本發(fā)明涉及無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域成像方法及裝置，特別是無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域相控陣超聲波低頻成像方法及裝置。

背景技術(shù)：

無(wú)人機(jī)與無(wú)人駕駛汽車在科技界呼風(fēng)喚雨,風(fēng)頭出盡,相較之下,低調(diào)的無(wú)人船知名度稍遜一籌。在小說(shuō)中,無(wú)人船始終籠罩著一絲神秘氣息,著名的"幽靈船"是作家虛構(gòu)航海故事的經(jīng)典素材,而在現(xiàn)實(shí)中,無(wú)人船是各國(guó)軍事領(lǐng)域的心頭寶,是科技競(jìng)爭(zhēng)的重要技術(shù)。目前無(wú)人船處于高速發(fā)展的時(shí)期，然而無(wú)人船在下水試航之前以及水上作業(yè)的時(shí)候，仍然面臨很多技術(shù)瓶頸沒有解決。

無(wú)人船，顧名思義，無(wú)需人類駕駛員對(duì)其進(jìn)行操控，“零船員”概念的出現(xiàn)到底是否恰當(dāng)，目前業(yè)界眾說(shuō)紛紜，刊物《安全》的記者就曾提出“無(wú)人船”理想與現(xiàn)實(shí)的距離，其中提出，如果某船突然起火其方位不明，依照現(xiàn)有的科技水平，無(wú)人船的操控著肯定會(huì)做出兩種指令，一種是最優(yōu)方法，即派滅火機(jī)器人尋找準(zhǔn)確著火點(diǎn)并進(jìn)行撲滅，第二種是如果機(jī)器人無(wú)法完成滅火任務(wù)，船舶將開啟高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)完成滅火任務(wù)，兩套方案，一套備用，看似沒有缺陷，而有一個(gè)問題無(wú)法回避，就算全船都有監(jiān)控設(shè)備，然而并不能保證監(jiān)控 設(shè)備毫無(wú)盲區(qū)，而此時(shí)若恰好在盲區(qū)內(nèi)著火或者為引起火災(zāi)的來(lái)源，則兩套方法都無(wú)法實(shí)施，我們只能眼睜睜看著船燒盡沉沒。

由此看來(lái)，對(duì)無(wú)人船的各個(gè)盲區(qū)都能進(jìn)行有效的成像是正待解決的問題，近年來(lái)提出的壓縮感知理論指出，以低于香農(nóng)定理規(guī)定的最低頻率，即2倍頻對(duì)稀疏信號(hào)進(jìn)行采樣，一樣能夠得到信號(hào)的精確的重建，將其應(yīng)用于超聲波成像之中，可以有效減少數(shù)據(jù)點(diǎn)和降低采樣率，也就是超聲波低頻成像。該技術(shù)中的次奈奎斯特采樣方法目前存在很多問題，比如不穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)難度大或者先驗(yàn)條件嚴(yán)格，并不能直接有效的應(yīng)用與超聲波低頻成像之中，因此本發(fā)明結(jié)合相控陣超聲波成像特點(diǎn)，提出一種融合多通道傅立葉系數(shù)間接采樣的方法，在每個(gè)通道引入的延遲可以分成兩個(gè)分量，一個(gè)分量指的是波束偏轉(zhuǎn)時(shí)間延遲，另一個(gè)分量是波束聚焦時(shí)間延遲，將其應(yīng)用于超聲波成像的次奈奎斯特采樣。

結(jié)合B掃描型相控陣列超聲波成像的數(shù)學(xué)特點(diǎn)，將多通道傅立葉系數(shù)間接采樣方法進(jìn)行改造，得到基于多通道傅立葉系數(shù)間接采樣方法的B型相控陣超聲波低頻成像方法和裝置。不但節(jié)省存儲(chǔ)空間，而且降低了電能損耗，對(duì)船體的所有盲區(qū)都可以進(jìn)行清晰成像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此本發(fā)明的目的一方面在于提供一種無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域相控陣超聲波低頻成像裝置，包括：傳感器陣列，傳感器陣列由多個(gè)獨(dú)立傳感器單元組成，發(fā)送器，傳感器單元可以在收到發(fā)送器產(chǎn)生的脈沖激發(fā)時(shí)產(chǎn)生一陣超聲波能量；接收器；發(fā)送/接收開關(guān)，從無(wú)人船船體反射回傳感器陣列的超聲波能量被傳感器單元轉(zhuǎn)換成一個(gè)電信號(hào)并通過發(fā)送/接收開關(guān)單獨(dú)施加到接收器上；數(shù)字控制器， 發(fā)送器，接收器和發(fā)送/接收開關(guān)在操作員操縱的數(shù)字控制器的控制下運(yùn)行；以及顯示系統(tǒng)，通過獲取一系列回音進(jìn)行每次的完整掃描，發(fā)送器門控暫時(shí)打開，激發(fā)每個(gè)傳感器單元，然后發(fā)送/接收開關(guān)門控打開以接收隨后每個(gè)傳感器單元產(chǎn)生的回音信號(hào)，這些單獨(dú)的回音信號(hào)在接收器中合并產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的回音信號(hào)用來(lái)在顯示器上顯示圖像的一個(gè)像素或一條線。

優(yōu)選的，發(fā)送器驅(qū)動(dòng)傳感器陣列，產(chǎn)生的超聲波能量通過光束被導(dǎo)向或偏轉(zhuǎn)，B型掃描可以通過點(diǎn)到點(diǎn)移動(dòng)該光束而不是物理移動(dòng)傳感器陣列而執(zhí)行。

優(yōu)選的，發(fā)送器將一個(gè)時(shí)間延遲Ti對(duì)應(yīng)的應(yīng)用到后續(xù)的傳感器單元發(fā)出的脈沖，時(shí)間延遲是0或遞增。

優(yōu)選的，發(fā)送器包括一組通道脈沖碼記憶體。

優(yōu)選的，通道脈沖碼記憶體有128個(gè)獨(dú)立傳感器單元，每個(gè)脈沖碼記憶體優(yōu)選的是一個(gè)1字節(jié)乘512字節(jié)的記憶體，儲(chǔ)存決定要產(chǎn)生的超聲波脈沖的字節(jié)樣本。

優(yōu)選的，每個(gè)脈沖被延遲適當(dāng)?shù)牧?，延遲由發(fā)送控制器通過從數(shù)字控制器接收開始，主時(shí)鐘，RT和θ四種控制信號(hào)提供。

優(yōu)選的，接收器由三段組成：時(shí)間增益控制段，波束形成段和中間處理器，時(shí)間增益控制段包括一個(gè)針對(duì)每個(gè)接收器通道的放大器和一個(gè)時(shí)間增益控制電路，每個(gè)放大器的輸入耦合到對(duì)應(yīng)的傳感器單元來(lái)接收和放大它收到的回音信號(hào)，由放大器提供的放大倍數(shù)通過一個(gè)由時(shí)間增益控制電路驅(qū)動(dòng)的控制線控制。

優(yōu)選的，接收器的波束形成段由一組接收器通道組成，每個(gè)針對(duì)一個(gè)傳感器單元。

本發(fā)明的目的還在于提供一種無(wú)人船檢控區(qū)域相控陣超聲波低頻成像的方 法，其特征在于包括如下步驟：

(1)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)傳感器陣列，產(chǎn)生的超聲波能量通過光束被導(dǎo)向或偏轉(zhuǎn)，并將一個(gè)時(shí)間延遲Ti對(duì)應(yīng)的應(yīng)用到后續(xù)的傳感器單元的脈沖，如果時(shí)間延遲是0(Ti＝0)，所有的傳感器單元被同時(shí)激發(fā)，產(chǎn)生的超聲波束沿著垂直于傳感器面的一條軸傳導(dǎo)并且傳導(dǎo)到傳感器陣列的中央，如果時(shí)間延遲(Ti)是遞增的，超聲波束從中軸偏向下θ角度傳播，連續(xù)地加到從傳感器陣列的一端(i＝1)到另一端(i＝n)的每第i個(gè)信號(hào)的時(shí)間延遲增量Ti的關(guān)系由如下關(guān)系式給出：

T_i＝-(i-(n-1)/2)dsinθ/c+(i-(n-1)/2)²d²cos²θ/2RTc+T₀ (1)

其中：

d為相鄰的傳感器單元12中心間相等的距離，

c為聲波在研究對(duì)象里的速度，

RT為發(fā)送束聚焦到的區(qū)域，

T₀為保證所有計(jì)算值(T_i)為正值的延遲偏移；

(2)從位于沿著確定為角度θ的超聲波束距離為R的聚焦點(diǎn)P反射出的回聲產(chǎn)生的電信號(hào)求和，對(duì)每個(gè)接收器單獨(dú)的傳感器單元通道引入時(shí)間延遲，在每個(gè)通道引入的延遲可以分成兩個(gè)分量，一個(gè)分量為波束偏轉(zhuǎn)時(shí)間延遲，另一個(gè)分量為波束聚焦時(shí)間延遲，對(duì)每個(gè)接收器通道引入的聚焦時(shí)間延遲分量在接收回音過程中連續(xù)變化，來(lái)提供接收回音信號(hào)發(fā)出的區(qū)域R處的接收波束的動(dòng)態(tài)聚焦。動(dòng)態(tài)聚焦延遲分量如下：

T_k＝(k-(n-1)/2)²d²cos²θ/2RC (2)

R＝從陣列11中央到聚焦點(diǎn)P的距離；

C＝被測(cè)對(duì)象里的聲波速度；

T_k＝與從第k個(gè)單元的回音信號(hào)相關(guān)聯(lián)的時(shí)間延遲；

(3)在數(shù)字控制器(16)的導(dǎo)向下，接收器(14)在掃描中提供延遲以動(dòng)態(tài)地聚焦于沿著波束的P點(diǎn)，每一個(gè)超聲波脈沖的發(fā)生產(chǎn)生一系列代表位于沿著超聲波束的一個(gè)對(duì)應(yīng)序列的P點(diǎn)的反射聲波量的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(4)超聲波低頻成像裝置對(duì)每一個(gè)相控單元接收到的信號(hào)都進(jìn)行多通道傅立葉系數(shù)間接采樣，得到定義長(zhǎng)度為P的采樣向量c_m＝{c_1,m,...,c_p,m}；

(5)在得到各個(gè)相控陣單元的采樣之后，對(duì)它們進(jìn)行相加，得到最終的采樣向量

(6)計(jì)算傅立葉系數(shù)向量x＝S⁺c，其中矩陣S是P×K的矩陣，其第(i，k)的元素為s_qk；

(7)利用公式y(tǒng)＝H^-1x得出方程組k∈K；解方程組求出 將其代入方程組，利用最小而成求解

(8)利用等式重建信號(hào)Φ(t；θ＝0)；

(9)顯示系統(tǒng)(17)接收接收器(14)產(chǎn)生的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到產(chǎn)生所需圖像的形式。

優(yōu)選的，如果需要一個(gè)A掃描，系列數(shù)據(jù)點(diǎn)的量?jī)H僅作為時(shí)間的函數(shù)繪圖。如果需要B掃描，系列中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)被用來(lái)控制圖像中一個(gè)像素的亮度，進(jìn)行由對(duì)連續(xù)偏轉(zhuǎn)角度(θ)一系列測(cè)量組成掃描來(lái)提供顯示所必需的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，結(jié)果圖像數(shù)據(jù)被寫入存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后掃描數(shù)據(jù)的二維陣列的記憶體155中，記憶體控制件提供對(duì)記憶體的雙口訪問，數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器可以在顯示處理器讀取更新數(shù)據(jù)的同時(shí)持續(xù)地用新數(shù)據(jù)連續(xù)更新值，顯示處理器對(duì)從控制面板接收到的操作員命令響應(yīng)，對(duì)記憶體里的轉(zhuǎn)換后掃描數(shù)據(jù)執(zhí)行傳統(tǒng)的圖像處理 函數(shù)。

根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。

附圖說(shuō)明

后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。本發(fā)明的目標(biāo)及特征考慮到如下結(jié)合附圖的描述將更加明顯，附圖中：

圖1是采用本發(fā)明的一個(gè)超聲波成像系統(tǒng)的框圖；

圖2是組成圖1中發(fā)送器部分的框圖以及發(fā)送器任意通道中信號(hào)的圖形化說(shuō)明；

圖3是本發(fā)明時(shí)間頻率控制濾波器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的電路框圖；

圖4是組成圖3的時(shí)間頻率控制濾波器的帶通濾波器的方案圖；

具體實(shí)施方式

對(duì)于圖1，一個(gè)超聲波成像系統(tǒng)包括一個(gè)傳感器陣列11，傳感器陣列11由多個(gè)獨(dú)立傳感器單元12組成，驅(qū)動(dòng)單元12可以在收到發(fā)送器13產(chǎn)生的脈沖激發(fā)時(shí)產(chǎn)生一陣超聲波能量。從無(wú)人船船體反射回傳感器陣列11的超聲波能量被每個(gè)傳感器單元12轉(zhuǎn)換成一個(gè)電信號(hào)并通過一組開關(guān)15單獨(dú)施加到接收器14上。發(fā)送器13，接收器14和開關(guān)15在操作員操縱的數(shù)字控制器16的控制下運(yùn)行。通過獲取一系列回音進(jìn)行每次的完整掃描，發(fā)送器13門控暫時(shí)打開，激發(fā)每個(gè)傳感器單元12，然后開關(guān)15門控打開以接收隨后每個(gè)傳感器單元12產(chǎn)生的回音信號(hào)，這些單獨(dú)的回音信號(hào)在接收器14中合并產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的回音信號(hào) 用來(lái)產(chǎn)生顯示器17上圖像的一個(gè)像素或一條線。

發(fā)送器13驅(qū)動(dòng)傳感器陣列11，產(chǎn)生的超聲波能量通過光束被導(dǎo)向或偏轉(zhuǎn)。一個(gè)B掃描可以通過點(diǎn)到點(diǎn)移動(dòng)該光束而不是物理移動(dòng)傳感器陣列11而執(zhí)行。至此，發(fā)送器13將一個(gè)時(shí)間延遲Ti對(duì)應(yīng)的應(yīng)用到后續(xù)的傳感器單元12的脈沖20。如果時(shí)間延遲是0(Ti＝0)，所有的傳感器單元12被同時(shí)激發(fā)，產(chǎn)生的超聲波束沿著垂直于傳感器面的一條軸21傳導(dǎo)并且傳導(dǎo)到傳感器陣列11的中央。如果時(shí)間延遲(Ti)是遞增的，如圖1所示，超聲波束從中軸21偏向下θ角度傳播。連續(xù)地加到從傳感器陣列的一端(i＝1)到另一端(i＝n)的每第i個(gè)信號(hào)的時(shí)間延遲增量Ti的關(guān)系由如下關(guān)系式給出：

T_i＝-(i-(n-1)/2)dsinθ/c+(i-(n-1)/2)²d²cos²θ/2RTc+T₀ (1)

其中

d為相鄰的傳感器單元12中心間相等的距離，

c為聲波在研究對(duì)象里的速度,

RT為發(fā)送束聚焦到的區(qū)域,

T₀為保證所有計(jì)算值(T_i)為正值的延遲偏移。

這個(gè)表達(dá)式的第一項(xiàng)將波束按設(shè)定角度θ偏轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)射束需要被聚焦到一個(gè)固定區(qū)域時(shí)用第二項(xiàng)。通過漸進(jìn)的改變連續(xù)激發(fā)的時(shí)間延遲Ti來(lái)執(zhí)行段掃描。角度θ可以小增量的被改變來(lái)在連續(xù)方向上偏轉(zhuǎn)發(fā)送波束。當(dāng)波束的方向在中央軸21上方時(shí)，脈沖20的計(jì)時(shí)倒轉(zhuǎn)，但方程(1)的公式仍然適用。

仍然參照?qǐng)D1，從位于沿著超聲波束的連續(xù)位置的反射對(duì)象發(fā)射超聲波能量產(chǎn)生的回音信號(hào)。這些信號(hào)被傳感器陣列11的每個(gè)傳感器單元感知，從特定點(diǎn)及時(shí)的回音信號(hào)量的樣本代表了在特定區(qū)域(R)的反射量。由于聚焦點(diǎn)P與每個(gè) 傳感器單元12之間傳播距離的差異，無(wú)論如何，這些回音信號(hào)不會(huì)同時(shí)發(fā)生，它們的幅度不相等。接收器14的功能是放大和調(diào)制這些單獨(dú)的回音信號(hào)，對(duì)每個(gè)給予合適的時(shí)間延遲，把它們加起來(lái)提供一個(gè)單獨(dú)的回音信號(hào)，該信號(hào)精確顯示出超聲波能量從位于沿著確定為角度θ的超聲波束距離為R的聚焦點(diǎn)P反射出。

為瞬時(shí)對(duì)從聚焦點(diǎn)P的回音產(chǎn)生的電信號(hào)求和，對(duì)每個(gè)接收器單獨(dú)的傳感器單元通道引入時(shí)間延遲。在線性陣列11的情形中，在每個(gè)通道引入的延遲可以分成兩個(gè)分量，一個(gè)分量指的是波束偏轉(zhuǎn)時(shí)間延遲，另一個(gè)分量是波束聚焦時(shí)間延遲。接收的波束偏轉(zhuǎn)和聚焦時(shí)間延遲就是與上面描述的發(fā)送延遲同樣的延遲(Ti)。但是，對(duì)每個(gè)接收器通道引入的聚焦時(shí)間延遲分量在接收回音過程中連續(xù)變化，來(lái)提供接收回音信號(hào)發(fā)出的區(qū)域R處的接收波束的動(dòng)態(tài)聚焦。動(dòng)態(tài)聚焦延遲分量如下：

T_k＝(k-(n-1)/2)²d²cos²θ/2RC (2)

R＝從陣列11中央到聚焦點(diǎn)P的距離；

C＝被測(cè)對(duì)象里的聲波速度；及

T_k＝與從第k個(gè)單元的回音信號(hào)相關(guān)聯(lián)的時(shí)間延遲，用來(lái)和其它回音信號(hào)連續(xù)相加

在數(shù)字控制器16的導(dǎo)向下，接收器14在掃描中提供延遲，因而接收器14的偏轉(zhuǎn)跟蹤發(fā)送器13的波束偏轉(zhuǎn)的方向并且它在連續(xù)區(qū)域內(nèi)對(duì)回音信號(hào)采樣并提供合適的延遲來(lái)動(dòng)態(tài)地聚焦于沿著波束的P點(diǎn)。因此，每一個(gè)超聲波脈沖的發(fā)生產(chǎn)生一系列代表位于沿著超聲波束的一個(gè)對(duì)應(yīng)序列的P點(diǎn)的反射聲波量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

B型超聲波低頻成像裝置對(duì)每一個(gè)相控單元接收到的信號(hào)都進(jìn)行多通道傅立葉系數(shù)間接采樣，得到定義長(zhǎng)度為P的采樣向量c_m＝{c_1,m,...,c_p,m}；在得到各個(gè)相控陣單元的采樣之后，對(duì)它們進(jìn)行相加，得到最終的采樣向量計(jì)算傅立葉系數(shù)向量x＝S⁺c，其中矩陣S是P×K的矩陣，其第(i，k)的元素為s_qk；利用公式y(tǒng)＝H^-1x得出方程組 k∈K；解方程組求出將其代入方程組，利用最小而成求解利用等式重建信號(hào)Φ(t；θ＝0)。

顯示系統(tǒng)17接收接收器14產(chǎn)生的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到產(chǎn)生所需圖像的形式。例如，如果需要一個(gè)A掃描，系列數(shù)據(jù)點(diǎn)的量?jī)H僅作為時(shí)間的函數(shù)繪圖。如果需要B掃描，系列中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)被用來(lái)控制圖像中一個(gè)像素的亮度，進(jìn)行由對(duì)連續(xù)偏轉(zhuǎn)角度(θ)一系列測(cè)量組成掃描來(lái)提供顯示所必需的數(shù)據(jù)。

對(duì)與圖1相連的圖2，發(fā)送器13包括一組通道脈沖碼記憶體集合標(biāo)注為記憶體50。在優(yōu)選實(shí)施例中，有128個(gè)獨(dú)立傳感器單元12，因此，有128個(gè)獨(dú)立通道脈沖碼記憶體50。每個(gè)脈沖碼記憶體50典型的是一個(gè)1字節(jié)乘512字節(jié)的記憶體，儲(chǔ)存決定要產(chǎn)生的超聲波脈沖52的字節(jié)樣本51。在該優(yōu)選實(shí)施例中，通過40MHz的主時(shí)鐘從每個(gè)脈沖碼記憶體50中讀出字節(jié)樣本51并應(yīng)用到放到信號(hào)到適合驅(qū)動(dòng)傳感器11的功率水平的驅(qū)動(dòng)器53。字節(jié)樣本是一個(gè)4個(gè)1字節(jié)與4個(gè)0字節(jié)交替的序列來(lái)產(chǎn)生一個(gè)5MHz的超聲波脈沖52。這些超聲波脈沖52應(yīng)用到傳感器單元12并產(chǎn)生超聲波能量響應(yīng)。如果所有512字節(jié)都被用，一個(gè)中心位于載波頻率(如5MHz本例中)帶寬窄至40kHz的脈沖會(huì)被發(fā)射。

如上所示，為了將超聲波能量的發(fā)送波束偏轉(zhuǎn)到所需方向(θ)，對(duì)N通道中每個(gè)的脈沖52，必須被延遲適當(dāng)?shù)牧?。這些延遲由從數(shù)字控制器16(圖1)接收四種控制信號(hào)(開始，主時(shí)鐘，RT和θ)的發(fā)送控制器54提供。采用輸入控制信號(hào)θ，固定發(fā)送焦點(diǎn)RT和上述方程(1)，發(fā)送控制器54計(jì)算連續(xù)發(fā)送通道之 間所需的延遲增量Ti。當(dāng)接收到開始的控制信號(hào)，發(fā)送控制54選通40MHz主時(shí)鐘信號(hào)四種可能相位中的一個(gè)到第一個(gè)發(fā)送通道50。在隨后的每一個(gè)相繼的延遲時(shí)間間隔Ti，40MHz主時(shí)鐘信號(hào)四種可能相位中的一個(gè)被選通傳到下一個(gè)通道脈沖碼記憶體50直到所有N＝128個(gè)通道都產(chǎn)生它們的超聲波脈沖52。每個(gè)發(fā)送器通道50被復(fù)位，在它整個(gè)的字節(jié)樣本都已經(jīng)被發(fā)送后，發(fā)送器13然后等待從數(shù)字控制器16來(lái)的下一個(gè)θ和下一個(gè)開始控制信號(hào)。如上所示，在本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)完整的B掃描由128個(gè)超聲波脈沖一0.7的Δθ增量偏轉(zhuǎn)通過一個(gè)中心位于中央軸21(圖1)的90度段組成。

接收器14由三段組成：一個(gè)時(shí)間增益控制段100，一個(gè)波束形成段101，和一個(gè)中間處理器102。時(shí)間增益控制端100包括一個(gè)對(duì)每個(gè)接收器通道的放大器105和一個(gè)時(shí)間增益控制電路106。每個(gè)放大器105的輸入耦合到對(duì)應(yīng)的傳感器單元12來(lái)接收和放大它收到的回音信號(hào)。由放大器105提供的放大倍數(shù)通過一個(gè)由時(shí)間增益控制電路106驅(qū)動(dòng)的控制線107控制。作為本領(lǐng)域所公知的，當(dāng)回音信號(hào)的范圍增加，它的幅度減小。其結(jié)果是，除非從更遠(yuǎn)距離反射器發(fā)送的回音信號(hào)比從近處的反射器的被放大更多，圖像的亮度最為距離(R)的函數(shù)迅速減小。這個(gè)放大通過操作員控制，他手動(dòng)設(shè)置8(典型值)個(gè)TGC線性電位計(jì)到提供一個(gè)在整個(gè)掃描段區(qū)域相對(duì)均一的亮度的值。回音信號(hào)獲取的時(shí)間間隔決定了它發(fā)射來(lái)自的范圍，并且這個(gè)時(shí)間間隔被TGC控制電路106分成了8段。8個(gè)電位計(jì)的設(shè)置被用來(lái)在8個(gè)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔的每一個(gè)中設(shè)置放大器105 的增益，因此回音信號(hào)在獲取時(shí)間間隔內(nèi)以一個(gè)一直增加的量被放大。如下面將討論的，本發(fā)明采用與用來(lái)設(shè)置放大器105增益的TGC控制信號(hào)107相同的數(shù)字形式。這個(gè)數(shù)字TGC增益控制信號(hào)在到中間處理器的總線109上提供。

接收器14的波束形成段101包括N＝128個(gè)獨(dú)立的接收器通道110。如下面將更詳細(xì)的解釋，每個(gè)接收器通道110在輸入111接收從其中一個(gè)TGC放大器105模擬回音信號(hào)，并且在I總線112和Q總線113上產(chǎn)生一連串?dāng)?shù)字化的輸出值。這些I和Q值的每一個(gè)代表每個(gè)信號(hào)包絡(luò)在特定距離(R)上的回音信號(hào)的樣本。這些樣本已經(jīng)被按照上述方法延遲因此當(dāng)它們?cè)诩臃c(diǎn)114和115與從其它接收器通道110的每個(gè)I和Q樣本樣本相加時(shí)，它們代表從偏轉(zhuǎn)光束(θ)上距離為R的點(diǎn)P反射的回音信號(hào)的量和相位。在該優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)回音信號(hào)在整個(gè)掃描線(典型為40至200mm)區(qū)域以約150μm的相等間隔進(jìn)行采樣。

中間處理器段102從加法點(diǎn)114和115接受波束采樣。每個(gè)波束采樣的I和Q值是16字節(jié)的數(shù)字代表著從一點(diǎn)(R,θ)反射的聲波的1量的同相和二次分量。中間處理器102可以對(duì)這些波束樣本執(zhí)行多種計(jì)算，根據(jù)待重建的圖像的類型決定選擇。例如，如果要生成一個(gè)傳統(tǒng)的量圖像，120所示的檢測(cè)過程通過如下實(shí)現(xiàn)，每個(gè)數(shù)字量M用每個(gè)波束樣本和121的輸出計(jì)算，中間處理器102也可以包括一個(gè)修正處理器122。這種修正處理器122檢查接收到的波束樣本并計(jì)算出發(fā)送器13和接收器14可以在隨后的測(cè)試中用的修正值來(lái)提高波束聚焦和偏轉(zhuǎn)。這種修正是必要的，例如考慮到從每個(gè)傳感器單元出發(fā)的聲波在掃描中途徑介質(zhì)的非均一性。

本發(fā)明也采用如TFC(時(shí)間頻率控制)濾波器所示的修正處理器123。如下面將詳細(xì)介紹的，TFC濾波器123在它的輸入124和125接收從加法點(diǎn)114和 115的I和Q信號(hào)，在它對(duì)應(yīng)的輸出126和127生成對(duì)應(yīng)的I”和Q”信號(hào)流。典型地，TFC濾波器123的輸出126和127將直接練到檢測(cè)處理器120的輸入來(lái)在處理器輸出121生成波束值樣本。

特別參考圖1和4，接收器14在它的輸出121產(chǎn)生一系列8字節(jié)的數(shù)字化數(shù)字，被應(yīng)用到顯示系統(tǒng)17的輸入。這“掃描數(shù)據(jù)“以矩陣形式存儲(chǔ)在記憶體150中，掃描數(shù)據(jù)陣列150的行與獲取的對(duì)應(yīng)的波束角(θ)一致，掃描數(shù)據(jù)陣列150的列與對(duì)應(yīng)的樣本沿著每個(gè)波束獲取的距離(R)相一致。從接收器14的R和θ控制信號(hào)151和152顯示每個(gè)輸入值在陣列150要存儲(chǔ)的位置，一個(gè)記憶體控制電路153把那個(gè)值寫到陣列150中合適的記憶位址。掃描可以連續(xù)地重復(fù)，從接收器14的數(shù)據(jù)流將連續(xù)更新掃描數(shù)據(jù)陣列150。

陣列150里的掃描數(shù)據(jù)被一個(gè)數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器154讀取并轉(zhuǎn)換到產(chǎn)生所需圖像的形式。如果要產(chǎn)生傳統(tǒng)的B掃描圖像，例如，存儲(chǔ)在掃描數(shù)據(jù)陣列150里的量值M(R,θ)被轉(zhuǎn)換成顯示圖像中位置(x,y)像素的量的量值M(x,y)。如此的一個(gè)超聲波圖像數(shù)據(jù)從極坐標(biāo)到笛卡爾坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換被描述。

不管數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器154產(chǎn)生的特定轉(zhuǎn)換，結(jié)果圖像數(shù)據(jù)被寫入存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后掃描數(shù)據(jù)的二維陣列的記憶體155中。一個(gè)記憶體控制156提供對(duì)記憶體155的雙口訪問，因此數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器154可以在顯示處理器157讀取更新數(shù)據(jù)的同時(shí)持續(xù)地用新數(shù)據(jù)連續(xù)更新值。顯示處理器157對(duì)從控制面板158接收到的操作員命令響應(yīng)，對(duì)記憶體155里的轉(zhuǎn)換后掃描數(shù)據(jù)執(zhí)行傳統(tǒng)的圖像處理函數(shù)。例如，記憶體155里的轉(zhuǎn)換后掃描數(shù)據(jù)顯示的亮度水平區(qū)域可能遠(yuǎn)超過顯示設(shè)備160的亮度區(qū)域。甚至，記憶體155里的轉(zhuǎn)換后掃描數(shù)據(jù)的亮度分辨率可能遠(yuǎn)超過人眼的亮度分辨率，一般提供手動(dòng)操作的控制，使操作員能選擇一個(gè)亮 度值的窗口，通過窗口得到最大圖像對(duì)比度。顯示處理器從記憶體155讀取轉(zhuǎn)換后掃描數(shù)據(jù)，提供所需圖像優(yōu)化并寫優(yōu)化的亮度值到一個(gè)顯示記憶體161中。

顯存161被顯示控制電路162通過記憶體控制電路163共享，那里的亮度值被映射來(lái)控制顯示器160上對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的亮度。顯示控制器162是一個(gè)商業(yè)可供的積分電路，設(shè)計(jì)來(lái)操作顯示器160用的特殊型號(hào)。例如，顯示器160可以是一個(gè)CRT，其中顯示控制器162是一個(gè)提供所需水平和豎直掃描電路的CRT控制芯片并在掃描中在合適的時(shí)間將顯示數(shù)據(jù)映射到CRT上。

對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，顯示系統(tǒng)17可以采用多種形式中其一依賴于特定超聲系統(tǒng)的容量和靈活性。在上述的優(yōu)選實(shí)施例中，用程序化微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器和顯示器功能，導(dǎo)致的顯示系統(tǒng)，因此是很靈活和強(qiáng)大的。

接收器14的波束形成段101由一組接收器通道110組成，每個(gè)對(duì)傳感器11的單元12(圖1)。每個(gè)接收器通道對(duì)從數(shù)字控制器16(圖1)開始命令、40MH在主時(shí)鐘，距離信號(hào)(R)和波束角信號(hào)(θ)響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束生成功能。這些包括：在模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器200對(duì)模擬輸入信號(hào)采樣，在解調(diào)器201對(duì)采樣得信號(hào)調(diào)制；用低通濾波器202對(duì)解調(diào)器201產(chǎn)生的高頻率和信號(hào)濾波；在抽取器203降低數(shù)據(jù)速率；在延遲FIFO(如先進(jìn)/先出記憶體)204和相位旋轉(zhuǎn)器205里產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行時(shí)間延遲和相調(diào)節(jié)。所有這些單元被一個(gè)接收通道控制206控制，它響應(yīng)從數(shù)字控制器16(圖1)來(lái)的命令產(chǎn)生所需的時(shí)鐘和控制信號(hào)。在該優(yōu)選實(shí)施例中，所有這些單元包含在一個(gè)單個(gè)的積分電路上。

模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器200對(duì)波形210圖像化的模擬輸入信號(hào)采樣，以從接收通道控制206的延遲采樣時(shí)鐘的上升邊緣決定的規(guī)則間隔。在優(yōu)選實(shí)施例中，采 樣時(shí)鐘信號(hào)是40MHz時(shí)鐘信號(hào)使能使用高達(dá)20MHz的超聲波頻率而不違背奈奎斯特采樣準(zhǔn)則。當(dāng)使用5MHz的超聲載波頻率時(shí)，例如，在每個(gè)載波周期采樣8次，以40MHz速率在模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)10字節(jié)的數(shù)字信號(hào)。這些樣本被供到將每個(gè)樣本與發(fā)送的超聲載波的參考共相和控制信號(hào)206相混的解調(diào)器。SINE(正弦)值被數(shù)字化地乘以采樣得輸入信號(hào)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)供給低通濾波器202的解調(diào)、共相的值(I)，COSINE(余弦)值被相同的采得輸入信號(hào)數(shù)字相乘來(lái)產(chǎn)生供給單獨(dú)低通濾波器202的解調(diào)二次相值(Q)。低通濾波器202是有限脈沖響應(yīng)濾波器調(diào)試至穿過解調(diào)器201提供的不同頻率，但攔截更高的和頻率，每個(gè)低通濾波器的輸入信號(hào)，因而是顯示每個(gè)回音信號(hào)包絡(luò)的I或Q分量的量的40MHz的數(shù)字值流。

回音信號(hào)的解調(diào)I和Q分量采樣的速率被抽取器203降低。12字節(jié)的數(shù)字信號(hào)以40MHz的速率供到抽取器，從精確的觀點(diǎn)看不足夠高，但是整個(gè)系統(tǒng)難以維持的數(shù)據(jù)速率。相一致的，抽取器203每8個(gè)數(shù)字樣本選取來(lái)降低數(shù)據(jù)速率至5MHz。這對(duì)應(yīng)著接收通道控制器206產(chǎn)生的基帶時(shí)鐘信號(hào)的頻率，并被用來(lái)操作接收器通道的其余單元。抽取器203的I和Q輸出信號(hào)因而回音信號(hào)包絡(luò)的數(shù)字化樣本219。抽取比例和基帶時(shí)鐘頻率可以更改值8:1和5MHz之外的其它值。

解調(diào)和抽取的數(shù)字樣本代表的回音信號(hào)包絡(luò)氣候被延遲FIFO204和相位旋轉(zhuǎn)器205延遲來(lái)提供所需的波束偏轉(zhuǎn)和波束聚焦。這些延遲附加在上述施加到模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器200的延遲采樣時(shí)鐘信號(hào)提供的粗延遲上。也就是說(shuō)，由接收器通道110提供的總延遲是供給模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器200，延遲FIFO204和相位旋轉(zhuǎn)器205的延遲采樣時(shí)鐘信號(hào)提供的延遲之和。延遲FIFO204是連續(xù)數(shù)字樣本 值在由抽取器203以5MHz產(chǎn)生的同時(shí)寫入的記憶體設(shè)備。這些存儲(chǔ)的值被寫至連續(xù)的記憶體地址，然后從記憶設(shè)備讀出并提供給相位旋轉(zhuǎn)器205。延遲的量，從數(shù)字樣本正被提供的記憶地址和正被接收的數(shù)字樣本存儲(chǔ)的記憶地址的差別決定。5MHz基帶時(shí)鐘信號(hào)建立了存儲(chǔ)數(shù)字樣本間200納秒的間隔，因此FIFO204可以以200納秒的增量提供最大為25.6微妙的時(shí)間延遲。相位旋轉(zhuǎn)器205使回音信號(hào)的數(shù)字化再現(xiàn)能被延遲FIFO204少于200納秒的分辨率的量延遲。供給相位旋轉(zhuǎn)器205的I和Q數(shù)字樣本可以通過一個(gè)相矢量221，并且產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)后的I和Q數(shù)字樣本可以用相矢量222再現(xiàn)。相矢量的量(如I和Q分量每個(gè)的矢量和)是不變的，但I(xiàn)和Q的值相對(duì)于彼此被改變了因而輸出相矢量222是從輸入相矢量221旋轉(zhuǎn)了量Δθ。相位可以被提前了+Δφ)也可以是被推遲了(-Δφ)，作為對(duì)從接收通道控制器206的總線上接收的相位控制信號(hào)的響應(yīng)。

為一般描述接收器通道110及詳細(xì)描述每個(gè)接收器通道110的I和Q輸出信號(hào)是怎樣加在一起形成一個(gè)波束信號(hào)的。

在圖3中，實(shí)施本發(fā)明的TFC濾波器123，顯示包括一個(gè)輸入124和125連接到接收對(duì)應(yīng)的I和Q波束樣本的旋轉(zhuǎn)器電路250。旋轉(zhuǎn)器電路250與上述及在前面引用的美國(guó)專利No.4,896,287里公開的是完全相同的。它在輸入251接收數(shù)字的相位偏移指令(Δθ)當(dāng)每個(gè)I和Q數(shù)字波束樣本在它的輸入124和125被接收時(shí)。由I和Q輸入分量代表的相矢量被旋轉(zhuǎn)一個(gè)量Δθ，產(chǎn)生的分量，旋轉(zhuǎn)后的相矢量被生成為總線252和253上的I’和Q’信號(hào)。

數(shù)字相位便宜命令(Δθ)有一個(gè)Δθ處理器254產(chǎn)生?？偩€109上的TGC增益信號(hào)被應(yīng)用到處理器254開始的地址，存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)地址的記憶位址的數(shù)據(jù)被讀出并用來(lái)為旋轉(zhuǎn)器電路250計(jì)算相位偏移命令Δθ當(dāng)從讀取時(shí)鐘(未顯示) 的控制線255的信號(hào)走低時(shí)。數(shù)字化相位偏移命令(Δθ)的值因此是TGC增益信號(hào)的函數(shù)，如下面更詳細(xì)地解釋。TFC濾波器123也包括一個(gè)調(diào)整旋轉(zhuǎn)器電路250產(chǎn)生的I’和Q’信號(hào)的頻率分量的相對(duì)值。在短距離內(nèi)，總信號(hào)損失很小，有很好的信噪比，回音信號(hào)旋轉(zhuǎn)后的I’和Q’信號(hào)分量是每個(gè)都高通過濾的因此整個(gè)帶寬被用來(lái)形成圖像。這使得圖像分辨率提高，尤其在橫向尺寸。相對(duì)的，更長(zhǎng)距離下總的信號(hào)損失大，信噪比差，回音信號(hào)旋轉(zhuǎn)后的I’和Q’信號(hào)分量是每個(gè)都低通過濾，因此在長(zhǎng)距離對(duì)圖像有貢獻(xiàn)的信號(hào)的帶寬被減小。這個(gè)濾波提高了穿透率，由于噪音帶寬在長(zhǎng)距離建設(shè)以軸向圖像分辨率為犧牲。

執(zhí)行這些濾波操作的電路，其中第一級(jí)260由一個(gè)低通濾波器組成，第二級(jí)261由一個(gè)高通濾波器組成。表示為Z-1的塊代表單位延遲，符號(hào)+和×分別代表加法器和乘法器。濾波器260和261是傳統(tǒng)的有限脈沖響應(yīng)數(shù)字化濾波器其中低通濾波器260有一個(gè)脈沖響應(yīng)(1，A1，1)并且高通濾波器有一個(gè)脈沖響應(yīng)(-1，A2，-1)。在每個(gè)塊循環(huán)，一個(gè)新數(shù)據(jù)值被加到濾波器260。延遲通過數(shù)據(jù)在每個(gè)時(shí)鐘邊沿在寄存器間傳輸?shù)臅r(shí)鐘控制的寄存器實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)時(shí)鐘周期里，所有的數(shù)學(xué)運(yùn)算(例如加法或乘法)被執(zhí)行。有脈沖響應(yīng)(1，A1，1)的低通濾波器260執(zhí)行兩個(gè)加法和一個(gè)乘法在任一給定時(shí)鐘周期里。進(jìn)入濾波器的數(shù)據(jù)被加至兩個(gè)時(shí)鐘周期前到達(dá)濾波器輸入的數(shù)據(jù)。該運(yùn)算產(chǎn)生的輸出信號(hào)被加到一個(gè)時(shí)鐘周期前的濾波器輸入信號(hào)，與系數(shù)A1相乘修改。再一次，所有的數(shù)學(xué)運(yùn)算在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，因此對(duì)每個(gè)到濾波器的輸入信號(hào)，有一個(gè)輸出信號(hào)(如流水線實(shí)現(xiàn))。低通濾波器260的輸出信號(hào)沿流水線進(jìn)入高通濾波器261的輸入產(chǎn)生一個(gè)流水線的帶通濾波器，濾波器的特征完全由系數(shù)A1和A2的選擇控制。在短距離，低通濾波器260的系數(shù)A1被實(shí)質(zhì)上增加超過了高通濾波器261的系數(shù)A2，因此高通濾波器261將決定濾波器在近場(chǎng)的響應(yīng)。另一方面，長(zhǎng)距離時(shí)，高通濾波器261的系數(shù)A2被實(shí)質(zhì)上增加超過了低通濾波器260的系數(shù)A1，因此低通濾波器260決定了濾波器258(圖3)的響應(yīng)。在 優(yōu)選實(shí)施例中，超聲波傳感器11以5MHz的載波頻率、帶寬約2MHz并且在該帶寬上呈高斯能量分布產(chǎn)生脈沖。濾波器260和261是傳統(tǒng)的三點(diǎn)FIR(有限脈沖響應(yīng))濾波器，其中單系數(shù)A1決定了低通的頻率特征，單系數(shù)A2決定了高通的頻率特征。

再一次參考圖3，本發(fā)明的一個(gè)重要方面是旋轉(zhuǎn)器電路250的相位偏移命令和濾波器258的系數(shù)命令A(yù)1和A2可以作為總線109上的TGC增益信號(hào)的函數(shù)產(chǎn)生的實(shí)現(xiàn)。系數(shù)命令A(yù)1和A2被儲(chǔ)存在對(duì)應(yīng)的記憶體265和266里并且它們被從記憶體中讀出并通過控制線255的讀時(shí)鐘信號(hào)直接應(yīng)用到濾波器258。TGC增益信號(hào)總線109連接到記憶體265和266的率先地址，TGC增益信號(hào)的幅度定制了儲(chǔ)存在連續(xù)記憶體地址內(nèi)特定地址的系數(shù)值A(chǔ)1和A2。

本發(fā)明的時(shí)間頻率控制濾波器容易在中間處理器中實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用到形成的接收波束。它的結(jié)構(gòu)通過將過濾器的控制參數(shù)推導(dǎo)成TGC增益信號(hào)，一個(gè)超聲波成像系統(tǒng)已有的信號(hào)的控制方程而被可觀簡(jiǎn)化。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出很多并不從這里闡明的寬廣概念脫離的修改和變化。所以可以理解附加的聲明意在覆蓋所有這些在本發(fā)明真正精神中的修改和變化。