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Die Erfindung betrifft das Ultraschallabbilden unter Verwendung einer
linearen Wandleranordnung und insbesondere das Abbilden durch die Verwendung einer
solchen Wandleranordnung über einen trapezförmigen Sektor unnfassenden
Abbildungsbereich.
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Bekannte Ultraschallabbildungs-Systeme dieser Art, die ein Sektorenabtasten
unter Ausnutzung einer linearen Wandleranordnung durchführen, umfassen eine lineare
Anordnung von Wandlern, die nacheinadler mit relativ zu einzelnen Wandlern verzögerten
Zeiten aktiviert werden, um einen radialen Abtaststrahl in eine vorbestimmte Riehtung
auszusenden. Die relative Zeitverzögerung der Wandler-Aktivierung wird nacheinander so
variiert, daß der radiale Strahl winkeltförmig über das Sektorabtastfeld gefahrt wird.
Üblicherweise hat dieses Sektorabtastfeld einen Ursprungspunkt, der sich auf der Oberfläche
der Wandleranordnung befindet, sodaß das Nahfeld eine im wesentlichen dreieckige spitze
Form aufweist. Daher ist die Nahfeldweite der Sicht durch diesen Punktquellenursprung des
Sektorenabtastfeldes auf der Oberfläche des Transducers begrenzt.
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Der Stand der Technik beschreibt vielzählige, auf die Verbesserung der
Abtastweite des Nahfeldes gerichtete Lösungsvorschläge. Ein einfacher Lösungsversuch
besteht darin, das Abtasten durch einen wassergefüllten Sack hindurch durchzuführen, um
eine Beabstandung zur Hautoberfläche zu erreichen. Die Wirkung dieses Lösungsvorschlages
ist dadurch gegeben, daß der Feldursprung von der Hautoberfläche wegverschoben und dabei
der dreieckförmige Sektor beschnitten wird, um ein breiteres Sichtfeld auf der
Hautoberfläche zu erzeugen. Dadurch wird aber mit steigender Tiefe die Bildauflösung
beeinträchtigt, da diese Tiefen durch die 3 reite des wassergefüllten Sackes relativ stärker von
den Abtast-Wandlern versetzt sind.
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Bei einem zweiten Lösungsvorschlag wird das konventionelle Abtasten mit
einer linearen Anordnung über das Sektorenzentrum durch Aussenden einer Vielzahl von
Strahlen normal auf die Oberfläche der Anordnung und das Abtasten eines Teiles eines
fächerartigen Sektorfeldes an jedem Ende der Anordnung durchgeführt. Diese Technik
vergrößert auch die Nahfeldaufösung ohne eine Verschlechterung in der
Tiefenschärfenauflösung zu verursachen, die für den ersten Lösungsversuch charakteristisch
ist.
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Ein dritter Lösungsweg ist die Aktivierung der Wandler einer nacheinander
ausgewählten, sich seitlich verschiebenden Gruppe von Wandlern einer linearen Anordnung,
so daß die ausgesendeten Strahlen ein Sektorenabtastfeld bilden, dessen Ursprungspunkt sich
hinter der Wandleranordnung befindet Diese Technik wird im US-Patent No. 4 368 643
beschrieben und stellt eine Verbesserung in der Vereinfachung des für die Verarbeitung der
zurückkehrenden Echosignale in eine visuelle Anzeige notwendigen Abtastwandlers dar. Das
Anzeigeformat wird durch Unterteilen des Winkels der radialen Abtaststrahlen in im
wesentlichen gleichgroße tangentiale Inkremente vereinfacht. Weiters werden die
zurückkehrenden Echodaten mit einer Rate abgetastet, die umgekehrt proportional mit dem
Cosinus des Winkels der radialen Abtaststrahlen variiert. Dadurch wird die gewünschte
Vereinfachung des Abtast-Wandlers durch die vergrößerte Komplexität in der
trigonometrischen Veränderung der Abtastrate ausgeglichen. Zusätzlich wird die seitliche
Auflösung mit ansteigendem Abstand zwischen den radialen Abtaststrahlen relativ zum
Zentrum des Abtastfeldes verkleinert.
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Bezuggenommen wird auch auf die US-A-4 567 897 und die EP-A-0 119 911.
Die gegenständliche Erfindung wird durch die Patentansprüche, im besonderen durch den
Patentanspruch 1, definiert.
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In Übereinstimmung mit dem Grundgedanken der gegenständlichen Erfindung
wird eine lineare Wandleranordnungs-Abtasttechnik beschrieben, in welcher Sendestrahlen
ein trapezförmig geformtes Sektoren-Abtastfeld bilden. Um eine im wesentlichen
gleichmäßige Auflösung über alle Flächen des trapezförmigen Sektorenfeldes zu bieten und
um auf einfache Weise eine Verstärkung der Abbildungsverarbeitung zu erreichen, werden
die Winkel der nacheinanderfolgenden radialen Abtaststrahlen in im wesentlichen gleichen
Winkeldifferenzen relativ zur linearen Anordnung über das Sektorenabtastfeld erhöht. Es
wird Sendefokussieren angewendet, wobei die Sendeapertur durch jene Elemente der
Anordnung bestimt sind, die ein vorbestimmtes Empfindlichkeitskriterium erfüllen.
Zurückkehrende Echosignale werden durch Weiterleitung über Verzögerungsmittel
verarbeitet, die mehrere Abbildungsverslärkungen bieten. Die Verzögerungsmittel erzeugen
relative Verzögerungen von Signalkomponenten, welche durch die einzelnen Wandler in der
Anordnung empfangen werden, um so die zurückkehrenden Echosignalkomponenten in eine
gemeinsame zeitliche Ausrichtung für jeden Abtastwinkel zu bringen. Die
Verzögerungsmittel verhindern bis zum Empfang der Echosignale von zunehmenden Tiefen
den Empfang von Signalkomponenten von seitlich angeordneten Wandlerelementen in der
Anordnung, um die Apertur der Anordnung gemeinsam mit dem Empfang von Echosignalen
aus zunehmenden Tiefen auszudehnen. Dynamisches Fokussieren wird durch die Variation
der Frequenz, bei welcher seitlich angeordnete Echosignale über die Tiefenschärfe abgetastet
werden, erreicht. Durch Aussenden des Strahles und Verarbeiten des rückkehrenden
Echosignals auf diese Weise wird die Nahfeldsichtweite sowie die Abbildungsauflösung bei
zunehmenden Breunweiten verbessert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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Fig. 1 den Ultraschallstrahlverlauf eines erfindungsgemäß abgetasteten
trapezförmigen Sektors;
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Fig.2 das erfindungsgemäße Führen eines ausgesendeten Ultraschallstrahles;
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Fig.3a und 3b das erfindungsgemäße Aussendefokussieren von geführten
Ultraschallstrahlen;
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Fig.4 das Kriterium für die erfindungsgemäße Variation der Apertur einer
Wandleranordnung;
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Fig.5 das erfindungsgemäße Fokussieren und Summieren von empfangenen
Echosignalkomponenten und
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Fig.6 ein Blockdiagramm eines Abbildungs-Strahlbilders, welcher die
Öffnungsweite und das Fokussieren empfangener Echosignale dynamisch variiert.
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In Fig. 1 ist ein lineare Anordnung 10 von einzelnen Wandterelementen
gezeigt. Durch die zeitliche Betätigung von allen Elementen oder Untergruppen der Elemente
der Anordnung 10 werden Ultraschallstrahlen von der Anordnung mit von der
Normalrichtung ansteigenden Winkeln für bei steigenden Abständen vom
Anordnungszentrum ausgehenden Ultraschallstrahlen ausgesendet. Eine Anzahl dieser
Strahlen sind durch 4,6,8,12,14 und 16 gekennzeichnet. Alle diese von der Anordnung 10
ausgesendeten Strahlen würden von einem hinter der Aussendeoberfläche befindlichen
Ursprung O ausgestrahlt erscheinen. Die auf diese Weise abgetastete Fläche stellt eine
Beschneidung der gewöhnlich dreieckförmigen Sektorfläche mit verbesserter Sichtweite im
Nahleld verglichen mit einer Phasenanordnung und einer verbesserten Sichtweite im Fernfeld
verglichen mit einer linearen Anordnung dar. Die abgetastete Fläche ist trapezförmig gezeigt,
wobei die kleinere parallele Seite des Trapezes benachbart zur linearen Anordnung 10 und
die winkeligen Seiten des Trapezes an den seitlichen Enden der Anordnung angeordnet sind.
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Um eine Ultraschallabbildung mit gleichförmiger Auflösung zu erhalten,
werden aufeinanderfolgend angeordnete Ultraschallstrahlen mit Winkeln ausgesendet, die
ausgehend vom Zentrum der Anordnung 10 mit gleichmäßigen Winkeldifferenzen
anwachsen. Wenn zum Beispiel der Ultraschallstrahl 4 in Fig. 1 der zentrale Strahl des
Abtastfeldes ist, wird er mit einem Winkel von 90º relativ zu der Oberfläche der Anordnung
10 ausgesendet. Der benachbarte Strahl 6 in diesem Beispiel wird unter einem Winkel von
90º + dt gesendet, wobei dt eine bestimmte Winkeldifferenz Delta Theta ist. Der nächste
Strahl 8 im Abtastfeld wird unter einem Winkel von 90º + 2 dt ausgesendet. Der Strahl 14
wird unter einem Winkel, der von den Winkeln des Strahles 12 und 16 um dieselbe
Winkeldifferenz dt versetzt ist, ausgesendet.
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Die Aussendung von Ultraschallstrahlen und nachfolgender
Echosignalempfang bei diesen gleichen Winkelzuwächsen erlauben eine weitere
Erleichterung in der Durchführung von Signalverarbeitungs-Abbildungsverbesserungen. Die
auf diese Weise durchgeführte Verschiebung von Signalen erzeugt eine gleichmäßige
Verteilung der Echomformation im r-Θ-Raum über die Abbildung. Obwohl das
Koordinatensystem der Abbildung aufeinanderfolgend von r-Θ-Koordinaten auf X-Y-
Koordinaten eines Abtastwandlers 1 umgewandelt werden kann, ergibt die r-Θ-
Gleichförmigkeit der Abbildungsinformation gleichförmige Resultate, wenn die Information
Verarbeitungsverbesserungen wie Interpolation und räumlicher Filterabtastung unterworfen
wird. Verstärkungseffekte werden unabhängig von der Tietenschärfeänderung in den
Ergebnissen gleichförmig über die Abbildung verteilt sein.
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Fig. 2 zeigt in einem Blockdiagramm eine Formvorrichtung zum Aussenden
einer der winkeligen Strahlen 14 der Fig. 1 Wie durch den Strahlrichtungspfeil 14 angezeigt,
wird die Wellenfront dieses Strahls unter einem Winkel Θ in bezug auf eine Achse, die
normal auf die Oberfläche der Wandleranordnung 10 steht, ausgesendet. Veranschaulichende
Komponenten der ausgesendeten Wellenfront, die durch die einzelnen Wandlerelemente E6,
E8, E10 usw. gestartet werden, sind mit dem Bezuugszeichen 28 gekennzeichnet. Um die
Wellenfront 28 in diese Richtung auszusenden, ist es notwendig, die Zeiten, zu denen die
jeweiligen einzelnen Wandler der Anordnung betätigt werden, anwachsend zu staffeln. Das
hat das Starten der Wellenfront bei einem Winkel zur Wandleranordnung zur Folge, der eine
Funktion des Betrages von der Verzögerungszeit zwischen Sendebetätigungen Von
benachbarten Elementen ist. Im Äusführungsbeispiel von Fig.2 sendet ein Controller 1
Pulsar-Betätigungssignale über die Verzögerungsleitungen DL1 bis DL5. Zur Aussendung in
der Richtung des Pfeiles 14 steigen die Längen der jeweiligen Verzögerungsleitungen
zunehmend von DL5 bis DL1 an. Diese Zeiten sind durch die jeweiligen Positionen der
Pulsar-Aktivierungssignale w5 bis w1 dargestellt. Das Pulsaranregungssignal w5 betätigt
Pulsar P5, der wiederum das Wandlerelement E6 anregt. Danach werden die
Pulsarbetätigungssignale w4 bis w1 aufeinanderfolgend die Pulsare P4 bis P1 betätigen,
wobei die Transducer E8 bis E14 angeregt werden. Durch selektive Staffelung der
Verzögerungen der Verzögerungsleitungen wird eine abseits der Achse gerichtete
Wellenfront-wie bei 28 gezeigt - als ein Vereinigtes Ergebnis der Anregung der einzelnen
Wandlerelemente E6 bis E14 ausgestrahlt
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Zusätzlich zum Führen des Strahles in die passende Richtung, wie es in Fig. 2
gezeigt ist, ist es für eine höhere auflösende Abbildungsauflösung bei einer interessierenden
speziellen Tiefe wünschenswert, den Strahl bei einer ausgewählten Tiefe entlang des
Strahlweges zu fokussieren. Fig.3a zeigt eine Technik zum Fokussieren des in die Richtung
14 ausgesendeten Strahles auf einen Brennpunkt 22. Bei Anmahme einer bestimmten
Schallgeschwindigkeit in einem bestimmten akustisches Medium und bei Kenntnis des
Winkels Θ&sub1;&sub4;, des Abstandes vom Ursprung O zum Brennpunkt 22 und dem Element-
Zwischenabstand X, sind die Abstände von den jeweiligen Wandlerelementen zum
Brennpunkt 22 bestimmt. Zwei dieser Abstände a&sub1;&sub0; und b&sub6; sind in Fig.3 für die Elemente
E10 und E6 gezeigt. Durch Kenntnis der Abstände von den Wandlerelementen zum
Brennpunkt und der Schallgeschwindigkeit im akustischen Medium, wird die Laufzeit des
Ultraschalls von den jeweiligen Wandlerelementen zum Brennpunkt 22 bestimmt. Die
Laufzeitunterschiede zwischen den Elementen werden durch die Auswahl der Längen der
Verzögerungsleitungen DL1-D15 bei der Anregung der Wandlerelemente berücksichtigt, um
die Fokussierung des geführten Strahls im Bereich des Brennpunktes 22 hervorzurufen. Wenn
es erwünscht ist kann der Abbildungssektor mit verschiedenen Brennpunkten entlang des
Ultraschallstrahlweges 14 wiederholt abgetastet werden, um eine auf verschiedene
Tiefenschärfen fokussierte Abbildung zusammenzustellen.
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Fig. 3a zeigt den vom Wandleranordnungselement E10 ausstrahlenden
Ultraschallstrahl 14, welcher sich im Zentrum der Apertur des Strahles 14 befindet. Mit
Bezugnahme auf die Diskussion der Fig.2 ist es verständlich, daß das Wandlerelement E6,
falls es in der Apertur von Strahl 14 beinhaltet ist, aufgrund der erhöhten Laufzeit von Weg
b&sub6; im Vergleich mit der des kürzeren Weges a&sub1;&sub0; zu einem Zeitpunkt vor der Anregung des
Elementes E10 angeregt wird. Es wird jedoch als Zeitmarkierung zur Aussendung des
Ultraschallstrahles 14 der Zeitpunkt der Anregung des effektiven zentralen Elements E10 in
Fig.3a genommen, obwohl das zentrale Element nicht als erstes aktiviert wird.
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In einer ähnlichen Weise ist die Aussendung und das Fokussieren des nächsten
benachbarten Ultraschallstrahles 16 der Abtastfläche in Fig. 3b dargestellt. Der Strahl 16 wird
unter einem Winkel Θ&sub1;&sub6; ausgesendet, der gleich Θ&sub1;&sub4; + dt ist. Wenn der Strahl 16 um den
Punkt 22' fokussiert wird, werden der Abstand vom effektiven Ursprung O zum Brennpunkt
22', der Abstand X zwischen den Elementen und der Winkel Θ&sub1;&sub6; zum Bestimmen der
Abstände a'&sub1;&sub0; und b'&sub6; von den aktiven Wandlerelementen zum Brennpunkt 22' verwendet
und die Ultraschallgeschwindigkeit des Mediums zum Bestimmen entsprechender Laufzeiten
verwendet. Auf diese Weise wird eine Datentabelle von Laufzeiten und Laufbrennweiten für
die zum Aussenden aller Ultraschallstrahlen des Abtastfeldes verwendeten Wandlergruppen
zusammengestellt.
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Weiters befindet sich das effektive zentrale Element des Strahles 16 in Fig. 3b
zwischen den Elementen E10 und E12. Für dieses Beispiel ist die Zeitmarkierung für den
Start des Ultraschallstrahls 16 weder die Betätigungszeit des Elementes E10 noch des
Elementes E12, sondern eine berechnete Zeit zwischen zwei Aktivierungszeiten.
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Um die Höhe des Rauschens in der Sektorenabbildung zu verringern, werden
Seitenkeulen-Effekte durch zunehmendes Verbreitern der Aperturen der Wandler bei
zunehmender Tiefenschärfe reduziert Daher werden im Nahfeld nur wenige Elemente zum
Erzeugen der geführten und fokussiertep Wellenfront verwendet, während im Fernfeld eine
größere Anzahl von Wandlerelementen eingesetzt werden. Das Kriterium zum Bestimmen
der Anzahl von in der Apertur eingesetzen Elementen bei jeder Tiefenschärfe ist durch die
Empfindlichkeitscharakteristik der jeweiligen Wandler gegeben. Jedes einzelne
Wandlerelement der Anordnung hat seine eigene Antennencharakteristik, die öfters auch als
die Element-Empfindlichkeitscharaktersik bezeichnet wird, die nicht richtungsunabhängig
ist und im allgemeinen Signale aus einer Richtung normal zum Wandler bevorzugt. Drei
beispielhafte Empfindlichkeitscharakteristika A8, A14 und A20 sind für die betreffenden
Wandlerelemente E8, E14 und F20 in Fig.4 gezeigt. Die Berandung jeder
Empfindlichkeitscharakterisitik bedeutet ein konstantes Niveau reduzierter Empfindlichkeit
relativ zur Spitzenempfindlichkeit für jedes der entsprechenden Wandlerelemente. In diesem
Beispiel ist zu sehen, daß der Punkt 23 auf dem Ultraschallstrahl 14 innerhalb der Berandung
der Empfindlichkeitscharakteristika A8 und A14 für die betreffende Elemente E8 und E14
ist. Der Punkt 23 ist hingegen nicht innerhalb der Empfindlichkeitscharakteristik des
Elementes 20, sodaß die Elemente E8 und E14 aber nicht das Element E20 zum Fokussieren
des Strahies 14 auf den Brennpunkt 23 eingesetzt werden würde. Der Punkt 25 ist jedoch
innerhalb der gleichförmigen Empfindlichkeitsberandungen aller drei
Empfindlichkeitscharakteristika A8, A14 und A20. Daher wären, wenn der Strahl 14 auf
einen Punkt 25 fokussiert ist, alle Elemente E8, E14 und E20 sowie die dazwischenliegenden
Wandlerelemente in der Strahlöffnung eingeschlossen.
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Eine andere Technik für das Durchführen derselben Bestimmung von in die
Apertur einzuschließenden Elementen zum Fokussieren bei Punkt 23 besteht darin, die
Empfindlichkeit von einzelnen Wandlerelementen in der Anordnung für vom Punkt 23
ausgehende Signale in einem vorbestimmten akustischen Medium zu bestimmen. Jene, die
innerhalb eines Bereiches von Empfindlichkeitsniveaus unterhalb einer gegebenen Schwelle
fallen, wie etwa 6dB unterhalb der Signalstärke des dem Brennpunkt am nächsten liegenden
Wandlers, würden in der Öffnungsweite für den Punkt 23 verwendet werden. Bei
zunehmenden Tiefenschärfen würden de relativen Abstände in Empfindlichkeit zwischen
benachbarten Wandlern abnehmen und somit würde eine zunehmende Anzahl von Wandlern
in der Öffnung für vergrößerte Fokustiefe verwendet werden.
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Bei Empfang der in Fig. 1 gezeigten, von der Aussendung in Strahlrichtung
resultierenden Echos tritt eine Umkehr von einigen der Aussendebedingungen und
Ansprechempfindlichkeiten auf. Fig. 5 zeigt eine zurückkehrende Echowellenfront 28', die
zur Wandler-Anordnung 10 in einer durch Pfeil 34 gezeigten Richtung zurückkommt. Wie in
Fig. 5 gezeigt, wird diese Wellenfront das Wandlerelement E5 zuerst erreichen, dann
aufeinanderfolgend bei den Elementen E7 bis E13 ankommen und durch diese detektiert
werden. Die empfangenen Echosignal-Komponenten werden durch mit 50 gekennzeichnete
Verstärker verstärkt und durch betreffende, mit DL1 bis DL7 gekennzeichnete
Verzögerungsleitungen verzögert. Die Längen der betreffenden Verzögerungsleitungen
werden durch das Zeit- und Steuer-Subsystem 54 gesteuert. In diesem Beispiel würde die
Verzögerungsleitung DL5 die längste verwendete Verzögerungsleitung sein, um die
Echosignal-Komponenten des Winkelstrahles 34 in zeitliche Übereinstimmung zu bringen,
wobei die Verzögerungsleitungen DL3, DL1, DL2 und DL4 zunehmend kürzer in der Länge
sind, um die Komponenten des durch die Elemente E5 bis E13 empfangenen Echos 28' zu
fokussieren. Wenn die Verzögerungsleitungen passend gestaffelt sind, werden
Signalkomponenten am Ausgang der Verzögerungsleitungen in Zeitsynchronisation erzeugt
und konstruktiv durch den Summierer 52 summiert. Die von ansteigenden Tiefenschärfen
zurückkehrenden Echos entlang der Strahlrichtung 34 werden durch den Leitungsprozessor
verarbeitet und durch den Abbildungsspeicher 56 gespeichert und in weiterer Folge auf der
Abbildungsanzeige angezeigt.
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Wie im Sendefall, werder zurückkehrende Echos fokussiert und die Apertur
der Anordnung während des Echoempfangs gemäß den Tiefen der zurückkehrenden Signale
variiert. Im Gegensatz zum Sendemodus, werden jedoch das Empfangsfokussieren und die
Apertur dynamisch variiert, da Echos vom Nah- bis zum Fernfeld empfangen werden.
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Fig. 6 zeigt in Form eines Blockdiagrammes eine Implementation der
Empfangsanordnung von Fig 5, die empfangene Echosignalkomponenten über die volle
Tiefenschärfe fokussiert, während sie die Apertur der Wandleranordnung variiert. Die
einzelnen Elemente E1 bis En der Wandleranordnung sind mit Verzögerungsleitungen von
angemessener Länge mittels individueller Empfänger-Verstärker 50 der betreffenden
Verzögerungsleitungen verbunden. Die Verstärkungscharakteristika der Empfänger-
Verstärker 50 kann durch ausgewählte Zeitverstärkungssteuersignale geformt werden, wie es
bei den TGC-Eingängen der Empfänger-Verstärker gezeigt ist. Fig. 6 zeigt drei der
Verzögerungsleitungswege der Empfängranordnung, jedoch ist dies so zu verstehen, daß es
so viele Verzögerungsleitungswege wie Elemente in der Wandleranordnung 10 gibt.
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Die durch die Empfängerverstärker 50 empfangenen Echosignalkomponenten
werden durch betreffende Analog/Digital-Wandler 70,72 und 74 digitalisiert und die
digitalisierten Signalabtastungen werden in die Welligkeits-Eingangsstufen über Register-
Verzögerungsleitungen 80,82 und 84 von den Verzögerungen angemessener Länge
geschoben, um zu den betreffenden Echokomponenten zugeteilt zu werden. Die Längen jedes
Verzögerungsleitungsregisters muß zumindest von ausreichender Länge sein, um die
maximale für das zugehörige Wandlerelement während irgendeines Abtastvorganges
erforderliche Verzögerungszeitspanne zu gewährleisten. Die Länge der
Verzögerungsleitungen sind eine Funktion der Laufzeitdifferenzen der
Echosignalkomponenten von den verschiedenen Punkten der abgetasteten Fläche zu den
betreffenden Wandlerelementen. Die Verzögerungszeitspanne einer bestimmten
Verzögerungsleitung 80, 82 oder 84 ist, mit Rücksicht auf den maximalen Winkels Θmax,
unter dem Strahlen geführt werden, und auf die maximale Öffnungweite, durch die
Startzeiten der Echosignalabtastung und durch die Frequenz, bei der die digitalisierten
Abtastungen in die oder aus der Verzögerungsleitung getaktet werden, bestimmt. Die für
jedes Wandlerelement erforderliche Verzögerungszeitspanne kann durch die für das
Fokussieren und das Führen erforderliche Verzögerung analysiert werden. Im allgemeinen
erfordert das zentrale Element des Bereiches die größte Fokussierverzögerung, während
seitlich angeordnete Elemente in Abhängigkeit ihres Abstandes vom zentralen Element
weniger Verzögerungen erfordern. Für Führungsverzögerungen erfordet das am meisten
seitlich angeordnete Element in Führungsrichtung die größte Verzögerung und das am
meisten seitlich angeordnete Element in der entgegengesetzten Richtung zur
Führungsrichtung erfordert die kürzeste Führungsverzögerung. Da die
Führungsverzögerungen im allgemeinen in der Höhe überwiegen sind die erforderlichen
Verzögerungen generell am größten für seitliche Elemente und am kleinsten für das zentrale
Element. Das ist das in Fig 6 verkörperte Prinzip, in welchem das Register der
Verzögerungsleitungen 80 für das Element E9 in der Länge kürzer ist als jene der
Verzögerungsleitungen 82 und 84, die zu den mehr seitlich angeordneten Elementen E8 und
E7 zugehörig sind. Für ein weites Sichtfeld sind Verzögerungen bis zu 80 bis 100
Mikrosekunden erwünschenswert.
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Die betreffenden Analog/Digital-Wandler und die Eingangsstufen zu den
Verzögerungsleitungen 80,82 und 84 sind durch die Zeitsignale CF&sub5;, CF&sub6; und CF&sub7; getaktet,
welche im zentralen Controller 88 erzeug werden. Um die empfangenen Echos über die volle
Tiefenschärfe zu fokussieren, ist es notwendig das zeitliche Verhältnis der vorgenommenen
Abtastungen unter den betreffenden Elementen der Apertur, dynamisch zu verändern. Dazu
sei mit bezug auf Fig. 6 der Zustand betrachtet, bei dem die Aperturelemente E1 -En auf die
Spitze des Strahlpfeiles 35 fokussiert werden sollen. In diesem Fall ist der Abstand und daher
die Laufzeit des Schalls vom Brennpunkt zum zentralen Element E8 viel kleiner als die
Abstände vom Brennpunkt zu jedem der seitlich angeordneten Elemente E1 oder En. Aber da
die Anordnung mit zunehmender Tiefenschärfe fokussiert wird, geht diese relative
Ungleichheit der Abstände zurück. Beipielsweise ist die Ungleichheit der Abstände vom Ende
des Strahlpfeiles 35 zu den Elementen E1, E8 und En prozentuell wesentlich geringer. An
einem unendlichen Brennpunkt wären selbstverständlich alle Ultraschallweglängen gleich.
Um diesen sich ändernden Ungleichheiten Rechnung zu tragen und daher die
Wandleranordnung kontinuierlich während des Echoempfanges zu fokussieren. werden die
Abtastfrequenzen von ausgewählten Analog/Digital-Wandlern kontinuierlich verändert. Da
bei nahen Brennpunkten die Abstände zu den seitlich entfernten Elementen der Apertur viel
größer als der Abstand zum zentralen Element der Apertur ist, aber sie sich dem Abstand zum
zentralen Element der Apertur mit zunehmendem Bereich annähern, ist es notwendig, die
Echos in Übereinstimmung nut dem Abnehmen der Abstandsungleichheit abzutasten. Dies
wird durch das Abtasten der seitlich entfernten Elemente bei höheren Frequenzen und durch
Verringern der Abtastfrequenzen bei steigender Brennweite erreicht. Die Frequenzen der
Taktsignale CF&sub5;, CF&sub6; und CF&sub7; nehmen von betreffenden höheren Frequenzen für
Nähfeldfokus ab und nähern sich auf kontiniuerlich verändernder Basis mit zunehmender
Fokustiefe an eine vorbestimmte niedrige Frequenz an. Vorzugsweise nähern sich die
unterschiedlich variierenden Taktfrequnezen im Fernfeld an einen Nennwert an, der im
Bereich von 10 - 30 Mhz liegt. Die Taktsignale, die den seitlich angeordneten
Wandlerelementen der Öffnung zugehörig sind die in einem größeren räumlichen Abstand
zum anfänglichen Brennpunkt liegen, werden Anfangs-Taktfrequenzen aufweisen, die höher
als die Frequenzen der dem Brennpunkt näher gelegenen Wandlerelementen sind.
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Beim Eintakten der Echosignalabtastungen in die Verzögerungsleitungen 80,
82 und 84 breiten sich die Abtastungen sehr rasch durch die Zwischen- Zentralregister aus
und sammeln sich in ihrer Abtastfolge am Ende der Register an. Die Signalabtastungen
werden dann in Zeitsynchronistion mit Ausgangstaktsignalen IC&sub5;, IC&sub6; und IC&sub7; aus den
Verzögerungsleitungen ausgetaktet. Die Ausgangsstufen der Verzögerungsleitungen werden
daher normalerweise in Synchronisation durch die Ausgangstaktsignale getaktet und die
Abfolge von Signalabtastugen in den zentralen Registern wird beim Austakten der
Signalabtastungen aus den Verzögerungsleitungen kontinuierlich zu den Ausgangsstufen
ausgebreitet. Die simultan getakteten Ausgangsignalkomponenten der Verzögerungsleitungen
80,82 und 84 werden kohärent durch Addierer in einem Summiernetzwerk 52 summiert und
die summierten Signale dann zum Leitungsprozessor und Abbildungsspeicher 56 zur Anzeige
auf der Anzeige 58 gesendet.
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Zusätzlich zum synchronen Takten der verzögerten Echosignal-Komponenten
aus den Ausgangsstufen der Verzögerungsleitungen 80, 82 und 84 steuern die
Ausgangstaktsignale auch die dynamische Variation der Empfangsapertur. Die Anzahl von in
der Empfangsapertur verwendeten Wandlerelementen variiert von einer kleinen Anzahl
anfänglich bis zu einer großen Anzahl im Fernleld, in Übereinstimmung mit der Anzahl von
ein Empfindlichkeitskriterium erfüllenden Wandlern bei verschiedenen Brennpunkten, wie in
Fig. 4 dargestellt Daher wird der Zeitpunkt, zu dem seitlich entfernte Elemente vom
Strahlzentrum zur aktiven Öffnungsweite beizutragen beginnen, solange verzögert, bis eine
empfindlichkeitsbestimmte Brennweite erreicht wird, wobei sie zu diesem Zeitpunkt zu der
Apertur hinzu addiert werden. Der zentrale Controller 88 verzögert die Zeiten, bei welchen
die Eingangs- und die Äusgangsstufen der Verzögerungsleitungen der seitlich entfernten
Wandlerelemente der Apertur abzutasten beginnen und erzeugt daher verzögerte
Ausgangssignale zur Summation mit den anderen Komponenten der Öffnung. In einem
konstruierten Ausführungsbeispiel kann eine maximale Verzögerung von bis zu 340
Mikrosekunden erreicht werden, bevor ein betreffendes Wandlerelement an der
Signalsummation teilnimmt. Die Empfangsapertur ist mit Zunahme der Tiefenschärfe
aufgeweitet, da die Signalkomponenten von seitlich mehr versetzten Elementen zum
kohärenten Signal addiert werden. Dies hält eine im wesentlichen konstante seitliche
Auflösung über den Abbildungsbereich aufrecht.