專利名稱：局部射束形成的制作方法
名稱為“多相位并行處理的數(shù)字射束形成器”的美國申請93P7418已轉讓給本申請的受讓人，該申請的主題與本申請的主題是相同的。
本發(fā)明涉及時域接收射束形成器，它使用了數(shù)字信號處理技術，即模數(shù)轉換器、數(shù)字存儲器、加法器、乘法器、濾波器等等，更具體地涉及到在醫(yī)用超聲波診斷系統(tǒng)中的數(shù)字接收射束形成器的方法和裝置。
系統(tǒng)中射束形成的目的是形成一個窄的射束，在存在來自其它位置的噪聲和干擾的情況下，以改善從所需位置來的信號的接收。射束形成可在能量發(fā)射或接收進程中進行。本發(fā)明涉及的是在接收過程中形成的射束。
射束形成在許多應用場合都有用，例如雷達、聲納、通信、地球物理學、天文物理學等等。本發(fā)明是關于超聲波成像中的射束形成。使用醫(yī)用超聲波成像裝置，病人體中的剖析結構可被顯示和分析。該裝置發(fā)射非常高的頻率(一般為2MHz到10MHz)的聲波到病人體中，然后對被測體內(nèi)結構反射的回波進行處理。該裝置的目的是要顯示和/或分析該返回的回波。有許多種顯示可用于醫(yī)用超聲波診斷裝置，但一種可能是最有用的是被檢測剖析結構的、選擇的剖面的兩維圖象。該重要的操作模式稱為回波或B模式。使用該操作模式，許多病人體內(nèi)的剖析缺陷都可被檢測。另外，這些缺陷的尺寸可或多或少被精確地確定。在該操作模式中，從所選擇剖面來的所有回波被處理和顯示。在該操作模式中對于其性能而言最苛刻的操作參數(shù)是分辨單元的尺寸。該分辨單元的尺寸可由動態(tài)聚集和動態(tài)(匹配的)濾波來減小(由此增加分辨率)。這些技術用數(shù)字射束形成器比用模擬射束形成器容易實施。
在某些臨床應用中，剖析缺陷會相當小并被從較大剖面結構反射的回波覆蓋?？墒牵ㄟ^將血管中的血液的流速進行相當大的改變，就可使血管中或附近的剖析缺陷自身變明顯。已知有一種多普勒移位回波處理技術可用于確定運動物體的速度。用于血流的多普勒移位顯示使其更容易地檢測相當小的解剖學上的異常。該操作模式，現(xiàn)在一般稱為彩色流，比如授予給金(Kim)的US專利4800891所描述的，它允許從剖析結構的大選擇剖面聚集有關血速的多普勒信息。可是，困難的是需要足夠的超聲波數(shù)據(jù)來產(chǎn)生足夠高的幀速率的、精確高分辨血流圖象。為了從小的剖面區(qū)域得到有關血流速度更精確的多普勒信息，例如要使用公開在1986年6月的Hewlett-Packard雜志的第35-40頁上的、由Halberg和Thiele撰寫的文章所公知的多普勒處理技術。用該技術，可將更多時間用于所選擇的小區(qū)域。該多普勒數(shù)據(jù)通常由FFT技術處理并由頻譜顯示。該多普勒數(shù)據(jù)也可表示為聲頻信號。
射束形成的質量對超聲波成像裝置的前述操作模式的精確性、分辨率和其它參數(shù)有很大影響。常規(guī)射束形成器提供電子時延，以匹配超聲波壓力場的信號的傳播延遲，它是從某個方向出現(xiàn)在超聲波射束形成器上的。該時延(或空間處理)加大了與背景噪聲和方向性干擾有關的相關波前的振幅。在模擬射束形成器中，這由模擬延遲線和求和網(wǎng)絡來完成。這些模擬部件在許多不同方面限制了現(xiàn)代超聲波診斷設備，因此是不希望的。它們相當貴、不穩(wěn)定、且容易受環(huán)境和年代的影響。模擬部分也需要仔細的制造和安裝。模擬延遲線的使用也限制了現(xiàn)代超聲波裝置所需的靈活性。為了支持前述的主要操作模式，在模擬射束形成器中必須作出許多妥協(xié)。另外，用模擬處理技術來實施射束形成器的話，為增加實時超聲波設備的幀速率而必需的并行處理花費要大。
數(shù)字部件的性能和可靠性的增強以及成本的減少使得數(shù)字射束形成更可能替代傳統(tǒng)的模擬射束形成。精確性、穩(wěn)定性和靈活性是數(shù)字信號處理技術的主要優(yōu)點。當前的標準數(shù)字電路可工作在超過30MHz的尼奎斯特速率上。對于RF取樣和現(xiàn)代超聲波信號的處理時間來說，這些取樣頻率是足夠高的?？墒牵瑸檫m當?shù)仄ヅ鋽?shù)字射束形成器中的傳播延遲而需要的取樣速率比實際的信號結構的尼奎斯特速率大幾倍，即高于100MHz。與所需精度關聯(lián)的這些處理速度仍然高于目前可獲得的模擬-數(shù)據(jù)轉換器(ADCs)的性能。通過使用標準的數(shù)字成分的并行處理可用這些速度來完成其它的數(shù)字功能(比如不是ADCS)。
在Proceeding of fhe IEEE Vol.67，No.6，pp.904-919，June 1979公開的文章中，由Pridham和Mucci建議的方法，即通過使用數(shù)字內(nèi)插可以簡化數(shù)字射束形成中ADC的高速取樣要求。接收的回波只需要以滿足或超過尼奎斯特頻率f0的時間間隔進行取樣。用于ADC取樣速率的該減少的代價是相應增加數(shù)字處理的需要。射束形成所需的精確延遲增值用數(shù)字內(nèi)插產(chǎn)生。在數(shù)字內(nèi)插中，數(shù)據(jù)首先調(diào)整到零(比如零分散在數(shù)據(jù)中)，其有效地增加了數(shù)據(jù)速率。在該處理的后端，數(shù)字濾波器被用來將該數(shù)據(jù)速率減少到其原始值。Pridham和Mucci建議了兩個可取的方法。在第一個中，即預射束形成內(nèi)插方法，零調(diào)整電路和內(nèi)插濾波器用于每個接收信道被放置在ADC電路之后，但在射束形成電路之前。在第二個中，即后射束形成內(nèi)插方法中，內(nèi)插濾波器被放置在射束形成之后。在射束形成之后的濾波是可能的，因為射束形成是線性工作的。在第一個方法中，信號處理的條件不是最佳的，因為每個接收信道都需要內(nèi)插濾波器。第二個方法中，內(nèi)插濾波器所需的數(shù)字處理比第一個方法所需的少，因為只做一次而不是對每個信道都做濾波。通過將該內(nèi)插濾波器與數(shù)字射束形成之后的接收電路的數(shù)字濾波器結合，可進一步減少數(shù)字處理的需要。可是，該射束形成信號處理還不是最佳的，因為該射束形成處理的速率(即產(chǎn)生所需時延的那些)遠高于信號尼奎斯特速率。
本發(fā)明的目的是要提供一種數(shù)字射束形成的方法和裝置，它將信號處理速率最小化，以便系統(tǒng)可由工作在信號尼奎斯特速率上的數(shù)字電路構成。在超聲波診斷系統(tǒng)中實施這樣的方法或裝置將提供數(shù)字射束形成的所有優(yōu)點，即各個操作模式的靈活性、并行信道射束形成、動態(tài)聚集、匹配的濾波等等，它們都使信號處理的數(shù)據(jù)速率減至最小。
按照本發(fā)明的原理，發(fā)明人取得的優(yōu)點基于如下事實，即數(shù)字射束形成器中的數(shù)字硬件的操作速度通過提供信號數(shù)據(jù)的多相位并然后在并行的求和通道中處理該多相位數(shù)據(jù)來減少。按照該技術，用于形成所需射束形成延遲的單個數(shù)字電路的操作速度與常規(guī)后射束形成內(nèi)插方案相比沒有增加，因此，有效數(shù)據(jù)速率增加了N倍并導致延遲量化誤差減少N倍。另外，在射束形成器的最佳位置設置了一個內(nèi)插抽選濾波器。即將它加在接收信道組的局部射束形成之后但在最后射速形成之前的射束處理中。該方法允許簡化最后的射束形成并以相當?shù)偷臄?shù)據(jù)速率進行。另外，通過適當選擇成組的接收信道，該多相位數(shù)據(jù)處理和順序內(nèi)插可更好地確定到單一集成電路或電路中。
從下面的優(yōu)選實施例和權利要求的描述中，本發(fā)明這些和其它特征將變得更清楚。
至于對本發(fā)明更全面的理解，下面將參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例和附圖進行詳細的描述。


圖1是以功能性方框圖形式圖示了按照現(xiàn)有技術的一個超聲波成像裝置，它具有一個數(shù)字射束形成器和來自每個接收信道的順序數(shù)據(jù)取樣求和；圖2是以功能性方框圖形式圖示了圖1中的數(shù)字射束形成器中的數(shù)據(jù)取樣的順序求和，其改變是包含了機內(nèi)測試電路；圖3是以功能性方框圖形式圖示了一個對數(shù)字射束形成器進行多相位并行處理的新方案，當其與圖1的實施例比較時，該新的裝置加倍了射束形成器的精確性；圖4是以方框圖形式圖示了用于數(shù)字射束形成器的動態(tài)延時控制器的細節(jié)，其按圖3構成并有四相位數(shù)據(jù)和四并行求和通道；圖5圖示了將三個鄰近接收信道的順序N數(shù)據(jù)取樣分配到圖4所示四個相位的各個中，以完成射束形成；圖6是以方框圖形式圖示了依據(jù)本發(fā)明原理構成的和用于圖4所示數(shù)字射束形成器的數(shù)據(jù)取樣的對齊、內(nèi)插和抽選的FIR濾波器的細節(jié)；圖7是以功能性方框圖形式圖示了按照本發(fā)明另一方面構成的數(shù)字射束形成器，它由局部射束形成器和來自每個局部射束形成器的順序信號取樣求和組成。
現(xiàn)代醫(yī)學超聲波系統(tǒng)使用具有多個變換器(transducer)單元的探頭(probes)，因此其射束形成器具有多個信號處理信道。信道數(shù)可以是64、128，甚至可高到256。通常，將所有射束信號處理信道在單一電路板上實現(xiàn)是不實際的。因此，接收射束形成器通常被分配到幾個組。每組為包括一些接收信道(比如8或16個信道)的部分射束形成器。來自目標的回波信號由探測頭的變換單元接收。每個單元連接到不同的接收信道。在每個接收信道中來自變換單元的信號被放大然后以統(tǒng)一的速率f0數(shù)字化。
具有射束形成器的電子掃描超聲波診斷裝置包括一系列數(shù)據(jù)求和通道，如圖1所示。超聲波探頭由變換器單元T1到TM的陣列組成。為了簡化描述，假設上述的M＝4，但它也可更大些。眾所周知，四個脈沖發(fā)生器10至13借助于觸發(fā)信號產(chǎn)生常規(guī)的驅動脈沖，以使單元T1到T4發(fā)射超聲波信號到受測試的機體組織。從受測試的機體組織中反射回來的超聲波回波信號由相同的變換器T1到T4接收。在并行接收信道2至5中，從響應回波的每個單元提取的信號分別由放大器14至17中的一個放大，然后分別由ADC 20至23中的一個以統(tǒng)一速率進行數(shù)字化。從并行接收信道接收的數(shù)字數(shù)據(jù)被分別存貯在存貯器24至27中。從自存貯器24至27讀出的數(shù)據(jù)由包括加法器30至33的順序求和通道順序地加到來自前面的并行接收信道的數(shù)據(jù)上。該加法器輸出端的累計在發(fā)送到下一信道之前被臨時存貯在鎖存器34和37中。為了考慮并補償由加法器30-33對數(shù)據(jù)順序求和引起的信號處理時間延遲，通過對存貯器24和27的讀出或寫入來產(chǎn)生時間延遲。該順序求和簡化了信號處理數(shù)據(jù)通道。在最后一個加法器33的輸出端產(chǎn)生的成形射束信號由檢測器6檢測。為了在顯示器9上顯示數(shù)據(jù)，如熟知的，必須用數(shù)字掃描轉換器(DSC)7將數(shù)字數(shù)據(jù)信號轉換為視頻信號。系統(tǒng)所有的控制都由控制器8產(chǎn)生的控制信號來執(zhí)行。
如圖2所示，給每個并行接收信道組提供內(nèi)設測試裝置。在數(shù)據(jù)求和通道開始處連接一個數(shù)據(jù)發(fā)射器44，而在數(shù)據(jù)求和通道的結束處連接一個數(shù)據(jù)接收器45。控制器8為數(shù)據(jù)發(fā)射器44設置一個數(shù)字測試數(shù)據(jù)的預定模式，然后它被數(shù)據(jù)求和通道處理并由數(shù)據(jù)接收器45接收?？刂破?然后分析接收的數(shù)據(jù)，以看它在數(shù)據(jù)求和后是否與期望的數(shù)據(jù)重合。在射束形成模式中，由數(shù)據(jù)發(fā)射器44產(chǎn)生零，以使來自存貯器24-27的數(shù)據(jù)序列求和不受干擾。
為取得較小的動態(tài)聚集延遲量化誤差，按照本發(fā)明的一方面，提供了一個新的射束器內(nèi)插裝置。在常規(guī)的射束形成內(nèi)插中，如上所述，如果數(shù)據(jù)速率增加倍數(shù)N，那么加法器的處理速度和時鐘頻率也將增加相同倍數(shù)。為了避免使用高頻時鐘和高速加法器，新的射束形成內(nèi)插裝置使用了一個多相位存貯讀出方案，1)它減少了量化誤差，2)它允許在射束形成器處理的整個過程中使用相同的時鐘頻率f0。用該裝置接收信道組可用單個內(nèi)插抽選濾波器來組合，因此用每個接收的信道來形成局部束流。
具有多個相位存貯器讀出裝置的新的射束形成器被示于圖3中。寫入到存貯器24至27的數(shù)據(jù)的時鐘頻率與取樣速率是一樣的，即f0。讀出時鐘也是f0，但并不是統(tǒng)一的。如需要附加延時時，在其些時鐘處要停止讀出。這給出了延時的調(diào)整1/f0，此處稱作為粗略延時單位。為進一步減少延時的量化誤差，讀出的數(shù)據(jù)被分為N個并行的求和通道P1和P2(圖3中N＝2)，以精確地調(diào)整延時為粗略延時單元的(n-1)/N，n＝1、…、N。每個并行求和通道代表讀出數(shù)據(jù)的不同相位。因此，通過移動讀出的數(shù)據(jù)到下一相位，延遲調(diào)整將為1/(Nf0)。這兒稱作為精確延遲單元。通過使用該多相位讀出，可用精確延遲單元來調(diào)整動態(tài)的接收聚集。從所給信道的每個數(shù)據(jù)取樣僅指向相位P1和P2中的一個?？墒?，在將數(shù)據(jù)指引到選擇的并行求和通道之前，必須將它加到從鄰近信道來的數(shù)據(jù)取樣上。選擇器70至77、50至53、加法器30至33以及鎖存器60至67對提供到并行求和通道的數(shù)據(jù)取樣執(zhí)行指引和序列求和。例如，如果從存貯器25來的數(shù)據(jù)被指引到相位P1，則相位P1從鎖存器60來的數(shù)據(jù)通過選擇器51被加到加法器31。與此同時，選擇器75將來自相位P2、從鎖存器64輸出的數(shù)據(jù)加到鎖存器65。下一步，選擇器71選擇來自加法器31的數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)指引到鎖存器61?？刂破?0-83決定來自存貯器25至27的數(shù)據(jù)應被指引到N相位中的哪一個，并因此控制互相關聯(lián)的選擇器和鎖存器。內(nèi)插抽選濾波器90組合該多相位數(shù)據(jù)，然后以系統(tǒng)時鐘速率f0將該組合的數(shù)據(jù)輸出到超聲系統(tǒng)的保持器。
圖4是一個優(yōu)選實施例，其中射束形成器具有四個相位數(shù)據(jù)(P1-P4)，因此有用于回波數(shù)據(jù)的四個并行求和通道和動態(tài)延時控制器80。該動態(tài)延時控制器80通過存貯器讀出控制信號R和選擇器控制信號S1-S4輸出每個信道在每個時鐘所需要的相位信息。例如，在給定的時間，所給接收信道的存貯器讀出相位假設為相位P2，則從預先信道來的P2求和通道上的數(shù)據(jù)將直接通過選擇器50并通過加法器30加到來自接收信道i(當它從FIf0存貯器28中讀出時)的新數(shù)據(jù)上。來自加法器30的和然后將直通選擇器171到下一個并行接收信道(i+1)。剩余的并行并求和通道(P1、P3和P4)通過選擇器170、172和173和鎖存器160、162和163，這等于將在這些其它相位中的第i個信道回波數(shù)據(jù)調(diào)整為零。因此，延時控制器80控制每個信道存貯器的每個數(shù)據(jù)取樣讀出的相位。包括用于對射束形成器中所有信道存貯聚集延遲數(shù)據(jù)分類的查尋表86、交叉點開關87和移位寄存器88(一個接收信道一個移位寄存器)的延遲數(shù)據(jù)存貯器85給每個信道輸出1比特的數(shù)據(jù)流。來自延遲數(shù)據(jù)存貯器85的“1”，叫做相移脈沖，它表示需要一個附加的精確延時單元，并將導致相移。一個5比特的移位寄存器89(每個接收并行信道一個寄存器)產(chǎn)生相位信息選擇器控制信號S1-S4，存貯器讀出禁止信號R通過或門91和由f0定時的與門92產(chǎn)生。在5比特寄存器89中某一時刻只有一個比特被設置到“1”，因此指明了來自第i個信道的數(shù)據(jù)被指引到四個相位中的哪一個。只要當移位寄存器接收到這樣一個相移脈沖，該“1”右移，因此將選擇的相位從P1改為P2，或從相位P2改為P3、或從相位P3改為P4。在移位寄存器的輸出端P4與其移位輸入端之間還連接所示的或門93和與門94。因此，如果沒有來自延遲數(shù)據(jù)存貯器85的相移，選擇控制信號(S1-S4)將保持不變。移位寄存器中的狀態(tài)0是臨時狀態(tài)。當選擇相位P4時，“1”的增值使移位寄存器將臨時地從狀態(tài)4移到狀態(tài)0。下一個時鐘將改變輸入的狀態(tài)以將移位寄存器89從狀態(tài)0移到狀態(tài)1。在下一個相移脈沖“1”到來之前，移位寄存器89將保持在狀態(tài)1。在狀態(tài)為0的時鐘周期中，不從存貯器28中讀出數(shù)據(jù)，因此從存貯器28來的數(shù)據(jù)的延遲的長度將增值1。因此，通過該機構，四個精確延遲單元被變?yōu)橐粋€粗調(diào)延遲單元。
在圖4中四個并行求和通道中由此而來的求和數(shù)據(jù)被并行地提供到內(nèi)插抽選濾波器90的輸入。濾波器90完成輸入數(shù)據(jù)的對齊、內(nèi)插和抽選功能。由于并行輸入的多相位特性，濾波器90的有效輸入數(shù)據(jù)速率為輸出或任意并行求和通道輸入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)速率的四倍。
為了舉例，圖5圖示了在三個順序時間期間t1、t2和t3，將三個鄰近接收信道(1-3)的三個順序數(shù)據(jù)取樣分配到圖4所示四個相位P1-P4的各個中。在圖5中實際的數(shù)據(jù)取樣由X表示(以1/f0速率出現(xiàn))，用于完成零調(diào)整的零值取樣由0表示(以1/4f0速率等份地分散出現(xiàn)在實際數(shù)據(jù)取樣中)，水平方向代表時間。對于三個圖示的并行接收信道，為達到射束成形器動態(tài)聚集而在每個時期中需要的延時由垂直升起的曲線所示，如眾所周知的。從該定時圖示中可明顯看出在信道1的t1時期只有一個實際取樣(信道1中的第二取樣)最接近時間延遲曲線，即緊跟在P4相位后面的那個，因此P4求和通道是最可能接收該取樣的。對于所有其它相位(P1至P3)，在數(shù)據(jù)通道中都加上零(利用圖4的選擇器和鎖存電路)。在t1-t2的時期中，來自所有四個并行求和通道的數(shù)據(jù)從信道1直通到信道2(由圖4中選擇器和鎖存電路)。在時刻t2，從接收信道2的存貯器中讀出實際的數(shù)據(jù)取樣并將它指引到并行的求和通道代表相位P1，因此實際的取樣最接近需要的時延曲線。在此時(t2)，信道1沒有最接近任意時延曲線的實際取樣。注意實際取樣(第三個取樣)事實上較接近t3時期的相位P1。因此，在信道1的t2時期中的所有四個相位都被調(diào)零。該“沒有數(shù)據(jù)提供”對應著上述的移位寄存器89的狀態(tài)“0”。然后，在時間t2和t3之間，取樣數(shù)據(jù)從接收信道2直通到接收信道3，并從接收信道1到接收信道2。在時刻t3，從信道1的存貯器中讀出的第三個取樣被放置到并行求和通道代表相位P1中(如前所述)，從信道2的存貯器讀出的第二個取樣被放置到并行求和通道代表相位P1中，而從信道3的存貯器讀出的第二個取樣被放置到并行求和通道代表相位P4中。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，較方便的是使用有限脈沖響應(FIR)濾波器作為內(nèi)插抽選濾波器90，因為它的瞬時響應時間短并有固有的線性相位。圖6所示的FIR濾波器包括(對于四個相位系統(tǒng))一個8端低通濾波器并有效地使用對稱的脈沖加權系數(shù)(a1、a2、a3、a4；a4、a3、a2、a1)以節(jié)省需要的乘法器201、202、203和204的數(shù)量。來自求和通道代表相位P1、P2、P3和P4的“當前”相位數(shù)據(jù)被分別存貯在鎖存器205、206、207和208中。以形成“舊”相位數(shù)據(jù)。然后，該“舊”數(shù)據(jù)通過加法器213、212、211和210被加到到達求和通道代表相位P4、P3、P2和P1的“當前”數(shù)據(jù)上，最后通過在求和器214中組合乘法器201、202、203和204的輸出來產(chǎn)生射束形成器的輸出取樣。
如上所述，Pridham和Mucci建議內(nèi)插和抽選濾波器可在射束形成前或后放置。在射束形成之前實施該濾波器需要每個信道具有自己的內(nèi)插抽選濾波。而在射束形成之后實施則解決了該問題，但它需要射束在非常高的取樣頻率下完成。按照本發(fā)明的原理，該濾波器是在射束形成中實施的，而不是在射束形成之前或之后。該方法替代了該濾波器，其中它對作為整體的射束形成器結構的成本是最有效的。在局部形成幾個該并行接收信道的組之后，進行濾波和減少數(shù)據(jù)速率。例如，并行接收信道可被組合到兩組、四組、八組或更多。該濾波器本身可被放置在用于局部形成分組信道的電路板或集成電路(IC)上。該技術減少了分組信道、電路板和IC之間所需要的連接和/或數(shù)據(jù)速率。那么，以該系統(tǒng)的取樣速率并只用一個數(shù)據(jù)通道就可進行分組信道(即局部形成的射束)的最后相加。
圖7是該接收射束形成器的整體圖，它更清楚地圖示了本發(fā)明局部射束形成體系。在每個信道中，從目標來的回波信號由探頭的變換器單元接收。每個變換器單元都連接到常規(guī)設計的脈沖接收器102。由每個變換器單元產(chǎn)生的信號由ADC 103以統(tǒng)一速率f0例如36MHz進行數(shù)字化。鄰近的并行接收信道組(比如8)被組合，以形成一個局部射束形成器113。與現(xiàn)有技術方法相反，本發(fā)明給每個局部射束形成器113提供一個內(nèi)插抽選濾波器。盡管對整個射束形成器系統(tǒng)可以只使用一個內(nèi)插抽選濾波器，該圖示的方案是每個接收信道一個內(nèi)插抽選濾波器，這減少了局部射束形成后的數(shù)據(jù)速率，達到取樣速率f0。即在射束形成之前和之后都使用了信號處理速率f0，但在射束形成中，如圖4有效速率為四倍f0。從硬件的觀點看，這是一個非常好的實施例，因為高效信號速率保證了單個電路板甚至單個集成電路，因此減少了系統(tǒng)的連接和復雜度。來自每個局部射束形成器113的輸出信號然后順序地被加法器114(以f0操作)相加以形成最后的射束。為了考慮由于順序加法器114產(chǎn)生的數(shù)據(jù)延遲，在存貯器24-27輸出端建立的延遲值具有一個附加的延遲，以進行補償。從最后一個加法器114來的射束信號然后被送到檢測器107。一個D.S.C.108，將該信號進行數(shù)字掃描轉換為視頻信號以在顯示器109上重現(xiàn)。
已經(jīng)顯示并描述了一個新穎的射束形成方法和裝置，它滿足了所有目的和想到的優(yōu)點。在考慮了揭示優(yōu)選實施例的該說明書和附圖之后，普通技術人員對本發(fā)明作出的許多改變、變形、變化和其它使用和應用將變得更明顯。例如，可以使用多于四個或少于四個的數(shù)據(jù)求和通道，延時控制器80也可用不同技術來完成。另外，每個數(shù)據(jù)信號取樣可從兩個或多個變換器單元中產(chǎn)生，而不是從一個單元中產(chǎn)生。所有的這些改變、變形、變化和其它使用和應用都不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明所要求復蓋的范圍由后面的權利要求來限定。
權利要求
1.一種射束形成器，包括多個并行接收信道裝置，用于檢測波形并與其相應的分別產(chǎn)生多個由數(shù)字取樣組成的數(shù)字取樣信號，并具有給定的取樣速率f0；多個局部射束形成裝置，每個所說局部射束形成裝置一起組成所說多個并行接收信道的子組的數(shù)字取樣信號，并以一定速率處理所說數(shù)字取樣信號，該速率實際是所說給定速率f0的N倍，以產(chǎn)生局部射束形成取樣信號；多個濾波器裝置，每個所說濾波器裝置對所說局部射束形成裝置相對應的局部射束形成取樣信號進行濾波，以便以所說給定速率f0產(chǎn)生局部的射束形成器信號；以及一個連續(xù)的數(shù)據(jù)相加通道，用于將由每個所說濾波器裝置提供的所說給定速率的該局部的射束形成器信號相加在一起，以形成射束形成器信號。
2.按照權利要求1的射束形成器，其中所說局部射束形成裝置包括組合裝置，用于組合來自并行接收信道的所說子組的數(shù)字取樣，它們之間的時延是合適的，以完成射束的操縱和/或動態(tài)聚集以產(chǎn)生所說局部射束形成器取樣信號。
3.按照權利要求2的射束形成器，其中所說局部射束形成裝置包括用于將零值數(shù)字取樣加到所說數(shù)字取樣信號，以提供新的數(shù)字取樣信號，以將所說數(shù)字取樣信號的取樣速率增加到所說給定速率f0的N倍。
4.按照權利要求3的射束形成器，其中所說濾波器包括一個數(shù)字內(nèi)插/抽選濾波器。
5.按照權利要求4的射束形成器，其中所說濾波器包括一個具有對稱脈沖響應加權系數(shù)的有限脈沖響應數(shù)字濾波器。
6.按照權利要求1的射束形成器，其中每個局部射束形成裝置包括多個并行求和通道，每個并行求和通道包括多個數(shù)字數(shù)據(jù)加法器的連續(xù)連接并具有一輸出；延遲確定裝置，用于對每個數(shù)字信號的每個數(shù)字取樣確定所說數(shù)字取樣被加到哪個所說并行求和通道，所說確定基于在所說并行接收信道的鄰近信道數(shù)字取樣之間獲得的時延；選擇性相加裝置，響應于所說延遲確定裝置，以導致所說多個接收信道的每個信道中每個數(shù)字取樣被控制地加到所說為它確定的一并行求和通道中，以在所說并行求和通道中形成相加的數(shù)字數(shù)據(jù)取樣，所說濾波器裝置響應于所說相加的數(shù)字數(shù)據(jù)取樣。
7.按照權利要求6的射束形成器，其中所說延遲確定裝置包括計算裝置，用于計算每個接收信道的數(shù)字取樣之間所需要的時延，因此，當它們與其它接收信道的數(shù)字取樣組合時，代表從所說機體單個點來的反射波輸出信號在所說并行求和通道中被相應地加在一起，以形成所說射束形成器信號。
8.按照權利要求7的射束形成器，其中所說選擇性相加裝置包括單個加法器，用于每個所說并行接收信道，該加法器通過多路復用裝置和鎖存裝置連接到每個所說并行求和通道；以及所說選擇性相加裝置控制所說多路復用裝置和所說鎖存裝置，以導致從所說一個并行求和通道中的給定的加法器中恢復數(shù)字數(shù)據(jù)取樣，然后將所說數(shù)字取樣加到所說恢復的數(shù)字數(shù)據(jù)取樣上，以形成一個已相加的數(shù)字數(shù)據(jù)取樣，然后將所說相加的數(shù)字數(shù)據(jù)取樣加到所說并行求和通道中跟隨所說給定加法器的位置處。
9.按照權利要求8的射束形成器，其中所說計算裝置確定所說時延，以獲得適當?shù)木劢购?或射束操縱延遲，當所說數(shù)字取樣從所說并行接收信道加到所說并行求和通道中時。
10.按照權利要求6的射束形成器，其中所說并行接收信道每個都包括一個響應于其信道中數(shù)字取樣的數(shù)字存貯裝置，該存貯裝置的數(shù)字取樣的寫入或讀出的一個或兩個被控制，以在所說并行接收信道的數(shù)字取樣信號中建立粗略時延。
11.按照權利要求10的射束形成器，其中所說延遲確定裝置在所說并行接收信道中按照每個所說數(shù)字取樣被加到所說多個并行求和通道中的哪個來確定精確的時延，所說精確時延被量化成所說粗略時延單元的1/N的時間單元，其中N等于并行求和通道數(shù)。
12.按照權利要求10的射束形成器，其中所說并行求和通道包括多個加法器的順序連接并導致相加的數(shù)字取樣增加延遲，當它們由此處理時，所說的數(shù)字存貯裝置被控制以在所說并行接收信道的數(shù)字取樣信號中建立時延，它補償所說增大的時延。
13.按照權利要求5的射束形成器，還包括處理控制裝置，用于提供控制信號，它控制所說延遲確定裝置和所說選擇性相加裝置，因此在所說并行求和通道中控制所說相加數(shù)字數(shù)據(jù)取樣的相加；以及數(shù)據(jù)發(fā)射裝置，響應于所說處理控制裝置，用于提供預定的數(shù)字取樣，按照由所說選擇性相加裝置的控制，它被加到所說并行求和通道中所選擇的一個上，以在所說并行求和通道中產(chǎn)生相加的數(shù)字數(shù)據(jù)取樣；所說處理控制裝置響應于所說并行求和通道中的所說相加的數(shù)字數(shù)據(jù)取樣，以分析所說相加的數(shù)字數(shù)據(jù)取樣并將它們與期望在所說并行求和通道中按照由所說數(shù)據(jù)發(fā)射裝置提供到所說并行求和通道所說預定數(shù)字取樣產(chǎn)生的相加的數(shù)字數(shù)據(jù)取樣進行比較，因此形成所說射束形成器的機內(nèi)測試裝置。
14.按照權利要求13的射束形成器，其中所說機內(nèi)測試裝置被控制，以分別測試每個所說局部射束形成裝置。
15.按照權利要求1的射束形成器，其中用于每個所說并行接收信道的信號處理通道、局部射束形成裝置和用于產(chǎn)生單個局部射束形成信號的濾波裝置都被形成在單個電路板上。
16.按照權利要求1的射束形成器，其中用于每個所說并行接收信道的信號處理通道、局部射束形成裝置和用于產(chǎn)生單個局部射束形成信號的濾波裝置都被形成在單個集成電路中。
全文摘要
按照本發(fā)明的原理，發(fā)明人取得的優(yōu)點基于如下事實，即在一個數(shù)字射束形成器中的數(shù)字硬件操作速度可以通過給數(shù)據(jù)信號提供多相位而降低，然后在N并行求和通道中處理該多相位數(shù)據(jù)。一個內(nèi)插抽選濾波器接收從N并行求和通道來的多相位數(shù)據(jù)，并在其輸出端提供具有減少數(shù)據(jù)速率(1/N)的信號。按照本發(fā)明的技術，用于形成所需射束形成延遲的專用數(shù)字電路的操作速度與常規(guī)反射束形成內(nèi)插方案相比沒有增加；因此有效數(shù)據(jù)率增加了N倍，按照本發(fā)明的原理，該內(nèi)插抽選濾波器在射束形成器的最佳的位置實施，即將它加在接收信道組的局部射束形成之后但在最終射束形成之前的射束形成器處理過程中，該方法允許最終的射束形成簡化并以相當?shù)偷臄?shù)據(jù)速率進行，并允許高速率信號處理被限定到最好是單一類型集成電路線路中，它們被經(jīng)常用于射束形成器中。
文檔編號G01S7/523GK1119894SQ94191606
公開日1996年4月3日 申請日期1994年3月16日 優(yōu)先權日1993年3月26日
發(fā)明者金晉, 姚林新, 佐蘭·班杰寧, 福喜多博, 荻原尚, 川淵正已 申請人:西門子醫(yī)療系統(tǒng)公司, 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社