NL8802340A

NL8802340A - Werkwijze en inrichting voor het adaptief vormen van een coherente energiebundel gebruikmakend van faseconjugatie.

Info

Publication number: NL8802340A
Application number: NL8802340A
Authority: NL
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1987-09-21
Filing date: 1988-09-21
Publication date: 1989-04-17
Also published as: DE3831537A1; JPH01135333A; US4835689A

Description

i N.0. 35267 1

Werkwijze en inrichting voor het addaptief vormen van een coherente energiebundel gebruikmakend van faseconjugatie.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op afbeeldingstechnie-ken met coherente energiebundels en heeft meer in het bijzonder betrekking op een nieuwe werkwijze voor het adaptief vormen van een coherente bundel, gebruikmakend van faseconjungatie, teneinde de effecten van in-5 homogene golfpropagatie tegen te gaan.

Het is bekend dat fase-uitdovingseffecten, geïntroduceerd door in-homogene golfpropagatie in een medium, een begrenzing teweeg brengen zowel voor de ruimtelijke resolutie als voor de contrastresolutie van afbeeldingen, verkregen met behulp van een bundel coherente energie, 10 zoals een bundel radargolven, sonargoTven of ultrasone energie en dergelijke. Fase-uitdovingseffecten treden het sterkst op de voorgrond bij hoogfrequente afbeeldingstechnieken waarin grote apertuuropeningen worden gebruikt, waarbij kleine aankomsttijdverschillen over aanzienlijke afstanden resulteren in grote fouten in de relatieve fase over de ge-15 noemde apertuuropening. In medische ultrasone technieken bijvoorbeeld treedt dit op omdat de fase van een afvragende ultrasone golf wordt verstoord als gevolg van de inhomogene verdeling van de geluidssnelheden in het lichaam waardoor de ultrasone golf propageert, vanaf de apertuuropening tot aan het van belang zijnde gebied en de daarop vol-20 gende terugkeer naar de apartuuropening. Het is bekend dat dit effect het uiterlijk van een ultrasone afbeelding kan domineren als zowel de ultrasone frequentie als ook de afmeting van de apartuuropening wordt vergroot. Alhoewel in het verleden diverse methoden zijn voorgesteld voor het reduceren van de fase-uitdovingseffecten werken al deze metho-25 den, indien ze al effectief zijn, ten koste van de ruimtelijke resolutie. Teneinde een afbeelding te verschaffen met de theoretische resolutie van de apertuuropening, in het bijzonder bij hoge frequenties, moet de fasevervorming van de invallende ultrasone golf worden gereduceerd.

In de ultrasone afbeeldingstechnieken treedt een overheersende vervor-30 ming op binnenwand van het lichaam dat wordt onderzocht, hetgeen in een model kan worden beschouwd als een enkel vervormend vlak. Voor alle van belang zijnde gebieden die dieper liggen dan deze begrenzing van het lichaam is het hoogst wenselijk om de fase-aberatie te reduceren door nauwkeurige informatie te verzamelen waaruit de fasecorreetie kan wor-35 den berekend.

De uitvinding verschaft nu een werkwijze voor adaptieve reductie van fase-aberatie-effecten op de tijdvertragingen die nodig zijn voor .8802340 't 2 het focuseren van een bundel coherente energie binnen niet-homogene media op een geselecteerde afstand van en onder een geselecteerde hoek Θ ten opzichte van de loodlijn op het oppervlak van een array bestaande uit een aantal N transducenten die bij excitatie elk een deel 5 van de bundel energie verschaffen en die daarna de daarop invallende energie omvormen tot een signaal, welke werkwijze de volgende stappen omvat: (a) het uitzenden van een testbundel afkomstig van het aantal N transducenten en het, na terugkaatsing daarvan tegen de natuurlijke, in 10 tenminste een gedeelte van het te onderzoeken medium aanwezige terug-kaatsingselementen, ontvangen van de teruggekaatste energie; (b) het voor elke testbundel kruiscorreleren van de ontvangen signalen van een k-de transducent, waarbij 1 k N en de aangrenzende (k-l)-de transducent voor de (N-l) opeenvolgende paren van aangrenzende 15 transducenten van alle N transducenten teneinde een coresponderend aantal (N-l) faseconjugatie-correctiesignalen Δ0|< te produceren; (c) het uitvoeren van een wiskundige bewerking op het aantal fase-conjugatie-correctiesignalen teneinde een tijdcorrectie

Atjg te produceren voor de tijdvertraging die behoort bij die 20 testbundel die onder een hoek Θ is uitgezonden door de transducent j over een afstand R; (d) het vervolgens met de tijdcorrectie Atj-g voor deze j-de transducent modificeren van de tijdvertraging voor het exciteren van een afbeeldingsbundêl met gereduceerde aberatie in het inhomogene 25 medium, uitgestuurd onder in hoofdzaak de hoek Θ en in hoofdzaak ge-focuseerd op de afstand R; en (e) het vervolgens met de tijdcorrectie voor deze transducent modificeren van de tijdvertraging van de terugkerende signalen ontvangen van het te onderzoeken medium teneinde de faseaberatie in de verzamelde 30 waarden voor het genereren van een zichtbare afbeelding van het medium te reduceren.

In een voorkeursuitvoeringsvorm is elk van de eerste (N-l) kanalen van de afbeeldingsinrichting voorzien van een faseconjungatie verwer-kingseenheid voor het uitvoeren van een kruiscorrelatie op de signalen 35 van dat kanaal en van het volgende kanaal door een complexe vermenigvuldiging met zwevende komma; afzonderlijke middelen voor het sommeren van de reele en imaginaire delen van het resultaat van de vermenigvuldiging en middelen voor het berekenen van een arctangens teneinde elk van de (N-l) groepen van Δ# gegevens te verschaffen aan een gemeen-40 schappelijk stelsel voor het leveren van het correctiesignaal 8802340 3 * = (Ï4 0|[) J k-1 voor het j-de kanaal.

5 Het is derhalve een doelstelling van de uitvinding een nieuwe werkwijze en een nieuwe inrichting te verschaffen voor het adaptief vormen van een bundel gebruikmakend van faseconjungatie.

Deze en andere doelstellingen van de onderhavige uitvinding zullen duidelijk worden na lezing van de navolgende gedetailleerde beschrij-10 ving waarin wordt verwezen naar de begeleidende figuren.

Figuur 1 toont een schematisch aanzicht van een array van transdu-centen en van een tweelaags object dat onderzocht moet worden met een energiebundel die door de array wordt geproduceerd, welk aanzicht wordt gebruikt voor het definiëren van het probleem dat door de onderhavige 15 uitvinding wordt overwonnen; figuur la toont in een diagram de relatie tussen de transducent met het opeenvolgingsnummer k en de bijbehorende tijdvertraging At voor diverse waarnemingsomstandigheden, welk diagram wordt gebruikt om diverse factoren die betrekking hebben op de fase-aberaties in het uit-20 gangssignaal van de array van transducenten te verklaren; en figuur 2 toont een blokschema van een deel van een ultrasoon af-beeldingsstelsel waarin gebruik wordt gemaakt van de nieuwe werkwijze voor het adaptief vormen van een bundel met behulp van faseconjungatie teneinde de fasevervorming te reduceren.

25 Verwezen wordt allereerst naar de figuren 1 en la waarin een onderzoekstere! 10 met een array 11 van energietransdgcenten is getoond, welk stelsel gebruik maakt van een energiebundel voor het aftasten van een object. De array 11 is geillustreerd als een lineaire array van een aantal N transducenten lla,...llk,...llm...lln. De transducenten hebben 30 een hart op hart afstand d, en elke transducent heeft een afstand vanaf de arrayhartlijn 110, zodanig dat de array zich in beide richtingen uitstrekt over een apartuurafstand A/2 vanaf de arrayhartlijn 110.

De array wordt zowel gebruikt voor het uitzenden van een energiebundel als voor het ontvangen van de energierespons die terugkeert vanaf een 35 reflecterend punt 12, in het algemeen gepositioneerd langs een lijn 12a onder een hoek Θ met betrekking tot de loodlijn 110 loodrecht op het vlak van de array 11. Het is op zichzelf bekend dat, indien de array 11 is aangedrukt tegen het oppervlak 14s van een homogeen medium 14, de golfvorm van een reflecterende positie 12', in principe gelegen op de 40 midden!oodlijn 110 van de array op een afstand R' die voldoende groot <8801340 4 f, is ten opzichte van de array-opening A, in hoofdzaak tegelijkertijd zal arriveren bij elk van de transducenten lik (a<k<n) van de array; deze golfvorm lip (figuur la) vergt derhalve geen tijdsvertragingen At bij elk van de N transducenten, d.w.z. de uitgangssignalen van de transdu-5 centen kunnen direct coherent worden gesommeerd. Om de bundel voor de hoek Θ te vormen. Het is eveneens bekend dat bij een afnemende afstand R' de sensoren die zich het dichtst bij het centrum van de array bevinden, bijvoorbeeld een van het paar centrale sensoren llm indien de array een even aantal sensoren N=2m bezit, een grotere tijdvertraging 10 At vereisten dan de tijdsvertraging die nodig is voor de transducenten die zich verder weg bevinden naar de randen van de array. Teneinde een energiebundel derhalve op correcte wijze te focuseren op een positie 12' op een in hoofdzaak willekeurige afstand R' is derhalve een focu-seertijdvertraging tfk = (A2/8R'V). . (l-[2xfc/A]2, geïllustreerd 15 door de focuseringscorrectiecurve llq van figuur la, op fysische wijze nodig na elke k-de transducent lik. Het is verder bekend dat, indien de bundel wordt gericht naar een algemene positie 12 onder een algemene hoek Θ met betrekking tot de middenloodlijn 110, zelfs bij zeer grote afstand R het gereflecteerde golffront van de bundel allereerst de 20 transducent zal bereiken aan dat eind van de array dat zich het dichtst bevindt bij deze onder een hoek staande lokatie, in dit geval de transducent 11a, en vervolgens geleidelijk aan successievelijk de een na de andere transducent in de array zal bereiken totdat de transducent die het verst van het punt verwijderd is bereikt zal worden, in dit geval 25 de transducent lln. Er moet dan een transducentvertragingstijd tdk = tem + (k-1) (d/V)s.inO, verlopend volgens een in hoofdzaak lineaire curve llr, worden verschaft (waarbij tcm de vertra-gingstijd voor het middelste element m is, gekozen enigszins groter dan (md/V) sinO, zodanig dat alle t^ positief zijn, en Θ nu gede-30 finieerd is als een negatieve hoek indien ze zich bevindt "boven" de lijn 110); t^ is zodanig dat het uitgangssignaal van elke transducent vanaf het dichtst bij zijnde einde van de array naar het verste einde van de array een toenemende vertraging ondervindt. Als een niet op de centrale hartlijn 12 onder een hoek Θ en op een relatief kleine 35 afstand R gelegen punt moet worden afgebeeld, dan moeten zowel correcties voor de focusering als voor de schuinstand worden uitgevoerd zodat de individuele totale tijdsvertraging tg^ voor elke transducent k wordt bepaald door: tjc0=tc vm+ (k "1) (d/V) s i ηθ+(A2/BRV) (1 -[2%/A]2) cos 20 40 hetgeen wordt getoond door de streep-punt-lijn lis. Deze geldt echter

i 88 02.34O

5 alleen als het medium 14 in hoofdzaak homogeen is tussen de transducen-tenarray 11 en het punt 12 dat door de energiebundel wordt aangestraald .

Als het medium niet homogeen is, zoals kan voorkomen indien de 5 eerste aangestraalde laag 14a een eerste energiepropagatiesnel heid Vi heeft en een tweede aangestraalde laag 14b een tweede energiepropaga-tiesnelheid V2 heeft (verschillend van de propagatiesnelheid in de eerste laag), dan hangt de tijdsvertraging die nodig is voor het correct focuseren en richten van de bundel op een willekeurig punt 12 10 af van de uitgestrektheid van de niet homogene medium!aag 14a die aanwezig is tussen een bepaalde transducent lik en een willekeurig punt 12 in het aangestraalde monster. Dat wil zeggen dat de tijdvertragingscur-ve lit, indien deze al vaststelbaar is, uiterst niet-lineair verloopt en voor elke transducent een totale transducenttijdsvertraging t'kg 15 vereist die niet alleen de focuseer- en vertragingstijden tfk en tdk omvat maar ook een extra tijdsvertraging At^g vereist teneinde de fasevervorming Δ0|< tegen te gaan waaraan de naar elke transducent k terugkerende energie onderworpen is vanwege het doorlopen van een verschillende dikte van tenminste de laag 14a. Als het betreffende 20 punt 12 zou functioneren als een puntbron, dan kon de hoeveelheid fasevervorming Atfk» waaraan elke transducent k is onderworpen, bepaald kunnen worden. De eerste transducent 11a zou dus een fasevervorming Δ?Ia hebben zodanig dat de totale vertragingstijd behorend bij deze transducent zou moeten afwijken van de waarde taQ bepaald door de 25 ideale curve lis, terwijl de andere transducenten een tijdsvertraging Δ0|( vereisen waardoor de ideale tijdsvertraging bepaald door de curve lis wordt gemodificeerd. Vanwege de inhomogene propagatienselheidsver-deling in de laag 14 behoeft de hoeveelheid fasevervorming bij een willekeurige transducent geen relatie te hebben tot de fasevervor-30 ming δ#^ bij de direct aangrenzende transducent. Het is zeer wenselijk om de fasevervorming te meten en correctiefactoren te berekenen die gebruikt kunnen worden bij het vaststellen van de tijdsvertraging samenhangend met elke transducent lik van de array. De werkwijze volgens onderhavige aanvrage maakt gebruik van een testbundel van door 35 de transducentenarray 11 uitgezonden energie en van reflectie van willekeurige verstrooiingsmiddelen 12s (in het bijzonder een grote verdeling van verstrooiers) in de laag 14 zodanig dat fase-aberaties, ofwel het vervormingspatroon, geïnduceerd vanwege de propagatie door een ruimtelijk inhomogeen medium, kan worden vastgesteld en vervolgens kan 40 worden gebruikt voor het tenminste partieel corrigeren van de vereiste < 88 02.34 0 6 tijdsvertragingen in een coherent afbeeldingsstelsel met bemonsterde apartuuropening.

Figuur 2 toont een voorbeeld van een met ultrasone energie werkend afbeeldingsstelsel 10 waarvan de bundel 12a kan worden gericht, gefocu-5 seerd en adaptief kan worden gevormd gebruikmakend van de faseconjuga-tiewerkwijze volgens de uitvinding teneinde de fasevervormingseffecten in hoofdzaak te overwinnen. Elk van de transducenten lik is voorzien van een direct daarop aangesloten frontschakeling 16k voorzien van (a) middelen voor het aansturen van de transducent teneinde een afvragende 10 bundel uit te zenden en (b) middelen voor het verwerken van de, van de transducent ontvangen energie teneinde een ontvangstbundel te vormen. Bij elk van deze frontschakelingen 16k, behalve een, behoort een fase-conjugatie-verwerkingsschakeling 18k voor het vaststellen van de fasevervormi ng Δ0|< tussen het terugkerende signaal in dat kanaal en het 15 terugkerende signaal in een direct aangrenzend kanaal. Omdat er N kanalen in opeenvolgende paren met elkaar moeten worden vergeleken zullen slechts (N-l) fase-aberatiesignalen worden gegenereerd. De schakeling 20 is aanwezig voor het berekenen van de individuele faseconjugatie-correctiesignalen dj voor de kanalen j reagerend op de ontvangst van 20 de individuele transducent-fasevervormingswaarden A0k· Elk faseverschil resulteert derhalve in een tijdsvertragingsfout als gevolg van de inhomogene propagatie binnen het medium, waarbij de tijdvertragingsfout Atj voor het j-de kanaal en voor een bundel hoek Θ gelijk is aan Atj0 = dj0/W0, waarin wg de frequentie is van de bundel-25 energie die wordt gebruikt om het medium af te tasten en djg = i Adk k=l voor de j-de zendende transducent. De middelen 20 voor het berekenen 30 van de 0j waarde kunnen voorzien zijn van een willekeurige geschikte microcomputer met een bijbehorend willekeurig toegankelijk geheugen RAM 20a en een uitleesgeheugen ROM 20b voor het opslaan van programmatuur; de microcomputer 20 sonmeert alle Adk waarden die aangeboden worden op een multi piexingang 20c van de microcomputer reagerend op de ont-35 vangst van een vrijgeefsignaal en het aantal kanalen j, aangeboden aan een stuurinterface 20d. De schakeling 20 kan telkens worden vrijgegeven in responsie op het uitzenden van een testbundel onder een hoek 0, kenmerkend voorafgaand aan het onder dezelfde hoek 9 of onder een hoek 9' dichtbij de hoek 9 uitzenden van de feitelijke bundel waar-40 mee data wordt verzameld. Een kenmerkende volgens de zogenaamde "pha- - 8802340 7 % sed-array" methode functionerende array van transducenten (een PASS-in-richting) kan een 90° sector aftasten met 2? = 128 verschillende bundels (en derhalve met een hoekresolutie van ongeveer 0,7° per bundel-stuurhoek). Als niet voor alle bundel hoeken testbundels worden uitge-5 zonden en daaruit fasecorrectiegegevens A0k worden berekend, dit om tijd te besparen, dan kunnen testbundels voor een uit elke vier opeenvolgende bundelnummers worden gebruikt. Voorafgaand aan het accepteren van data voor een bundel onder een bepaalde hoek Θ wordt een testbun-del uitgezonden; elke transducent functioneert reeds met die transmis-10 sievertraging die nodig zou zijn voor het vormen (sturen en focuseren)

Van alle transducentuitgangssignalen tot een bundel op de geselecteerde hoek Θ en voor een afstand R. Alle N transducenten converteren eveneens de terugkerende testbundelenergie, die bij de betreffende transducent wordt ontvangen, in een elektrisch signaal voor verwerking in de 15 middelen 16, 18 en 20 teneinde een fasevervorming-correctiewaarde A0k te verkrijgen, en daarmee een faseconjugatie-correctietijdvertraging Atkg = voor dat ene kanaal k bij die testbundel rich ting Θ.

De noodzakelijke correctie is een tijdsvertraging, waarbij de 20 tijdvertragingfout AtmQ = Tm - Tm_j voor signalen op een paar aangrenzende kanalen m en (m-1) en waarbij Tm het tijdinterval is vanaf de transmissie van de testbundel door de aangegeven transducent m tot aan de ontvangst van het terugkerende signaal door de betreffende m-de transducent. Het signaal van het k-de kanaal is derhalve 25 Sk(t) = S(t-Tk) en het signaal van het (k-l)-de kanaal is derhalve Sk_i(t) = S(t-Tkel). Als de signalen van het paar aangrenzende kanalen worden omgevormd naar de basisband en vervolgens aan een kruiscorrelatie worden onderworpen dan geldt:

Sk(t) = C(t-Tk) exp (-i«0(t-Tk)) 30 en S^i^) * C(t-Tk) exp (-ftJott-T^)) waarbij C(t) een functie is voor het vormen van de omhullende van de testbundel, en de kruiscorrelatiefunctie R(t) wordt bepaald door R(t) %,/

Dit is equivalent aan 35 R(t) = expfiUoiMVT^))) ^ CCtH'-TfcWt'-T^jJdt'

Hieruit blijkt echter dat de integraal juist de autocorelatiefunctie A van de omhullende (env) is, geevalueerd op het tijdstip (t-(Tk-Tk_1))- Derhalve wordt de basisbandkruiscorrelatiefunctie gelijk aan 40 R(t) - expt-iWo(t-(Tfc-Tk)))A(t-)) ^ gg02.340 8 zodat de fase van de kruiscorrelatiefunctie op een willekeurig tijdstip t is gerelateerd aan de tijdfout als 0(t) =-WQ(t-At). Als derhalve 0(t) kan worden gemeten op een willekeurig tijdstip waarbij A(t-At) groot is dan kan een zeer goede schatting worden verkregen van de tijd-5 fout. Omdat de tijdverschuiving At te kort is in vergelijking met de omhullende-duur T, dat wil zeggen At«T, dan vormt A(t-At) een nagenoeg maximum op het tijdstip t=0. Een meting van de fase op t=0 wordt derhalve bepaald door A0k(O)= QAtk, zodat Atk = A0k(O)/wo de optimale schatting zal zijn van de benodigde tijdsverschuiving At|<.

10 Het basisbandsignaal wordt kenmerkend verkregen als een paar signalen, d.w.z. een in-fase basisbandsignaal I en een kwadratuurfase basisbandsignaal Q met een kruiscorrelatiefunctie bij t=0:

Rk(°) ')+1Qk(t*JiCIkj.xtt' J-lQk.jt*) zodat voor een bemonsterd stelsel geldt

15 M

Rk(0) = Σ [Ik(m) + iQk(m)(m) - iQk_i(m)] m=0 en

Adk(0) = arctan(Im(R(0))/Re(R-(0))) 20 waarin M het aantal bemonsteringspunten is dat wordt gebruikt om de oneindige tijdsintegraal te benaderen. De Adk berekeningen kunnen derhalve worden uitgevoerd door het met behulp van een digitale coordina-tenrotatiecomputer berekenen van de arctangens van R(0), dat wil zeggen door het accumuleren van de reele en imaginaire delen van het resultaat 25 van een complexe vermenigvuldiging tussen de basisbandsignalen op twee aangrenzende kanalen k en (k-1) teneinde Rk(O) te vormen in elk van de (N-l) middelen 18, en vervolgens de imaiginaire en reele delen van alle termen Rk(0) te accumuleren teneinde R(0) te vormen waaruit dan de verhouding van Im(R(0)) en Re(R(0)) wordt berekend in het middel 20 30 om elke correct!ewaarde A0|< daaruit af te leiden.

In overeenstemming met een kenmerk van de uitvinding omvat elk middel 18 een groep van bufferschakelingen 22 voor het tijdelijk opbergen van de I en Q waarden voor elk van de betrokken twee aangrenzende kanalen; een tekeninvertor 24 voor het inverteren van het teken van de 35 Q-waarden van het eerste kanaal, voorafgaand aan de opslag van die waarde in de bufferschakelingen 22d, een complexe met zwevende komma werkende vermenigvuldiger 26, een paar optel Iers 28-1 en 28-2, een digitale coordinatenrotatiecomputer 30 voor het berekenen van een arctangens. Het circuit 18(k-2) behoort derhalve bij het (k-2)-de kanaal of 40 transducent en ontvangt van de daarop volgende frontschakeling, dat wil 880234Φ * 9 zeggen de (k-l)-de schakeling de in-fase gegevens °P een eerste ingang 18(k-2)-a om te worden opgeslagen in de eerste buffer-schakeling 22a en de kwadratuurfasegegevens Q(k.x) op een tweede ingang 18(k-2)-b om te worden opgeslagen in een tweede bufferschakeling 5 22b. Het circuit 18(k-2) ontvangt ook de I en Q gegevens van het bijbehorende (k-2)-de kanaal, d.w.z. de in-fase gegevens Ι^_2) Van laatste kanaal worden ontvangen op de ingang 18(k-2)-c om te worden opgeslagen in een derde buffer 22c en de kwadratuurfasegegevens Q{k_2) van het laatste kanaal worden ontvangen op de ingang 10 18(k-2)-d, waarbij het teken daarvan wordt geïnverteerd in de schakeling 24 en de -Q^.2) gegevens vervolgens worden opgeslagen in de vierde buffer 22d. Op soortgelijke wijze worden in het circuit 18(k-l) de in-fase gegevens van de frontschakeling van het volgende kanaal ontvangen op ingang 18(k-l)-a en opgeslagen in de eerste bufferschake-15 ling 22a, terwijl de kwadratuurfasegegevens Qk van het volgende kanaal worden ontvangen op de ingang 18(k-l)-b en opgeslagen in de tweede bufferschakelïng 22b. Op de ingang 18(k-l)-c worden de in-fase gegevens I(k—1) van de ‘frontschakeling van het bijbehorende kanaal ontvangen om te worden opgeslagen in de buffer 22c terwijl de kwadratuurfase-20 gegevens Q(k-l) worden ontvangen op de vierde ingang 18 (k-l)-d en na tekeninversie in de schakeling 24 worden de "Q|k-1) 9e9evens opgeslagen in de buffer 22d. De met zwevende komma werkende complexe vermenigvuldiger 26 in de k-de schakeling 18k maakt gebruik van de vier gegevens in de buffer 22 om de reele Re en imaginaire lm delen te ver-25 schaffen van de uitdrukking ([Iic(j)+iQ(a)3[I(c_iCj}-iQk_i op(j)]) de respectievelijke uitgangen 26a en 26b waarmee de benodigde deel waarden voor de R(0) sommatie worden gevonden. De reele of imaginaire delen worden elk gesommeerd in een van de sommeerschakelingen 28-1 voor de reele termen of de sommeerschakelïng 28-2 voor de imaginaire termen. De 30 somsignalen worden toegevoerd aan de digitale coordinatenrotatiecompu-ter 30 waarmee een arctangensberekening kan worden uitgevoerd en die de Δ0|< waarde verschaft aan de uitgang 18k-e. Het zijn deze 40k waarden die achtereenvolgens worden toegevoerd aan de ingang 20c van de multiplexer-microcomputer ter berekening van de djg waarde voor 35 elk van de l*j<n kanalen.

Deze tfjg informatie wordt teruggekoppeld naar de fasecor-rectiedata-ingangsaansluiting 16j-f van de geselecteerde j-de frontschakeling. Als dus een testbundel onder een hoek Θ wordt uitgezonden door de transducentenarray 11, dan worden de (n-1) paren van fasever-40 vormingswaarden Afa verwerkt door de schakeling 20 en uit de .*8 0134 0 10 jójQ waarden, die optreden op de aansluiting 16(k-l)-f kan een correctietijd Atjg = 0jqA»q worden berekend. De Atg waarde wordt daartoe ingevoerd in het kanaalfasecorrectie-geheugen 32 via een eerste ingangsaansluiting 32a daarvan. Op soortge-5 lijke wijze ontvangt het fasecorrectiegeheugen 32 van het k-de kanaal de At|<g waarde die optreedt op de fasecorrectie-ingangsaansluiting 16k-f van dat kanaal.

Elke kanaalfrontschakeling 16k, waarbij Uk$N, heeft een transdu-centaansluiting 16k-a die verbonden is met de bijbehorende k-de trans-10 ducent lik. Een transmissiepulsstuursignaal TXP wordt toegevoerd aan de transmissiestuuringang 16k-b van het kanaal voor het doorschakelen van de verbinding vanaf de transducentaansluiting 16k-a via een zend/ ontvangst-schakelaar 34 vanaf een ontvangstgedeelte naar een zendge-deelte van de kanaalfrontschakeling. Met uitzondering van het fasecor-15 rectiegeheugen 32, het foutgeheugen 56 en de bijbehorende optel!er 58 die nog in het onderstaande zullen worden beschreven zijn alle andere kanaalfrontcircuits op zichzelf bekend (zie bijvoorbeeld de samenhangende Amerikaanse octrooiaanvragen Serial Nr. 056,177 en 944,482, ingediend op resp. 1 juni 1987 en 19 december 1986 en toegewezen aan de 20 houder van onderhavige aanvrage) en zullen hier slechts kort worden besproken. El ke k-de kanaalfrontschakel ing 16k heeft een databusingang 16k-c die de hoek Θ en de afstandsinformatie R ontvangt van een sys-teemdatabus 36, zodat een interne databus 38 in de frontschakeling deze informatie parallel kan toevoeren aan een tweede ingangspoort 32b van 25 het fasecorrectiegeheugen 32 en aan een transmissievertragingsgeheugen Tx 40, een ontvangstfase-voorinstelgeheugen 42, een ontvangstfase-slip-geheugen 44 en een ontvangstvertragingsstuureenheid 46 in elk kanaal.

De normale transmissievertragingsgegevens, nodig voor de formatie van energie van de k-de transducent van de N transducenten in een bundel 30 die gefocuseerd is op een klein gebied 12 onder een hoek Θ en op een afstand R, zijn afkomstig van het geheugen 40 en worden opgeteld bij de inhoud van het foutgeheugen 56 in de opteller 50, waarna de som wordt toegevoerd aan een transmissiestuurschakeling (TX XL) 52 waarmee de tijdsduur wordt vastgesteld van de transmissiepuls gegenereerd door een 35 transmissieuitstuurtrap (TX DR) 54, welke een transmissiepuls van hoogfrequente ultrasone energie levert via de zend/ontvangst-schakelaar 34 aan de betreffende transducent lik. Na beëindiging van de zendpuls op het knooppunt 16k-b wordt het kanaal omgeschakeld voor ontvangstbedrijf (Rx modus). Het fasecorrectiegeheugen verschaft de At^g waarde 40 op een uitgangspoort 32c; de daarop staande gegevens worden voor tijde- I £8 02.34 0 11 lijke opslag vastgehouden in een foutgeheugen 56. De ontvangen signaal-fasecorrectietijdsduur At|<g wordt in de optel Ier 58 opgeteld bij de fasevoorinstelgegevens die eerder in het geheugen 42 voor de betreffende hoek Θ en de betreffende afstand R zijn ingevoerd. Deze ge-5 gevens, plus de faseslipgegevens van het geheugen 44, worden geladen in een klokteller 60 die een ontvangstbemonsteringspoortklokpulssdignaal Sfc afgeeft. Elk ontvangstgedeelte van elke kanaalfrontschakeling bevat een zowel in tijd als in versterkingsfactor regelbare versterker 62 en een aantal snel werkende analoog/digitaal-omvormers 64 alsmede een 10 vertragingseenheid 65 die zorgt voor een intergedigitaliseerde bemonstering van de in versterkingsfactor bestuurde ontvangen bundel energie. De digitale data van elk van de analoog/digitaal-omvormers wordt gedemoduleerd naar de basisband door een demodulator 66, en daarna worden de in-fase gegevens I en de kwadratuurfasegegevens Q van de data-15 band 1aagdoorlatend gefilterd in de laagdoorlaatfilters 68a of 68b voordat ze worden gedecimeerd in de digitale datadecimators 70a of 70b. De gedecimeerde in-fase- of kwadratuurfasegegevens worden dan resp. vertraagd in een kanaalvertragingsregister 72a of 72b met een tijdsvertraging t,j die wordt bepaald door de vertragingsstuureenheid 46 voor 20 het betreffende kanaal, en dit levert de in-fase uitgangswaarde 1^ aan de kanaal uitgang I6k-d of de kwadratuurfase uitgangswaarde aan de kanaal uitgang 16k-e op. Deze waarden worden toegevoerd aan (a) de niet getoonde RSC-middelen voor het verschaffen van de resulterende coherente in-fase- en kwadratuurfasesom (RCS) gegevens van waaruit de 25 zichtbaar te maken afbeeldingen worden afgeleid, en (b) het bijbehorende paar van verwerkingsmiddelen 18(k-l) en 18k.

Tijdens bedrijf wordt een testbundel geformeerd door het activeren van alle transducenten met opeenvolgende tijdsvertragingen corresponderend met een bundel die wordt uitgestuurd onder een hoek Θ en gefocu-30 seerd is op een afstand R (met behulp van het vertragingsgeheugen 40, de transmissieregelaar 52 en de transmissie-uitstuurtrap 54) alsof men te maken had met een compleet uniform medium. Tijdens de ontvangst wordt voortdurend, terwijl de complexe correlatorsommen worden berekend door de computer 20, de ontvangstbundel vormende elektronica van elk 35 circuit 16 opnieuw geconfigureerd om een dynamische focusering te bereiken (hetgeen wordt uitgevoerd via de A/D-omvormers 64, die digitale basisbanddemodulatoren 66, de laagdoorlatende filters 68, de decimator-middelen 70, de kanaalvertragingseenheden 72, de vertragingsstuureenheid 46, het fases!ipgeheugen 44 en de klokstuureenheid 60) zodanig dat 40 de fasecorrectiemodificatietijd At|<g voor elk kanaal in hoofd- <. 880134 0 12 zaak uitsluitend resulteert uit propagatiefouten. De testbundelpuls wordt gereflecteerd door de verstrooiende elementen 12s binnen het werkelijke niet uniforme medium en de individuele signalen op elk van het aantal M kanalen worden bewerkt tot een in fase component Im en een 5 kwadratuurfasecomponent Qm voor elk m-de kanaal. Deze Im en Qm signalen worden dan in paren toegevoerd vanaf de schakeling 16 naar een aantal (N-l) complexe correlatoren 18 voor het berekenen van de Ad^ fouten van elk van de (N-l) paren aangrenzende kanalen. De computer 20 ontvangt en berekent sequentieel de Adk fouten voor het afleiden van 10 de fasecorrectiefactoren dkQ die in elk van de M kanalen moeten worden gebruikt voor de hoek Θ corresponderend met de testbundelrichting. Dit proces vindt plaats voor alle testrichtinghoeken Θ. Alhoewel testbundels kunnen worden verschaft in elke bundel richting in het gecorrigeerde beeld zal het duidelijk zijn dat niet in elke bundelrich-15 ting een testbundel hoeft te worden verschaft. Een enkele testbundel kan worden gebruikt voor het afleiden van correctiefasen voor elk van het aantal M elementen van een groep P (kenmerkend met P=2 tot P=16) aangrenzende afbeeldingbundels. Het zal duidelijk zijn dat elk van een aantal van in hoofdzaak identieke geïntegreerde frontschakelingchips 20 aanwezig zal zijn in elke frontschakeling 16; het zal ook duidelijk zijn dat elk van een aantal van in hoofdzaak identieke bewerkingschake-1ingchips tenminste een kruiscorrelatiebewerkingsgedeelte 18 zal bevatten. Als hetzelfde aantal geïntegreerde schakelingen in de frontcir-cuits en geïntegreerde schakelingen in de kruiscorrelatieprocessor 25 wordt gebruikt dan kan elke processorchip worden gelokaliseerd aangrenzend aan de frontschakelingschip voor de bijbehorende kanalen. De enkelvoudige microcomputer 20 kan worden gekoppeld met de geïntegreerde schakelingen die het circuit 18 vormen via een geschikte bus. Het zal duidelijk zijn dat deze configuratie het mogelijk maakt om alle chips 30 van de frontschakel ing direct aangrenzend aan de N transducenten van de array 11 te lokaliseren.

Nadat het stelsel ervoor heeft gezorgd dat de array van transducenten een testbundel heeft geleverd onder een hoek Θ en alle fase-correctiewaarden d|<g zijn berekend, zorgt de regelaar van het 35 stelsel ervoor dat alle N kanalen in hoofdzaak simultaan energie uitzenden voor die hoek Θ bij een afstand R, en de terugkerende signalen verwerken gebruikmakend van de correcte fasevervormingsgegevens in elk kanaal teneinde tenminste gedeeltelijk de daarin aanwezige fasevervor-ming te corrigeren. De resulterende I en Q signalen worden met bekende 40 middelen verwerkt teneinde als resultaat de coherente somsignalen (RCS- .8802340 13 signalen) te vinden waarmee zichtbare afbeeldingen kunnen worden ge- * vormd. Het zal duidelijk zijn dat, indien gewenst, een aantal transmissies onder eenzelfde hoek en eenzelfde afstand kunnen worden toegepast, waarbij de RCS-signalen met gereduceerde aberatie worden gemiddeld.

5 Terwille van een reductie van de tijdsduur, nodig voor het uitvoeren van een test op elk van de hoeveelheid hoeken Θ (waarvan er bijvoorbeeld 27=128 kunnen zijn) is het, zoals reeds werd opgemerkt, niet nodig om bij elke afbeeldingsexcitatiebundel een testexcitatiebundel te gebruiken. Het is bijvoorbeeld mogelijk om alleen om de andere hoek een 10 testbundel uit te zenden; de fasecorrectiegegevens voor de tussenliggende afbeeldingshoeken resulteren dan uit een interpolatie van de aangrenzende testbundelhoeken. Het zal duidelijk zijn dat hoe groter het aantal onafhankelijke testbundels is hoe beter in het algemeen de resulterende fase-aberatiecorreetie zal zijn. Het zal ook duidelijk zijn 15 dat, indien de configuratie van de lagen 14 met de tijd varieert, zoals in het algemeen de situatie zal zijn bij het maken van medische ultrasone afbeeldingen, waarin de array van transducenten 11 rust tegen de buitenzijde van een deel van het menselijk lichaam, welk deel met de tijd van plaats verandert (als gevolg van de ademhalingsbeweging, pul-20 serende bloedstromingen en dergelijke) in welk geval een opslag van de correctiefactoren voor alle afbeeldingshoeken ongeschikt is (omdat deze factoren waarschijnlijk veranderd zullen zijn tussen een eerste aan-straling onder een bepaalde hoek Θ en een latere aanstraling onder dezelfde hoek Θ) als gevolg van deze natuurlijke ademhalingsbewegin-25 gen. In dat geval behoeft het fasecorrectiegeheugen 32 niet aanwezig te zijn en worden de fasecorrectiegegevens voor elke test direct ingevoerd in het foutgeheugen 56, en direct buiten beschouwing gelaten na de eerstvolgende afbeeldingsaanstraling (of de volgende V sequentiele aan-stralingen, indien een middelingstechniek over V pulsen wordt toege-30 past). Opeenvolgende afbeeldingsaanstralingen onder dezelfde hoek vragen dan om een nieuwe testprocedure voorafgaand aan de feitelijke waar-neemprocedure teneinde voor dat bepaalde tijdstip de fasecorrectiegegevens voor elk van de N kanalen te vinden.

Alhoewel in het voorgaande bij wijze van voorbeeld ter verklaring 35 van de uitvinding een voorkeursuitvoeringsvorm van de nieuwe werkwijze en de nieuwe inrichting is gepresenteerd zal voor een deskundige duidelijk zijn dat diverse variaties en modificaties mogelijk zijn. De uitvinding is in het bovenstaande bijvoorbeeld beschreven met verwijzing naar gefaseerde array's waarin met ultrasone straling wordt gewerkt 40 maar het zal duidelijk zijn dat de uitvinding ook kan worden toegepast ‘8802340 14 bij andere coherente afbeeldingstechnieken zoals radar, sonar en dergelijke. Ook deze technieken vallen binnen het kader van de navolgende conclusies.

»8802340

Claims

1. Werkwijze voor adaptieve reductie van fase-aberatie-effecten op de tijdvertragingen die nodig zijn voor het focuseren van een bundel coherente energie binnen niet-homogene media op een geselecteerde af-5 stand van en onder een geselecteerde hoek Θ ten opzichte van de loodlijn op het oppervlak van een array bestaande uit een aantal N transdu-centen die bij excitatie elk een deel van de bundelenergie verschaffen en die daarna de daarop invallende energie omvormen tot een signaal, welke werkwijze de volgende stappen omvat: 10 (a) het uitzenden van een testbundel afkomstig van het aantal N transducenten en het, na terugkaatsing daarvan tegen de natuurlijke, in tenminste een gedeelte van het te onderzoeken medium aanwezige terugkaats ingselement en, ontvangen van de teruggekaatste energie; (b) het voor elke testbundel kruiscorreleren van de ontvangen sig-15 nalen van een k-de transducent, waarbij l£k$N en de aangrenzende (k-l)-de transducent voor de (N-l) opeenvolgende paren van aangrenzende transducenten van alle N transducenten teneinde een coresponderend aantal (N-l) faseconjugatie-correctiesignalen Δ^ te produceren; (c) het uitvoeren van een wiskundige bewerking op het aantal fase-20 conjugatie-correctiesignalen teneinde een tijdcorrectie Atjg te produceren voor de tijdvertraging die behoort bij die testbundel die onder een hoek Θ is uitgezonden door de transducent j over een afstand R; (d) het vervolgens met de tijdcorrectie Atjg voor deze 25 j-de transducent modificeren van de tijdvertraging voor het exciteren van een afbeeldingsbundel met gereduceerde aberatie in het inhomogene medium, uitgestuurd onder in hoofdzaak de hoek Θ en in hoofdzaak ge-focuseerd op de afstand R; en (e) het vervolgens met de tijdcorrectie voor deze transducent mo-30 dificeren van de tijdvertraging van de terugkerende signalen ontvangen van het te onderzoeken medium teneinde de faseaberatie in de verzamelde waarden voor het genereren van een zichtbare afbeelding van het medium te reduceren.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat stap (a) 35 omvat een stap waarin Θ zodanig wordt ingesteld dat alle bundels in een geselecteerd afbeeldingsgebied worden omvat.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, verder gekenmerkt door het herhalen van de stappen (a)-(e) voor iedere herhaling van elke willekeurige afbeeldingssequentie.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat stap (a) de 1&8&Z340 stap omvat waarin elke m-de bundel (waarbij m groter is dan 1) van de N bundels in de geselecteerde afbeeldingsruimte wordt omvat en verder een stap omvat waarin een interpolatie wordt uitgevoerd tussen de tijd-correcties van de naaste aangrenzende bundels in de testbundelruimte 5 teneinde tijdvertragingscorrecties te verkrijgen voor afbeeldingsbun-dels die niet behoren tot de groep van testbundels.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, verder gekenmerkt door het herhalen van de stappen (a)-(e) voor elke herhaling van iedere willekeurige afbeeldingssequentie.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat stap (b) de volgende stap omvat: het omvormen van het ontvangen signaal van elke k-de transducent tot een digitaal basisbands!gnaal en het, voor de eerste (N-l) kanalen kruiscorreleren van het paar k-de en (k+l)-de datasignalen teneinde voor het k-de kanaal het faseconjugatiefoutsignaal 15 Δ0|< te verschaffen.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat elk van de basisbanddatasignalen een kwadratuurdatasignaal is met een in-fase component I|< en een kwadratuurfasecomponent Qk, in het corresponderende k-de kanaal; en dat de kruiscorrelatiestap een stap omvat waarin het 20 paar kwadratuurdatasignalen complex wordt vermenigvuldigd.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat stap (b) verder omvat de volgende stappen: het voor elk van de eerste (N-l) kanalen van de array afleiden van de dataterm van een trigonometrische verhouding van het reele deel en het imaginaire deel van elk 25 complex vermenigvuldigd paar van aangrenzende kanaalsignalen; en het sommeren van de eerste tot en met de j-de van de Δ0|< termen teneinde het faseconjugatiecorrectiesignaal 0j*q te verschaffen voor de j-de transducent van de testbundel.

9. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat voor elke 30 transducent 1 tot en met (N-l) stap (b) verder omvat de volgende deelstappen: het ontvangen van een in fase component 1^ en een kwadratuurfasecomponent Qk+j van het (k+l)-de volgende kanaal; het inverteren van het teken van de Qk+i component; het voor elk k-de kanaal complex vermenigvuldigen van het paar 1^ en gegevens en 35 het paar Ik+1 en Qk+1 gegevens; het afzonderlijk accumuleren van de reele en imaginaire termen van het complexe product; en het verschaffen van de Δ0^ term voor dat k-de kanaal als de arctangens van de verhouding tussen de imaginaire en reele sommen.

10. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat stap (c) 40 de volgende deelstappen omvat: het sommeren van de eerste tot de j-de .8102340 van de faseconjugatiesignalen teneinde een fasecorrectiedatasig- . naai 0jg te verschaffen; en het delen van het fasecorrectieda-taslgnaal door de gemiddelde frequentie 61q van de bundel energie teneinde de tijdsvertraging Atjg te verschaffen.

11. Inrichting voor adaptieve reductie van fase-aberatie-effecten op de tijdvertragingen die nodig zijn voor het focuseren van een bundel coherente energie binnen niet homogene media op een geselecteerde afstand R van en onder een hoek Θ ten opzichte van de loodlijn op het oppervlak van een array van een aantal N transducenten, die bij excita-10 tie elk een deel leveren van de bundel energie en zorgen voor het omvormen van de gereflecteerde energie in een signaal, omvattende: middelen voor het sequentieel uitzenden van een telkens verschillende testbundel uit een geselecteerde groep van testbundels zodanig dat energie wordt gereflecteerd tegen reflectie-elementen die op natuurlijke wijze aanwe-15 zig zijn in tenminste een deel van het te onderzoeken medium welke gereflecteerde energie wordt ontvangen door alle transducenten van de array; faseconjugatie-verwerkingsmiddelen voor het voor elke testbundel uitvoeren van een kruiscorrelatie op de ontvangen signalen van elk k-de 20 paar van transducenten (waarbij UkéN) van de (N-l) opeenvolgende paren van aangrenzende transducenten teneinde een daarmee corresponderend aantal faseconjugatie-correctiesignalen Δ^ te produceren; middelen voor het uitvoeren van een wiskundige bewerking op het aantal faseconjugatiesignalen Δ^ teneinde een tijdcorrectie 25 AtjQ te produceren voor de tijdvertraging die behoort bij deze ene transducent voor die afstand R en die hoek Θ; bij elke transducent behorende middelen voor het vervolgens modificeren van de tijdvertraging met de tijdcorrectie voor deze transducent teneinde een afbeeldingsbundel met gereduceerde aberatie op te 30 wekken in het inhomogene medium, bestuurd onder een hoek Θ en gefocu-seerd in hoofdzaak op de afstand R; en bij elke transducent behorende middelen voor het vervolgens met de tijdcorrectie voor deze transducent modificeren van de tijdsvertraging van de terugkerende signalen, ontvangen uit het te onderzoeken medium 35 in responsie op de uitzending van de afbeeldingsbundel met gereduceerde aberatie teneinde de fase aberatie in de verzamelde gegevens bestemd voor het genereren van een zichtbare afbeelding van het medium, te reduceren.

12. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de 40 eerstgenoemde middelen voorzien zijn van middelen voor het omvormen van .8802340 het ontvangen signaal voor elke k-de transducent in een digitaal basis-bandsignaal en elk verwerkingsmiddel voor de eerste (N-l) kanalen een kruiscorrelatie uitvoert op het k-de en (k+l)-de datasignaal teneinde voor het k-de kanaal het faseconjugatie-foutsignaal Δ0|< te verschaf-5 fen.

13. Inrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat elk van de basisbandsignalen een kwadratuursignaal is en het verwerkingsmiddel van het k-de kanaal voorzien is van middelen voor het complex vermenigvuldigen van het paar kwadratuursignalen van het k-de kanaal en van het 10 (k+l)-de kanaal.

14. Inrichting volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat elk ba-sisbandkwadratuursignaal van het k-de kanaal een in-fase component 1^ en een kwadratuurfasecomponent Q|< heeft; en dat de verwerkingsmidde-len voor het k-de kanaal de Ik en Qk componenten van het k-de ka- 15 naai ontvangen alsmede de 1^ en Qk+·^ componenten van het (k+l)-de kanaal.

15. Inrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat elk complex vermenigvuldigingsmiddel een afzonderlijk uitgangssignaal verschaft voor het reele deel en het imaginaire deel van het product van 20 (Ik+iQk) en (Ik+1-iQk+1).

16. Inrichting volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat elk verwerk! ngsmiddel verder omvat middelen voor het afzonderlijk accumuleren van het reele uitgangssignaalgedeelte en het imaginaire uitgangssig-naalgedeelte van de complexe vermenigvuldigingsmiddelen alsmede midde- 25 len voor het bepalen van de trigoniometrische verhouding van de geaccumuleerde reele en imaginaire deel signal en teneinde het faseconjugatie-foutsignaal A$k voor het k-de kanaal te verschaffen.

17. Inrichting volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de middelen voor het uitvoeren van de wiskundige bewerking voorzien zijn van 30 middelen voor het sommeren van de eerste tot en met de j-de signalen van de Δ0|< datasignalen teneinde het faseconjugatiecorrectiesignaal 0j9 te verschaffen voor de j-de transducent die het laatst een testbundel onder een hoek Θ heeft verschaft.

18. Inrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat elk van 35 de verwerkingsmiddel en verder voorzien is van middelen voor het inverteren van het teken van de Qk+1 component.

19. Inrichting volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat elk verwerkingsmiddel verder voorzien is van middelen voor het opslaan van de ontvangen 1^, Q^, Ik+1 componenten alsmede de component met 40 het geïnverteerde teken Qk+1< - 88 02340

20. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de middelen voor het uitvoeren van de wiskundige bewerking voorzien zijn van een microcomputer voor het sommeren van de eerste tot en met de j-de signalen van de faseconjugatiesignalen teneinde een fasecorrec-5 tiesignaal djg te verschaffen; en voor het delen van het fase-correctiesignaal door de gemiddelde frequentie 6ig van de bundel energie teneinde de tijdsvertraging Atjg te verschaffen. ******** 8E02340