RU2728512C1 - Method of mapping using circular antenna array - Google Patents

Method of mapping using circular antenna array Download PDF

Info

Publication number
RU2728512C1
RU2728512C1 RU2019124201A RU2019124201A RU2728512C1 RU 2728512 C1 RU2728512 C1 RU 2728512C1 RU 2019124201 A RU2019124201 A RU 2019124201A RU 2019124201 A RU2019124201 A RU 2019124201A RU 2728512 C1 RU2728512 C1 RU 2728512C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna array
annular antenna
focus
signal
annular
Prior art date
Application number
RU2019124201A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Василий Павлович Ющенко
Ольга Валерьевна Гофман
Татьяна Валерьевна Дулуба
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет"
Priority to RU2019124201A priority Critical patent/RU2728512C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2728512C1 publication Critical patent/RU2728512C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/13Tomography
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
    • H01Q3/38Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters the phase-shifters being digital
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
    • H01Q3/38Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters the phase-shifters being digital
    • H01Q3/385Scan control logics

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

FIELD: acoustics.
SUBSTANCE: invention relates to near-field location and can be used for acoustic waves tomography during monochromatic probing of surrounding space. In method of mapping by means of annular antenna array monochromatic probing signal is emitted, reflected signal is received. At that, the space scanning the focus is controlled by means of the fixed annular antenna array by setting the calculated initial phases on each radiating element of the annular antenna array, forming an image matrix by distributing a received signal by the range elements, in accordance with the reconstruction region, and matrix conversion into brightness signals to obtain section image of tomographed object.
EFFECT: invention simplifies the data recording system during tomography and high image quality.
1 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области ближней локации и может быть использовано для томографии на акустических волнах при монохроматическом зондировании окружающего пространства.The proposed invention relates to the field of near ranging and can be used for tomography on acoustic waves with monochromatic sensing of the surrounding space.

Известный способ картографирования земной поверхности, являющийся аналогом, применяемый в радиолокационных станциях (РЛС) бокового обзора, предусматривает излучение когерентного импульсного зондирующего сигнала, стробирование отраженного сигнала по времени, то есть распределение сигнала по каналам дальности за счет стробирования, сжатие обрабатываемого сигнала за счет синтеза апертуры в каждом канале дальности, модуляция оптического луча по яркости амплитудой принятого сигнала и развертку изображения на фотопленке в координатах удаления от проекции траектории на землю и расстояния по траектории.The known method of mapping the earth's surface, which is an analogue used in side-looking radar stations (radar), provides for the emission of a coherent pulsed sounding signal, gating of the reflected signal in time, that is, the distribution of the signal along the range channels due to gating, compression of the processed signal due to the synthesis of the aperture in each range channel, modulation of the optical beam in terms of brightness by the amplitude of the received signal and scanning the image on a photographic film in coordinates of distance from the projection of the trajectory to the ground and the distance along the trajectory.

Этот способ описан в книге А.П. Реутова, Б.А. Михайлова, Г.С. Кондратенкова, Б.В. Бойко. Радиолокационные станции бокового обзора. М.: Сов. радио, 1970, с. 98-107, а цифровое устройство, реализующее известный метод картографирования, подробно описано в книге В.Н. Антипова, В.Г. Горяйнова и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. М.: Радио и связь, 1988, с. 61, рис. 28. Это устройство позволяет получить сверх узкий луч за счет синтеза апертуры и за счет узкого луча детально рассмотреть на поверхности земли малоразмерные объекты. Это устройство можно считать аналогом предлагаемого способа картографирования.This method is described in the book by A.P. Reutova, B.A. Mikhailova, G.S. Kondratenkova, B.V. Boyko. Side-looking radar stations. M .: Sov. radio, 1970, p. 98-107, and a digital device that implements the well-known method of mapping is described in detail in the book by V.N. Antipova, V.G. Goryainova et al. Radar stations with digital synthesis of the antenna aperture. M .: Radio and communication, 1988, p. 61, fig. 28. This device makes it possible to obtain an ultra-narrow beam due to the synthesis of the aperture and, due to the narrow beam, to examine in detail small-sized objects on the earth's surface. This device can be considered an analogue of the proposed method of mapping.

Известный способ работает следующим образом. Принятый приемником импульсный сигнал распределяется по каналам дальности с помощью стробирующих каскадов. Затем в каждом канале с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) сигналы преобразуются в цифровые отсчеты, и выборка из N-отсчетов вводится в память. В каждом канале дальности блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) преобразует отсчеты сигнала в отсчеты спектра.The known method works as follows. The pulse signal received by the receiver is distributed over the range channels using gating cascades. Then, in each channel, the signals are converted into digital samples using analog-to-digital converters (ADCs), and a sample from the N-samples is entered into memory. In each range channel, a Fast Fourier Transform (FFT) block converts the signal samples into spectrum samples.

Далее осуществляют перемножение одноименных отсчетов входного спектра и коэффициентов опорной функции. Результат перемножения одноименных отсчетов подвергается обратному быстрому преобразованию Фурье (ОБПФ) и полученные комплексные отсчеты сигнала свертки берутся по модулю. Затем отсчеты поступают в цифровую систему индикации (ЦСИ), с помощью которой реконструируется изображение.Next, the samples of the same name of the input spectrum and the coefficients of the support function are multiplied. The result of multiplying samples of the same name is subjected to the inverse fast Fourier transform (IFFT) and the resulting complex samples of the convolution signal are taken modulo. Then the readings go to the digital display system (DSS), with the help of which the image is reconstructed.

Известен способ картографирования объектов для получения их внутренней структуры для целей томографии (патент №2066060 от 16 февраля 1993 года, взятый в качестве прототипа). В этом способе используется движущийся доплеровский локатор с монохроматическим зондирующим сигналом. Излучающая и принимающая антенны расположены рядом, практически в одной точке пространства. При таком расположении антенн локация называется однопозиционной. Отраженный от объекта сигнал с доплеровским сдвигом частоты смешивается на нелинейном элементе с монохроматическим зондирующим сигналом и после низкочастотной фильтрации выделяется траекторный доплеровский сигнал. Обработка отраженного от объекта траекторного доплеровского сигнала производится корреляционным методом с помощью заранее рассчитанных опорных траекторных сигналов для точечных отражателей, расположенных на разных дальностях с некоторым шагом. Таким образом организуются каналы дальности. В результате корреляционной обработки синтезируется апертура антенны с перестраиваемым фокусным расстоянием. С помощью перестраиваемого фокуса принятый сигнал распределяется по каналам дальности. В каналах дальности производится перекодировка амплитуды корреляционной функции в пиксели, отличающиеся по яркости. Эти пиксели разворачиваются в координатах фокусного расстояния и дальности вдоль траектории. В результате получается картина сечения объекта.A known method of mapping objects to obtain their internal structure for tomography (patent No. 2066060 dated February 16, 1993, taken as a prototype). This method uses a moving Doppler locator with a monochromatic sounding signal. Emitting and receiving antennas are located side by side, practically at the same point in space. With this arrangement of antennas, the location is called single-position. The signal reflected from the object with a Doppler frequency shift is mixed on a nonlinear element with a monochromatic probe signal and, after low-frequency filtering, a trajectory Doppler signal is extracted. The trajectory Doppler signal reflected from the object is processed by the correlation method using pre-calculated reference trajectory signals for point reflectors located at different distances with a certain step. In this way, range channels are organized. As a result of correlation processing, an antenna aperture with a tunable focal length is synthesized. With the help of a tunable focus, the received signal is distributed over the range channels. In the range channels, the amplitude of the correlation function is encoded into pixels that differ in brightness. These pixels unfold in focal length and distance coordinates along the trajectory. The result is a cross-sectional picture of the object.

Если сигнал распространяется в материале объекта, то можно получить внутреннюю структуру объекта.If the signal propagates in the material of the object, then the internal structure of the object can be obtained.

Для целей томографии наиболее подходит ультразвуковое колебание, хорошо проникающее в тело человека. Преимущество монохроматического зондирующего сигнала состоит в том, что он избавляет от дисперсионных искажений, которые обязательно присутствуют при применении широкополосных импульсных зондирующих сигналов. Суть дисперсионных искажений в том, что составляющие спектра широкополосного импульсного сигнала распространяются в теле человека с неодинаковой скоростью, что приводит к размыванию короткого импульса и в конечном результате к искажению изображения. Перечислим признаки, заимствованные у прототипа: 1. Излучение монохроматического зондирующего сигнала; 2. Прием отраженного сигнала; 3. Формирование путем расчета опорных сигналов для каждой дальности; 4. Распределении траекторного сигнала по К дальностям за счет корреляции принятого траекторного сигнала с опорными траекторными сигналами; 5. Формирование матрицы из набора корреляционных функций для разных дальностей; 6. Преобразование матрицы в яркостные сигналы для получения изображения сечения томографируемого объекта.For the purposes of tomography, ultrasonic vibration is most suitable, penetrating well into the human body. The advantage of a monochromatic probe signal is that it eliminates dispersion distortions that are necessarily present when using broadband pulsed probing signals. The essence of dispersion distortion is that the components of the spectrum of a broadband pulse signal propagate in the human body at an unequal speed, which leads to blurring of a short pulse and, ultimately, to image distortion. Let's list the features borrowed from the prototype: 1. Radiation of a monochromatic probe signal; 2. Reception of the reflected signal; 3. Formation by calculating reference signals for each range; 4. Distribution of the trajectory signal over K ranges due to the correlation of the received trajectory signal with the reference trajectory signals; 5. Formation of a matrix from a set of correlation functions for different ranges; 6. Converting the matrix into luminance signals to obtain a cross-sectional image of the tomographic object.

Недостатком известного метода является то, что для синтеза апертуры нужен траекторный доплеровский сигнал, который образуется в результате движения локатора. Кроме того движущийся локатор должен контактировать с пациентом, чтобы осуществить его проникающее зондирование. Такая возможность появляется, если пациента поместить в водную среду. Локатор при движении в водной среде провоцирует поверхностные волны, от которых отражаются ультразвуковые зондирующие колебания. Эти помехи приводят к искажениям на реконструированном изображении.The disadvantage of the known method is that the synthesis of the aperture requires a trajectory Doppler signal, which is formed as a result of the movement of the locator. In addition, the moving locator must be in contact with the patient in order to carry out penetrating sensing. This opportunity appears if the patient is placed in an aqueous environment. The locator, when moving in an aquatic environment, provokes surface waves, from which ultrasonic sounding vibrations are reflected. This noise leads to distortion in the reconstructed image.

Второй существенный недостаток состоит в том, что пациента надо помещать в водную среду. Это очень не комфортная ситуация для пациента.The second significant drawback is that the patient must be placed in an aquatic environment. This is a very uncomfortable situation for the patient.

Эти недостатки устраняются, если исключить перемещение локатора и отказаться от синтеза апертуры. Известно, что с помощью синтеза апертуры антенны можно не только сделать бесконечно тонкий антенный луч, но и осуществить фокусировку энергии излучателя на заданную дальность, подобно тому, как это делается с помощью линзы. Кроме того синтезированная апертура позволяет управлять положением фокуса в пространстве. Это делается с помощью опорных траекторных сигналов, рассчитанных математически для точечных объектов. Таким образом, управляя фокусом можно просканировать окружающее пространство около траектории синтеза апертуры. Помещая фокус во внутрь томографируемого объекта можно просканировать внутренности, построить картину внутренней структуры объекта.These disadvantages are eliminated if the movement of the locator is eliminated and the synthesis of the aperture is abandoned. It is known that by synthesizing the antenna aperture, it is possible not only to make an infinitely thin antenna beam, but also to focus the energy of the emitter at a given distance, just as it is done with a lens. In addition, the synthesized aperture allows you to control the position of the focus in space. This is done with reference path signals calculated mathematically for point features. Thus, by controlling the focus, you can scan the surrounding space around the aperture synthesis path. By placing the focus inside the tomographic object, you can scan the insides, build a picture of the internal structure of the object.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является:The task (technical result) of the proposed invention is:

1. Исключение перемещения элементов регистрации, то есть исключение движущего локатора, что позволяет заменить водную среду гелем.1. Elimination of movement of registration elements, that is, elimination of a moving locator, which allows replacing the aqueous medium with a gel.

2. Исключение помещение пациента в водную среду.2. Exclusion of placing the patient in the aquatic environment.

3. Упрощение системы регистрации данных при томографировании из-за отсутствия движущихся элементов аппарата регистрации.3. Simplification of the data registration system during tomography due to the absence of moving elements of the registration apparatus.

4. Повышение качества изображения, из-за устранения поверхностных волн, оставляемых движущимся локатором в водной среде.4. Improving the quality of the image, due to the elimination of surface waves left by a moving locator in the aquatic environment.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе, который состоит в том, что излучается монохроматический зондирующий сигнал, осуществляется прием отраженного сигнала, управление фокусом с помощью синтезированной апертуры, формирование матрицы изображения путем распределения принятого фокусом сигнала по элементам дальности, преобразование матрицы в яркостные сигналы для получения изображения сечения томографируемого объекта. Отличие предлагаемого способа в том, что с целью, устранения искажений изображения из-за образования поверхностных волн при движении локатора, устранения помещения пациента в водную среду, которое создает неудобства для пациента при сборе данных для томографирования, управление пространственным положением фокуса осуществляют с помощью кольцевой антенной решетки путем задания рассчитанных начальных фаз на каждом излучающем элементе кольцевой антенной решетки.The task is achieved by the fact that in the known method, which consists in the fact that a monochromatic probe signal is emitted, the reflected signal is received, focus is controlled using a synthesized aperture, the image matrix is formed by distributing the signal received by the focus among the range elements, the matrix is converted into luminance signals to obtain a cross-sectional image of the tomographic object. The difference of the proposed method is that in order to eliminate image distortions due to the formation of surface waves when the locator moves, to eliminate the patient's placement in the aquatic environment, which creates inconveniences for the patient when collecting data for tomography, the spatial position of the focus is controlled using a ring antenna array by setting the calculated initial phases on each radiating element of the annular antenna array.

В предлагаемом способе также предполагается использование монохроматического зондирующего сигнала и управление фокусом для сканирования окружающего пространства, но делается это сканирование не с помощью синтеза апертуры, а с помощью реальной кольцевой антенной решетки. Энергия четных элементарных излучателей кольцевой антенной решетки концентрируется внутри кольцевой антенны фиг. 1. Если фазы излучаемых волн каждым элементом антенной решетки одинаковы, то фокус концентрации энергии будет в центре окружности. В центре окружности фиг. 1 пришедшие волны от отдельных антенных элементов решетки сложатся в фазе (1) в центральном фокусе и дадут всплеск амплитуды фиг. 2. Математически это можно пояснить следующим образом.The proposed method also assumes the use of a monochromatic probe signal and focus control for scanning the surrounding space, but this scanning is done not using an aperture synthesis, but using a real ring antenna array. The energy of the even elementary emitters of the annular antenna array is concentrated inside the annular antenna of FIG. 1. If the phases of the waves emitted by each element of the antenna array are the same, then the focus of energy concentration will be in the center of the circle. At the center of the circle in FIG. 1, the arriving waves from individual antenna elements of the array will add up in phase (1) at the central focus and give a burst of amplitude in Fig. 2. Mathematically, this can be explained as follows.

Figure 00000001
Figure 00000001

Где ϕi1234=…, Фазы волн (сигналов) на выходе отдельных элементов кольцевой антенной решетки.Where ϕ i = ϕ 1 = ϕ 2 = ϕ 3 = ϕ 4 =…, Phases of waves (signals) at the output of individual elements of the annular antenna array.

si=s1=s2=s3=… Амплитуды волн (сигналов) на выходе отдельных элементов кольцевой антенной решетки.s i = s 1 = s 2 = s 3 =… Amplitudes of waves (signals) at the output of individual elements of the annular antenna array.

Предположим, что в фокусе расположена отражающая точка. Тогда сконцентрированная в фокусе волна отразится и в виде сферической волны одновременно достигнет всех нечетных элементов антенной решетки. После суммирования всех сигналов, принятых нечетными элементами мы получим всплеск амплитуды отраженного сигнала, пришедшего из фокуса.Suppose there is a reflective point in focus. Then the wave concentrated in focus will be reflected and in the form of a spherical wave will simultaneously reach all odd elements of the antenna array. After summing up all the signals received by the odd elements, we get a burst of the amplitude of the reflected signal coming from the focus.

На Фиг. 1 обозначено ϕi1234=…, фазовращатели, Uу - напряжение, управляющее фазой фазовращателя.FIG. 1 denoted ϕ i = ϕ 1 = ϕ 2 = ϕ 3 = ϕ 4 =…, phase shifters, U y is the voltage that controls the phase of the phase shifter.

Кольцевая антенная решетка содержит четное количество элементов. Четные элементы антенной решетки с фазовращателями излучают волны, а нечетные - принимают отраженные сигналы от томографируемых объектов, располагаемых внутри кольцевой антенной решетки.The annular antenna array contains an even number of elements. The even elements of the antenna array with phase shifters emit waves, and the odd ones receive reflected signals from the tomographic objects located inside the annular antenna array.

Если фазы излучаемых волн каждым элементом разные и рассчитаны и установлены в соответствии с выражением (2), то фокус концентрации энергии будет смещен от центра окружности фиг. 1 и фиг. 3. В этом случае фазы волн от отдельных антенных излучателей сфазируются не в центре окружности, а в другом месте фиг. 3 и дадут всплеск амплитуды в смещенном фокусе фиг. 3. Распределение фаз в каждом i-ом элементе антенной решетки для смещенного от центра фокуса рассчитываются по формуле (2)If the phases of the emitted waves by each element are different and are calculated and set in accordance with expression (2), then the focus of energy concentration will be shifted from the center of the circle in FIG. 1 and FIG. 3. In this case, the phases of the waves from the individual antenna emitters will be phased not in the center of the circle, but elsewhere in FIG. 3 and will give an amplitude burst at the shifted focus of FIG. 3. The phase distribution in each i-th element of the antenna array for the off-center focus is calculated by the formula (2)

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
Ri - расстояние от k-го элемента матрицы изображения до i-го элемента кольцевой антенной решетки, si - амплитуда волны на выходе i-го элемента кольцевой антенной решетки, R0 - радиус кольцевой антенной решетки, δk - расстояние от центра кольцевой антенной решетки до k-го элемента матрицы изображения, λ - длина ультразвуковой волны, θi - меняющийся угол между δk и Ri при смене i-го элемента кольцевой антенной решетки.Where
Figure 00000003
R i is the distance from the k-th element of the image matrix to the i-th element of the annular antenna array, s i is the wave amplitude at the output of the i-th element of the annular antenna array, R 0 is the radius of the annular antenna array, δ k is the distance from the center of the annular antenna array to the kth element of the image matrix, λ is the ultrasonic wavelength, θ i is the changing angle between δ k and R i when the i-th element of the annular antenna array is changed.

Поясняющая геометрия для вывода формулы (2) представлена на фиг 4.The explanatory geometry for deriving formula (2) is shown in FIG. 4.

Для рассчета на какой угол нужно повернуть фазу сигнала в i-ом фазовращателе (ϕi, чтобы фокусом попасть в нужный элемент матрицы изображения, следует отбросить целое число волн (периодов волны), определяемых по формулеTo calculate by what angle you need to rotate the phase of the signal in the i-th phase shifter (ϕ i , in order to focus on the desired element of the image matrix, you should discard an integer number of waves (wave periods) determined by the formula

Figure 00000004
Figure 00000004

где n1 - целое число волн λ, укладывающихся на отрезке Ri, Цифра 4 означает, что волна проходит удвоенное расстояние Ri, то есть от фокуса до элемента кольцевой антенной решетки и обратно.where n 1 is an integer number of waves λ, lying on the segment R i , Digit 4 means that the wave travels twice the distance R i , that is, from the focus to the element of the annular antenna array and back.

Остается показать на модели двухточечного объекта, не будут ли мешать реконструкции другие отражающие точки, находящиеся в области реконструкции, то есть внутри кольца антенной решетки. При моделировании реконструкции двухточечного объекта следует иметь в виду, что поскольку отражать зондирующий сигнал могут только точки, попавшие в фокус, то соседние точки, находящиеся вне фокуса, не будут существенно влиять на реконструкцию изображение точки, попавшей в фокус. Если имеет место концентрированная фокусировка, охватывающая один элемент матрицы изображения (фиг. 4), то результат реконструкции изображения двухточечного объекта будет выглядеть идеально фиг. 5. На фиг. 5,а представлен результат реконструкции в виде двух амплитуд сигналов на выходе сумматора, то есть в виде двух дельта импульсов, а на виде сверху видны еле заметные две точки. Вид сверху на эти дельта функции фиг.5 б является реконструированным изображением двухточечного объекта.It remains to show on the model of a point-to-point object whether other reflective points located in the reconstruction area, that is, inside the ring of the antenna array, will not interfere with the reconstruction. When modeling the reconstruction of a two-point object, it should be borne in mind that since only points that are in focus can reflect the probe signal, neighboring points that are out of focus will not significantly affect the reconstruction of the image of a point that is in focus. If there is concentrated focusing, covering one element of the image matrix (Fig. 4), then the result of the reconstruction of the image of the two-point object will look ideal Fig. 5. In FIG. 5, a shows the result of the reconstruction in the form of two signal amplitudes at the output of the adder, that is, in the form of two delta pulses, and barely noticeable two points are visible in the top view. The top view of these delta functions of Fig. 5b is a reconstructed image of a two-point object.

Таким образом, результаты моделирования подтверждают возможность реконструкции, то есть томографирования с помощью кольцевой антенной решетки.Thus, the simulation results confirm the possibility of reconstruction, that is, tomography using a ring antenna array.

Влияние поверхностной волны на результаты реконструкции рассмотрено в статье [Ющенко, В.П. Круговой апертурный синтез для целей томографии / В.П. Ющенко // Автометрия. - 2002. - Т. 38, №6. - С. 28-33.]. Взятые из этой работы результаты представлены на фиг. 6 На фиг. 6, а, представлен результат реконструкции точечного объекта без влияния отражений от поверхностной волны. На фиг. 6, б и в, представлен результат влияния отражений от поверхностной волны: б) при соизмеримом отношении сигнал помеха; в) при значительном преобладании отражений от поверхностной волны над сигналом от точечного объекта.The influence of the surface wave on the results of reconstruction is considered in the article [Yushchenko, V.P. Circular aperture synthesis for tomography / V.P. Yushchenko // Autometry. - 2002. - T. 38, No. 6. - S. 28-33.]. The results taken from this work are shown in FIG. 6 In FIG. 6, a shows the result of the reconstruction of a point object without the influence of reflections from the surface wave. FIG. 6, b and c, the result of the influence of reflections from the surface wave is presented: b) with a commensurate ratio, the signal is interference; c) with a significant predominance of reflections from the surface wave over the signal from a point object.

Идея предлагаемого способа поясняется на примере одного из устройств, показанного на фиг. 1.The idea of the proposed method is illustrated by the example of one of the devices shown in FIG. 1.

На фиг. 1 представлен пример устройства, которое позволяет управлять пространственным положением фокуса с помощью кольцевой антенной решетки. Основным элементом устройства является кольцевая антенная решетка 1. Четные излучающие элементы антенной решетки питаются через фазовращатели ϕ1…ϕ8 от источника монохроматической волны 3. Нечетные элементы антенной решетки принимают отраженный сигнал из области фокусировки. Принятые сигналы нечетными элементами суммируются в сумматоре 2. Элементы антенной решетки имеют слабонаправленную диаграмму и очень малые размеры. Такие антенные элементы легко реализуются в ультразвуковом диапазоне. Управляемый фокус последовательно занимает ряд пространственных положений, которые соответствуют положениям элементов матрицы изображения фиг. 4. В эти моменты времени в памяти компьютера в цифровом виде фиксируются амплитуды принятых сигналов с выходы сумматора 2. Таким образом получается набор из цифровых отсчетов принятых просуммированных амплитуд в виде двумерной цифровой матрицы. Далее амплитуды двумерной матрицы амплитуд преобразуют в яркостные или цветовые сигналы (пиксели). В результате чего двумерная матрица превращается в картину томографического сечения.FIG. 1 shows an example of a device that allows you to control the spatial position of the focus using a circular antenna array. The main element of the device is a circular antenna array 1. The even radiating elements of the antenna array are fed through phase shifters ϕ 1 … ϕ 8 from a monochromatic wave source 3. The odd elements of the antenna array receive the reflected signal from the focusing area. The received signals by odd elements are summed in the adder 2. The elements of the antenna array have a weakly directional pattern and are very small in size. Such antenna elements are easily implemented in the ultrasonic range. The controlled focus sequentially occupies a number of spatial positions that correspond to the positions of the image matrix elements of FIG. 4. At these moments of time in the computer memory the amplitudes of the received signals from the outputs of the adder 2 are recorded in digital form. Thus, a set of digital readings of the received summed amplitudes is obtained in the form of a two-dimensional digital matrix. Next, the amplitudes of the two-dimensional matrix of amplitudes are converted into luminance or color signals (pixels). As a result, the two-dimensional matrix turns into a tomographic cross-section.

Техническим результатом отличительных действий является положительный эффект, которым не обладает прототип. Положительный эффект состоит в том, что отсутствие движения локатора не провоцирует поверхностную волну, которая мешает реконструкции изображения и не требуется помещать пациента в водную среду, что повышает комфортность томографирования.The technical result of the distinctive actions is a positive effect that the prototype does not have. The positive effect is that the absence of movement of the locator does not provoke a surface wave that interferes with image reconstruction and does not require placing the patient in an aquatic environment, which increases the comfort of tomography.

Claims (4)

1. Способ картографирования с помощью кольцевой антенной решетки, заключающийся в излучении монохроматического зондирующего сигнала, приеме отраженного сигнала, управлении сканирующим пространство фокусом, формировании матрицы изображения путем распределения принятого фокусом сигнала по элементам дальности, в соответствии с областью реконструкции, преобразовании матрицы в яркостные сигналы для получения изображения сечения томографируемого объекта, отличающийся тем, что управление пространственным положением фокуса осуществляют с помощью неподвижной кольцевой антенной решетки путем задания рассчитанных начальных фаз на каждом излучающем элементе кольцевой антенной решетки.1. A method of mapping using a circular antenna array, which consists in emitting a monochromatic probe signal, receiving a reflected signal, controlling a focusing scanning space, forming an image matrix by distributing the signal received by the focus among range elements, in accordance with the reconstruction area, converting the matrix into brightness signals for obtaining a cross-sectional image of the tomographic object, characterized in that the spatial position of the focus is controlled using a fixed annular antenna array by setting the calculated initial phases on each radiating element of the annular antenna array. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что начальные фазы излучающих антенных элементов кольцевой решетки устанавливаются с помощью управляемых фазовращателей и рассчитываются по формулам2. The method according to claim 1, characterized in that the initial phases of the radiating antenna elements of the annular array are set using controlled phase shifters and are calculated by the formulas
Figure 00000005
Figure 00000005
где
Figure 00000006
Ri - расстояние от k-го элемента матрицы изображения до i-го элемента кольцевой антенной решетки, si - амплитуда волны на выходе i-го элемента кольцевой антенной решетки, R0 - радиус кольцевой антенной решетки, δk - расстояние от центра кольцевой антенной решетки до k-го элемента матрицы изображения, λ - длина ультразвуковой волны, θi - меняющийся угол между δk и Ri при смене i-го элемента кольцевой антенной решетки, ni - целое число волн λ, укладывающихся на отрезке Ri, цифра 4 означает, что волна проходит удвоенное расстояние Ri, то есть от фокуса до элемента кольцевой антенной решетки и обратно.
Where
Figure 00000006
R i is the distance from the k-th element of the image matrix to the i-th element of the annular antenna array, s i is the wave amplitude at the output of the i-th element of the annular antenna array, R 0 is the radius of the annular antenna array, δ k is the distance from the center of the annular antenna array up to the kth element of the image matrix, λ is the ultrasonic wavelength, θ i is the changing angle between δ k and R i when the i-th element of the annular antenna array is changed, n i is an integer number of λ waves that fit into the segment R i , digit 4 means that the wave travels twice the distance R i , that is, from the focus to the element of the annular antenna array and back.
RU2019124201A 2019-07-25 2019-07-25 Method of mapping using circular antenna array RU2728512C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019124201A RU2728512C1 (en) 2019-07-25 2019-07-25 Method of mapping using circular antenna array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019124201A RU2728512C1 (en) 2019-07-25 2019-07-25 Method of mapping using circular antenna array

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2728512C1 true RU2728512C1 (en) 2020-07-30

Family

ID=72085867

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019124201A RU2728512C1 (en) 2019-07-25 2019-07-25 Method of mapping using circular antenna array

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2728512C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2798822C1 (en) * 2022-10-28 2023-06-28 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" Method for mapping the earth's surface by an airborne radar station with antenna array

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5305752A (en) * 1991-05-31 1994-04-26 Thermotrex Corporation Acoustic imaging device
RU2066060C1 (en) * 1993-02-16 1996-08-27 Валерий Павлович Ющенко Method of map-making with the aid of synthetic aperture
RU2145797C1 (en) * 1999-06-23 2000-02-27 Пархоменко Павел Павлович Ultrasound tomograph and ring antenna array for ultrasound tomograph
RU2238033C2 (en) * 1994-05-26 2004-10-20 Дзе Каролинас Харт Инститьют Method and microwave tomograph device for carrying out spectroscopy examination
US7025725B2 (en) * 2002-03-28 2006-04-11 Ultrasound Detection Systems, Llc Three-dimensional ultrasound computed tomography imaging system
JP2009153573A (en) * 2007-12-25 2009-07-16 Panasonic Corp Ultrasonic diagnostic apparatus and tomographic image processing method
RU2389111C1 (en) * 2008-08-26 2010-05-10 Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро "Аметист" Stationary antenna for radiolocator of circular scan and tracking
RU2442186C1 (en) * 2010-10-25 2012-02-10 Открытое акционерное общество "Авангард" The method of location of living objects and the device for the performance of the above method
RU2458342C1 (en) * 2011-05-25 2012-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "Акустические Контрольные Системы" Method for ultrasonic tomography and apparatus for realising said method
US20140316269A1 (en) * 2013-03-09 2014-10-23 Kona Medical, Inc. Transducers, systems, and manufacturing techniques for focused ultrasound therapies
RU2561066C1 (en) * 2014-04-24 2015-08-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of obtaining radio images of extended objects
US20180206827A1 (en) * 2015-09-24 2018-07-26 The University Of Tokyo Ultrasonic diagnostic system and ultrasonic diagnostic method

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5305752A (en) * 1991-05-31 1994-04-26 Thermotrex Corporation Acoustic imaging device
RU2066060C1 (en) * 1993-02-16 1996-08-27 Валерий Павлович Ющенко Method of map-making with the aid of synthetic aperture
RU2238033C2 (en) * 1994-05-26 2004-10-20 Дзе Каролинас Харт Инститьют Method and microwave tomograph device for carrying out spectroscopy examination
RU2145797C1 (en) * 1999-06-23 2000-02-27 Пархоменко Павел Павлович Ultrasound tomograph and ring antenna array for ultrasound tomograph
US7025725B2 (en) * 2002-03-28 2006-04-11 Ultrasound Detection Systems, Llc Three-dimensional ultrasound computed tomography imaging system
JP2009153573A (en) * 2007-12-25 2009-07-16 Panasonic Corp Ultrasonic diagnostic apparatus and tomographic image processing method
RU2389111C1 (en) * 2008-08-26 2010-05-10 Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро "Аметист" Stationary antenna for radiolocator of circular scan and tracking
RU2442186C1 (en) * 2010-10-25 2012-02-10 Открытое акционерное общество "Авангард" The method of location of living objects and the device for the performance of the above method
RU2458342C1 (en) * 2011-05-25 2012-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "Акустические Контрольные Системы" Method for ultrasonic tomography and apparatus for realising said method
US20140316269A1 (en) * 2013-03-09 2014-10-23 Kona Medical, Inc. Transducers, systems, and manufacturing techniques for focused ultrasound therapies
RU2561066C1 (en) * 2014-04-24 2015-08-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Method of obtaining radio images of extended objects
US20180206827A1 (en) * 2015-09-24 2018-07-26 The University Of Tokyo Ultrasonic diagnostic system and ultrasonic diagnostic method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2798822C1 (en) * 2022-10-28 2023-06-28 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" Method for mapping the earth's surface by an airborne radar station with antenna array

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5907895B2 (en) Ultrasound imaging system using beamforming method for grating lobe suppression by phase coherence
US5720708A (en) High frame rate imaging with limited diffraction beams
US7658713B2 (en) Synthetic elevation aperture for ultrasound systems and methods
JP5355924B2 (en) Ultrasonic diagnostic equipment
O'Donnell et al. Efficient synthetic aperture imaging from a circular aperture with possible application to catheter-based imaging
Gammelmark et al. Multielement synthetic transmit aperture imaging using temporal encoding
Karaman et al. Synthetic aperture imaging for small scale systems
Jensen et al. Synthetic aperture ultrasound imaging
US5951479A (en) Method and apparatus for synthetic transmit aperture imaging
US6790182B2 (en) Ultrasound system and ultrasound diagnostic apparatus for imaging scatterers in a medium
JP6018086B2 (en) Imaging device with image acquisition rate optimization
US8905931B2 (en) Subject information processing apparatus
CN109363714B (en) Ultrasonic imaging equipment and ultrasonic imaging method thereof
US11860273B2 (en) Spatial and temporal encoding of transmission for full synthetic transmit aperture imaging
JP2015077393A (en) Ultrasonic measurement apparatus, ultrasonic image apparatus, and ultrasonic measurement method
JP2006142026A (en) Method and system for aberration correction in ultrasonic imaging
JP2012235830A (en) Subject information acquisition device
RU2232547C2 (en) Method and device for making ultrasonic images of cerebral structures and blood vessels
Liu et al. Using deconvolution to suppress range sidelobes for MIMO sonar imaging
Burckhardt et al. Methods for increasing the lateral resolution of B-scan
RU2728512C1 (en) Method of mapping using circular antenna array
Holfort et al. Plane wave medical ultrasound imaging using adaptive beamforming
CN106037805B (en) Method and device for ultrasonic imaging
RU2710021C1 (en) Method of mapping using aperture synthesis
RU2066060C1 (en) Method of map-making with the aid of synthetic aperture