신호를 발생시키는 시간 영역 처리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 센서 어레이는 다수의 독립적으로 제어가능하는 하부어레이를 구비하는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치
  17. 제 15 항에 있어서, 상지 장치는 전하 커플링된 장치를 구비하는 지연 라인 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다차원 빔형성 장치.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 장치는 다운 변환 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 빔형성 장치.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 장치는 이미지 평면을 교차하여 상기 어레이를 주사하는 주사 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 빔형성 장치.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 장치는 각각의 하부어레이를 위한 다수의 지연 라인을 더 포함하며, 상기 각각의 지연 라인의 출력은 제 2 프로그램 가능 지연 라인에 입력으로 합산되는 것을 특징으로 하는 빔형성 장치.
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