DE69801181T2

DE69801181T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung von aus einer Volumenstruktur übertragenen oder gebeugten Signalen reflektierter Wellen zur Erkundung oder Analyse der Struktur

Info

Publication number: DE69801181T2
Application number: DE69801181T
Authority: DE
Inventors: Jacques Dory
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2002-03-14
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: FR2762392A1; CA2234465A1; CN1296723C; US6028547A; DE69801181D1; CA2234465C; EP0872742A1; JPH10332648A; EP0872742B1; ES2161019T3; CN1199862A; FR2762392B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Verarbeitung von Signalen, die Wellen entsprechen, die von einer räumlichen Struktur reflektiert oder übertragen worden sind, um eine Erkundung und Analyse dieser Struktur vorzunehmen.
Die Erfindung findet insbesondere, aber nicht ausschließlich, im Bereich der Herstellung von solchen Geräten, wie Ultraschallgeräten, Sonargeräten oder auch Radargeräten Anwendung.
Herkömmliche Geräte dieser Art verwenden üblicherweise Sendemittel, die eine Welle aussenden, die in das zu untersuchende Milieu einfällt, und Empfangsmittel, die gegebenenfalls alle oder einen Teil der Sendemittel verwenden (homodyne Systeme), die die Wellen empfangen, die von den Strukturen reflektiert werden, die von der einfallenden Welle angetroffen worden sind. Darüber hinaus sind Vorrichtungen vorgesehen, um die Signale umzuwandeln und zu verarbeiten, die von den Empfangsmitteln empfangen worden sind und um sie in einer vom Anwender verwendbaren Form darzustellen, z. B. in Form eines Bildes, mit dem sich die Standortbestimmung der Hindernisse ermöglichen lässt, die Reflexionen der einfallenden Welle hervorgerufen haben.
Die am häufigsten verwendete Methode für die Erreichung dieser Ergebnisse besteht darin, Impulswellen anhand eines Verfahrens einzusetzen, das darin besteht, einen Impuls in eine bestimmte Richtung auszusenden (Schuss), die reflektierten Echos zu orten, die zwischen Aussendung und Empfang verstrichene Zeit zu messen und daraus die Entfernung und somit die Position des Hindernisses abzuleiten, das jedes Echo hervorgerufen hat. Dieser Schussprozess wird sodann anhand eines vorab festgelegten Abtastgesetzes für verschiedene Richtungen wiederholt.
Sobald der Abtastvorgang abgeschlossen ist, ist es möglich, zum Beispiel anhand eines herkömmlichen Anzeigesystems, Bilder herzustellen, die die Hindernisse zeigen, die von den Echos geortet worden sind und deren Positionen bekannt sind.
Zahlreiche Geräte dieser Art verwenden eine sogenannte "sequenzielle" Methode, bei der die Struktur Zeile für Zeile anhand eines beweglichen Strahls untersucht wird, wobei sich die Erkundungszeile bei jedem Schuss verändert.
Unter diesen Bedingungen nimmt die Untersuchungsgeschwindigkeit mit dem Querschnitt des Erkundungsstrahls und mit der Taktfolge der Impulse zu. Es zeigt sich jedoch, dass der Querschnitt des Strahls durch die verlangte räumliche Auflösung begrenzt wird, während die Taktfolge wiederum durch die Zeit begrenzt wird, die jedes einzelne reflektierte Echo für die Rückkehr zur Sonde benötigt.
Als Beispiel für die Untersuchung einer Aluminiumplatte, bei der Fehler mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Auflösung von 3 mm geortet werden sollen, kann der Querschnitt des Strahls kaum mehr als 2 mm betragen, und die Taktfolge muss unter Berücksichtigung des Nachhallphänomens unter 1000 Hz liegen.
Unter diesen Bedingungen kann die Geschwindigkeit für die Oberflächenuntersuchung nicht mehr als 2 mm · 2 mm · 1000 = 4000 mm²/Sekunde, d. h. 4/1000 m² betragen. Das ergibt in einer Stunde eine Fläche von 4/1000 · 3600 = 14,4 m². Am Produktionsausgang erweist sich diese Geschwindigkeit häufig als zu niedrig, weil sie die Produktion bremst, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, gelegentlich mehrere Anlagen parallel arbeiten zu lassen.
Bei vielen anderen Anwendungen - Kontrolle von Rohren, Eisenbahnschienen usw. - ist diese Begrenzung noch kritischer.
Um diese Nachteile zu beheben, wurde bereits vorgeschlagen, einen annähernd planen Strahl auf das zu erkundende Objekt zu senden, dessen Querschnitt relativ groß ist und der von einer Sonde erzeugt wird, die aus einem Netzwerk besteht, das eine Mehrzahl von Sende- und Empfangsorganen mit geringen Abmessungen beinhaltet, die vorzugsweise unter einer Wellenlänge liegen, um ein sehr breites Strahlungsdiagramm zu bekommen; wobei diese Sendeorgane simultan und parallel angesprochen werden. Beim Empfang arbeitet jedes Sende-/Empfangsorgan unabhängig und empfängt somit separat die Wellen, die von den Hindernissen reflektiert werden, die den Strahl auffangen, der sich in seiner Empfangszone befindet. Nach Digitalisierung werden die von diesen Sendeorganen abgegebenen Informationen (Feld mit reflektierten Wellen) in Speichern gespeichert, deren Lesung in umgekehrter Schreibrichtung erfolgt.
Die Lesesignale werden sodann an eine Vorrichtung zur Rekonstruktion des Feldes der reflektierten Wellen übertragen, zu der eine Mehrzahl von Sendeorganen gehören, die in Gestalt einer Struktur verteilt sind, die derjenigen der Sende-/Empfangsorgane der oben genannten Sonde entspricht. Die Übertragung der Lesesignale auf diese Sendeorgane erfolgt in Übereinstimmung mit der Übertragung der Schreibsignale durch die Sende- /Empfangsorgane an den Speicher.
Die Rekonstruktionsvorrichtung hat die Aufgabe, in einem Hilfsmilieu das Feld der reflektierten Welle zu reproduzieren, um ein Bild des Objekts zu reproduzieren, und dies mit einer Auflösung, die von der Wellenlänge der einfallenden Welle und den Abmessungen der Sondenelemente abhängt.
Für den Fall, dass es sich bei der einfallenden Welle um eine Ultraschallwelle handelt, besteht die einfachste Lösung darin, ein Bild in einem optisch transparenten Milieu zu erzeugen und es anhand der Schlieren-Methode darzustellen.
Für einen industriellen Einsatz ist diese Methode jedoch schlecht geeignet. Darüber hinaus ist sie linear und ermöglicht nicht die Wiedergabe von Hochfrequenzkomponenten.
Bei einem anderen Verfahren wird das Bild von einer dritten Sonde empfangen, und die Lesefrequenz wird so moduliert, dass das Bild einer Struktur immer "fertig" ist, wenn die entsprechenden Signale bei dieser Sonde eintreffen.
Es erweist sich, dass dieses System komplex ist und Sonden mit sehr großer Bandbreite erfordert. Im Übrigen zieht der Durchlauf durch drei aufeinanderfolgende Sonden eine Verschlechterung des Signals nach sich. Außerdem treten zusätzliche Probleme auf, wenn die Sendewelle geneigt oder rund ist.
Durch das Patent US-A-4 841 489 kennen wir ein rein sequenzielles Analyseverfahren, bei dem das zu analysierende Objekt von einer Sonde mit einem einzigen Sensorelement abgetastet wird. Es erweist sich, dass dieses Verfahren viel zu langsam ist, insbesondere wenn es darum geht, Werkstücke an einer Produktionsanlage zu kontrollieren.
Im Übrigen beschreibt das Patent US-A-4 817 434 eine Vorrichtung mit einem Adressengenerator je Empfangselement der Sonde, wobei dieser Generator die Adresse liefert, die im entsprechenden Feldspeicher des Empfangselements gelesen werden muss, um das Signal zu bekommen, das dem zu rekonstruierenden Bildpunkt entspricht. Der Bildpunkt wird erzeugt, indem die Signale, die in den jeweiligen Feldspeichern der Sensorelemente gelesen worden sind, mit den vom Adressengenerator angezeigten Adressen kombiniert werden, die dem Punkt des zu rekonstruierenden Bildes entsprechen. Diese Vorrichtung ermöglicht nur eine relativ geringe Taktfolge bei der Bilderzeugung.
Die Erfindung verfolgt somit insbesondere die Absicht, diese Nachteile zu beheben.
Zu diesem Zweck stützt sie sich auf die Feststellung, dass bei einem Prozess, wie er voranstehend beschrieben worden ist, jeder Punkt des zu erkundenden Objekts zu einer Welle führt, die an Adressen eines Feldspeicher gespeichert werden, die in Form eines Hyperbelbogens verteilt sind, dessen Charakteristiken von der Entfernung des Punktes zur Sonde und vom Strahlungsdiagramm jedes Elements abhängen (diese Hyperbel reduziert sich bei den Punkten, die an der Sonde anliegen, theoretisch auf die beiden Asymptoten). Wenn zwischen die Sonde und das zu kontrollierende Werkstück ein flüssiges Relais zwischengeschaltet wird (Kontrolle mittels Eintauchen), verteilen sich die gespeicherten Wellen auf Kurven, die nicht zwangsläufig Hyperbeln sind, weil der Weg der Wellen infolge der Refraktion zwischen den verschiedenen Ausbreitungsmilieus komplexer ist. Ein analoges Phänomen tritt ein, wenn der erkundete Werkstoff nicht homogen ist, soweit es die Ausbreitungsgeschwindigkeit anbelangt. Im weiteren Verlauf des Textes bezeichnet der Begriff Hyperbel deshalb ganz allgemein die Gesamtheit dieser Kurven.
Infolgedessen beinhaltet das Verfahren gemäß Erfindung die folgenden Phasen:
- Absendung von mindestens einer einfallenden Welle in die genannte Struktur,
- Empfang der Wellen, die von der Struktur reflektiert oder übertragen worden sind, die von der einfallenden Welle im Inneren des Milieus angetroffen worden ist, anhand einer Vielzahl von Sensorelementen, die voneinander unabhängig sind,
- Digitalisierung und anschließende Speicherung dler Informationen, die von den Sensorelementen abgegeben werden, in einem Feldspeicher, der eine Zeile je Sensorelement beinhaltet, und
- Rekonstruktion und/oder Analyse der Struktur des Milieus anhand der Informationen, die im Feldspeicher gelesen worden sind, in dem für jeden Punkt des Objekts die Positionen des Feldspeichers berechnet werden, die die Signale enthalten, die von den Sensorelementen geortet worden sind, die den Wellen entsprechen, die von diesem Punkt reflektiert oder übertragen worden sind, wobei diese Positionen mithilfe eines Adressierungsgesetzes berechnet werden, dessen Parameter von der Position dieses Punktes im Verhältnis zu den Sensorelementen abhängen, und in dem für jeden Punkt die Zeilen des Feldspeichers an den jeweiligen Positionen gelesen werden, die zuvor für diesen Punkt berechnet worden sind, wobei auf die für diesen Punkt gelesenen Werte eine mathematische Operation angewendet wird, um ein Ergebnis zu erhalten, das für den Umfang der Welle repräsentativ ist, die von diesem Punkt reflektiert oder übertragen worden ist, mit anschließender Verarbeitung oder Speicherung dieses Ergebnisses in einem speziellen Speicher,
Gemäß diesem Verfahren werden die Positionen des Feldspeichers, die ihr jeden Punkt gelesen werden müssen, vorab berechnet und in einem Adressierungsspeicher gespeichert, und bei der Berechnung des Wertes für jeden Punkt werden alle Zeilen des Feldspeichers parallel ihr jeden Punkt an den Positionen gelesen, die ihr diesen Punkt vom Adressierungsspeicher simultan angegeben werden.
Gemäß Erfindung zeichnet sich dieses Verfahren dadurch aus, dass der Wert erhalten wird, indem das Ergebnis der mathematischen Operation mit einem Korrekturfaktor K multipliziert wird, der sich nach dem Verhältnis der Anzahl der Werte, die über einem vorgegebenen Schwellenwert liegen und im Feldspeicher ihr einen Punkt gelesen worden sind, und der Gesamtzahl der für diesen Punkt gelesenen Werte richtet.
Somit besteht das Verfahren gemäß Erfindung darin, für jeden Punkt des zu erkundenden Objekts die Leseadressen des Feldspeichers zu berechnen, in dem die Informationen in Bezug auf die Welle gespeichert sind, die von diesem Punkt reflektiert worden ist, wobei diese Adressen im Feldspeicher in Form eines hyperbolischen Verteilungsgesetzes verteilt sind, das von der Position des Punktes im Verhältnis zur Sonde abhängt und auf der anderen Seite, den Feldspeicher anhand jedes Verteilungsgesetzes erneut auszulesen, um die Informationen über die Welle zu erhalten, die von dem entsprechenden Punkt des Objekts reflektiert worden ist, und diesem Punkt das Ergebnis einer Berechnung entsprechen zu lassen, die anhand dieser Informationen angestellt worden ist.
Sodann werden alle Zeilen des Feldspeichers, d. h. die Zonen, die die Informationen in Bezug auf die Signale enthalten, die von den Empfangsorganen jeweils übermittelt worden sind, parallel ausgelesen, und die Werte werden einer mathematischen Operation unterzogen, z. B. einer Addition (entweder direkt in digitaler Form, oder nach Digital-Analog-Wandlung in analoger Form), um einen Wert Vp entstehen zu lassen. Wenn das Signal einer logarithmischen Verstärkung unterzogen worden ist, entspricht diese Addition einer ursprünglichen Multiplikation des Signals. Der Wert Vp wird in einem Bildspeicher eingegeben, der eine Vielzahl von Punkten enthält, denen jeweils ein Lesegesetz des Feldspeichers entspricht, z. B. ein hyperbolisches Gesetz, dessen Parameter von den Koordinaten dieses Punktes abhängen.
In Anbetracht der Tatsache, dass die Berechnung jedes Lesegesetzes zu lange dauert, um in Echtzeit ausgeführt zu werden, erfolgt diese Berechnung im voraus, und die Ergebnisse werden in Adressenspeichern gespeichert, die jeder Zeile des Feldspeichers zugeordnet sind.
Der Leseprozess läuft sodann wie folgt ab:
Für jeden Punkt des Bildspeichers werden die Koordinaten dieses Punktes parallel an alle Adressenspeicher übertragen. Letztere liefern unmittelbar, parallel, die Adressen jeder Zeile des Feldspeichers, die die Erzeugung des (z. B. hyperbolischen) Gesetzes für den entsprechenden Lesevorgang ermöglichen. Der entsprechende Wert Vp wird sodann im Bildspeicher an der Adresse des genannten Punktes gespeichert.
Dieses Verfahren ermöglicht die schnelle Erzielung eines hochwertigen Bildes, wenn die Adressen des Feldspeichers, die einem Punkt der zu analysierenden Struktur entsprechen, parallel gelesen werden.
Wenn allerdings die Anzahl der Punkte der Struktur, die eine Welle reflektieren könnten, weit höher als die Anzahl der Sensorelemente ist, erscheinen im Bereich des erzeugten Bildes Artefakte, weil bei dem von der Struktur reflektierten Feld ein Under-Sampling vorliegt.
Im Prinzip beinhaltet ein Ultraschallimpuls immer mehrere Oszillationen, und das Signal wird abwechselnd positiv und negativ, so dass die Gleichstromkomponente gleich null ist. Unter diesen Bedingungen lässt sich einfach nachweisen, dass wenn die Leseadressen des Feldspeichers, die einem Punkt der analysierten Struktur entsprechen, nicht exakt mit der hyperbolischen Verteilung der Adressen übereinstimmen, die tatsächlich die Signale enthalten, die den Wellen entsprechen, die von diesem Punkt zurückgeschickt worden sind, diese Leseadressen aufeinanderfolgend positive und negative Informationen enthalten, deren Summe null ist. Aber dies ist nur dann absolut wahr, wenn die folgenden Voraussetzungen erfüllt sind:
1. Die Sensorelemente sind zahlreich genug und liegen eng genug beieinander (räumliches Sampling), und
2. die Sampling-Frequenz ist im Verhältnis zur Ultraschallfrequenz hoch, um eine hohe Sampling-Rate zu bekommen (zeitliches Sampling).
Andernfalls kann im Hinblick auf Punkte einer leeren Zone der analysierten Struktur ein Wert erhalten werden, der nicht gleich null ist.
Die Lösung, die darin besteht, die Anzahl der Sensorelemente und ihre räumliche Nähe zueinander zu vergrößern, führt zu einer voluminösen und teuren Vorrichtung, die die Verwendung von Matrixsonden ausschließt, die eine erhebliche Anzahl von Sensorelementen und somit Speicher mit einer hohen Kapazität erfordern würden.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, schlägt die Erfindung vor, einen Korrekturfaktor auf das Ergebnis der Berechnung anzuwenden, die anhand der Informationen angestellt worden ist, die im Feldspeicher gelesen worden sind, und dies anhand des Verteilungsgesetzes, das der Welle entspricht, die von jedem Punkt des Objekts reflektiert worden ist.
Vorteilhafterweise variiert dieser Gewichtungsfaktor je nach dem Verhältnis zwischen der Anzahl der Werte, die im Feldspeicher gelesen wurden und nicht gleich null sind, und der maximalen theoretischen Anzahl dieser Nicht-Null-Werte.
Im Übrigen muss - um eine gute Auflösung zu erhalten - jedes Sensorelement ein sehr offenes Strahlungsdiagramm aufweisen, was im Allgemeinen impliziert, dass die Elemente geringe Abmessungen aufweisen müssen, die vorzugsweise unter einer Wellenlänge liegen. Aber wenn die Anzahl der Elemente gering ist, gilt dies auch für die Gesamtempfangsoberfläche, woraus ein Empfindlichkeitsverlust folgt, der mit der anzustellenden Analyse unvereinbar sein kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Sensorelemente ein Maß aufweisen, dass über der Wellenlänge liegt, und sie sind jeweils mit einem Hilfsmittel ausgerüstet, um ihren Öffnungswinkel zu vergrößern, wobei diese Mittel aus einer Miniaturlinse oder einer kugelförmigen Kalotte bestehen können.
Eine Art für die Ausführung der Erfindung wird beispielhaft und nicht einschränkend nachstehend und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die folgende Bedeutung haben:
Abb. 1 ist ein theoretisches Schema für eine Vorrichtung zur Erkundung und Analyse einer räumlichen Struktur;
Abb. 2 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Vorrichtung, die auf Abb. 1 dargestellt ist.
Abb. 3 ist eine schematische Darstellung des Feldspeichers und der hyperbolischen Verteilung der Echos, die von den Sensorelementen empfangen worden sind, in diesem Speicher;
Abb. 4 veranschaulicht eine Variante der Vorrichtung, die in Abb. 1 dargestellt ist;
Abb. 5 zeigt Beispiele für Kurven, die den Wert des Korrekturfaktors angeben, der auf die Werte angewendet werden kann, die anhand des Verfahrens gemäß Erfindung erzielt worden sind, abhängig vom Verhältnis zwischen der tatsächlichen und der theoretischen Anzahl von Sensoren, die ein Echo von einem bestimmten Punkt empfangen;
Abb. 6 veranschaulicht ein Beispiel für die zeitliche Verteilung von ausgesendeten Echos, die von einem Sensorelement empfangen worden sind und von zwei Punkten stammen, die in unterschiedlichem Abstand zur Sonde angeordnet sind;
Abb. 7 zeigt die Verteilung der zurückgeschickten Echos von den beiden Punkten laut Abb. 6 im Speicher;
Die Abb. 8a und 8b sind schematische Darstellungen der Sonde und des Strahlungsdiagramms eines Sensorelements gemäß früherem Stand der Technik und gemäß Erfindung;
Abb. 9 zeigt eine Matrixsonde gemäß Erfindung.
Die auf Abb. 1 dargestellte Vorrichtung ist in Ultraschallgeräten anwendbar, die mit Impulsreflexion arbeiten, für die zerstörungsfreie Prüfung von Werkstoffen oder für die Bilderzeugung in der Medizin.
Sie verwendet eine Sonde 1, die aus einem linearen Stab besteht, der sich aus einer Mehrzahl - zum Beispiel 128 - von Sende-/Empfangselementen D&sub1; bis Dn mit geringen Abmessungen (1 mm) zusammensetzt. Auf diese Weise wird die gleiche Sonde 1 zum Senden und Empfangen verwendet.
Jedes Element D&sub1; bis Dn ist einerseits über einen Vorverstärker A und einen Analog-Digital- Wandler CAN an eine jeweilige Zone - hier an die Zeile L&sub1; ... Ln - eines Feldspeichers MC und andererseits über zwei Dioden 2, 3, die kopfüber montiert sind und eine Leitungsschwelle aufweist, die z. B. in der Größenordnung von einem Bruchteil eines Volts liegt, an einen Sender E angeschlossen.
Auf diese Weise sind die Dioden 2, 3, die an alle Sende-/Empfangselemente von D&sub1; bis D&sub9; angeschlossen sind, stark leitend, wenn der Sender E eine Wechselspannung abgibt, die an die hundert Volt betragen kann und verhalten sich wie Kurzschlüsse, so dass alle Elemente D&sub1; bis D&sub9; vom Sender E parallel erregt werden und somit eine flache Welle erzeugen.
Beim Empfang dagegen arbeitet jedes Element D&sub1; bis D&sub9; unabhängig und steuert den Vorverstärker A an, an den es angeschlossen ist. Tatsächlich sind die Signale, die von den Elementen geortet werden, schwach (im Bereich von einigen Dutzend Millivolt).
Diese Vorrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, das Eingangsrauschen zu verringern, indem die Vorverstärker A vom Sendeschaltkreis isoliert werden.
Jeder Vorverstärker A steuert sodann einen entsprechenden Analog-/Digitalwandler CAN an, und die digitalisierten Signale werden in den Speicherzeilen L&sub1; bis Ln an Adressen gespeichert, die von einem Adressierungsspeicher MA geliefert werden, der wiederum von einem Zähler CR adressiert wird, der von einem Taktgeber CK gesteuert wird. Dieser Zähler CR und dieser Taktgeber CK gelten für alle Adressierungsspeicher MA, die den Speicherzeilen L&sub1; bis Ln zugeordnet sind.
Beim Schreiben im Feldspeicher MC werden die Zeilen L&sub1; bis Ln vom Zähler CR direkt und parallel adressiert. Es ist auch möglich, sie unabhängig zu adressieren, um zum Beispiel eine besondere Anordnung der Sondenelemente oder die Form des ausgesendeten Strahls zu berücksichtigen.
Vorteilhafterweise wird die Anzahl No der Speicherpositionen, die beim Schreibvorgang verwendet werden, unter den Zweierpotenzen ausgewählt, wie z. B. 512, 1024 usw.
Wenn No zum Beispiel gleich 512 ist, werden die Positionen 0 bis 511 des Feldspeichers geschrieben.
Unmittelbar nach dem Schreiben werden die Speicher L&sub1; bis L" anhand eines Flipflop B, der vom Bit 10 des Zählers CR gesteuert wird, in Leseposition umgeschaltet.
Ab Adresse 512 wird der Adressierungsspeicher MA vom Zähler CR adressiert und wendet auf diese Weise simultan die Adressen der in den Zeilen L&sub1; bis Ln zu lesenden Positionen des Feldspeichers an, um den Wert jedes Punktes P'ij des zu rekonstruierenden Bildes zu bestimmen. Die Adressen, die im Adressierungsspeicher MA enthalten sind, werden so berechnet, dass die adressierten Speicherpositionen einer vorgegebenen Form (Lesehyperbel) entsprechen.
Parallel dazu adressiert der Zähler CR ab Adresse 512 eine Position P'ij eines Speichers Mi (Abb. 2). Jedem Punkt P'&sub1;&sub1; bis P'nm dieses Speichers Mi lässt man eine Position P&sub1;&sub1; bis Pnm des untersuchten Objekts O entsprechen, so dass dieser "Bildspeicher" Mi in der Folge für die Lieferung eines Bildes des Objekts O verwendet werden kann.
Für jeden dieser Punkte P'&sub1;&sub1; bis P'nm berechnet man die Positionen, die in den Feldspeicherzeilen L&sub1; bis Ln belegt werden, anhand des reflektierten Ultraschallimpulses, unter Berücksichtigung der Form des ausgesendeten Feldes, der Digitalisierungsfrequenz, der Schallgeschwindigkeit und der Position des Objekts im Verhältnis zur Sonde. Auf diese Weise sind für den Punkt Pij des Objekts, der dem Punkt P'ij des "Bildspeichers" entspricht, die Positionen, die im Feldspeicher MC belegt werden, in Form einer Hyperbel angeordnet, die schraffiert dargestellt ist.
Wenn die Sonde 1 mit dem Objekt in direktem Kontakt steht, kann die Digitalisierung gleichzeitig mit dem Senden beginnen. Wenn mit einem akustischen Relais gearbeitet wird, kann der Beginn der Digitalisierung um einen Zeitraum verschoben werden, der dem Hin- und Rückweg im Relais entspricht.
Die Werte, die in den verschiedenen Speichern gelesen worden sind (z. B. die Werte, die in den Zellen der Speicherzeilen enthalten sind, die auf der Hyperbel H für den Punkt Pij angeordnet sind), werden in einem Addierschaltkreis S addiert und an die gewählte Position im Speicher Mi übertragen (z. B. an die Position P'ij).
Auf diese Weise wendet der Schaltkreis laut Abb. 1 die folgenden Gleichungen an:
wobei Ak,1 der Wert des Samples ist, das an Position 1 von Zeile Lk des Feldspeichers MC gespeichert wird, und
fij (k) die Positionen der Samples in den Zeilen L&sub1; bis Ln des Feldspeichers angibt, die sich auf der Hyperbel befinden, die dem Punkt Pij entspricht.
Wie voranstehend erwähnt, können die Informationen, die im Speicher Mi enthalten sind, auf unterschiedliche Weise verwendet werden.
Sie können für die Erstellung eines Bildes auf einem Anzeigebildschirm V vom herkömmlichen Typ verwendet werden.
Diese Informationen können auch zum Beispiel anhand von logischen Schaltungen verarbeitet werden, die eine Identifizierung und Aufzeichnung der Art der georteten Fehler im Falle einer zerstörungsfreien Kontrolle ermöglichen.
Der Adressierungsspeicher MA kann ein Festspeicher (ROM, PROM) sein, der ein für alle Mal programmiert wird. Gleichwohl ist es sowohl im Hinblick auf die Geschwindigkeit, als auch hinsichtlich der Flexibilität der Nutzung vorzuziehen, wiederholt programmierbare Speicher, wie z. B. EPROM oder RAM zu verwenden.
Die Programmierung kann sodann zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme erfolgen. Die vorausgehende Berechnung kann anhand eines Kleinrechners in Abhängigkeit von den Prüfbedingungen und vom verwendeten Sondenmodell durchgeführt werden. Die Daten können auch im voraus berechnet und auf Diskette oder in PROM gespeichert werden. Die Ergebnisse werden sodann anhand eines herkömmlichen Verfahrens sequenziell in den MA- Speicher übertragen. Diese Übertragung kann sehr schnell vor sich gehen (wenige Sekunden).
Eine Art der Berechnung der Adressen in den Adressierungsspeichern MA wird nachstehend unter Verweis auf Abb. 2 beschrieben.
Pij sei der Punkt, der sich in einer Entfernung d von der Sonde und gegenüber dem Sensorelement Di befindet, so lässt man diesen Punkt Pij einer Position P'ij des Bildspeichers Mi entsprechen, also einer Adresse, die vom Zähler CR geliefert wird.
x sei die Entfernung zwischen dem betreffenden Element der Sonde 1 - z. B. D&sub2; - und dem Element Di gegenüber Punkt Pij und c die Schallgeschwindigkeit im Objektmilieu.
Wenn man davon ausgeht, dass die von der Sonde 1 ausgestrahlte Welle flach ist und sich rechtwinklig zu der Oberfläche der Sonde 1 ausbreitet, entspricht die Zeit t(x), die ein Impuls benötigt, um zum Sensororgan D&sub2; zu gelangen, nach Reflexion am Punkt Pij, dem Wert d/c + die Zeit, die die ausgesendete Welle von Pij bis D&sub2; benötigt, = (Quadratwurzel aus (x² + d²))/ c:
Wenn die Schreibfrequenz als f bezeichnet wird und wenn der Schreibvorgang zur gleichen Zeit, wie die Aussendung beginnt, wird das reflektierte Signal in der Zelle des Feldspeichers MC gespeichert werden, die sich an der Abszisse x an der Position f. t(x) befindet.
Es ist dieser Wert f. t(x), der in den Speicher MA eingegeben wird, um anlässlich des Lesevorgangs verwendet zu werden.
Wenn sich die Welle nicht rechtwinklig zur Sonde ausbreitet (Erkundung mit schrägem Einfallswinkel), oder wenn die Welle nicht flach ist (runde Welle im Falle einer sektoriellen Erkundung), erfolgt die Berechnung auf sehr ähnliche Weise, wobei sich nur die Zeit verändert, die die Welle zum Erreichen eines Punkts Pij benötigt. Diese Zeit hängt nicht nur von d ab, sondern auch von der seitlichen Position von Punkt Pij im Verhältnis zur Sonde 1. Wenn die Welle schräg verläuft, variiert die Zeit linear im Verhältnis zur seitlichen Position Xp, wobei die Zeit, die die ausgesendete Welle benötigt, um den Punkt Pij zu erreichen, folgendem Wert entspricht:
wobei θ den Winkel des ausgesendeten Strahlenbündels im Verhältnis zur Normalen an der Sonde 1 angibt.
Für den Fall, dass die von der Sonde 1 erzeugten Wellen ungedämpft oder halbungedämpft sind und diese Wellen die Form eines Wellenzugs mit einer Dauer haben, die ausreicht, um jedes Objekt abzudecken, führt jeder Punkt zur Entstehung einer reflektierten Welle mit einer derartigen Dauer, dass sie an beinahe allen Positionen der Speicherzeilen MC gespeichert wird, und die Informationen, die unterschiedlichen Punkten entsprechen, legen sich übereinander.
Man kann davon ausgehen, dass ein "Abschnitt" dieser Speicher alle Informationen enthalten wird, die dem Objekt entsprechen, sobald dieser Abschnitt eine ausreichende "Dicke" besitzt, um die größte der Hyperbeln aufzunehmen.
Das Lesen dieses einzigen Abschnitts wird somit grundsätzlich ausreichen, um das Bild des Objekts zu erzeugen.
Dieses Lesen kann durch schrittweise Veränderung der Form der Lesehyperbeln erfolgen, oder durch "Einstellung" auf eine Zone in einer vorgegebenen Entfernung.
Die Digitalisierung des Signals muss sodann anhand einer höheren Anzahl vorn Ebenen erfolgen, um eine gute Unterscheidung der verschiedenen Informationen zu ermöglichen.
Um die Elektronik zu vereinfachen, kann auch in Betracht gezogen werden, die Speicher MC anlässlich des Schreibvorgangs sequenziell zu adressieren, wobei das Auslesen immer parallel erfolgt (in diesem Fall sind nur ein einziger Vorverstärker und nur ein einziger Analog- Digital-Wandler erforderlich).
Die Erfassungsgeschwindigkeit wird in diesem Fall erheblich verringert, aber die Auflösung bleibt hoch. Diese Lösung kann interessant sein, wenn clas Streben nach Geschwindigkeit keine Priorität hat. Gemischte Lösungen können ebenfalls in Betracht gezogen werden: paralleles Schreiben an Speichergruppen, wobei diese Gruppen sequenziell adressiert werden.
Bei dem voranstehend beschriebenen Beispiel wird das Ultraschallsignal vor der Ortung gespeichert, also im Hochfrequenzbereich. Die Sampling-Rate muss mindestens dem Dreifachen der Ultraschallfrequenz entsprechen, d. h. sie muss bei einer Ultraschallwelle von 3 MHz z. B. 10 MHz betragen.
Wenn eine Tiefe von 20 cm in Stahl erkundet werden soll, entspricht die maximale Zeit für den Hin- und Rückweg ungefähr 60 Mikrosekunden bei einer Geschwindigkeit von 6 mm/us. Das entspricht 600 Sampling-Punkten auf jeder Zeile.
Für ein Bild mit 100 Zeilen müssen somit 600 · 100 = 60.000 Punkte berechnet werden. Die Berechnung reduziert sich hier auf einen einfachen Speicherlesevorgang, gefolgt von einer Addition.
Diese Rechenoperation kann mit modernen Schaltungen in 1/100 Mikrosekunde ausgeführt werden. Das gesamte Bild wird auf diese Weise in 60.000/100 = 600 Mikrosekunden berechnet.
Die Speicherung des Feldes wird 60 Mikrosekunden gedauert haben, und die Gesamtzeit für die Erfassung eines Bildes wird somit 660 Mikrosekunden betragen, wobei die Bildfolge mehr als 1000 Hz betragen kann.
Wenn sich diese Bildfolge als unzureichend erweist, kann sie auf mehrere Arten angehoben werden:
a) Aufteilung des Feldspeichers in mehrere Unterspeicher, die parallel gelesen werden.
b) Auswahl und Verarbeitung der einzigen Speicherzone, die die nützlichen Informationen enthält.
Es ist anzumerken, dass die Ultraschallwelle häufig die Form eines kurzen Impulses besitzt, der mehrere Halbwellen enthält. Es kann in diesem Falle von Interesse sein, mehrere Lesehyperbeln zu verwenden, die diese Halbwellen abfangen. Wenn der Impuls kurz ist und nur eine einzige vollständige Halbwelle enthält, kann eine Hyperbel verwendet werden, um die positive Halbwelle auszulesen und dies in einem Abstand, der einer Halbperiode für das Lesen der negativen Halbwelle entspricht. Wenn Pp und Pm die Werte sind, die nach diesem Auslesen erhalten wurden, wird der Wert P = Pp - Pm aufgezeichnet. Diese Lösung kann den Rauschabstand und die Auflösung des Systems verbessern. Die beiden Lesevorgänge können aufeinanderfolgend zum Nachteil der Geschwindigkeit erfolgen, oder aber parallel, indem zwei Speichergruppen verwendet werden.
Das Verfahren gemäß Erfindung weist zahlreiche Vorteile gegenüber den sequenziellen Verfahren auf
Geschwindigkeit: Bei jedem Schuss wird eine große Oberfläche erkundet, z. B. von 100 · 5 mm, anstelle von 3 · 3 mm beim sequenziellen Verfahren.
Die Untersuchungsgeschwindigkeit kann im Verhältnis zum sequenziellen Verfahren um den Faktor 50 oder 100 gesteigert werden, was ganz erheblich ist.
Die Schnelligkeit des Verfahrens macht den Weg frei für zahlreiche Anwendungen, z. B. für die dreidimensionale Bilderzeugung und die Doppler-Bilderzeugung.
Die dreidimensionale Bilderzeugung kann problemlos verwirklicht werden, wenn man eine Matrixsonde verwendet, aber die Elektronik ist sehr schwer, weil die Anzahl der Elemente einer herkömmlichen Matrixsonde hoch ist. Allerdings ist es möglich, die Anzahl der Elemente deutlich zu verringern, indem eine zufällige Verteilung dieser Elemente auf der Sondenoberfläche verwendet wird, was einen größeren Abstand der Elemente zulässt, ohne dass die Störkeulen zu groß werden. Mit einer linearen Sonde kann eine Serie von Ebenen sehr schnell aufgezeichnet werden, indem die Schnittebene nach jedem Schuss verschoben wird. Bei einer Taktfolge von 100 Hz können in 1/10 Sekunde 1000 Schnittebenen gespeichert werden. Die Speicher können sodann verwendet werden, um eine dreidimensionale Ansicht oder eine Schnittansicht in einer beliebigen Ebene zu erzeugen.
Was die Doppler-Bilderzeugung anbelangt, ergibt sich die Anwendung der Doppler- Bilderzeugung aus der Tatsache, dass aufeinanderfolgende Bilder miteinander verglichen werden können. Da das Hochfrequenzsignal gespeichert wird, können sehr geringe Unterschiede zwischen zwei Bildern festgestellt (z. B. durch Subtraktion) und aufgezeigt werden.
Auflösung: Das System arbeitet mit einer sehr großen digitalen Öffnung. In der Praxis wird die räumliche Auflösung nur durch den größeren der beiden folgenden Werte begrenzt: Wellenlänge - Maße eines Elements. So ist im angegebenen Beispiel zum Beispiel die Wellenlänge mit 2 mm der größere dieser beiden Werte. Bei einer Frequenz von 10 MHz wäre der größere dieser beiden Werte die Größe eines Elements, d. h. 1 mm.
Reproduzierbarkeit: Die Sensibilität des Systems schwankt sehr geringfügig im Verhältnis zur Position eines Hindernisses unter der Sonde, da das Feld in Form einer flachen Welle ausgestrahlt wird. Darüber hinaus können die Veränderungen der Sensibilität im Verhältnis zur Position berechnet und somit korrigiert werden, da die exakte Position jedes Hindernisses im Verhältnis zur Sonde bekannt ist.
Das System kann mit Wellenfronten beliebiger Form (flach, schräge Ebene, zylindrisch) arbeiten. Es genügt, in jedem Falle die Form der Lesehyperbeln im Verhältnis zu ihrer Position zu berechnen.
Wenn allerdings die Anzahl der reflektierenden Punkte im Objekt O weit höher als die Anzahl der Sensorelemente Di ist, und somit als die Anzahl der Zeilen Li im Feldspeicher MC, erweist es sich jedoch, dass Artefakte auftreten können, weil bei dem von der Struktur reflektierten Feld ein Under-Sampling vorliegt und an Punkten, die leeren Zonen des Objekts O entsprechen, ein Wert auftreten kann, der nicht gleich null ist.
So reflektiert der Punkt Pij von Objekt O - wie Abb. 3 zeigt - eine hyperbolische Welle, die wir an den Standorten Ai (wobei i von 1 bis n-1 variiert) auf den verschiedenen Zeilen Li des Feldspeichers MC wiederfinden. Wenn die Lesehyperbel H1 mit der geschriebenen Hyperbel Ai im Feldspeicher koinzidiert, ist der Wert des entsprechenden Bildpunkts, der der Summe der in diesem Speicher gelesenen Werte entspricht, maximal.
Wenn wir uns nun einen Punkt des Objekts O ansehen, der keine Welle reflektiert, weil er sich in einer leeren Zone befindet, kann die entsprechende Lesehyperbel die Werte einer anderen Lesehyperbel abfangen, die einer Welle entsprechen, die von einem Punkt des Objekts reflektiert worden sind. So fängt auf Abb. 3 die Hyperbel H2 die Hyperbel H2 im Bereich der Punkte Aj und Ak ab. Der Wert, der für den Punkt einer leeren Zone des Objekts berechnet wird und der Hyperbel H2 entspricht, ist somit nicht gleich null. Wir erhalten somit im Bildspeicher Mi Störpunkte mit geringer Amplitude, die die Qualität des auf diese Weise entstandenen Bildes beeinträchtigen.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist es möglich, die Empfangselemente von Sonde 1 zu vervielfachen und einander anzunähern und die Sampling-Frequenz zu erhöhen. Gleichwohl wird diese Lösung extrem teuer und macht den Einsatz von Matrixsonden unrealistisch.
Gemäß Erfindung genügt es, einen Korrekturfaktor auf den Wert anzuwenden, der am Ausgang des Addierschaltkreises S erhalten worden ist, wobei sich dieser Korrekturfaktor nach dem Kohärenzfaktor entsprechend dem Verhältnis zwischen der Anzahl Nr der Nicht- Null-Werte, die von der entsprechenden Lesehyperbel abgefangen worden sind und der maximalen theoretischen Anzahl Nt, die der Anzahl der Speicherfelder des Feldspeichers entspricht, die von der Lesehyperbel abgefangen worden sind, richtet. Theoretisch ist dieser Kohärenzfaktor gleich 1. In der Praxis können jedoch bestimmte Hindernisse, die geringe Abmessungen aufweisen oder eine besondere Position besitzen, geringere Wellen zurückschicken, und deshalb kann der Kohärenzfaktor unter 1 liegen.
Abb. 4 zeigt eine Variante der Schaltung laut Abb. 1, mit der sich dieses Prinzip anwenden lässt. Auf dieser Abbildung sind die Komparatoren C1, C2 und Cn jeweils an die Verbindungs-Busse zwischen den Zeilen Li des Feldspeichers und an den Addierschaltkreis S angeschlossen, um zu bestimmen, ob die gelesenen Werte gleich null sind oder nicht. Zu diesem Zweck kann man ein oder mehrere Bits der gelesenen Werte, die ein geringes Gewicht aufweisen, vernachlässigen. Die Ausgänge der Komparatoren werden an ein analoges Summierglied mit Widerständen R1, R2, Rn angelegt. Die Ausgangsspannung des Summierglieds verhält sich auf dieses Weise proportional zur Anzahl Nr der Zeilen Li des Feldspeichers MC, die eine Information enthalten, die nicht gleich null ist oder nicht in der Nähe von null liegt. Diese Ausgangsspannung wird an den Eingang eines anderen Komparators 7 angelegt, dessen anderer Eingang an eine Referenzspannungsquelle Vr angeschlossen ist, die anhand eines Potentiometers P einstellbar ist. Der Ausgang dieses Komparators 7 steuert ein Gatter 6, das den Ausgang des Addierschaltkreises S Richtung Anwenderschaltkreis, z. B. den Bildspeicher Mi, der auf Abb. 1 dargestellt ist, validiert oder nicht. Auf diese Weise liefert der Komparator 7 eine Spannung, die das Gatter 6 freigibt, wenn die Ausgangsspannung des Summierglieds mit Widerständen die Referenzspannung Vr übersteigt.
Die Referenzspannung Vr kann je nach der Position des entsprechenden Punktes des Objekts O im Verhältnis zur Sonde 1 variieren. Es ist daher von Vorteil, diese Spannung - zum Beispiel mittels Programmierung - im Verhältnis zur Position des Punktes im Laufe der Analyse zu variieren. Auf diese Weise kann die Spannung im Verhältnis zur maximalen theoretischen Anzahl Nt der Zeilen Li des Feldspeichers variieren, die für jeden Punkt des Objekts O einen Wert enthalten müssen, der nicht gleich null ist.
In der Praxis stellt eine Referenzspannung Vr im Bereich des 0,6- bis 0,8-fachen von Nt einen guten Kompromiss dar.
Als Variante kann die Vorrichtung mit Alles-oder-Nichts-Schwelle, bestehend aus dem Komparator 7 und dem Gatter 6, durch eine Vorrichtung ersetzt werden, die eine progressivere Korrektur an den Ausgang des Addierschaltkreises S in Abhängigkeit vom Verhältnis Nr/Nt anlegt.
Abb. 5 zeigt mehrere mögliche Kurven, die den Wert des Korrekturfaktors K angeben, der in Abhängigkeit vom Verhältnis Nr/Nt anzulegen ist. Die Kurve F1 entspricht der Schaltung, die in Abb. 4 dargestellt ist. Die Kurve F2 veranschaulicht den Fall, bei dem sich der Korrekturfaktor K proportional zum Verhältnis Nr/Nt verhält, und Kurve F3 zeigt den Fall, bei dem der Faktor K in einem exponentiellen Verhältnis in Abhängigkeit vom Verhältnis Nr/Nt variiert.
Um derartige Korrekturen zu erhalten, genügt es, den Komparator 7 und das Gatter 6 durch einen Schaltkreis mit Transferfunktion zu ersetzen, der die Werte Nr und Nt berücksichtigt. Natürlich kann die analoge Schaltung, die voranstehend beschrieben worden ist, durch eine rein digitale Schaltung ersetzt werden.
Anzumerken ist, dass die Erfassungsgeschwindigkeit vom Takt der Sondierimpulse abhängt, die von der Sonde 1 in Richtung des zu analysierenden Objekts O ausgesendet werden, wobei dieser Takt wiederum durch den Hin- und Rückweg der ausgesendeten und von den am weitesten entfernten Hindernissen des Objekts O zurückgeschickten Wellen begrenzt ist. Auf diese Weise kann die Zeit für diesen Hin- und Rückweg im Falle von Erkundungen auf See, wenn es darum geht, Objekte in einer größeren Entfernung von bis zu mehreren Kilometern zu orten, einige Sekunden erreichen.
Die Abb. 6 und 7 veranschaulichen dieses Phänomen. Auf Abb. 6 wurde die Sonde 1 dargestellt, die die Empfangselemente Di beinhaltet und in Richtung auf ein Objekt aussendet, das insbesondere die beiden Punkte P1 und P2 aufweist, die ein Echo in Richtung der Sonde 1 zurückschicken. Entsprechend zu diesen Elementen ist die Kurve in Abhängigkeit zur Dauer der Impulse dargestellt, die von Element Di der Sonde 1 ausgesendet und empfangen werden. Dem ausgesendeten Impuls E1 entsprechen die empfangenen Impulse R11 und R12, die jeweils von den Punkten P1 und P2 zurückgeschickt worden sind. Wenn der nachfolgende Impuls E2 von der Sonde ausgesendet wird, bevor sie den von Punkt P2 zurückgesendeten Impuls R12 empfangen hat, wird sich dieser Impuls P23 mit den Impulsen - z. B. R21 - vermischen, die vom Objekt zurückgeschickt worden sind, insbesondere von Punkt P1, infolge des Impulses E2.
Man muss daher abwarten, bis alle Wellen von den Punkten des Objekts zurückgeschickt worden sind, bevor der nächste Impuls ausgesendet wird, andernfalls besteht die Gefahr, dass sich die Echos, die von mehreren aufeinanderfolgenden Impulsen stammen, an den Empfangselementen Di miteinander vermischen.
Tatsächlich ermöglicht die beschriebene Lösung die Umgehung dieses Phänomens, denn wie weiter oben erläutert worden ist, reflektiert jeder weitere rücksendende Punkt des zu analysierenden Objekts eine Welle in Form einer Hyperbel, die wir im Feldspeicher MC wiederfinden.
Abb. 7 zeigt die Zeilen Li des Feldspeichers MC, auf denen die hyberbolischen Wellen H1 und H2 übereinandergelegt worden sind, die jeweils von den Punkten P1 und P2 zurückgeschickt wurden und die jeweils den Impulsen R21 und R12 von Abb. 6 entsprechen. Man stellt fest, dass diese Hyperbeln eine sehr unterschiedliche Kurve aufweisen. Die vorliegende Erfindung nutzt dieses Phänomen, um den Sendetakt zu vervielfachen, wobei jedem Punkt des zu analysierenden Objekts O eine einzige Lesehyperbel des Feldspeichers entspricht, ungeachtet der Position des Punktes im Objekt.
Diese Vorrichtung ist besonders interessant, wenn die Wegzeiten der Wellen wichtig und die Anzahl der empfangenen Echos gering ist, was zum Beispiel bei der Erkundung unter Wasser der Fall ist.
Natürlich verteilen sich im Falle einer Matrixsonde die Adressen des Feldspeichers, die die Werte enthalten, die von den Sensorelementen der für die Welle empfangen worden sind, die von einem Punkt des Objekts stammen, auf einer rotationssymmetrischen hyperbolischen Oberfläche.
Die Vorrichtung gemäß Erfindung ermöglicht auf diese Weise die räumliche Analyse von Strukturen mit einem hohem Erfassungstakt.
Um diese Lösung noch weiter zu verbessern, ist anzumerken, dass für den Erhalt einer guten Auflösung jedes Element ein sehr offenes Strahlungsdiagramm aufweisen muss, was im Allgemeinen sehr geringe Abmessungen der Sensorelemente Di der Sonde 1 impliziert, wobei diese Abmessungen vorzugsweise unter einer Wellenlänge liegen. Aber wenn die Anzahl der Elemente reduziert ist, gilt dies auch für die Gesamtempfangsoberfläche der Sonde 1. Daraus ergibt sich ein Empfindlichkeitsverlust, der sehr störend sein kann. Um diesen Nachteil zu beheben, schlägt die Erfindung vor, Sensorelemente mit Abmessungen zu verwenden, die über der Wellenlänge liegen und ihnen Miniaturlinsen oder Elemente in Form von kugelförmigen Kalotten zuzuordnen, um den Öffnungswinkel der Elemente zu vergrößern, ohne ihre Abmessungen und ihre Empfindlichkeit zu verändern.
So besitzen die Sensorelemente Di, wie auf Abb. 8a dargestellt, im Allgemeinen einen Öffnungswinkel α von weniger als 20º. Wenn man eine Linse oder eine kugelförmige Kalotte 11 hinzufügt, wie auf Abb. 8b dargestellt ist, kann dieser Öffnungswinkel α' erheblich gesteigert werden (auf mehr als 120º).
Diese Lösung macht den Bau von Matrixsonden zu angemessenen Kosten möglich.
Abb. 9 zeigt ein Beispiel für die Ausführung einer solchen Sonde gemäß Erfindung, wobei diese Sonde 1' eine Sendeoberfläche mit einer rechteckigen Form aufweist und die Sende- und Sensorelemente Di in begrenzter Anzahl zufällig auf der Sendeoberfläche verteilt sind.
Will man im Übrigen einen erweiterten Sektor (z. B. 60º) mit einer annehmbaren Auflösung und einer ausreichenden Ortungsempfindlichkeit abdecken, müsste man in diesem gesamten Sektor mit einer hohen Sendeleistung arbeiten. Die Lösung besteht sodann darin, eine Abtastung mit aufeinanderfolgenden Sendeschüssen vorzunehmen. Im Falle einer Erkundung auf See mit großer Distanz führt dies allerdings zu einer sehr langen Erfassungszeit Dir die Abtastung, was ein großes Handicap ist, wenn es darum geht, Ziele zu orten, die sich schnell bewegen.
Die heute verwendeten Sonden mit großer Reichweite verwenden jedoch matrixförmig angeordnete Ultraschalltransducer, um einen schmalen Strahl auszusenden und um Winkelverschiebungen dieses Strahls vorzunehmen, indem auf die Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Sondenelementen eingewirkt wird.
Die Lösung gemäß Erfindung besteht darin, aufeinanderfolgende Aussendungen eines schmalen Strahls vorzunehmen und die Orientierung des Strahls zwischen jeder Aussendung zu verändern, um den gesamten gewünschten Sektor abzudecken.
Beim Empfang werden alle von den Sondenelementen georteten Signale digitalisiert und in der voranstehend beschriebenen Weise in den entsprechenden Zeilen des Feldspeichers gespeichert.
Da die Ortungsdistanz im Verhältnis zu den Abmessungen der Sonde sehr groß ist, werden die Informationen, die einem Hindernis entsprechen, im Feldspeicher entlang hyperlbolischer Bögen verteilt, die Geraden gleichgesetzt werden können.
Anzumerken ist im Übrigen, dass der Neigungswinkel dieser Geraden von der Orientierung des ausgesendeten Strahls abhängt, mit dem das entsprechende Hindernis geortet wird. Es ist somit möglich, anlässlich des Auslesens des Feldspeichers präzise die Richtung zu identifizieren, in der ein Hindernis geortet worden ist.
Die herkömmlichen Sonden sind gerichtete Sonden, sowohl beim Senden, als auch beim Empfang. Mit derartigen Sonden ist es somit erforderlich abzuwarten, bis alle Echos von Impulsen, die in eine Richtung ausgesendet worden sind, zurückgekehrt sind, bevor die Richtung der Sonde verändert werden kann. Die voranstehend beschriebene Sonde dagegen sendet einen schmalen Strahl aus, kann aber Echos mit einem sehr offenen Winkel empfangen. Unter diesen Bedingungen kann das Senden mit einem hohen Takt wiederholt werden, unabhängig vom Hin- und Rückweg der Impulse.
Nehmen wir zum Beispiel ein Sonargerät mit einer Reichweite im Kilometerbereich, das mit einer Frequenz von 100 kHz arbeitet, eine Sonde mit einer Breite von 3 m und einer Höhe von 50 cm und 200 Transducer-Elemente aufweist. Eine solche Sonde sendet einen Strahl mit einer Breite von 1/200 Radianten, entsprechend 0,6º in der horizontalen Ebene und 3,6º in der vertikalen Ebene. Wie voranstehend angegeben ist, kann man vor jedem Element akustische Linsen anordnen, um die Divergenz zu erhöhen.
Mithilfe eines solchen Sonars kann der ausgesendete Strahl in einem Winkel ausgerichtet werden, der zwischen -Δθ bis +Δθº im Verhältnis zu einer rechtwinklig zur Sonde verlaufenden variiert, und dies mittels elektronischer Phasenverschiebung der Signale, die von den Elementen der Sonde ausgesendet werden. Wenn die Orientierung des Strahls nach jeder Sendung mit einer Dauer von 1 ms um 0,5º verändert wird, d. h. mit einer Abtastgeschwindigkeit von Vb = 0,5º /ms, kann man ein komplettes Abtasten des zu erkundenden Sektors innerhalb von 180 ms durchführen, wenn Δθ zum Beispiel 45º entspricht.
Gleichwohl ist es notwendig abzuwarten, bis alle Echos eingegangen sind, bevor eine erneute Abtastung erfolgen kann. Auf diese Weise beträgt diese Wartezeit t bei einer Reichweite von d = 1 km auf See maximal 2 · d/Vt, wobei Vt die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalls auf See ist und 1500 m/s = 1,33 s beträgt. Mit einer Sicherheitsmarge ist es somit möglich, eine Abtastung im Abstand von jeweils 2 Sekunden vorzunehmen.
Nehmen wir an, das zwei Hindernisse geortet worden sind, das erste in einer Entfernung r1 = 600 m in einem Winkel θ1 = -40º und das zweite in einer Entfernung r2 = 500 in einem Winkel Δθ2 = +40º. Im Verhältnis zu einem Zeitursprung entsprechend dem Beginn der Abtastung wird das erste Hindernis von einem Impuls getroffen, der zu einem Zeitpunkt T1 = (θ1 + Δθ)/Vb = 10 ms ausgesendet worden ist, während das zweite Hindernis von einem Impuls getroffen wird, der zu einem Zeitpunkt T2 = (θ2 + Δθ)/Vb = 170 ms ausgesendet worden ist.
Die Zeiten, die der reflektierte Impuls benötigt, um das Zentrum der Sonde zu erreichen, belaufen sich jeweils auf 2 · r1/Vt = 0,8 s und 2 · r2/Vt = 0,666 s. Wir erhalten somit die folgenden Ankunftszeitpunkte:
t'1 = (θ1 + Δθ)/Vb + 2 · r1/Vt = 0,81 s und (4)
t'2 = (θ2 + Δθ)/Vb + 2 · r2/V, = 0,83 s (5)
Wir sehen in diesem besonderen Fall, dass das Echo, das dem am weitesten entfernten Hindernis entspricht, vor dem Echo eintrifft, das dem nächstliegenden Hindernis entspricht.
Bei der Verarbeitung der empfangenen Echos durch den Rechenschaltkreis wird der Feldspeicher von Serien von Geraden ausgewertet, deren Neigung den verschiedenen Sendewinkeln entspricht. Wenn eine gelesene Gerade mit einer gespeicherten Geraden koinzidiert, wird die entsprechende Information in den Bildspeicher Mi geschrieben. Die Koordinaten des Punktes, der in den Bildspeicher geschrieben worden ist, variieren somit je nach dem Neigungswinkel der Geraden, d. h. je nach der Richtung des Hindernisses und der Position der Geraden im Speicher, korrigiert um die Zeitverschiebung, die dem Sendezeitpunkt in diese Richtung entspricht.
Den Wert eines Punktes P'r,θ, der einem Punkt Pr,θ des erkundeten Milieus entspricht, erhalten wir somit auf folgende Weise:
P'r,θ = Ak,1 mit 1 = k · cosθ + C · (2r/Vt + θ/Vb) (6)
wobei Ak,1 den Wert des Samples angibt, das an Position 1 von Zeile Lk des Feldspeichers MC gespeichert ist, und
C eine Konstante ist, die von der Sampling-Frequenz des Wandlers CAN abhängt.
Auf Grund der Tatsache, dass die Beziehung zwischen 1 und k einfach ist, können die Adressen der Samples, die im Feldspeicher MC gespeichert sind und addiert werden müssen, um den Wert eines Punktes im Bildspeicher Mi zu erhalten, im Laufe der Zusammensetzung des Bildes im Bildspeicher Mi berechnet werden, indem Tabellen mit Konstanten verwendet werden, die für jeden Schusswinkel θ und jede Zeile 1k des Feldspeichers den Wert von k x cos θ angeben.
Das Bild, das im Bildspeicher enthalten ist, kann in sektorieller Form angezeigt werden (in polaren Koordinaten: r, θ), oder einer Umwandlung unterzogen werden, um mit kartesischen Koordinaten angezeigt zu werden.
Die Erfindung ermöglicht auch die Lösung der Probleme, die im Falle einer Erkundung auf kurze Distanz auftreten (z. B. von 100 mm).
Wenn die Sonde große Abmessungen aufweist (Stab mit 100 mm Länge), wird das Ultraschallfeld in der Nachbarschaft der sendenden Oberfläche stark gestört, und die mittlere Intensität wird reduziert, was die Ortungsempfindlichkeit reduziert. Dieses Phänomen kann korrigiert werden, indem auf die verschiedenen Elemente eine Amplitudengewichtung angewendet wird, aber diese Lösung ist nicht perfekt.
Im Übrigen können im Falle einer Anwesenheit einer großen Anzahl von Hindernissen - z. B. im Falle einer medizinischen Ultraschalluntersuchung - auf dem erhaltenen Bild Artefakte erscheinen.
Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, die sendende Oberfläche durch Umschaltung der Elemente der Sonde beim Senden zu verkleinern und die Position dieser Oberfläche bei jedem Sendevorgang zu verschieben. Auf diese Weise erhält man das Äquivalent eines mobilen Erkundungsstrahls, aber der Erfassungstakt wird stark verringert. Dieser Nachteil kann abgemildert werden, indem gleichzeitig mehrere Strahlen ausgesendet werden, die ausreichend voneinander entfernt sind, um nicht untereinander zu interferieren, um z. B. das gesamte Objekt anhand einer reduzierten Anzahl von Sendungen abzutasten.
Wenn man z. B. einen Strahl mit einer Breite von 10 mm mit einer Sonde mit einer Breite von 1000 mm verwendet, benötigt man 20 aufeinanderfolgende Schüsse mit einem einzigen Strahl und einer Überlappung von 50% zwischen den Strahlen. Wenn man gleichzeitig 5 Strahlen im Abstand von 20 mm aussendet, genügen 4 Schüsse, aber der Takt für die Zusammensetzung des Bildes wird dennoch um den Faktor 4 verringert.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Verbesserung; dieses Ergebnisses. Zu diesem Zweck stützt sie sich auf die folgenden Beobachtungen.
Bei der medizinischen Ultraschalluntersuchung kann die Taktfolge der Schüsse z. B. deutlich über dem Takt für die Bildverarbeitung liegen. Wenn man also eine Struktur bis in eine Tiefe von 100 mm untersucht, beträgt die maximale Zeit für den Hin- und Rückweg eines Impulses 2 · 0,1 m/1500 m/s = 0,13 ms. Im menschlichen Körper ist die Absorption der Ultraschallwellen sehr hoch, und ein Nachhall ist so gut wie nicht vorhanden. Die Schüsse können somit mit einem Takt von 5000 Hz ausgeführt werden, während die Taktgeschwindigkeit für die Zusammensetzung des Bildes mit den heutigen Techniken nicht mehr als etwa 1000 Hz betragen kann.
Es ist somit möglich, unter Verwendung eines größeren Bildspeichers MC Samples, die infolge von mehreren aufeinanderfolgenden Schüssen (z. B. 4) erhalten worden sind, in einer jeweiligen Zone dieses Speichers aufzuzeichnen und sodann die Verarbeitung vorzunehmen. Jede dieser Zonen des Feldspeichers enthält nur die Informationen von einem Viertel des wiederherzustellenden Bildes. Aus diesem Grund können sie sehr viel schneller verarbeitet werden (vier Mal so schnell bei 4 aufeinanderfolgenden Schüssen).
Bei diesem Beispiel kann ein Erfassungs- und Verarbeitungszyklus innerhalb von 2 ms ausgeführt werden, was einer Taktgeschwindigkeit von 500 Hz entspricht, die im Allgemeinen ausreichend ist.
Diese Taktgeschwindigkeit kann jedoch noch einmal verdoppelt werden, indem man zwei Feldspeicher MC oder einen Feldspeicher mit doppelter Kapazität verwendet, um die Samples in einem Speicher oder in einem Teil dieses Speichers verwenden zu können, während der andere Speicher oder Speicherteil von den Verarbeitungsschaltkreisen verwendet wird.

Claims

1. Verfahren für die Verarbeitung von Signalen, die reflektierten Wellen entsprechen, die von einem Milieu (O) übertragen oder gebrochen werden, um eine Erkundung und Analyse der Struktur dieses Milieus (O) vorzunehmen, wobei dieses Verfahren die folgenden Phasen beinhaltet:

- Absendung von mindestens einer einfallenden Welle in die genannte Struktur,

- Empfang der Wellen, die von der Struktur stammen, wie sie von der einfallenden Welle im Inneren des Milieus (O) angetroffen worden ist, anhand einer Vielzahl von Sensorelementen (D&sub1; bis Dn), die voneinander unabhängig sind,

- Digitalisierung und Speicherung der Informationen, die von den Sensorelementen abgegeben werden, in einem Feldspeicher (MC), der eine Zeile (L&sub1; bis Ln) je Sensorelement (D&sub1; bis Dn) beinhaltet, und

- Rekonstruktion und/oder Analyse der Struktur des Milieus (O) anhand der Informationen, die im Feldspeicher (MC) gelesen worden sind, in dem für jeden Punkt (Pij) des Objekts (O) die Positionen des Feldspeichers berechnet werden, die die Signale enthalten, die von den Sensorelementen (D&sub1; bis Dn) geortet worden sind, die den Wellen entsprechen, die von diesem Punkt (Pij) reflektiert oder übertragen worden sind, wobei diese Positionen mithilfe eines Adressierungsgesetzes berechnet werden, dessen Parameter von der Position dieses Punktes im Verhältnis zu den Sensorelementen abhängen, und in dem für jeden Punkt (Pij) die Zeilen (L&sub1; bis Ln) des Feldspeichers (MC) an den jeweiligen Positionen gelesen werden, die für diesen Punkt (Pij) berechnet worden sind, wobei auf die für diesen Punkt gelesenen Werte eine mathematische Operation angewendet wird, um ein Ergebnis (Vp) zu erhalten, das für den Umfang der Welle repräsentativ ist, die von diesem Punkt stammt, mit anschließender Verarbeitung oder Speicherung dieses Ergebnisses in einem speziellen Speicher,

wobei die Positionen des Feldspeichers, die für jeden Punkt (Pij) gelesen werden müssen, vorab berechnet und in einem Adressierungsspeicher (MA) gespeichert werden, während anlässlich der Berechnung des Wertes (Vp) für jeden Punkt (Pij) alle Zeilen (L&sub1; bis Ln) des Feldspeichers (MC) parallel für jeden Punkt (Pij) an den Positionen gelesen werden, die simultan für diesen Punkt vom Adressierungsspeicher (MA) angegeben werden,

dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (Vp) durch Multiplikation des Ergebnisses der mathematischen Operation mit einem Korrekturfaktor (K) erhalten wird, der sich nach dem Verhältnis (Nr/Nt) zwischen der Anzahl von Werten (Nr), die über einem vorab festgelegten Schwellenwert liegen und im Feldspeicher für einen Punkt gelesen worden sind, und der Gesamtzahl (Nt) der für diesen Punkt gelesenen Werte, richtet.

2. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte (Vp), die für den Umfang der Wellen stehen, die jeweils von den Punkten (Pij) stammen, in einem Bildspeicher (Mi) gespeichert werden, der eine Vielzahl von Punkten (P&sub1;' bis Pn') enthält, die jeweils den Punkten (Pij) entsprechen.

3. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor (K) gleich null ist, wenn er unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes liegt, der sich nach dem Verhältnis (Nr/Nt) richtet und 1 beträgt, wenn er über diesem Schwellenwert liegt.

4. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Korrekturfaktor (K) proportional zum Verhältnis (Nr/Nt) richtet.

5. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Korrekturfaktor (K) exponentiell zum Verhältnis (Nr/Nt) verändert.

6. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass jedem Punkt (P&sub1; bis Pn) des Bildspeichers mehrere Adressierungsgesetze zugeordnet sind.

7. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oben genannten einfallenden Wellen in Form von Impulsen ausgesendet werden.

8. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einfallenden Wellen in Form von Wellenzügen oder einer dauernden Sendung ausgesendet werden, wobei die Adressierungsgesetze, die jeweils den Punkten (Pij) des Milieus (O) entsprechen, in der Weise gewählt werden, dass die reflektierenden Punkte aufgezeigt werden, die sich in einem vorgegebenen Abstand von den Sensorelementen befinden.

9. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Senden der einfallenden Wellen und der Empfang der vom Milieu (O) zurückgeschickten Wellen anhand derselben Mittel erfolgt.

10. Verfahren gemäß Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Senden der einfallenden Wellen und der Empfang der vom Milieu (O) zurückgeschickten Wellen mithilfe von verschiedenen Mitteln erfolgt.

11. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fronten der einfallenden Wellen plan sind.

12. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einfallenden Wellen aus gerichteten und/oder fokalisierten Bündeln bestehen, die sich nicht gegenseitig überlagern, wobei diese Wellenbündel im Laufe aufeinanderfolgender Sendungen so angeordnet werden, dass die gesamte erkundete Struktur abgedeckt wird.

13. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oben genannten einfallenden Wellen mithilfe eines linearen Netzes von unabhängigen Sende- und Empfangsorganen erzeugt werden.

14. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einfallenden Wellen mithilfe von Sende- und Empfangsorganen erzeugt werden, die anhand einer Matrixkonfiguration angeordnet sind.

15. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einfallenden Wellen mithilfe von zufällig angeordneten Sende- und Empfangsorganen erzeugt werden.

16. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es das aufeinanderfolgende Senden von Wellen beinhaltet, die in unterschiedlichen Richtungen einfallen, die jeweiligen Sendewinkeln entsprechen, und dies mit einem hohen Takt, der unabhängig von der Zeit für den Hin- und Rückweg einer Welle zwischen der Sonde und der von der Welle angetroffenen Struktur ist, wobei jede Welle an einem jeweiligen Zeitpunkt ausgesendet wird, der sich nach dem Augenblick seiner Absendung richtet und jeder Punkt (Pij) des Milieus (O), der von einem Impuls getroffen werden kann, der einer separaten Reihe von Positionen im Feldspeicher (MC) entspricht, den Wert (Vp) angibt, der dem Umfang der Welle entspricht, die vom Punkt (Pij) stammt.

17. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oben genannte Adressierungsgesetz ein hyperbolisches oder pseudohyperbolisches Gesetz ist.

18. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die einfallenden Wellen in Richtung auf ein Hindernis ausgesendet werden, dass sich in einer Entfernung befindet, die weit größer ist als die Maße aller Sensorelemente (D&sub1; bis Dn), so dass das genannte Adressierungsgesetz einer Geraden assimiliert werden kann, deren Neigung von der Winkelposition des Hindernisses im Verhältnis zu sämtlichen Sensorelementen abhängt.

19. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (D&sub1; bis Dn) ebenfalls Sender sind, wobei das Verfahren die Verteilung der Elemente (D&sub1; bis Dn) auf separate Gruppen beinhaltet, die nacheinander im Laufe einer Reihe von aufeinanderfolgenden Sendungen sendeaktiviert werden, wobei alle Elemente empfangsaktiv sind und die empfangenen Informationen in separaten Zonen des Feldspeichers (MC) gespeichert werden.

20. Vorrichtung für die Anwendung des Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Sonde (1) beinhaltet, die aus einer Vielzahl von Sende- /Empfangselementen (D&sub1; bis Dn) besteht, die jeweils zum einen über zwei über Kopf montierten Dioden mit Leitungsschwelle (2, 3) an einen Sender (E) und zum anderen an einen Analog-/Digitalwandler (CAN) angeschlossen sind, dessen Ausgang an den Schreibeingang eines Feldspeichers (MC) angeschlossen ist, dessen Lesen durch einen Adressierungsspeicher (MA) gesteuert wird, der durch einen Taktgeber (CK) über einen Zähler (CR) geregelt wird, wobei der Leseausgang der Feldspeicher (MC) an ein Addierglied (S) angeschlossen ist, dessen Ausgang über eine Korrektureinrichtung an einen Bildspeicher (Mi) angeschlossen ist, der vom oben genannten Zähler (CR) gesteuert wird, wobei die Korrektureinrichtung von einer Vorrichtung zum Zählen der Anzahl (Nr) der Werte gesteuert wird, die über einem vorgegebenen Schwellenwert liegen und im Feldspeicher gelesen und addiert werden.

21. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangselemente (D&sub1; bis Dn) Maße aufweisen, die über der ausgesendeten Wellenlänge liegen und jeweils mit einer Einrichtung ausgerüstet sind, um ihren Öffnungswinkel zu vergrößern.

22. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Vergrößerung des Öffnungswinkels der Sende- und Empfangselemente (D&sub1; bis Dn) aus Miniaturlinsen oder kugelförmigen Kalotten bestehen.

23. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangselemente (D&sub1; bis Dn) anhand einer Matrixkonfiguration angeordnet sind und die Empfangselemente (Di) eine zufällige Verteilung innerhalb dieser Konfiguration aufweisen.

24. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Feldspeicherzonen (MC) aufweist, die abwechselnd geladen und gelesen werden, um die Taktgeschwindigkeit zu verdoppeln, mit der die Bilder im Bildspeicher (Mi) erzeugt werden.