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WO1997004333A1 - Procede et dispositif d'imagerie a traitement parallele de donnees - Google Patents

Procede et dispositif d'imagerie a traitement parallele de donnees Download PDF

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WO1997004333A1
WO1997004333A1 PCT/FR1996/001107 FR9601107W WO9704333A1 WO 1997004333 A1 WO1997004333 A1 WO 1997004333A1 FR 9601107 W FR9601107 W FR 9601107W WO 9704333 A1 WO9704333 A1 WO 9704333A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
transducers
signals
frequency
network
memory
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR1996/001107
Other languages
English (en)
Inventor
Jacques Dory
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EDAP International SA
Original Assignee
EDAP International SA
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 EDAP International SA filed Critical EDAP International SA
Priority to AU66182/96A priority Critical patent/AU6618296A/en
Publication of WO1997004333A1 publication Critical patent/WO1997004333A1/fr
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • G01S15/8993—Three dimensional imaging systems
    • G—PHYSICS
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    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
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    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
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    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52017—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00 particularly adapted to short-range imaging
    • G01S7/52023—Details of receivers
    • G01S7/52034—Data rate converters

Definitions

  • the subject of the present invention is an imaging method, comprising the steps consisting in: - emitting a wave towards the object to be explored;
  • an imaging device comprising:
  • the invention is particularly applicable to imaging by ultrasonic or electromagnetic waves.
  • Known imaging devices and in particular ultrasound imaging, whether medical or industrial applications, generally use a sequential process.
  • the structure to be explored is scanned line by line using a narrow beam.
  • the echoes recorded on each line are recorded and an image of a plane of the structure to be explored is obtained when the entire surface of this plane has been scanned.
  • the scanning speed is a function of the cadence of the sounding pulses and the space between each line: in any event, the cadence is limited by the reverberation times in the structure, which determine the minimum duration between two successive lines .
  • the scanning pitch is chosen according to the resolution, and is generally 1 to 2 mm.
  • the ultrasonic wave behaves like a network which diffracts the light beam: a simple optical assembly makes it possible to eliminate the non-diffracted part of the light beam, in order to visualize an image of the ultrasonic diffracting phenomenon. It is proposed in this device to work by pulses, and to use a stroboscopic lighting synchronized on the pulse for viewing, using a cofocal system whose focal lengths are in a V2 ratio.
  • This device has drawbacks: it is necessarily integral with the object to be examined; as it is bulky and delicate, it is difficult to make it mobile.
  • the choice of focal lengths in this device results in an image twice as large as the object, which implies the use of a large optical system and therefore expensive.
  • the sensitivity of the system is poor, the intensity of the pulses reflected on small obstacles being too low to make them visible by the Schlieren method.
  • To obtain good image quality it is also necessary to stabilize the liquid medium in temperature. Finally, the image obtained is affected by an anamorphosis.
  • FR-A-2 376 419 describes a similar device, in which the reflected ultrasonic waves are detected by a primary piezoelectric network, amplified, and applied after amplification to an identical network coupled to an opto-acoustic display device similar to that from Hanstead.
  • the analysis of the optical image is carried out by a mobile laminar beam, which moves so as to intercept the acoustic pulses when they reach their image point. In this way, the display device can be made independent of the object to be displayed.
  • the amplification of the echoes makes it possible to carry the amplitude of the echoes at a level sufficient to allow visualization by the Schlieren process.
  • the choice of a laminar beam makes it possible to adapt the scale of the image by overcoming the constraints inherent in the Hanstead system.
  • the device of this document remains bulky and fragile. In addition, it has a limited dynamic range of around 20 dB, which is that of the Schlieren process: the images obtained are too contrasting to be able to be used, for example, in medical imaging. Finally, the information obtained is very degraded, the HF carrier being notably lost.
  • US-A-4,463,608 describes a device similar to that of FR-A-2,376,419, in which the acoustic lenses are replaced by a time reversal device using electronic memories.
  • the reflected ultrasonic waves are detected by a primary piezoelectric network, amplified, undergo a time reversal, and are applied after amplification to a secondary network coupled to an opto-acoustic device of the Schlieren type.
  • the visualization is carried out as in FR-A-2 376 419, using a laminar beam, when working in pulses.
  • US-A-4,463,608 proposes in another variant to form the acoustic image after time reversal by means of surface waves, propagating on a piezoelectric plate, and to read the potential generated by scanning with a electron beam. This is only a variant for which no embodiment is proposed, and the realization of which seems limited by difficult technological problems for large areas. In addition, such a system could only operate in CW, which limits the applications.
  • GB-A-2,074,732 describes a device of the same kind as US-A-4,463,608. All these known parallel processing devices are bulky: they involve having a tank of an acoustically and optically transparent medium, most often liquid, the dimension of which is of the order of the size of the object to be viewed. They require very fine adjustment of the optical elements. especially in the case of a mobile laminar beam, and are therefore difficult to transport. Their dynamic range is around 20 dB, which prevents obtaining a highly contrasted image. They all exhibit significant degradation of the acoustic image during its visualization, and in particular a loss of the HF components of the acoustic image. Their precision is limited by the size constraints of the image medium and of the optical beam. Finally, the acousto-optical transformation generates annoying non-linearities in certain applications.
  • FR-A-2 637 289 describes an acoustic imaging device, in which the reflected signals from a pulsed acoustic field ⁇ are mixed with a signal at a pulsation ⁇ greater than the pulsation ⁇ of the pulsed acoustic field ; the pulsed signals ⁇ - ⁇ are isolated from the mixed signals and a real image creation acoustic field is reconstructed by applying these signals to a network of transducers.
  • This system in fact provides unsatisfactory results; it is limited to continuous wave operation; it can only work if the phase variations of the reflected signals are much less than 2 ⁇ , which in practice is rarely the case. The resolution then becomes catastrophic.
  • the invention solves these problems. It provides an easily transportable, robust, compact system, with significant dynamics and good resolution, and which does not necessarily have to operate in CW.
  • the subject of the invention is an imaging method, comprising the steps consisting in: - emitting a wave towards the object to be explored;
  • - retransmitting the signals read from the memory to at least one image medium using a second network of transducers characterized in that it comprises the step consisting in: - Capturing in the image medium the signals retransmitted using a third network of transducers disposed at a fixed distance from said second network of transducers; the frequency of writing f Q in the memory and / or the frequency of reading f in the memory varying so as to form the images of said points of the object on said third network of transducers, the image of the object to be explored being formed by storing the signals picked up by the third network of transducers.
  • the writing frequency f in the memory and / or the reading frequency f j in the memory varies (s) during writing and / or reading.
  • the frequency of writing f_ in the memory and / or the frequency of reading f j in the memory varies (nt) between phases of writing and / or reading.
  • the wave emitted towards the object to be explored is an ultrasonic wave. In another embodiment, the wave emitted towards the object to be explored is an electromagnetic wave.
  • the signals read from the first array of transducers can be the echoes reflected by the points of the object to be explored, the signals diffracted by the points of the object to be explored or even the signals transmitted by the points of the object to be explored.
  • the writing frequency f Q is constant, and the writing frequency f j varies. In another embodiment, the writing frequency f Q varies, and the writing frequency f j is constant.
  • the signals read in the memory can be retransmitted to a plurality of image media each comprising a third array of transducers, and in this case, the write frequency f Q in the memory and / or the read frequency f j in the memory varies so as to form the images of said points of the object on one or the other of said third array of transducers, as a function of the distance between said points and said first array of transducers.
  • the reading frequency f j can vary by frequency steps.
  • the reading frequency f j can undergo on each frequency level a frequency modulation, of low amplitude in front of the frequency variation between each level.
  • the frequency modulation is a linear modulation of relative amplitude less than a few thousandths.
  • the method comprises several passes, each comprising the steps consisting in reading the signals stored in the memory and in retransmitting the signals read in the memory, and during each of said passes, only part of the image of said object to be explored. In that case. it is possible to store during each pass only the part of the signals received on said third network of transducers corresponding to the middle part of each frequency level.
  • the first and second arrays of transducers are two-dimensional.
  • the subject of the invention is also an imaging device, comprising:
  • a second network of transducers for retransmitting the signals supplied by said time inversion means to at least one image medium, characterized in that it comprises:
  • time reversal means for storing the signals received on said third transducer array and in that said time reversal means stores and supplies said signals at frequencies f Q writing and reading different f j, for successively forming images of said points of the object on said third network of transducers.
  • the emission means can emit an ultrasonic wave or an electromagnetic wave.
  • the device comprises a plurality of image media each with a third array of transducers.
  • the image medium or media can consist of a thin sheet transparent to the signals retransmitted by the second network of transducers.
  • the time reversal means include:
  • - digital-analog converters converting the signals read from the memory means and supplying analog signals to the transducers of said second network; means for managing memory addresses in writing and reading, for controlling the writing and reading of the signals in the memory means, at different frequencies, and ensuring a time reversal.
  • the first and second networks are two-dimensional and include elements randomly distributed.
  • Figure 1 shows a schematic view of a first device for implementing the invention.
  • the device of FIG. 1 comprises a first network 10 of transducers 11 to 11 n , capable of emitting ultrasonic waves towards an object 1 to be explored situated in an object space, by means of excitation means not shown in the figure.
  • Object 1 reflects towards the first array of ultrasonic echo transducers.
  • the transducers of the first array of transducers are connected to signal amplifiers 12 ] to 12 n ; the outputs of these amplifiers are connected to analog-to-digital converters (ADCs) 13 ] to 13 n .
  • ADCs analog-to-digital converters
  • the CAN output signals are sent to the write inputs of memory means 14, constituted for example for each of the n transducers of a memory 14- with asynchronous read-write.
  • the read outputs of the memories 14- are connected to analog digital converters (DAC) 15 ] to 15 n ; analog signals provided by DACs 15 ] to 15 n attack the transducers 16 ] to 16 R of a second network of transducers 16.
  • DAC analog digital converters
  • the transducers 16 ] to 16 n of the second network of transducers 16 emit towards a display medium or image medium 18, in which is disposed a third network 20 of transducers 20 d at 20 m .
  • the transducers 20 ] to 20 m are connected to signal amplifiers 21 ] to
  • the CAN output signals are sent to the write inputs of memory means 23, constituted for example for each of the m transducers of a memory 23:
  • the device of FIG. 1 further comprises means 25 for managing memory addresses for writing and reading, with for example an adjustable clock
  • PROMs programmable read only memories
  • the operation of the device of Figure 1 is as follows.
  • the first array of transducers 10 is excited by a pulse and emits a plane wave towards the object to be explored.
  • the transducers 1 1 ] to 11 n then go into reception for a period corresponding to twice the depth of exploration, ie the outward and return path of the ultrasound, and receive the echoes coming from the object to be explored.
  • the corresponding signals are amplified by amplifiers 12 ] to 12 n and converted into digital signals by ADCs 13 ] to 13 n .
  • ADCs 13 ] to 13 n it is possible to apply to the amplifiers 12 ] to 12 n a gain correction as a function of time.
  • TGC to correct the effects of attenuation due to propagation in the object medium.
  • the CAN output signals 13 j to 13 n are sampled and stored in memories 14 ] to 14 n , with a write frequency f Q.
  • a frequency f 0 high enough to ensure good sampling of the signal is chosen, for example a frequency f Q of 20 to 40 MHz for an ultrasonic frequency of the order of 3 MHz.
  • each memory 14 j is determined as a function of the depth of exploration, the writing frequency f Q , and the number of bits at the output of the ADCs, so as to be able to store all of the echoes emitted by l object to explore and received on transducers 1 1 ] to ll n .
  • the memory addresses and write validation signals are supplied by the means 25.
  • the signals stored in the memories 14 ] to 14 n are read in the reverse order of the writing order, at a reading frequency f j .
  • a reading frequency f j For example, if the addresses memories increase with the writing in memories 14 ] to 14. they decrease during reading, so as to effect a time reversal.
  • the signals read in the memories are sent to the DACs 15 d to 15; the analog signals output from the DACs attack the transducers 16 ] to 16 which emit in the image medium 18.
  • the field re-emitted in the image medium by the transducers of the second array of transducers corresponds to the field received from the object to be explored; due to the time reversal, the direction of propagation is reversed, and the waves in the image medium converge towards image points corresponding to the sources of the echoes in the object medium.
  • the image medium reflective points of the object to be explored are obtained, with a minimum of acoustic complications.
  • the reading frequency is varied in the memory 14 when the echoes are re-emitted to the visualization medium. It is also possible in another embodiment to vary the writing frequency, or the two frequencies.
  • the reading frequency f j in the memory varies so as to form the acoustic image on the third network of transducers, in successive columns.
  • the signals received on the third array of transducers 20 are amplified, and converted into digital signals.
  • the CAN output signals 22 ] to 22 are sampled and stored in the memories 23 ] at 23 m at a storage frequency ij, so as to constitute in the memory means 23 a usable image.
  • FIG. 2 shows a graphical representation of the variations in the writing frequencies f_ and reading frequencies f j , during the constitution of the image, for a small opening of the transducer network.
  • the scale in a direction perpendicular to the transducer network depends on the ratio f j .c 0 / (f Q .C j ), while in a plane perpendicular to the abscissa axis, it is constant and depends only on the dimensional ratio between the first and the second network of transducers.
  • FIG. 2 shows, for a constant writing frequency f Q , the variations as a function of time of the reading frequency f j .
  • t 0 when the pulse is emitted by the first array of transducers.
  • T the total duration of writing in memory 14, which corresponds to 2.L / c Q , if we denote by L the depth of exploration in object space.
  • the chronology of reading the memory is as follows: in the image medium 18, the pulses travel in the opposite direction a path identical, except for the horizontal scale, to that traveled in the object environment. An impulse arrives at the abscissa X j after a journey with a duration of XJ / CJ. We therefore begin to write into the memories 23 the signals coming from the third network of transducers X j / c j seconds after the start of the reading in the memory 14.
  • the signals received on the third array of transducers are stored in the memory 23 at a storage frequency f j , which varies like the read frequency f j , but with a time shift of X j / c j seconds.
  • An image of the object 1 to be explored is obtained in the memory 23, which is directly capable of being exploited. Due to the time reversal, the echoes closest to the first array of transducers are re-emitted last by the second array of transducers, and therefore the corresponding points are stored in memory 23 last.
  • the invention therefore makes it possible, in a device of the type of that of US Pat. No. 4,463,608, to obtain an image by analysis of the signals picked up in a fixed reading plane in the image medium, by avoiding the use of a cell.
  • Schlieren type acousto-optics.
  • the degradation of the signal is eliminated and all the components, in particular the HF component, are retained.
  • the full dynamic range of the signal is preserved, and a dynamic range which can be greater than 40 dB is obtained, which is largely sufficient for both industrial and medical applications. This dynamic mainly depends on the depth of the digital memory.
  • imaging method does not necessarily imply the visualization of the image on a device such as a screen, a printer or the like.
  • imaging device or method means a device or method for obtaining an image in all the forms that it can present: computer image, video, photographic, etc. In some cases, it is not even necessary that the image as such be preserved in fine: for example, in non-destructive testing, the image of a part is not necessarily preserved if the analysis of this image revealed that it had no defects.
  • the digital aperture is important: the resolution is high and uniform over the entire surface of the image.
  • the structure of the device of the invention involves a large number of components, but it is in fact the meeting of relatively simple identical circuits - amplifiers, DACs, ADCs, memories - and the manufacturing cost of the device of the invention remains moderate.
  • the elimination of the acousto-optical cell allows according to the invention to obtain a compact and robust device, which can easily be transported. This is particularly the case if one uses as image medium sheets - metallic for example - very thin in which ultrasound propagates at constant group velocities. The sheets can then be rolled up, to reduce the size of the device. It is also possible to use as image medium other materials, such as solids, liquids, gels, etc., transparent to ultrasound and on which the transducer network can be coupled. Surface wave devices can also be used as the image medium: the invention then makes it possible to simplify the reading of the image, compared with the solution proposed in US-A-4463 608, by avoiding a complete scan which is difficult to carry out. .
  • the reading frequency f j is varied so that during a given time interval, the pulses reflected by an area of the object are focused on the same third network of transducers.
  • two image media can be used with third networks of transducers at respective distances X j] and XJ2 of 30 and 60 mm; the reading frequency f j is varied to focus in the first image medium on the network at 30 mm the images of objects between 20 and 40 mm, and to focus in the second image medium on the network at 60 mm the images of objects between 40 and
  • Amplifiers 21, ADCs 22, and memories 23 may be common or partially common to the different third network of transducers.
  • the same second array of transducers can transmit at the same time in all the image media and the signals received on each of the third array of transducers are considered successively.
  • This solution has the advantage of limiting the variations in reading frequency, as well as the necessary distortions and bandwidths of the transducer networks.
  • the number of image media is chosen so that the reading frequency varies from 1 to 3. and preferably from 1 to 2.
  • FIG. 3 shows a representation similar to that of FIG. 2, in the case where two image media are used, with the values of the numerical example below. above.
  • the frequency f also varies between 3.f 0 .C j /(2.c Q ) and 3.f 0 .C j /(4.c Q ) when x Q varies from 40 to 80 mm.
  • the description of the invention with reference to Figures 2 and 3 applies particularly in the case of small digital openings, ie when the size of the network is small compared to the distance to the objects to be checked.
  • the invention proposes a simple solution to this new problem. To maintain good focus, even for large openings, the invention proposes to vary the reading frequency f j no longer in a linear manner as explained with reference to Figures 2 and 3, but in steps. In addition, the invention proposes to use, in each level of the reading frequency, a low frequency modulation. According to the invention, this frequency modulation depends on the digital aperture.
  • the reading frequency f j varies in stages: during each stage of the reading frequency, we read in memory 14 echoes of the object to be explored whose distance x Q to the first network of transducers varies d 'an amount dx 0 of a few millimeters, for example 3 mm. This corresponds to a time window with a width of 2.dx Q / c 0 , or a number of values stored in the memory of 2.f 0 .dx Q / c 0 .
  • the numerical aperture y of the first and second transducer networks appears on the abscissa axis; the ordinate axis is graduated in mm.
  • the curve in bold lines represents the difference dx at an image point, between the theoretical position of an ultrasonic signal and its actual position.
  • the difference dx is representative of the focusing defect of the image in the image medium.
  • Figure 4a shows the difference dx for a value x Q of 30 mm and a value X j of
  • Figure 4b is similar to Figure 4a, but for x Q values of 50 mm and an X j value of 80 mm. and a corresponding value of f j .
  • Figure 4c is similar to Figure 4a, but for values x Q and X j of 50 mm. In this case, the difference remains substantially zero.
  • the difference dx or the focusing defect is all the more important as the ratio x j / x 0 is different from 1.
  • the invention proposes to use, in each step of the reading frequency, a low frequency modulation.
  • This low frequency modulation makes it possible to correct focusing faults, even for large digital apertures.
  • this frequency modulation on each level of the reading frequency is linear: this makes it possible to simplify the implementation of the invention, while nevertheless ensuring good focusing.
  • f j half the relative variation of the relative reading frequency f j . in a given level, for a variation of X j of 1mm.
  • FIG. 4d is similar to FIG. 4a, but shows the difference dx the same values of x 0 and X j , when a frequency modulation with a value f of 0.0096 is applied to the reading frequency fi. It can be seen that the difference dx remains acceptable, even for large values of the opening y. Thus, according to the invention, it is possible to maintain good focusing, thanks to the modulation of the reading frequency.
  • FIG. 4e is analogous to FIG. 4b, but shows the difference dx for the same values of x Q and X j , when a frequency modulation with a value f ⁇ of -0 is applied to the reading frequency fi , 0085. It is again noted that the modulation makes it possible to maintain the focusing.
  • the value of the frequency modulation on each level of the reading frequency fi is easily determinable by optimization on computer, by calculating for a given level of frequency the differences between the theoretical paths D rj and real D rm , for a given opening. It appears that a value of f ⁇ of a few thousandths is sufficient to maintain good focusing of the image on the third array of transducers.
  • FIG. 5 shows the shape of the variation of the reading frequency f j , for a constant writing frequency f Q.
  • FIG. 5 recognizes the steps of the reading frequency, and the frequency modulation of each step.
  • the total variation of frequency on each stage is much lower than the variation of linear frequency which would be given by the formula (a) in the case of weak numerical openings, and which is represented in dotted lines.
  • the reading frequency f j varies between l, 66.f Q and 1.59.f Q when x Q varies from 30mm to 33mm.
  • x Q reaches 33 mm, we pass to the next level, for which the frequency f Q has an initial value of
  • the invention also proposes to read the memory 14 in several read passes. This improves the focus and quality of the image obtained, ignoring the artefacts linked to reading the memory in stages at different frequencies.
  • the echoes reflected towards the first network of transducers have the shape of a spherical wave; they arrive on the first network with a path difference noted above D ro , and are therefore stored in the memory 14 at separate time intervals, typically by spreading over a time range of D ro / c 0 seconds.
  • the distance dx corresponding to the width of a plateau of the frequency of reading is sufficient to contain all the echoes coming from the abscissa points around x 0 + dx Q / 2. This is why one preferably chooses according to the invention a bearing width dx Q of the order of a few millimeters, and for example three millimeters.
  • the invention proposes to read the memory 14 in several read passes, storing in each pass only the information received on the third network of transducers corresponding to the central part of each level.
  • the memory can be read in two passes.
  • the echoes stored in memory 14 are read and re-emitted with reading frequency steps corresponding to abscissas in intervals [p.dx Q , (p + l) .dx Q [, p being an integer varying so as to sweep all the echoes of the object to be explored.
  • the echoes stored in memory 14 are read and re-emitted, with reading frequency steps corresponding to abscissas in intervals [(p + l / 2) .dx 0 , (p + 3 / 2) .dx Q [, p being an integer varying in the same way.
  • we store only the images formed for a period corresponding to half of each frequency level in the middle of each frequency level, we do not store the poorly focused images of point M.
  • This well focused image is stored during the second pass.
  • FIG. 6 shows a graphical representation of the variations in the reading frequency f j , in the case of several reading passes in the memory; FIG. 6 corresponds to the case of two read passes, and two separate image media, with two third networks of transducers.
  • Time axes are plotted on axes 30 and 40.
  • On the axes 31 and 41 are carried the reading frequencies f j .
  • the graphs 30, 31 and 40, 41 are arranged one above the other to clearly highlight the offsets: it is clear that the two passes take place successively.
  • Curves 32 and 42 show the variations in the reading frequency f j , during the first and the second pass respectively.
  • the invention is not limited to the analysis of echoes, but can be used for the analysis of all types of signals coming from the points of the object to be explored: one can use echoes, but also diffracted signals or transmitted, depending on the constraints on access to the object to be explored.
  • the transmission means and the first array of transducers will advantageously be on opposite sides of the object to be explored.
  • the signals received on the first network of transducers are retransmitted, with a time reversal, we see obstacles appearing in negative object: in fact an obstacle in transmission generates a disturbance comparable to a negative wave.
  • a negative image is obtained at the output of the device of the invention, compared with the case of the analysis of echoes.
  • the invention allows non-destructive testing of the rails at a high speed, for example at 280 km / h.
  • the train therefore travels a distance of 16 mm, for a firing rate equal to 5000 Hz.
  • the diameter of the sounding beam must not exceed 5 mm.
  • a minimum of 4 probes must be used to be sure to intercept all faults.
  • the transmission means can be constituted by the first network of transducers, or by a part of it, as described above. They can also be distinct, as for example in the case of analysis of the signals transmitted or diffracted by the points of the object to be explored.
  • the writing frequency f Q in the memory and / or the reading frequency f j in the memory between writing and / or reading phases can be varied: this can be the case for example if l 'an object is analyzed in several successive reading and writing phases; one can then choose to proceed to each phase of reading / writing at a fixed frequency, and to vary the frequency of writing and / or reading between each phase. In this case, it is advantageous to store during each phase only a part of the image formed. An image is thus formed in several successive passes.
  • the invention is not limited to a plane incidence, but can, as in the example of the control of the tubes, be used in oblique incidence.
  • transducer network with n, n has been described. and m elements respectively.
  • One-dimensional tranducer networks can be used, as in the examples described above. It is also possible to use two-dimensional transducer networks, i.e. arrays or plane of transducers.
  • first and second networks of two-dimensional transducers having transducers distributed randomly.
  • the choice of a random distribution of the transducers makes it possible to limit the formation of secondary lobes.
  • first and second networks of two-dimensional transducers are used, of course, medium objects and volume images are required.
  • the third transducer network does not have to be two-dimensional, even if it is possible. If the third array of transducers is one-dimensional, using first and second arrays of two-dimensional transducers improves lateral focusing.
  • the invention is described with reference to ultrasound imaging: it applies to other types of waves, and in particular electromagnetic waves.

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Abstract

Le procédé comprend les étapes consistant à: émettre une onde vers l'objet à explorer (1); lire sur un premier réseau (10) de transducteurs (111-11n) les signaux provenant des points de l'objet; stocker les signaux lus dans une mémoire (14), à une fréquence d'écriture fo; lire les signaux stockés dans la mémoire (14), à une fréquence de lecture fi en leur faisant subir un retournement temporel; réémettre les signaux lus dans la mémoire (14) vers au moins un milieu image (18) à l'aide d'un deuxième réseau (16) de transducteurs (161-16n); capter dans le milieu image (18) les signaux réémis à l'aide d'un troisième réseau (20) de transducteurs (201-20m) disposé à une distance fixe dudit deuxième réseau (16); la fréquence d'écriture fo et/ou de lecture fi dans la mémoire varie de sorte à toujours former les images desdits points de l'objet sur ledit troisième réseau.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF D ' IMAGERIE A TRAITEMENT PARALLELE DE DONNEES
La présente invention a pour objet un procédé d'imagerie, comprenant les étapes consistant à: - émettre une onde vers l'objet à explorer ;
- lire sur un premier réseau de transducteurs les signaux provenant des points de l'objet à explorer ;
- stocker les signaux ainsi lus dans une mémoire , à une fréquence d'écriture f ;
- lire les signaux stockés dans la mémoire , à une fréquence de lecture f: en leur faisant subir un retournement temporel;
- réémettre les signaux lus dans la mémoire vers au moins un milieu image à l'aide d'un deuxième réseau de transducteurs ;
Elle a aussi pour objet un dispositif d'imagerie, comprenant:
- des moyens d'émission d'une onde vers un objet à explorer ; - un premier réseau de transducteurs pour capter les signaux provenant des points de l'objet à explorer ;
- des moyens d'inversion temporelle des signaux captés sur le premier réseau de transducteurs, pour stocker lesdits signaux et les fournir après retournement temporel; - un deuxième réseau de transducteurs pour réémettre les signaux fournis par lesdits moyens d'inversion temporelle vers au moins un milieu image
L'invention s'applique notamment à l'imagerie par des ondes ultrasonores ou électromagnétiques.
Les appareils connus d'imagerie, et notamment d'imagerie ultrasonore, qu'il s'agisse d'applications médicales ou industrielles, exploitent généralement un procédé séquentiel. La structure à explorer est balayée ligne par ligne au moyen d'un faisceau étroit. Les échos enregistrés sur chaque ligne sont enregistrés et une image d'un plan de la structure à explorer est obtenue lorsque toute la surface de ce plan a été balayée. La vitesse de balayage est fonction de la cadence des impulsions de sondage et de l'espace entre chaque ligne: en tout état de cause, la cadence est limitée par les temps de réverbération dans la structure, qui déterminent la durée minimale entre deux lignes successives. Le pas de balayage est choisi en fonction de la résolution, et est en général de 1 à 2 mm.
Ainsi, en imagerie ultrasonore, pour des temps de réverbération de l'ordre de la centaine de microsecondes, et un pas de balayage de l'ordre du millimètre, il est difficile d'obtenir des images à une fréquence supérieure quelques dizaines de Hz (10 à 50 Hz), pour une image de 100 mm de large. Il a déjà été proposé d'effectuer un traitement parallèle pour améliorer les performances de l'imagerie.
Dans un article de Hanstead intitulé "A new ultrasonic focusing System for materials inspection", dans le Journal of Physics D, pages 226-241, vol. 7 de 1974. est décrit un système mettant en oeuvre un tel traitement parallèle. Un objet à examiner, immergé dans l'eau, est irradié par une onde ultrasonore plane. Les ondes réfléchies retransmises par l'intermédiaire du transducteur à une cellule d'interaction acousto-optique comprenant un bac transparent qui contient un milieu liquide (eau) et un système de deux lentilles acoustiques à foyers confondus (système cofocal). Les ondes acoustiques en propagation dans le milieu liquide et formant une image acoustique sont rendues visibles par une méthode Schlieren, i.e. par interaction entre l'onde ultrasonore et un faisceau lumineux orthogonal. L'onde ultrasonore se comporte comme un réseau qui diffracte le faisceau lumineux: un montage optique simple permet d'éliminer la partie non diffractée du faisceau lumineux, pour visualiser une image du phénomène ultrasonore diffractant. Il est proposé dans ce dispositif de travailler par impulsions, et d'utiliser un éclairage stroboscopique synchronisé sur l'impulsion pour la visualisation, en utilisant un système cofocal dont les focales sont dans un rapport V2.
Ce dispositif présente des inconvénients: il est nécessairement solidaire de l'objet à examiner; comme il est encombrant et délicat, il est difficile à rendre mobile. Le choix des focales dans ce dispositif conduit à une image deux fois plus grande que l'objet, ce qui implique l'utilisation d'un système optique de grande dimension et donc coûteux. La sensibilité du système est médiocre, l'intensité des impulsions réfléchies sur des obstacles de faibles dimensions étant trop faible pour les rendre visibles par la méthode Schlieren. Il est aussi nécessaire pour obtenir une bonne qualité d'image, de stabiliser en température le milieu liquide. Enfin, l'image obtenue est affectée d'une anamorphose.
FR-A-2 376 419 décrit un dispositif analogue, dans lequel les ondes ultrasonores réfléchies sont détectées par un réseau piézo-électrique primaire, amplifiées, et appliquées après amplification à un réseau identique couplé à un dispositif opto-acoustique de visualisation similaire à celui de Hanstead. L'analyse de l'image optique est effectuée par un faisceau laminaire mobile, qui se déplace de façon à intercepter les impulsions acoustiques au moment où elles atteignent leur point image. De la sorte, le dispositif de visualisation peut être rendu indépendant de l'objet à visualiser. En outre, l'amplification des échos permet de porter l'amplitude des échos à un niveau suffisant pour permettre une visualisation par le procédé Schlieren. Enfin, le choix d'un faisceau laminaire permet d'adapter l'échelle de l'image en s'affranchissant des contraintes inhérentes au système Hanstead.
Le dispositif de ce document reste encombrant et fragile. En outre il présente une dynamique limitée de l'ordre de 20 dB, qui est celle du procédé Schlieren: les images obtenues sont trop contrastées pour pouvoir être utilisées par exemple en imagerie médicale. Enfin, l'information obtenue est très dégradée, la porteuse HF étant notamment perdue.
US-A-4 463 608 décrit un dispositif analogue à celui de FR-A-2 376 419, dans lequel les lentilles acoustiques sont remplacées par un dispositif de retournement temporel utilisant des mémoires électroniques. Les ondes ultrasonores réfléchies sont détectées par un réseau piézo-électrique primaire, amplifiées, subissent un retournement temporel, et sont appliquées après amplification à un réseau secondaire couplé à un dispositif opto-acoustique du type Schlieren. La visualisation s'effectue comme dans FR-A-2 376 419, à l'aide d'un faisceau laminaire, lorsque l'on travaille en impulsions.
Ce dispositif est plus compact que celui de FR-A-2 376 419, mais présente encore les inconvénients d'encombrement, de dynamique limitée et de dégradation de l'information d'un système Schlieren. Il est proposé dans ce document de réduire l'échelle pour limiter la taille du milieu image, en faisant varier la fréquence de lecture dans les mémoires de retournement temporel par rapport à la fréquence d'écriture dans ces mémoires: ceci conduit néanmoins à une perte correspondante en résolution, notamment du fait des contraintes sur la taille du faisceau laminaire d'éclairage. US-A-4 463 608 propose aussi dans une variante de réalisation de former l'image acoustique après retournement temporel par excitation synchrone ultrasonore, électromagnétique, ou électrostatique; toutefois, ceci ne s'applique qu'à des objets peu épais, pour lesquels le temps de propagation dans le milieu image est négligeable. US-A-4 463 608 propose dans une autre variante de former l'image acoustique après retournement temporel par l'intermédiaire d'ondes de surface, se propageant sur une plaque piézo-électrique, et de lire le potentiel généré par balayage avec un faisceau d'électron. Il ne s'agit là que d'une variante pour laquelle aucun mode de réalisation n'est proposé, et dont la réalisation semble limitée par des problèmes technologiques difficiles pour des surfaces importantes. En outres, un tel système ne pourrait que fonctionner en ondes entretenues, ce qui limite les applications.
GB-A-2 074 732 décrit un dispositif du même genre que US-A-4 463 608. Tous ces dispositifs connus de traitement parallèle sont encombrants: ils impliquent de disposer d'un bac d'un milieu acoustiquement et optiquement transparent, le plus souvent liquide, dont la dimension est de l'ordre de la taille de l'objet à visualiser. Ils nécessitent un réglage très fins des éléments optiques. notamment dans le cas d'un faisceau laminaire mobile, et sont donc difficilement transportables. Leur dynamique est de l'ordre de 20 dB, ce qui empêche d'obtenir une image très contrastée. Ils présentent tous une dégradation importante de l'image acoustique lors de sa visualisation, et notamment une perte des composantes HF de l'image acoustique. Leur précision est limitée par les contraintes de taille du milieu image et du faisceau optique. Enfin, la transformation acousto-optique engendre des non linéarités gênantes dans certaines applications.
FR-A-2 637 289 décrit un dispositif de formation d'image acoustique, dans lequel les signaux réfléchis d'un champ acoustique puisé à la pulsation ω sont mélangés avec un signal à une pulsation Ω supérieure à la pulsation ω du champ acoustique puisé; on isole dans les signaux mélangés les signaux de pulsation Ω - ω et on reconstitue un champ acoustique de création d'image réelle en appliquant ces signaux à un réseau de transducteurs.
Ce dispositif dans les faits fournit des résultats peu satisfaisants; il est limité à un fonctionnement en ondes entretenues; il ne peut fonctionner que si les variations de phase des signaux réfléchis sont très inférieures à 2π, ce qui dans la pratique est rarement le cas. La résolution devient alors catastrophique.
L'invention permet de résoudre ces problèmes. Elle fournit un système facilement transportable, robuste, compact, et présentant une dynamique importante ainsi qu'une bonne résolution, et qui ne doit pas nécessairement fonctionner en ondes entretenues.
Elle permet une imagerie ultrasonore ou électromagnétique à haute fréquence, de bonne qualité.
L'invention a pour objet un procédé d'imagerie, comprenant les étapes consistant à: - émettre une onde vers l'objet à explorer ;
- lire sur un premier réseau de transducteurs les signaux provenant des points de l'objet à explorer ;
- stocker les signaux ainsi lus dans une mémoire , à une fréquence d'écriture f_;
- lire les signaux stockés dans la mémoire , à une fréquence de lecture f en leur faisant subir un retournement temporel;
- réémettre les signaux lus dans la mémoire vers au moins un milieu image à l'aide d'un deuxième réseau de transducteurs ; caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à: - capter dans le milieu image les signaux réémis à l'aide d'un troisième réseau de transducteurs disposé à une distance fixe dudit deuxième réseau de transducteurs; la fréquence d'écriture fQ dans la mémoire et/ou la fréquence de lecture f dans la mémoire variant de sorte à former les images desdits points de l'objet sur ledit troisième réseau de transducteurs, l'image de l'objet à explorer étant formée en stockant les signaux captés grâce au troisième réseau de transducteurs.
Dans un mode de réalisation, la fréquence d'écriture f dans la mémoire et/ou la fréquence de lecture fj dans la mémoire varie(nt) en cours d'écriture et/ou de lecture. Dans un autre mode de réalisation, la fréquence d'écriture f_ dans la mémoire et/ou la fréquence de lecture fj dans la mémoire varie(nt) entre des phases d'écriture et/ou de lecture.
Dans un mode de réalisation, l'onde émise vers l'objet à explorer est une onde ultrasonore. Dans un autre mode de réalisation, l'onde émise vers l'objet à explorer est une onde électromagnétique.
Les signaux lus sur le premier réseau de transducteurs peuvent être les échos réfléchis par les points de l'objet à explorer, les signaux diffractés par les points de l'objet à explorer ou encore les signaux transmis par les points de l'objet à explorer . Dans un mode de réalisation, la fréquence d'écriture fQ est constante, et la fréquence d'écriture fj varie. Dans un autre mode de réalisation, la fréquence d'écriture fQ varie, et la fréquence d'écriture fj est constante.
Les signaux lus dans la mémoire peuvent être réémis vers une pluralité de milieux image comprenant chacun un troisième réseau de transducteurs, et dans ce cas, la fréquence d'écriture fQ dans la mémoire et/ou la fréquence de lecture fj dans la mémoire varie de sorte à former les images desdits points de l'objet sur l'un ou l'autre desdits troisième réseau de transducteurs, en fonction de la distance entre lesdits points et ledit premier réseau de transducteurs.
Avantageusement, la fréquence de lecture fj peut varier par paliers de fréquence.
Dans ce cas, la fréquence de lecture fj peut subir sur chaque palier de fréquence une modulation de fréquence, d'amplitude faible devant la variation de fréquence entre chaque palier. Avantageusement, la modulation de fréquence est une modulation linéaire d'amplitude relative inférieure à quelques millièmes. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend plusieurs passes comprenant chacune les étapes consistant à lire les signaux stockés dans la mémoire et à réémettre les signaux lus dans la mémoire , et au cours de chacune desdites passes, on ne forme qu'un partie de l'image dudit objet à explorer. Dans ce cas. il est possible de ne stocker au cours de chaque passe que la partie des signaux reçus sur ledit troisième réseau de transducteurs correspondant à la partie médiane de chaque palier de fréquence.
Dans un mode de mise en ouvre du procédé, les premier et second réseaux de transducteurs sont bidimensionnels.
L'invention a aussi pour objet un dispositif d'imagerie, comprenant:
- des moyens d'émission d'une onde vers un objet à explorer ;
- un premier réseau de transducteurs pour capter les signaux provenant des points de l'objet à explorer ; - des moyens d'inversion temporelle des signaux captés sur le premier réseau de transducteurs, pour stocker lesdits signaux et les fournir après retournement temporel;
- un deuxième réseau de transducteurs pour réémettre les signaux fournis par lesdits moyens d'inversion temporelle vers au moins un milieu image caractérisé en ce qu'il comprend :
- un troisième réseau de transducteurs disposé dans le milieu image à une distance fixe dudit deuxième réseau de transducteurs;
- des moyens de stockage des signaux reçus sur ledit troisième réseau de transducteurs et en ce que lesdits moyens de retournement temporel stockent et fournissent lesdits signaux à des fréquences d'écriture fQ et de lecture fj différentes, pour former successivement les images desdits points de l'objet sur ledit troisième réseau de transducteurs.
Les moyens d'émission peuvent émettre une onde ultrasonore ou une onde électromagnétique.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend une pluralité de milieux image avec chacun un troisième réseau de transducteurs.
Avantageusement, le ou les milieux image peuvent être constitués d'une feuille mince transparente aux signaux réémis par le deuxième réseau de transducteurs. Dans un mode de réalisation, les moyens d'inversion temporelle comprennent:
- des convertisseurs analogiques-numériques convertissant les signaux des transducteurs dudit premier réseau;
- des moyens de mémoire pour stocker les signaux convertis;
- des convertisseurs numériques-analogiques convertissant les signaux lus dans les moyens de mémoire et fournissant des signaux analogiques aux transducteurs dudit deuxième réseau; - des moyens de gestion des adresses mémoire en écriture et en lecture, pour commander l'écriture et la lecture des signaux dans les moyens de mémoire, à des fréquences différentes, et en assurant un retournement temporel.
Dans un mode de réalisation, les premier et deuxième réseaux sont bidimensionnels et comprennent des éléments répartis aléatoirement.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple uniquement, et en référence aux dessins annexés qui montrent:
- figure 1 , une vue schématique d'un premier dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention;
- la figure 2, une représentation graphique des variations des fréquences d'écriture f et de lecture fj, pour une faible ouverture numérique des réseaux de transducteurs;
- figure 3, une représentation analogue à celle de la figure 2, dans le cas où l'on utilise deux milieux images;
- figures 4a à 4e des représentations graphiques de l'erreur de convergence dans un dispositif selon l'invention;
- figure 5, l'allure de la variation de la fréquence de lecture fj, pour une fréquence d'écriture f0 constante; - figure 6 une représentation graphique des variations de la fréquence de lecture fj, dans le cas de plusieurs passes de lecture dans la mémoire; La description de l'invention en référence aux figures 1 à 6 mentionne, pour la clarté de l'explication, des ondes ultrasonores. L'invention s'applique, mutatis mutandis, à des ondes électromagnétiques. La figure 1 montre une vue schématique d'un premier dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention. Le dispositif de la figure 1 comprend un premier réseau 10 de transducteurs l l i à l ln, susceptibles d'émettre des ondes ultrasonores vers un objet 1 à explorer situé dans un espace objet, grâce à des moyens d'excitation non représentés sur la figure. L'objet 1 réfléchit vers le premier réseau de transducteurs des échos ultrasonores.
Les transducteurs du premier réseau de transducteurs sont reliés à des amplificateurs de signal 12] à 12n; les sorties de ces amplificateurs sont reliées à des convertisseurs ananalogique-numérique (CAN) 13] à 13n. Les signaux de sorties des CAN sont envoyés aux entrées d'écriture de moyens de mémoire 14, constitués par exemple pour chacun des n transducteurs d'une mémoire 14- à lecture-écriture asynchrone.
Les sorties de lecture des mémoires 14- sont reliées à des convertisseurs numériques analogiques (CNA) 15] à 15n; les signaux analogiques fournis par les CNA 15 ] à 15n attaquent les transducteurs 16] à 16R d'un deuxième réseau de transducteurs 16.
Les transducteurs 16] à 16n du deuxième réseau de transducteurs 16 émettent vers un milieu de visualisation ou milieu image 18, dans lequel est disposé un troisième réseau 20 de transducteurs 20 j à 20m.
Les transducteurs 20] à 20m sont reliés à des amplificateurs de signal 21 ] à
21m; les sorties de ces amplificateurs sont reliées à des convertisseurs ananalogique- numérique (CAN) 22 j à 22m. Les signaux de sorties des CAN sont envoyés aux entrées d'écriture de moyens de mémoire 23, constitués par exemple pour chacun des m transducteurs d'une mémoire 23:
Le dispositif de la figure 1 comprend en outre des moyens 25 de gestion des adresses mémoires en écriture et en lecture, avec par exemple une horloge réglable
26, un compteur-décompteur 27, et des PROM (mémoires mortes programmables)
28 contenant les adresses de lecture écriture dans les mémoires 14 et 29 contenant les adresses de lecture écriture dans les mémoires 23.
Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le suivant. Le premier réseau de transducteurs 10 est excité par une impulsion et émet une onde plane vers l'objet à explorer. Les transducteurs 1 1 ] à 11 n passent ensuite en réception pendant une durée correspondant à deux fois la profondeur d'exploration, i.e. au trajet aller et retour des ultrasons, et reçoivent les échos provenant de l'objet à explorer.
Les signaux correspondants sont amplifiés par les amplificateurs 12] à 12n et convertis en signaux numériques par les CAN 13] à 13n. Avantageusement, on peut appliquer aux amplificateurs 12] à 12n une correction de gain en fonction du temps
(TGC) pour corriger les effets de l'atténuation due à la propagation dans le milieu objet.
Les signaux de sortie des CAN 13 j à 13n sont échantillonnées et stockés dans les mémoires 14] à 14n, avec une fréquence d'écriture fQ. On choisit une fréquence f0 suffisamment élevée pour assurer un bon échantillonnage du signal, par exemple une fréquence fQ de 20 à 40 MHz pour une fréquence ultrasonore de l'ordre de 3 MHz.
La taille de chaque mémoire 14j est déterminée en fonction de la profondeur d'exploration, de la fréquence d'écriture fQ, et du nombre de bits en sortie des CAN, de sorte à pouvoir stocker l'ensemble des échos émis par l'objet à explorer et reçus sur les transducteurs 1 1 ] à l ln. Les adresses mémoire et signaux de validation en écriture sont fournis par les moyens 25.
Les signaux stockés dans les mémoires 14] à 14n sont lus dans l'ordre inverse de l'ordre d'écriture, à une fréquence de lecture fj. Par exemple, si les adresses mémoires croissent à l'écriture dans les mémoires 14] à 14 . elles décroissent lors de la lecture, de façon à effectuer un retournement temporel.
Les signaux lus dans les mémoires sont envoyés aux CNA 15 j à 15 ; les signaux analogiques de sortie des CNA attaquent les transducteurs 16] à 16 qui émettent dans le milieu image 18.
Le champ réémis dans le milieu image par les transducteurs du deuxième réseau de transducteurs correspond au champ reçu de l'objet à explorer; du fait du retournement temporel, le sens de propagation est inversé, et les ondes dans le milieu image convergent vers des points images correspondant aux sources des échos dans le milieu objet. On obtient dans le milieu image des points réfléchissants de l'objet à explorer, avec un minimum de complications acoustiques.
Selon l'invention, on dispose dans le milieu image 18 un troisième réseau 20 de transducteurs, à une distance donnée du deuxième réseau 16 de transducteurs, et on fait varier la fréquence de lecture dans la mémoire 14 lorsque l'on réémet les échos vers le milieu de visualisation. On peut aussi dans un autre mode de réalisation faire varier la fréquence d'écriture, ou les deux fréquences.
Ceci permet de capter dans le milieu de visualisation les échos réémis à l'aide du troisième réseau de transducteurs, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des moyens de conversion acousto-optiques tels qu'une cellule Schlieren. La fréquence de lecture fj dans la mémoire varie de sorte à former l'image acoustique sur le troisième réseau de transducteurs, par colonnes successives. Les signaux reçus sur le troisième réseau de transducteurs 20 sont amplifiés, et convertis en signaux numériques. Les signaux de sortie des CAN 22] à 22 sont échantillonnés et stockés dans les mémoires 23 ] à 23m à une fréquence de stockage ij, de sorte à constituer dans les moyens de mémoire 23 une image utilisable.
La figure 2 montre une représentation graphique des variations des fréquences d'écriture f_ et de lecture fj, au cours de la constitution de l'image, pour une faible ouverture des réseau de transducteurs.
On note dans la suite cQ et Cj les vitesses de propagation dans le milieu objet et dans le milieu image. On considère dans le milieu objet et dans le milieu image des repères orthonormés (x, y) dont l'origine est au centre du réseau de transducteurs, et dont l'axe des abscisses est orthogonal au réseau de transducteurs. On note xQ et xj les abscisses d'un point de l'axe des abscisses dans le milieu objet et du point image correspondant dans le milieu image. On considère deux points du premier réseau de transducteurs, de coordonnées
(0. 0) et (0, y). Les impulsions réfléchies par le point (x 0) atteignent les deux point du réseau avec un décalage spatial Dro qui vaut V(x 2+y2) - x auquel correspond un décalage temporel égal à Dro/c0. et un décalage dans la mémoire de dn positions, avec dn = f0.Dr0/c0.
A la relecture le décalage temporel vaut dn/fj. et le décalage spatial correspondant D,.j s'écrit Drj = dn.Cj/fj, soit Drj = Dro.f0.Cj/(fj.c0). Pour de faibles ouvertures, i.e. si y est petit devant xQ, on a Dro = y2/(2.x0), ou x0 ≈ y V(2.Dro).
Finalement, on obtient: xi = xo-Dro/Dri = xo-fi-co/(foxi) (a) Ce calcul n'est plus valable pour les grandes ouvertures numériques. On peut ainsi, en faisant varier la fréquence d'écriture fj ou la fréquence de lecture fQ, former l'image du point d'abscisse xQ à une abscisse constante Xj, correspondant à la position du troisième réseau de transducteurs dans le milieu image. Autrement dit, l'échelle dans une direction perpendiculaire au réseau de transducteurs (axe des abscisses) dépend du rapport fj.c0/(fQ.Cj), tandis que dans un plan perpendiculaire à l'axe des abscisses, elle est constante et ne dépend que du rapport dimensionnel entre le premier et le deuxième réseau de transducteurs.
La figure 2 montre, pour une fréquence d'écriture fQ constante, les variations en fonction du temps de la fréquence de lecture fj. On prend t=0 à l'émission de l'impulsion par le premier réseau de transducteurs. On note T la durée totale d'écriture dans la mémoire 14, qui correspond à 2.L/cQ, si l'on note L la profondeur d'exploration dans l'espace objet.
On commence à lire dans la mémoire 14 à l'instant T+δt, qui correspond à la fin de l'écriture dans la mémoire. Si l'on dispose le troisième réseau de transducteurs à une distance xj = L/2 du deuxième réseau de transducteurs dans le milieu image, on voit, compte tenu de la formule (a) ci-dessus, que fj varie de fQ.Cj/c0 à f .Cj/(2.c0) lorsque xQ varie de L/2 à L.
La chronologie de la lecture de la mémoire est la suivante: dans le milieu image 18, les impulsions parcourent en sens inverse un trajet identique, à l'échelle horizontale près, à celui parcouru dans la milieu objet. Une impulsion parvient à l'abscisse Xj après un trajet d'une durée de XJ/CJ. On commence donc à écrire dans les mémoires 23 les signaux provenant du troisième réseau de transducteurs Xj/cj secondes après le début de la lecture dans la mémoire 14.
On stocke dans la mémoire 23 les signaux reçus sur le troisième réseau de transducteurs à une fréquence de stockage fj, qui varie comme la fréquence de lecture fj, mais avec un décalage dans le temps de Xj/cj secondes. On obtient dans la mémoire 23 une image de l'objet 1 à explorer, qui est directement susceptible d'être exploitée. Du fait du retournement temporel, les échos les plus proches du premier réseau de transducteurs sont réémis en dernier par le deuxième réseau de transducteurs, et donc les points correspondants sont stockés dans la mémoire 23 en dernier.
L'invention permet donc, dans un dispositif du type de celui de US-A-4 463 608, d'obtenir une image par analyse des signaux captés dans un plan de lecture fixe dans le milieu image, en évitant d'utiliser une cellule acousto-optique du type Schlieren. De ce fait, on élimine la dégradation du signal et on conserve toutes les composantes, notamment la composante HF. La dynamique complète du signal est préservée, et on obtient une dynamique qui peut être supérieure à 40 dB, largement suffisante aussi bien pour les applications industrielles que pour les applications médicales. Cette dynamique dépend principalement de la profondeur de la mémoire numérique.
Comme l'image est directement fournie dans les mémoires 23, elle est exploitable par tout type de traitement électronique ou informatique (stockage, lissage, dérivation...). De ce point de vue, il est clair que le procédé "d'imagerie" selon l'invention n'implique pas nécessairement la visualisation de l'image sur un dispositif tel qu'un écran, une imprimante ou autre. On entend par dispositif ou procédé d'imagerie un dispositif ou procédé d'obtention d'une image sous toutes les formes que celle ci peut présenter: image informatique, vidéo, photographique, etc. Dans certains cas, il n'est pas même nécessaire que l'image en tant que telle soit conservée in fine: par exemple, en contrôle non destructif, l'image d'une pièce n'est pas nécessairement conservée si l'analyse de cette image a révélé qu'elle ne présentait pas de défaut.
L'acquisition d'un image complète se fait dans le même temps que l'acquisition d'une seule ligne dans les procédés séquentiels habituels. On peut donc atteindre des cadences d'image de 1000 Hz et plus en sortie. Une telle cadence permet, dans le cas de l'imagerie B, d'effectuer de l'échographie tridimensionnelle en déplaçant le plan de coupe entre chaque image, ou de réaliser de l'imagerie Doppler de haute qualité. En contrôle non destructif, des examens à grande vitesses sont possibles.
Comme toute la surface du réseau contribue à la formation de l'image, l'ouverture numérique est importante: la résolution est élevée et homogène sur toute la surface de l'image.
La structure du dispositif de l'invention, tel que par exemple décrite à la figure 1 fait intervenir un grand nombre de composants, mais il s'agit en fait de la réunion de circuits identiques relativement simples - amplificateurs, CNA, CAN, mémoires - et le coût de fabrication du dispositif de l'invention reste modéré.
La suppression de la cellule acousto-optique permet selon l'invention d'obtenir un dispositif compact et robuste, pouvant facilement être transporté. Ceci est particulièrement le cas si l'on utilise comme milieu image des feuilles - métalliques par exemple - très minces dans lesquelles les ultrasons se propagent à des vitesses de groupe constantes. Les feuilles peuvent alors être enroulées, pour réduire l'encombrement du dispositif. Il est aussi possible d'utiliser comme milieu image d'autres matériaux, tels que les solides, de liquides, des gels, etc, transparents aux ultrasons et sur lesquels les réseau de transducteurs peuvent être couplés. On peut aussi utiliser comme milieu image des dispositifs à ondes de surfaces: l'invention permet alors de simplifier la lecture de l'image, par rapport à la solution proposée dans US-A-4463 608, en évitant un balayage complet difficile à réaliser.
Bien entendu, et comme cela apparaît clairement de la relation (a) ci-dessus, on peut choisir de faire varier non pas la fréquence de lecture fj dans la mémoire 14, mais la fréquence d'écriture fQ, ou bien les deux, pour assurer une formation de l'image sur le troisième réseau de transducteurs, à une distance constante du deuxième réseau de transducteurs.
Avantageusement, on peut utiliser une pluralité de milieux images, avec chacun un troisième réseau de transducteurs, situés à des distances différentes du deuxième réseau de transducteurs, ou dans des milieux avec des vitesses de propagation différentes. Dans ce cas, on fait varier la fréquence de lecture fj de sorte que pendant un intervalle de temps donné, les impulsions réfléchies par une zone de l'objet soit focalisées sur le même troisième réseau de transducteurs. Par exemple, pour une profondeur d'exploration L de l'objet entre 40 et 80 mm, on peut utiliser deux milieux images avec des troisièmes réseaux de transducteurs à des distances respectives Xj ] et XJ2 de 30 et 60 mm; on fait varier la fréquence de lecture fj pour focaliser dans le premier milieu image sur le réseau à 30 mm les images des objets situés entre 20 et 40 mm, et pour focaliser dans le deuxième milieu image sur le réseau à 60 mm les images des objets situés entre 40 et
80 mm.
Les amplificateurs 21, les CAN 22, et les mémoires 23 peuvent être communs ou partiellement communs aux différents troisièmes réseau de transducteurs.
Cette solution est particulièrement facile à mettre en oeuvre lorsque les milieux images sont constitués de feuilles minces: le même deuxième réseau de transducteurs peut émettre à la fois dans tous les milieux images et on considère successivement les signaux reçus sur chacun des troisièmes réseaux de transducteurs. Cette solution présente l'avantage de limiter les variations de fréquence de lecture, ainsi que les distorsions et les bandes passantes nécessaires des réseaux de transducteurs. Avantageusement, on choisit le nombre de milieux images de sorte à ce que la fréquence de lecture varie de 1 à 3. et de préférence de 1 à 2.
La figure 3 montre une représentation analogue à celle de la figure 2, dans le cas où l'on utilise deux milieux images, avec les valeurs de l'exemple numérique ci- dessus. Pour former l'image sur le troisième réseau de transducteurs à Xj , = 30 mm. la fréquence fj varie entre 3.f0.Cj/(2.c0) et 3.f0.cj/(4.c0) lorsque xQ varie de 20 à 40 mm; sur le troisième réseau de transducteurs à Xj7 = 60 mm. la fréquence f varie aussi entre 3.f0.Cj/(2.cQ) et 3.f0.Cj/(4.cQ) lorsque xQ varie de 40 à 80 mm. La description de l'invention en référence aux figures 2 et 3 s'applique particulièrement dans le cas de faibles ouvertures numériques, i.e. lorsque la taille du réseau est faible devant la distance aux objets à contrôler. On décrit maintenant d'autres modes de réalisation de l'invention, permettant d'exploiter une grande ouverture numérique. On reprend dans la suite les notations adoptées plus haut. Dans le cas d'une grande ouverture numérique, l'approximation y petit devant x ou Xj n'est plus nécessairement justifiée. On note dans la suite k le rapport X0/XJ.
On note comme plus haut Drj = V(xj 2+y2) - xj, la différence de trajet dans le milieu image entre deux les deux points (0, 0) et (0, y) du réseau qui correspondrait à une focalisation en (Xj, 0) dans le milieu image. Lorsque y n'est plus petit devant x ou xj, i.e. dans le cas d'ouverture numériques importantes, il devient impossible d'assimiler la différence de trajet Drj théorique assurant une bonne focalisation et la différence de trajet réelle Drnr Si la différence entre ces deux valeurs est supérieure à un quart de longueur d'onde, les échos correspondant à un point (xQ, 0) du milieu objet ne forment plus dans le milieu image une image ponctuelle, mais une tache. Dans ce cas, la focalisation de l'image se dégrade. Cette dégradation augmente avec l'ouverture numérique et avec la différence entre xj et xQ.
Il apparaît alors un problème nouveau, de focalisation de l'image pour les grandes ouvertures numériques.
L'invention propose une solution simple à ce problème nouveau. Pour maintenir une bonne focalisation, même pour des ouvertures importantes, l'invention propose de faire varier la fréquence de lecture fj non plus de façon linéaire comme expliqué en référence aux figures 2 et 3, mais par paliers. En outre, l'invention propose d'utiliser, dans chaque palier de la fréquence de lecture, unefaible modulation de fréquence. Selon l'invention, cette modulation de fréquence dépend de l'ouverture numérique.
Selon l'invention, la fréquence de lecture fj varie par paliers: pendant chaque palier de la fréquence de lecture, on lit dans la mémoire 14 des échos de l'objet à explorer dont la distance xQ au premier réseau de transducteurs varie d'une quantité dx0 de quelques millimètres, et par exemple de 3 mm. Ceci correspond à une fenêtre temporelle d'un largeur de 2.dxQ/c0, soit à un nombre de valeurs stockées dans la mémoire de 2.f0.dxQ/c0.
On découpe donc la durée totale de lecture dans la mémoire 14 en intervalles égaux d'une durée de 2.dxQ/c0; dans chaque intervalle, la fréquence fj de lecture est choisie de sorte à former les images des objets dans le milieu image sur le troisième réseau de transducteurs à la distance xj du deuxième réseau de transducteurs. Ainsi. dans la plage temporelle correspondant à la lecture dans la mémoire des échos provenant d'une distance comprise entre xQ et x0+dxQ, on choisit une fréquence de lecture fj calculée en application de la formule (a) ci-dessus comme fi = Xj.f0.Cj/(x0.c0). Dans le palier suivant, entre x0+dx0 et x0+2.dx0, on choisit une fréquence fj = Xj.f0.Cj/[(x0+dx0).c0].
On détermine de la sorte les paliers de variation de la fréquence fi. Ces paliers de fréquence peuvent être calculés autrement, par exemple avec la fréquence correspondant à la position médiane des abscisses lues, ou la position de droite, ou une moyenne, ou autre.
Les figures 4a à 4e montrent des représentations graphiques de l'erreur de convergence dans un dispositif selon l'invention, pour différentes valeurs de x0 et Xj. et dans le cas où c =c:. Sur les figures 4a à 4e apparaît sur l'axe des abscisses l'ouverture numérique y du premier et du deuxième réseaux de transducteurs; l'axe des ordonnées est gradué en mm. La courbe en traits gras représente l'écart dx en un point image, entre la position théorique d'un signal ultrasonore et sa position réelle. L'écart dx est représentatif du défaut de focalisation de l'image dans le milieu image. La figure 4a montre l'écart dx pour une valeur xQ de 30 mm et une valeur Xj de
50 mm, lorsque fi présente une valeur de Xj.f0/x0. On constate que l'écart dx reste acceptable pour les faible valeurs de y, i.e. pour les faibles ouvertures, mais que l'écart dx devient important quant y croît.
La figure 4b est analogue à la figure 4a, mais pour des valeurs xQ de 50 mm et une valeur Xj de 80 mm. et une valeur correspondante de fj.
La figure 4c est analogue à la figure 4a, mais pour des valeurs xQ et Xj de 50 mm. Dans ce cas, l'écart reste sensiblement nul.
L'écart dx ou le défaut de focalisation est d'autant plus important que le rapport xj/x0 est différent de 1. Pour faire diminuer l'écart dx et maintenir une bonne focalisation, même pour des ouvertures importantes, l'invention propose d'utiliser, dans chaque palier de la fréquence de lecture, une faible modulation de fréquence. Cette faible modulation de fréquence permet de corriger les défauts de focalisation, même pour des ouvertures numériques importantes. Avantageusement, cette modulation de fréquence sur chaque palier de la fréquence de lecture est linéaire: ceci permet de simplifier la mise en oeuvre de l'invention, tout en assurant néanmoins une bonne focalisation. On appelle fj la moitié de la variation relative de la fréquence relative de lecture fj. dans un palier donné, pour une variation de Xj de 1mm.
La figure 4d est analogue à la figure 4a, mais montre l'écart dx les mêmes valeurs de x0 et Xj, lorsque l'on applique à la fréquence de lecture fi une modulation de fréquence avec une valeur f de 0,0096. On constate que l'écart dx reste acceptable, même pour des valeurs importantes de l'ouverture y. On arrive ainsi selon l'invention à maintenir une bonne focalisation, grâce à la modulation de la fréquence de lecture.
La figure 4e est analogue à la figure 4b, mais montre l'écart dx pour les mêmes valeurs de xQ et Xj, lorsque l'on applique à la fréquence de lecture fi une modulation de fréquence avec une valeur f^ de -0,0085. On constate de nouveau que la modulation permet de maintenir la focalisation.
La valeur de la modulation de fréquence sur chaque palier de la fréquence de lecture fi est facilement déterminable par optimisation sur ordinateur, en calculant pour un palier donné de fréquence les écarts entre les trajets théorique Drj et réel Drm, pour une ouverture donnée. Il apparaît qu'une valeur de f^ de quelques millièmes suffit pour conserver une bonne focalisation de l'image sur le troisième réseau de transducteurs.
On trouvera en annexe à la présente description des tables de valeurs de f J, et de l'erreur maximale emaχ, pour différentes valeurs de Xj et xQ (en mm). Ces tables correspondent à des calculs permettant d'annuler l'erreur lorsque y = 25 mm et correspond en outre à l'extrémité du réseau. Lorsque le rapport Xj/x0 varie de 0,5 à 2, les variations de fj sont d'autant plus fortes que Xj est petit. Ceci est logique puisque l'ouverture numérique augmente alors. Pour xj = 60 mm, les valeurs maximales de f J sont de l'ordre de ±1%.
La figure 5 montre l'allure de la variation de la fréquence de lecture fj, pour une fréquence d'écriture fQ constante. On reconnaît sur la figure 5 les paliers de la fréquence de lecture, et la modulation en fréquence de chaque palier. La variation totale de fréquence sur chaque palier est très inférieure à la variation de fréquence linéaire qui serait donnée par la formule (a) dans le cas de faibles ouvertures numériques, et qui est représentée en traits pointillés.
A titre d'exemple numérique, pour une valeur xj de 50 mm, pour une largeur de palier dxQ de 3mm, et une valeur fj de 0,0096, la fréquence de lecture fj varie entre l,66.fQ et l ,59.fQ lorsque xQ varie de 30mm à 33 mm. Lorsque xQ atteint 33 mm, on passe au palier suivant, pour lequel la fréquence fQ a une valeur initiale de
50.fQ/33 = 1.51.f0.
L'invention propose encore de procéder à la lecture de la mémoire 14 en plusieurs passes de lecture. Ceci permet d'améliorer la focalisation et la qualité de l'image obtenue, en ignorant les artefacts liés à la lecture de la mémoire par paliers à des fréquences différentes.
En effet, pour un point de l'objet de l'objet à explorer, les échos réfléchis vers le premier réseau de transducteurs ont la forme d'une onde sphérique; ils arrivent sur le premier réseau avec une différence de trajet notée plus haut Dro, et sont donc stockés dans la mémoire 14 à des intervalles de temps distincts, typiquement en s'étalant sur une plage temporelle de Dro/c0 secondes.
Pour assurer une bonne focalisation dans le milieu image après retournement temporel, il est préférable de réémettre par le deuxième réseau de transducteurs au cours du même palier de fréquence l'ensemble des échos provenant d'un point donné.
De ce fait, et en reprenant la notation utilisée plus haut, il est préférable que lors de la lecture des échos des points entre x0+dxQ et xQ, la distance dx correspondant à la largeur d'un palier de la fréquence de lecture soit suffisante pour contenir l'ensemble des échos provenant des points d'abscisse autour de x0+dxQ/2. C'est pourquoi on choisit de préférence selon l'invention une largeur de palier dxQ de l'ordre de quelques millimètres, et par exemple de trois millimètres.
L'invention propose de procéder à la lecture de la mémoire 14 en plusieurs passes de lecture, en ne stockant à chaque passe que les informations reçues sur le troisième réseau de transducteurs correspondant à la partie centrale de chaque palier. A titre d'exemple, on peut procéder à la lecture de la mémoire en deux passes.
Lors de la première passe, on lit et on réemet les échos stockés dans la mémoire 14. avec des paliers de fréquence de lecture correspondant à des abscisses dans des intervalles [p.dxQ, (p+l ).dxQ[, p étant un entier variant de sorte à balayer l'ensemble des échos de l'objet à explorer. Lors de la deuxième passe, on lit et on réemet les échos stockés dans la mémoire 14, avec des paliers de fréquence de lecture correspondant à des abscisses dans des intervalles [(p+l/2).dx0, (p+3/2).dxQ[, p étant un entier variant de la même façon. On lit et on réémet de la sorte deux fois l'ensemble des informations stockées dans la mémoire 14, avec un décalage des paliers de fréquence. Lors de la première passe, on ne stocke dans les mémoires 23 associées au troisième réseau de transducteurs que la moitié des informations reçues, en d'autres termes que la moitié de l'image: plus précisément, on stocke les informations d'image acoustique sur le troisième réseau de transducteurs pendant une durée correspondant à la moitié de chaque palier de fréquence, au milieu de chaque palier de fréquence. Autrement dit, si les points de l'objet d'abscisses dans des intervalles [p.dxQ, (p+l).dxQ[ forment une image sur le troisième réseau entre les moments t et t+dt, on stocke dans la mémoire 23 les informations reçues entre les instant t+ dt/4 et t+3.dt/4. De la même façon, lors de la deuxième passe, on ne stocke que la moitié de l'image, et plus précisément, comme lors de la première passe, les informations d'image acoustique formées sur le troisième réseau de transducteurs pendant une durée correspondant à la moitié de chaque palier de fréquence, au milieu de chaque palier de fréquence.
Comme les paliers de fréquence sont précisément décalés de dx„/2, on reconstitue ainsi toute l'image.
L'avantage de ces deux passes est le suivant: les échos provenant d'un point de l'objet peuvent se retrouver, lors d'une passe, à la fois dans deux paliers, ce qui conduit à une mauvaise focalisation; on évite en ne stockant que la moitié de l'image de stocker les points mal focalisés lors d'une passe, qui sont stockés bien focalisés lors de la deuxième passe.
Par exemple dans la première passe, les échos provenant d'un point M de l'objet peuvent se retrouver dans des paliers p=10 et p=l l, avec les notations ci- dessus. Dans ce cas, l'image du point M sur le troisième réseau de transducteurs se formera une première fois lors de la fin de la lecture du palier p=10, et une deuxième fois lors du début de la lecture du palier p=l 1, et sera mal focalisée lors de la lecture du palier p=10 comme lors de la lecture du palier p=l l . Toutefois, si on ne stocke que les images formées pendant une durée correspondant à la moitié de chaque palier de fréquence, au milieu de chaque palier de fréquence, on ne stocke pas les images mal focalisées du point M.
Lors de la deuxième passe, l'ensemble des échos provenant de ce point M se trouve, du fait du décalage des paliers par rapport à la première passe, au milieu du palier de lecture p=10. L'image du point M se forme alors lors de la lecture du palier p=10, à peu près au milieu du palier (en termes temporels), et est bien focalisée.
Cette image bien focalisée est stockée lors de la deuxième passe.
On comprend que la lecture en plusieurs passes permet, avec une fréquence de lecture variant par paliers quasi constants, de conserver une bonne focalisation de l'image. On a décrit un exemple avec deux passes, en stockant à chaque passe la moitié de l'image: l'enseignement correspondant s'étend de façon claire à trois, quatre, etc. passes, en stockant à chaque fois un tiers, un quart, etc. de l'image.
La figure 6 montre une représentation graphique des variations de la fréquence de lecture fj, dans le cas de plusieurs passes de lecture dans la mémoire; la figure 6 correspond au cas de deux passes de lecture, et de deux milieux images distincts, avec deux troisièmes réseaux de transducteurs. Sur les axes 30 et 40 est porté le temps. Sur les axes 31 et 41 sont portées les fréquences de lecture fj. Les graphes 30, 31 et 40, 41 sont disposés l'un au dessus de l'autre pour bien mettre en évidence les décalages: il est clair que les deux passes ont lieu successivement. Les courbes 32 et 42 montrent les variations de la fréquence de lecture fj, lors de la première et de la deuxième passe respectivement.
Lors de la première passe (courbe 32), entre t=0 et Î≈TQ, fj varie de façon à former l'image dans le premier milieu; les zones 33 et 34 représentent, à titre d'exemple pour deux paliers, les moments de stockage de l'image: pour une représentation plus simple, on a considéré un temps de propagation nul dans le milieu image, un décalage s'imposant évidemment dans la pratique. Entre Î=TQ et t==2TQ, fj varie de façon à former l'image dans le deuxième milieu.
Lors de la deuxième passe(courbe 42), entre t=0 et t≈Tφ, fj varie de façon à former l'image dans le premier milieu; les zones 43, 44 et 45 représentent, à titre d'exemple pour trois paliers, les moments de stockage de l'image. Entre t≈Tn et t=2TQ, fj varie de façon à former l'image dans le deuxième milieu.
On comprend bien sur la figure 6, que l'ensemble de l'image est stockée au cours des deux passes. Bien entendu, le nombre de passes de lecture et le nombre de milieux images sont indépendants, et peuvent être choisis en fonction des besoins.
Le fait de procéder à plusieurs passes de lectures pour reconstituer l'image ne ralentit pas le processus d'acquisition: on dispose toujours entre deux émissions successives par le premier réseau de transducteurs, d'un temps mort égal à plusieurs fois le temps de réception, et donc à plusieurs fois le temps nécessaire pour une passe de lecture.
Dans la description qui précède, on n'a considéré que les échos réfléchis par les points de l'objet à explorer. L'invention n'est pas limitée à l'analyse des échos, mais peut être utilisée pour l'analyse de tous les types de signaux provenant des points de l'objet à explorer: on peut utiliser les échos, mais aussi les signaux diffractés ou transmis, en fonction des contraintes sur l'accès à l'objet à explorer.
Par exemple, si on utilise les signaux transmis, les moyens d'émission et le premier réseau de transducteurs seront avantageusement sur des côtés opposés de l'objet à explorer. Lorsque l'on réémet les signaux reçus sur le premier réseau de transducteurs, avec un retournement temporel, on voit apparaître des obstacles de l'objet en négatif: de fait un obstacle en transmission génère une perturbation assimilable à une onde négative. On obtient en sortie du dispositif de l'invention une image en négatif, par rapport au cas de l'analyse des échos.
Il peut être avantageux d'utiliser les signaux diffractés, s'il est impossible que les moyens d'émission et le premier réseau de transducteurs se trouvent dans un même plan. On utilise dans ce cas, comme en incidence oblique, des ajustements des fréquences de lecture ou d'écriture pour tenir compte de la position latérale de l'objet.
On donne maintenant plusieurs exemples d'applications de l'invention. Contrôle des rails à très grande vitesse. L'invention permet un contrôle non destructif des rails à une vitesse élevée, par exemple à 280 km/h.
Entre deux tirs, le train parcours donc une distance de 16 mm, pour une cadence de tir égale à 5000 Hz. Avec un appareillage séquentiel classique, si l'on veut obtenir une sensibilité acceptable, le diamètre du faisceau de sondage ne doit pas dépasser 5 mm. 4 sondes au minimum doivent être utilisées pour être certain d'intercepter tous les défauts.
Mais ces sondes ont toujours un diamètre supérieur à celui du faisceau utile, et, par conséquent, ces derniers ne sont pas jointifs, d'où risque de ne pas intercepter tous les défauts.
Même dans le cas le plus favorable, chaque défaut n'est intercepté qu'une fois et ne peut être confirmé. Les dispositifs antiparasites ne peuvent pas être utilisés.
La situation est bien plus confortable avec la nouvelle technique.
Des sondes de grandes dimensions, 100 mm par exemple, peuvent être utilisées. Sur toute la longueur de la sonde, la sensibilité reste constante et élevée, de même que la résolution, qui peut être meilleure que 2 mm si l'on travaille à 5 Mhz.
Un même défaut sera détecté 8 fois à la vitesse maximale, d'où une grande fiabilité du contrôle.
Contrôle de produits à section circulaire: tubes, barres, etc. Actuellement, ce contrôle s'effectue souvent au moyen de têtes rotatives. La vitesse de défilement du produit est limitée par la vitesse de rotation, elle est souvent insuffisante. La mécanique est fragile et coûteuse.
Dans le cas d'un traitement parallèle selon l'invention, il est possible d'utiliser un réseau de forme circulaire et statique. La réalisation d'un sondage sous incidence oblique est facile à obtenir en introduisant un décalage temporel entre les signaux d'excitation des différents éléments du réseau. Dans ce cas, des points situés à la même distance du réseau, mais décalés latéralement, ne seront pas atteints simultanément par l'onde ultrasonore, et seront donc enregistrés à des positions différentes dans les mémoires. Lors de la lecture, on tient compte de ce phénomène, en décalant par exemple les adresses en fonction de la position latérale.
Ce matériel devient mécaniquement très simple et robuste (plus de pièces en mouvement), et la vitesse de contrôle peut dépasser largement les besoins (une section complète du produit est contrôlée à chaque tir. Imagerie tri-dimensionnelle.
En déplaçant la sonde entre deux tirs, il est possible de balayer rapidement un volume. A 100 Hz, par exemple, 100 coupes différentes peuvent être obtenues en 1/10 secondes, soit pratiquement en temps réel. Les informations peuvent être traitées en temps réel, ou en temps différé après mémorisation, pour obtenir une vue dans un plan de coupe quelconque à l'intérieur du volume examiné.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux mode de réalisation décrits: elle s'applique à tous types de contrôle non destructif ou d'imagerie.
On peut émettre non pas une onde plane, mais une onde de forme quelconque, puisque l'utilisation du retournement temporel permet de reconstituer facilement dans le milieu image les images des points réfléchissants de l'objet. On peut aussi dans le milieu objet utiliser un émetteur différent du récepteur: les moyens d'émission peuvent être constitués par le premier réseau de transducteurs, ou par une partie de celui-ci, comme décrit plus haut. Ils peuvent aussi être distincts, comme par exemple dans le cas d'analyse des signaux transmis ou diffractés par les points de l'objet à explorer.
Comme expliqué plus haut, on peut choisir de faire varier la fréquence d'écriture, de lecture ou les deux. On peut choisir une variation par paliers de longueur différentes, par exemple en fonction du rapport XQ/XJ, sans pour autant sortir de l'enseignement de l'invention.
Il est possible de faire varier la fréquence d'écriture fQ dans la mémoire et/ou la fréquence de lecture fi dans la mémoire en cours d'écriture et/ou de lecture: c'est le mode de réalisation le plus simple qui est décrit plus haut en référence aux figures 2. 3 et 5.
Il est aussi possible de faire varier la fréquence d'écriture fQ dans la mémoire et/ou la fréquence de lecture fj dans la mémoire entre des phases d'écriture et/ou de lecture: ceci peut être le cas par exemple si l'on analyse un objet en plusieurs phases de lecture et d'écriture successives; on peut alors choisir de procéder à chaque phase de lecture/écriture à une fréquence fixe, et de faire varier la fréquence d'écriture et/ou de lecture entre chaque phase. Dans ce cas, il est avantageux de ne stocker lors de chaque phase qu'une partie de l'image formée. On forme ainsi une image en plusieurs passes successives. L'invention n'est pas limitée à une incidence plane, mais peut comme dans l'exemple du contrôle des tubes être utilisée en incidence oblique. Si on utilise une onde plane sous incidence oblique, ou une onde incidente sphérique, des points situés à la même distance du réseau, mais décalés latéralement, ne seront pas atteints simultanément par l'onde ultrasonore, et seront donc enregistrés à des positions différentes dans les mémoires. Lors de la lecture, on tient compte de ce phénomène, en décalant par exemple les adresses en fonction de la position latérale.
On a décrit le cas de réseau de transducteurs avec n, n. et m éléments respectivement. On peut pour les premier et deuxième réseau faire varier la taille relative des différents éléments transducteurs. On peut aussi faire varier les nombres n et m de transducteurs dans les différents réseaux en fonction de la précision nécessaire.
On peut utiliser des réseaux de tranducteurs monodimensionnels, comme dans les exemples décrits plus haut. Il est aussi possible d'utiliser des réseaux de transducteurs bidimensionnels, i.e. des matrices ou des plans de transducteurs.
Dans ce cas, il peut être avantageux d'utiliser des premier et deuxième réseaux de transducteurs bidimensionnels, présentant des transducteurs répartis aléatoirement. De fait, il n'est pas forcément nécessaire de disposer d'un très grand nombre de transducteurs pour reconstituer correctement l'onde dans le milieu image, ce qui permet de diminuer le nombre de CAN, de mémoires et de CNA. Le choix d'une répartition aléatoire des transducteurs permet de limiter la formation de lobes secondaires.
Dans le cas ou l'on utilise des premier et deuxième réseaux de transducteurs bidimensionnels, il faut bien sûr des milieux objets et images volumiques. Il n'est pas indispensable que le troisième réseau de transducteur soit bidimensionnel, même si c'est possible. Si le troisième réseau de transducteurs est monodimensionnel, le fait d'utiliser des premier et deuxième réseaux de transducteurs bidimensionnels permet d'améliorer la focalisation latérale. Enfin, l'invention est décrite en référence à l'imagerie par ultrasons: elle s'applique à d'autres types d'ondes, et notamment des ondes électromagnétiques.
ANNEXE Tables de valeurs de fj xi 20 mm
10 15 20 25 30 0.0224 35 0.0084 0.0000 40
-0.0062 -0.0112 -0.0156
"max 0.0172 0.0359 0.0000 -0.0198
0.0486 0.0227 0.0073 0.0349
Xj = 40 mm
20 25 30 35 0.0154 40 45 0.0098 50 0.0058 0.0026 -0.0000 -0.0024
"max 0.0632 0.0434 0.0425 -0.0044 0.0466 0.0000 0.0205 0.0356
55 60 f° 65 70 75
-0.0064 80 , d -0.0082 -0.0100 -0.0116 -0.0134 -0.0148 ;max 0.0176 0.0307 0.0089 0.0315 0.0295 0.0204 xi = 60 mm
30 35 40 45 50 0.0112 55 0.0084 60 0.0062 0.0044 0.0028 0.03 0.0012
"max 90 0.0464 0.0194 -0.0000 0.0253 0.0347 0.0506 0.0000
65 70 75 80 85
-0.0012 90
-0.0024 95
-0.0034 -0.0044 -0.0052 -0.0062
'max 0.0027 0.0397 -0.0070
0.0196 0.0216 0.0319 0.0003 0.0260
100 105 110 115 120
-0.0080 -0.0088 -0.0096 -0.0104 -0.0112
'max 0.0198 0.0097 0.0059 0.0069 0.0116
Xj = 80 mm
40 45 50 55 60 0.0088 65 0.0072 70 0.0058 0.0044 0.0006 0.0034 0.0541 0.0024
'max 0.0016 0.0052 0.0592 0.0097 0.0272 0.0166
75 80 f° 85 90 95 0.0008 100 105 , d -0.0000 -0.0008 -0.0014 0.0216 -0.0020
0.0000 -0.0026 "max -0.0032 0.0397 0.0078 0.0082 0.0123 0.0075
110 115 120 125
-0.0038 130
-0.0044 135 140 •0.0048 -0.0054 -0.0060
"max 0.0040 0.0204 -0.0064 0.0237 -0.0068
0.0015 0.0285 0.0009 0.0256
FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGIE 26) 8
Figure imgf000025_0001
1
Xj = 100 mm
2 9
" 4
Figure imgf000025_0002
1
,o 120 125 130 135 140
-0.0018 145
-0.0022 -0.0026 150
-0.0030 -0.0032 -0.0036
"max 0.0172 0.0169 0.0211 -0.0040
0.0288 0.0279 0.0131 0.0032
155 160 165 170 175
-0.0044 180
-0.0046 -0.0050 185
-0.0054 -0.0056
0.0206 0.0201 -0.0060
'max 0.0006 -0.0062
0.0215 0.0115 0.0111 0.0177
,o 190 195 200
-0.0066 -0.0068 -0.0072
"max 0.0059 0.0196 0.0045
x; = 120 mm
;o 60 65 70 75 80 0.0060 85 0.0052 0.0046 90 0.0040 0.0034
"max 0.0564 0.0597 0.0028 0.0196 0.0024 0.0401 0.0201 0.0277 0.0247
95 100 105 110 0.0020 115 0.0014 120 0.0010 125 0.0008 0
'max 0.0532 0.0004 0.0446 -0.000 0.0429 -0.0004 0.0473 0.0265 0.0000 0.0308
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26)

Claims

REVENDICATIONS
1.- Procédé d'imagerie, comprenant les étapes consistant à:
- émettre une onde vers l'objet à explorer (1) ;
- lire sur un premier réseau (10) de transducteurs (l l ι -l ln) les signaux provenant des points de l'objet à explorer (1);
- stocker les signaux ainsi lus dans une mémoire (14), à une fréquence d'écriture fQ;
- lire les signaux stockés dans la mémoire (14), à une fréquence de lecture fi en leur faisant subir un retournement temporel;
- réémettre les signaux lus dans la mémoire (14) vers au moins un milieu image (18) à l'aide d'un deuxième réseau ( 16) de transducteurs ( 16 j - 16n); caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à:
- capter dans le milieu image (18) les signaux réémis à l'aide d'un troisième réseau (20) de transducteurs (20 j -20m) disposé à une distance fixe dudit deuxième réseau (16) de transducteurs; la fréquence d'écriture fQ dans la mémoire et/ou la fréquence de lecture fi dans la mémoire variant de sorte à former les images desdits points de l'objet sur ledit troisième réseau de transducteurs, l'image de l'objet à explorer étant formée en stockant les signaux captés grâce au troisième réseau (20) de transducteurs.
2.- Procédé d'imagerie selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence d'écriture fQ dans la mémoire et/ou la fréquence de lecture fj dans la mémoire varie(nt) en cours d'écriture et/ou de lecture
3.- Procédé d'imagerie selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence d'écriture fQ dans la mémoire et/ou la fréquence de lecture fj dans la mémoire varie(nt) entre des phases d'écriture et/ou de lecture.
4.- Procédé d'imagerie selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'onde émise vers l'objet à explorer est une onde ultrasonore.
5.- Procédé d'imagerie selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'onde émise vers l'objet à explorer est une onde électromagnétique.
6.- Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les signaux lus sur le premier réseau (10) de transducteurs (l l j -1 1 ) sont les échos réfléchis par les points de l'objet à explorer (1).
7.- Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 5. caractérisé en ce que les signaux lus sur le premier réseau ( 10) de transducteurs ( l l j -1 1 ) sont les signaux diffractés par les points de l'objet à explorer (1 ).
5 8.- Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 5. caractérisé en ce que les signaux lus sur le premier réseau (10) de transducteurs (l l i -l l ) sont les signaux transmis par les points de l'objet à explorer ( 1).
9.- Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce 10 que la fréquence d'écriture fQ est constante, et en ce que la fréquence d'écriture fi varie.
10.- Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la fréquence d'écriture fQ varie, et en ce que la fréquence d'écriture fi est 15 constante.
1 1.- Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les signaux lus dans la mémoire (14) sont réémis vers une pluralité de milieux image (18) comprenant chacun un troisième réseau de transducteurs, et en ce que la 0 fréquence d'écriture f dans la mémoire et/ou la fréquence de lecture fi dans la mémoire varie de sorte à former les images desdits points de l'objet sur l'un ou l'autre desdits troisième réseau de transducteurs, en fonction de la distance entre lesdits points et ledit premier réseau de transducteurs.
5 12.- Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 1 1, caractérisé en ce que la fréquence de lecture fj varie par paliers de fréquence.
13.- Procédé d'imagerie selon la revendication 12, caractérisé en ce que la fréquence de lecture fj subit sur chaque palier de fréquence une modulation de 30 fréquence, d'amplitude faible devant la variation de fréquence entre chaque palier.
14.- Procédé d'imagerie selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite modulation de fréquence est une modulation linéaire d'amplitude relative inférieure à quelques millièmes. j ?
15.- Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs passes comprenant chacune les étapes consistant à lire les signaux stockés dans la mémoire (14) et à réémettre les signaux lus dans la mémoire (14), et en ce qu'au cours de chacune desdites passes, on ne forme qu'un partie de l'image dudit objet à explorer.
16.- Procédé d'imagerie selon la revendication 15. caractérisé en ce que l'on ne stocke au cours de chaque passe que la partie des signaux reçus sur ledit troisième réseau (20) de transducteurs correspondant à la partie médiane de chaque palier de fréquence.
17 '.- Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que lesdits premier et second réseaux de transducteurs sont bidimensionnels.
18.- Dispositif d'imagerie, comprenant:
- des moyens d'émission d'une onde vers un objet à explorer (1) ;
- un premier réseau (10) de transducteurs (l l j-1 1 ) pour capter les signaux provenant des points de l'objet à explorer ( 1 );
- des moyens d'inversion temporelle des signaux captés sur le premier réseau ( 10) de transducteurs, pour stocker lesdits signaux et les fournir après retournement temporel;
- un deuxième réseau (16) de transducteurs ( 16 j - 16n) pour réémettre les signaux fournis par lesdits moyens d'inversion temporelle vers au moins un milieu image
(18) caractérisé en ce qu'il comprend :
- un troisième réseau (20) de transducteurs (20] -20m) disposé dans le milieu image ( 18) à une distance fixe dudit deuxième réseau (16) de transducteurs; - des moyens de stockage des signaux reçus sur ledit troisième réseau (20) de transducteurs et en ce que lesdits moyens de retournement temporel stockent et fournissent lesdits signaux à des fréquences d'écriture fQ et de lecture fj différentes, pour former successivement les images desdits points de l'objet sur ledit troisième réseau de transducteurs.
19.- Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que les moyens d'émission émettent une onde ultrasonore.
20.- Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que les moyens d'émission émettent une onde électromagnétique.
21.- Dispositif selon l'une des revendications 18 à 20. caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de milieux image avec chacun un troisième réseau de transducteurs.
22.- Dispositif selon l'une des revendications 18 à 21, caractérisé en ce que ledit ou lesdits milieux image sont constitués d'une feuille mince transparente aux signaux réémis par le deuxième réseau de transducteurs.
23.- Dispositif selon l'une des revendications 18 à 22, caractérisé en ce que lesdits moyens d'inversion temporelle comprennent:
- des convertisseurs analogiques-numériques (13j-13n) convertissant les signaux des transducteurs dudit premier réseau;
- des moyens de mémoire (14]-14n) pour stocker les signaux convertis;
- des convertisseurs numériques-analogiques (15]-15n) convertissant les signaux lus dans les moyens de mémoire (14]-14n) et fournissant des signaux analogiques aux transducteurs dudit deuxième réseau;
- des moyens (25) de gestion des adresses mémoire en écriture et en lecture, pour commander l'écriture et la lecture des signaux dans les moyens de mémoire, à des fréquences différentes, et en assurant un retournement temporel.
24.- Dispositif selon l'une des revendications 18 à 23, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième réseaux sont bidimensionnels et comprennent des éléments répartis aléatoirement.
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CN119178505A (zh) * 2024-11-11 2024-12-24 杭州爱华仪器有限公司 一种表面传声器的静电激励器及其测试方法

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