DE2854134A1

DE2854134A1 - Schaltungsanordnung zum herstellen von abbildern eines koerpers

Info

Publication number: DE2854134A1
Application number: DE19782854134
Authority: DE
Inventors: Samuel H Maslak
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1977-12-20
Filing date: 1978-12-15
Publication date: 1979-06-21
Also published as: FR2412854A1; DE2854134C2; US4140022A; JPS6227608U; GB2097924A; JPH0127769Y2; GB2010482A; FR2412854B1; GB2010482B; GB2097924B; US4140022B1; JPS5496286A; JPS5816892B2

Description

PATENTANWALT D-^261 Gechingen/Bergwald

Lindenstr. 16

DIPL-ING. KNUD SCHULTE _Telefon: ,oyrau^y.

Patentanwalt K. Schulte, Lindenstr. 16, D-7261 Gechingen

8. Dezember 1978 Hewlett-Packard Company

SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM HERSTELLEN VON ABBILDERN EINES KÖRPERS

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In den vergangenen Jahren wurde der Entwicklung von Ultraschallsystemen zum Erzeugen von Realzeit-Abbildern von Teilen innerhalb des menschlichen Körpers große Aufmerksamkeit geschenkt. Bei einem derartigen System wird eine Anordnung von Meßumformern in Kontakt mit dem Körper gebracht, welche kurze Impulse elektrischer Wechselstrom-Trägerwellen in entsprechende Druckwellen umformen.

Durch die Wahl des Tastverhältnisses der den Meßumformern zugeflihrten Impulse der elektrischen Trägerwellen können die Druckwellen für jeden Impuls in einen Strahl umgeformt werden, der sich in irgendeine gewünschte Richtung erstreckt, und die Strahl richtung kann geändert werden, um wirksam einen Sektor abzutasten. Wenn die Druckwellen-Impulse durch den Körper gelangen, wird ein Teil ihrer Energie reflektiert, sobald sie auf Gewebe mit anderen akustischen Eigenschaften auftreffen. Es ist eine Anordnung von Aufnahme-Meßumformern vorgesehen, um die reflektierten Druckwellen in entsprechende elektrische Wellen umzuformen.

Zur genauen Fokussierung der Anordnung der Empfangselemente an einem gegebenen Punkt ist es erforderlich, daß jede der wenigen Perioden

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der Wechselstromwellen, die durch jeden der Meßumformer von einem Impuls von Druckwellen abgeleitet sind, die von diesem Punkt reflektiert sind, zeitlich synchron am Summierungspunkt überlagert wird, so daß die Impulse genau ausgerichtet sind. Dadurch kommt es zu einer Signal verstärkung, wogegen Reflexionen von Druckwellen von anderen Punkten schwache Signale erzeugen, da die entsprechenden elektrischen Wellen am Summierungspunkt mit zufälligen Phasen auftreten. Da die Abstände zwischen irgendeinem gewünschten Fokussierungspunkt und den verschiedenen Aufnahme-Meßumformern verschieden sind, treten die Reflexionen an den Meßumformern zu verschiedenen Zeitpunkten auf. Es ist daher erforderlich für eine genaue Fokussierung, daß Ausgleichsverzögerungen zwischen jedem Meßumformer um den Summierungspunkt eingeführt werden, so daß die Gesamtzeit zwischen Reflexionen einer Druckwelle am Fokussierungspunkt und dem Eintreffen der entsprechenden elektrischen Welle am Summierungspunkt die gleiche ist, unabhängig davon, welcher Meßumformer betroffen ist. Die Ausgleichsverzögerungen können verändert werden, so daß der Fokussierungspunkt dynamisch von einem Minimalbereich zu einem Maximal bereich entlang jeder Richtung der ausgesendeten Impulse abgetastet wird.

Bei einigen Anordnungen werden die Änderungen der Ausgleichsverzögerungen erreicht, indem die Anschlüsse an Verzögerungsleitungen geändert werden.

Die Verzögerungsleitungen können nicht mehr als einen kleinen Bruchteil der Periode einer Trägerwelle phasenmäßig entfernt sein, wenn die Perioden der Trägerwellen am Summierungspunkt näherungsweise in Phase auftreten sollen. Soweit die Gesamtänderung der Ausgleichsverzögerung für einige Meßumformer, die vom Minimal bereich zum Maximalbereich und vom minimalen Sektorwinkel zum maximalen Sektorwinkel geändert werden, gleich vielen Perioden der Trägerwelle ist, wird die Anzahl der erforderlichen Anschlüsse groß. Bei den verwendeten Trägerfrequenzen kann nur die relativ teuere elektrische Verzögerungsleitung wegen der erforderlichen Bandbreite verwendet werden, und die Anordnung einer großen Zahl von Anschlüssen an einer solchen Art von Leitung ergibt einen wesentlichen Anteil der Kosten des Gesamtgerätes.

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Von gleicher Bedeutung ist die Tatsache, daß, falls nicht teuere Schalter zur Änderung der Anschlüsse verwendet werden, die beim Schalten entstehenden Übergangssignale ein beträchtliches Rauschen in den Signalen erzeugen, die am Summierungspunkt auftreten, und damit auch in dem von diesen erzeugten Abbild.

Die genannten Probleme bezüglich der Kosten und des beim Schalten entstehenden Rauschens werden um so größer, desto mehr die Trägerfrequenz für eine bessere Definition erhöht wird, die Apertur der Anordnung für eine bessere Fokussierung erhöht wird, oder der Minimal bereich erniedrigt wird, um die Untersuchung von Babys zu ermöglichen.

Durch die gekennzeichneten Merkmale des Anspruchs 1 wird in Verbindung mit einer Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff gegenüber jeder der beschriebenen Schaltungsanordnungen die Aufgabe gelöst, daß die erforderlichen Zeitverzögerungen in schaltungstechnisch einfacherer Weise erzeugt werden.

Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft bei der Fokussierung im Nahbereich. Anstelle der dynamischen Fokussierung einer Anordnung von Meßumformern von einem minimalen zu einem maximalen Bereich in jeder einer Vielzahl von Richtungen, durch Änderung der entsprechenden Ausgleichsverzögerungen bei Änderungen in der Verbindung von einem Anschluß einer dicht benachbarten Verzögerungsleitung zu einer anderen, wird die dynamische Fokussierung erfindungsgemäß erreicht, indem die Phase der von jedem Meßumformer abgeleiteten Wechselspannungswellen derart geändert wird, daß die auf jeden Fokussierungspunkt bezogenen Wellen am Summierungspunkt mit annehmbarer Phasenkohärenz antreffen. Es ist lediglich erforderlich, daß die Anschlüsse der Verzögerungsleitungen nahe genug zueinander angeordnet sind, um eine zweckmäßige Überlappung der Impulse der Wechsel Spannungswellen am Summierungspunkt zu erreichen, die von den verschiedenen Meßumformern abgeleitet sind. Der Abstand der Anschlüsse kann viel größer sein, als es einem kleinen Bruchteil der Periode einer Wechselspannungswelle entspricht. Es hat sich ein Abstand als vorteilhaft herausge-

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stellt, der einer Verzögerung entspricht, die etwa die Hälfte der Dauer eines Impulses ist. Auch sind für irgendeinen Meßumformer nur ein oder höchstens einige Anschlußstellungen erforderlich bei der Abtastung von einem minimalen zu einem maximalen Bereich, so daß das Auftreten von Störsignalen beim Umschalten der Anschlüsse praktisch ohne Wirkung bleibt.

Die Phasenänderung kann erreicht werden durch Phasenschieber, die an einem Punkt zwischen jedem Meßumformer und dem Summierungspunkt eingesetzt werden. Vorzugsweise wird die Phasenänderung einfächer und mit weniger Kosten erreicht durch entsprechende Oberlagerung der Trägerwellen von jedem Meßumformer mit Oszillator-Ausgangssignalen verschiedener Phasenlage, welche derart ausgewählt sind, daß die Anordnung an einem Punkt fokussiert wird, und die ausgewählten Phasen werden derart geändert, daß die Anordnung auf nachfolgende Punkte in einer gegebenen Richtung fokussiert wird.

Die daher von jedem Meßumformer abgeleiteten Zwischenfrequenzwellen werden einem der grob abgestuften Anschlüsse auf einem System von Verzögerungsleitungen zugeführt, dessen Verzögerung derjenigen am nächsten kommt, welche zur genauen Fokussierung des Meßumformers erforderlich ist. Bei einem Überlagerungssystem können der Oszillator und die Einrichtung zur Auswahl der Phase digital und damit weniger kostspielig und mit Rauschen behaftet sein, als analoge Oszillatoren und Phasenwähler.

Durch die Auswahl der Frequenz des Oszillators kann der Frequenzbereich eines der Zwischenfrequenz-Seitenbänder der Mischerausgänge tief genug sein, um die Verwendung von billigeren elektrischen Verzögerungsleitungen zu gestatten, oder hoch genug sein, um die Verwendung von akustischen Oberflächen-Verzögerungsleitungen zu gestatten, welche viel weniger als eine elektrische Verzögerungsleitung kosten. Bezüglich der akustischen Oberflächen-Verzögerungsleitung vereinfacht die Verwendung von Anschlüssen in größeren Abständen die Auslegung der Schaltungsanordnung, da weniger Anschlüsse störende Reflexionen hervorrufen. In jedem Fall muß der Phasenwinkel jedes Oszillators aus noch zu erläuternden Gründen einen Anteil haben, der die Tatsache kompensiert, daß die durch die grob abgestufte Verzögerungsleitung erzeugte Verzögerung nicht derjenigen entspricht, die

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zur genauen Fokussierung erforderlich ist. Weiterhin muß der Phasenwinkel einen Anteil haben, der berücksichtigt, daß die überlagerung vor den Verzögerungsleitungen erfolgt.

Es ist also ein besonderer Vorteil, daß verschiedene Arten von Verzögerungsleitungen verwendbar sind. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß es zur Verwendung einer anderen Trägerfrequenz lediglich erforderlich ist, die Oszillatorfrequenz zu ändern.

Es sind viele Systeme für überlagerungsverfahren entsprechend der Erfindung verwendbar. Bei einigen können eine doppelte überlagerung und/oder inkrementale Verzögerungsleitungen verwendet werden. Bei anderen kann der Ausgang jedes Meßumformers mit dem Ausgangssignal des Oszillators mit komplementärer Phase überlagert werden, bevor das Signal getrennten Verzögerungsleitungen zugeführt wird. Bei den bevorzugten Anordnungen werden vorzugsweise die Ausgangssignale jedes Meßumformers vor den Verzögerungsleitungen umgeformt, die Phase der durch überlagerung erzeugten Zwischenfrequenzwellen gesteuert und die von jedem Meßumformer abgeleiteten Zwischenfrequenzwellen nur einer oder höchstens einigen grob abgestuften Anschlüssen auf einer Verzögerungsleitung während der fokalen Bilderzeugung entlang jeder Richtung zugeführt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

Fig. 1 schematisch eine Ultraschall anordnung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 schematisch eine Anordnung und Liniendiagramme zur dynamischen

Fokussierung gemäß dem Stand der Technik, Fig. 3 eine Anordnung und Liniendiagramme zur dynamischen Fokussierung unter Verwendung von Phasenschiebern,

Fig. 4 eine Anordnung und Liniendiagramme zum dynamischen Fokussieren durch überlagerung,

Fig. 5A schematisch einen Meßumformerkanal gemäß dem Stand der Technik, Fig. 5B schematisch einen Meßkanal gemäß der Erfindung mit einer

idealen Verzögerung,

Fig. 5C und 5D schematisch Meßkanäle gemäß der Erfindung mit ungenauen Verzögerungswerten,

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Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der zeitlichen Veränderung der Verzögerung bei verschiedenen Meßumformern, wenn diese in einer Richtung von +45 bezüglich der Mittellinie einer Anordnung fokussiert werden, Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Teiles eines Ultraschallsystemes, in welchem das überlagerungsverfahren verwendet wird, um die Trägerfrequenz zu ändern und eine Phasenkohärenz herbeizuführen,

Fig. 7A schematisch eine Anordnung zur Verwendung einer akustischen Verzögerungsleitung in Fig. 7,

Fig. 8 schematisch einen Abschnitt eines Ultraschall systemes, bei welchem ein Überlagerungsverfahren verwendet wird und die Phase der Zwischenfrequenz geändert wird durch Phasenschieber,

Fig. 9 schematisch ein Ultraschall system, bei welchem eine komplementäre Phasentechnik verwendet wird,

Fig. 10 schematisch eine Anordnung zur zweifachen Signalüberlagerung und

Fig. Π eine Anordnung zur zweifachen Signalüberlagerung mit einer inkremental en Verzögerungsleitung.

Zur Erläuterung der maßgeblichen Gesichtspunkte wird zunächst ausgegangen von einem herkömmlichen Ul traschall system gemäß Fig. 1. Es enthält eine ebene Anordnung 2 aus Meßumformern, welche zur übertragung akustischer Impulse und zu deren Aufnahme verwendet werden kann. Es ist eine Gruppe 4 von Verzögerungsleitungen vorgesehen, von denen jeweils ein Ende mit einem anderen Meßumformer und einem Anschluß verbunden ist, der wiederum mit einem Summierungspunkt S verbunden ist. Die Anordnung 2 ist im Kontakt mit einem Körper 6 dargestellt, der ein inneres Organ 0 enthält, welches geprüft werden muß. Mittels einer nicht-dargestellten Einrichtung werden elektrische Wellen mit einigen Perioden und einer Trägerfrequenz w den Meßumformern derart zugeführt, daß diese Impulse aus Ultraschallwellen der Trägerfrequenz w in den Körper 6 übertragen. Die zeitliche Relation, in welcher die Meßumformer oer An-

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Ordnung 2 betätigt werden, bestimmt die Richtung und die Gestalt der Wellenfront des Strahls akustischer Energie, welche dadurch in den Körper gestrahlt wird. Wenn beispielsweise die Meßumformer der Anordnung 2 nacheinander und mit dem bodensei ti gen Meßumformer beginnend betätigt werden, kann der Strahl in einer Richtung mit dem Winkel Θ bezüglich der Mittellinie der Anordnung ausgesendet werden, so daß der Hauptteil der akustischen Energie in der Form einer Welle mit einer ebenen Wellenfront sich von der Anordnung 2 zwischen unterbrochenen Linien 10 und 12 wegbewegt. Statt einen Strahl akustischer Energie zu bilden, wäre es möglich, die Meßumformer derart zu betätigen, daß die Welle akustischer Energie eine gekrümmte Wellenfront hat. Bezüglich der Erfindung ist indessen die Art und Weiseln welcher akustische Energie in den Körper 10 übertragen wird, nicht ausschlaggebend.

In dem dargestellten Beispiel, bei dem ein Puls akustischer Energie in den Körper 6 mit einem Winkel θ übertragen wird, wird die empfangende Anordnung 2 nacheinander an Punkten f-,, fp, f₃ und f* fokussiert, bis ein maximaler Bereich erreicht wird. Dann wird ein anderer Impuls in einer geringfügig verschiedenen Richtung übertragen, und die Anordnung wird progressiv entlang dieser neuen Richtung fokussiert. Das Verfahren wird dann wiederholt, bis ein gewünschter Sektor abgetastet worden ist. Wenn die reflektierten Impulse akustischer Trägerwellen die Meßumformer erreichen, erzeugen sie entsprechende Impulse elektrischer Trägerwellen, die am Summierungspunkt S addiert werden, nachdem jeder Impuls in geeigneter Weise durch eine der Verzögerungsleitungen 4 verzögert worden ist. Die Spannung am Summierungspunkt S wird verwendet, um die Intensität des Elektronenstrahls an der Kathodenstrahlröhre zu modulieren. Der Strahl der Kathodenstrahlröhre wird derart abgelenkt, daß er radialen Wegen entsprechend den verschiedenen Richtungen folgt, die durch den Fokussierungspunkt der Anordnung abgetastet werden.

Eine perfekte Fokussierung erfordert, daß alle Zyklen der Träger-

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welle der Impulse elektrischer Wellen von allen Meßumformern am Summierungspunkt genau in Phase eintreffen. Die Verzögerung T. (t), welche zur genauen Fokussierung jedes Meßumformers einer ebenen Anordnung erforderlich ist, kann definiert werden als die Verzögerung, welche ein Ausgangssignal X(t-T. (t)) erzeugt, wenn ein Signal X(t) dessen Eingang zugeführt wird. Dabei gilt:

(t-T₀) Ut-J₀)¹ h² (t-T_o)hsin0

(1) TJt) = T_n+ —--\/ — +-τ

4 c^L c

In dieser Gleichung ist t die Zeit nach der übertragung eines Impulses vom Zentrum der Anordnung, h der Abstand des Meßumformers von der Mittellinie der Anordnung, c die Durchschnittsgeschwindigkeit der akustischen Welle in dem untersuchten Körper, und Θ der Winkel zwischen der Mittellinie der Anordnung und der radialen Linie vom Zentrum der Anordnung zum Fokussierungspunkt. T ist eine feste Verzögerung, die in jedem Meßumformerkanal enthalten ist und verhindert, daß die ideale Verzögerung T. (t) entsprechend Gleichung (1) jemals negativ wird.

Bei bekannten Anordnungen, beispielsweise in Fig. 1, kann die ideale Verzögerung T. (t) brauchbar angenähert werden, wenn die Anschlüsse der Verzögerungsleitung nahe genug beieinander sind. Wenn beispielsweise die Zyklen einer Trägerfrequenz von 2,5 MHz innerhalb von -22,5° der für die perfekte Fokussierung erforderlichen Phase liegen sollen, hätten die Anschlüsse zeitlich einen Abstand von 50 ns aufzuweisen, welcher Abstand räumlich nur sehr teuer zu realisieren wäre.

Es wird nun Bezug genommen auf die Figuren 2, 3 und 4 zur Erläuterung von einigen der Vorteile, die durch die Erfindung erreicht werden.

Fig. 2 stellt ein herkömmliches System dar, wie es bereits in Verbindung mit Fig. 1 erläutert v/urde, in welchem Meßumformer ΤΡη und TR_?

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mit den Enden von Verzögerungsleitungen Dl bzw. D2 verbunden sind. Die Anschlüsse auf den Verzögerungsleitungen haben einen Abstand, der eine Bruchteil der Länge einer Trägerwelle entspricht. Wenn die Anschlußschalter s-j und S₂ für die Verzögerungsleitungen D-, und D₂ zufällig mit Anschlüssen verbunden sind, welche ideale Verzögerungen ergeben, treffen alle Wechselstromzyklen innerhalb der Impulse, die von den Meßumformer TR-, und TR₂ abgegeben werden, am Summierungspunkt S genau phasengleich ein, wie aus der Kurve I₂ hervorgeht. Es ist jedoch wahrscheinlicher, daß die Schalter s-, und s_? keine idealen Verzögerungen sondern solche ergeben, die um einen kleinen Anteil einer Periode kleiner oder um einen kleinen Anteil einer Periode größer als die ideale Verzögerung sind.um Wellen W, und W₂ zu erzeugen, die in der Phase nahe genug sind, um wirksam addiert zu werden. Aufgrund der Sicherstellung einer angemessenen Phasenkohärenz durch Justierung der Verzögerungen der durch die Meßumformer TR-, und TR₂ erzeugten Wechselstromwellen beträgt die Impulsüberlappung der Signale W-, und W₂ nahezu 100 %.

Anhand von Figur 3 wird ein Aspekt der Erfindung erläutert, nämlich die Verwendung von Phasenschiebern in Verbindung mit grob angezapften Verzögerungsleitungen, um die zum Fokussieren erforderliche Phasenkohärenz zu erreichen. In diesem Fall werden Phasenschieber 0-, und zwischen Meßumformern TR-, und TR₂ und den entsprechenden Verzögerungsleitungen D-, und D₂ eingesetzt. Die Anschlüsse auf diesen Verzögerungsleitungen haben einen so großen Abstand von einander, wie es im Hinblick auf die erforderliche Impulsüberlappung möglich ist, so daß mit Ausnahme seltener Umstände keine angemessene Phasenkohärenz der Perioden der Trägerwelle am Summierungspunkt eintreten kann. Falls beispielsweise ein Impuls mit einer idealen Verzögerung bei Ι« angezeigt wird, kann der Schalter s-,' eingestellt werden, um eine geringere Verzögerung als der Schalter S₂' zu bewirken, so daß die entsprechenden Impulse W-,' und W₂ ¹ am Summierungspunkt s\ in der angezeigten Weise auftreten. Falls jedoch eine ausreichende Überlappung vorliegt, wie an der Stelle 0 dargestellt ist, und falls die Phasen der Trägerwellen durch die Phasenschieber 0, und 0 in geeigneter Weise ausgerichtet sind, können die Zyklen der

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Trägerwellen innerhalb der Überlappung zu einem nützlichen Signal addiert werden.

Fig. 4 erläutert das Oberlagerungsprinzip, um eine Fokussierung gemäß der Erfindung zu erreichen. Die Meßumformer TR-," und TRp" sind mit einem Satz von Eingängen von Mischern M-, bzw. M verbunden, und Oszillatoren 0-, und O₂ sind entsprechend mit dem anderen Satz von Eingängen verbunden. Der Ausgang des Mischers M, ist durch einen Anschlußschalter S-," mit einem Eingangsanschluß auf einer Hauptverzögerungsleitung MD und der Ausgang des Mischers M₂ durch einen Anschlußschalter S₂" mit einem anderen Eingangsanschluß auf der Hauptverzögerungsleitung MD verbunden. Die Anschlüsse befinden sich gemäß Fig. 3 derart im Abstand voneinander, daß allgemein keine idealen Verzögerungen erhalten werden können. Wenn daher eine Zwischenfrequenzwelle mit einer idealen Verzögerung am Summierungspunkt S" auftritt (vgl. I*), können die Impulse der Zwischenfrequenzwellen von den Mischern M-, und M₂ am Summierungspunkt S" zu verschiedenen Zeitpunkten (vgl. W-," und W ") auftreten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Phasenkohärenz der Zwischenfrequenzwellen in dem überlappenden Abschnitt der Impulse sichergestellt durch entsprechende Einstellung der Phasenwinkel der Ausgangssignale der Oszillatoren O₁ und O₂ bezüglich der Winkel _Λ_-| und ^A_„, die in einer noch zu beschreibenden Weise bestimmt sind.

Aus Figur 5A geht schematisch ein Meßumformerkanal hervor, bei welchem das elektrische Signal

(2) E_h(t) cos (w_ct + 0_h),

von einem Meßumforemr 20 durch eine Verzögerungsleitung 22 um einen idealen Betrag T^ (t) verzögert ist und dadurch am Summierungspunkt S ankommt in der Form

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(3) E_h(t - yt)) cos [w_c(t - T_h(t)) + 0_h].

Dieses Signal ist phasengleich mit den durch alle anderen nichtdargestellten Meßumformer-Kanälen abgegebenen Signalen, falls deren Verzögerungsleitungen ideale Verzögerungen haben, die gemäß der Gleichung (1) berechnet sind und falls die Signale durch die Reflexion eines übertragenen Impulses von einem Ziel verursacht sind, das im Bereich c(t - T )/2 und im Winkel Θ. angeordnet ist. Der Phasenwinkel Θ. ist der Winkel zwischen akustischen Trägerwellen, die vom Zentrum der Anordnung ausgesendet wurden, und reflektierten akustischen Wellen, die an einem Meßumformer ankommen. Dieser Phasenwinkel ist für jeden Meßumformer verschieden, da die Wellen verschiedene Wege zu durchlaufen haben, aber dieser Unterschied wird genau ausgeglichen durch verschiedene Werte von T. (t).

Obgleich es in der Regel nicht der Fall ist, werden die Signale von allen Kanälen, die am Punkt S summiert werden, zum Zwecke der Erläuterung einem Mischer M zugeführt, wo sie mit dem Ausgangssignal cos w_Qt eines Oszillators 0 überlagert werden. Es ist möglich, die Oszillatorfrequenz derart zu wählen, daß die gesamte Signal information sich in jedem Seitenband befindet. Falls das Signal am Ausgang des Mischers M infolge des dargestellten Meßumformer-Kanals von den anderen Signalen getrennt werden könnte, hätte es ein oberes Seitenband (OSB)

(4) O.S.B. = 1/2 E_h(t-yt)) cos [w_Qt + fw_c(t-y t) + 0_h]| und ein unteres Seitenband (USB)

(5) U.S.B. = 1/2 E_h(t-yt)) cos £w_Qt - fw_c(t-y t)) + 0_h]j

Diese Art der überlagerung stört die Phasenkohärenz nicht, so daß die oberen Seitenbänder aller Kanäle die Phase haben, die durch Gleichung (4) bestimmt ist, und die unteren Seitenbänder die Phase haben, die durch die Gleichung (5) bestimmt ist.

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Wie vorher dargelegt wurde, können es einzelne Ausflihrungsformen der Erfindung erforderlich machen, daß die Wellen von den Meßumformern vor den Verzögerungsleitungen überlagert werden. Falls dieses durchgeführt werden kann, so daß entweder ein oberes oder ein unteres Seitenband mit der gleichen Phase am Ausgang der Verzögerungsleitungen in die oberen und unteren Seitenbänder gemäß Figur 5A erzeugt wird, kann die erforderliche Phasenkohärenz erhalten werden.

In Figur 5B ist schematisch ein Meßumformer-Kanal gemäß einem Aspekt der Erfindung dargestellt, bei dem ähnliche Bauteile wie in Figur 5A durch die gleichen Nummern oder Buchstaben - mit einem Apostroph versehen - bezeichnet sind. Das durch den Meßumformer 20' abgegebene Signal ist das gleiche wie vorher, d.h. es entspricht Gleichung 2. Der Hauptunterschied ist, daß der Mischer M¹ zwischen dem Meßumformer 20' und der Verzögerungsleitung 22' eingesetzt ist. In diesem Fall wird davon ausgegangen, daß der Oszillator 0' einen Phasenwinkel Θ. (t) hat, wogegen der Oszillator 0 in Figur 5A einen Phasenwinkel 0 hat. Bei der Berechnung der Phasenwinkel werden ganze Zahlen von Perioden außer Betracht gelassen, modulo 2ir rad, so daß der verbleibende Bruchteil einer Periode die Phase bestimmt. Im folgenden sollte Gleichheit zwischen Phasenwinkeln verstanden werden als Gleichheit modulo 2π rad. Falls entsprechend dieser Erfindung die Bedingung erfüllt wird:

(6) B_h(t-T_h(t)) = w_oT_h(t),

sind die oberen und unteren Seitenbänder am Summierungspunkt S¹ in Figur 5B die gleichen wie die oberen und unteren Seitenbänder am Ausgang des Mischers M in Figur 5A und daher die gleichen wie in Gleichung 4 bzw. Gleichung 5. Durch Verwendung des Phasenwinkels 0_h(t) für den Kanal h für jeden Kanal, sind die oberen Seitenbänder aller Kanäle phasengleich am Summierungspunkt S¹, ebenso wie die unteren Seitenbänder. Da jedes Seitenband die gesamte Signalinfor-

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mation enthält, brauchen die Verzögerungsleitungen nur eines dieser Seitenbänder hindurchzulassen, was einen Vorteil der Erfindung darstellt.

Falls jedoch in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Erfindung die Anschlüsse auf einer Verzögerungsleitung eine Verzöge^run9 Tu (t) hervorrufen, die sich wesentlich von der idealen Verzögerung T. (t) unterscheidet, ergibt sich die Situation gemäß Figur 5C und D. Die Bauteile in Figur 5C, die denen von Figur 5A entsprechen, sind durch den gleichen Buchstaben oder die gleiche Zahl und mit zwei Anführungszeichen bezeichnet, und die Bauteile in Figur 5D, welche denen in Figur 5A entsprechen, sind durch die gleichen Buchstaben und Zeichen mit drei Anführungszeichen versehen. In jedem dieser Fälle wird das Meßumformersignal E. (t) cos (w t + 0, ) überlagert mit einem Oszillator-Ausgangssignal der Form cos (w t +_Λ_ (t)), aber die Definition des Phasenwinkels

⁰ h
ist unterschiedlich.

In Figur 5C wird der Wert_/V_, (t) erfindungsgemäß derart definiert, daß er die folgende Gleichung erfüllt:

(7) J^_h(t-T_h*(t)) = w_oT_h*(t) ₊ w_c[T_h(t) - T_h*(t)].

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist die Phase des unteren Seitenbandes am Summierungspunkt S" gleich der Phase der unteren Seitenbänder gemäß Figur 5A und 5B und Gleichung 5. Daher befinden sich die unteren Seitenbänder aller Meßumformerkanäle wie dasjenige in Figur 5C genau in Phase mit dem Summierungspunkt S". Jedoch unterscheidet sich der Ausdruck für das obere Seitenband in Figur 5C

(8) 1/2 E_h(t-T_h*(t)) cos (w_ot *[w_c(t-T_h(t)) * %]

-T_h*_(t)]

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von dem Ausdruck (4) für die oberen Seitenbänder der Figuren 5A und 5B durch den Einschluß des Phasenausdrucks +2w Qr. (t) - T, (t)1. Daher sind die oberen Seitenbänder der Kanäle am Summierungspunkt S" nicht phasengleich, so daß nur die unteren Seitenbänder verwendet werden können.

Die Hüll kurve 1/2 E. (t-T,*(t)) der Seitenbänder in Figur 5C unterscheidet sich von der Hüllkurve 1/2 E_h(t-T_h(t)) der Seitenbänder in Figur 5A und 5B wegen einer Zeitverschiebung (j_h(t) - T, (t)J. Dieser Unterschied der Hüllkurven-Zeitverschiebung selbst beeinträchtigt nicht die Phasenkohärenz unter den Meßumformer-Kanälen. Vielmehr wird dadurch der Betrag der Impulsüberlappung beeinträchtigt.

In Figur 5D ist der Wert _Λ_. (t) entsprechend dieser Erfindung derart definiert, daß die Gleichung erfüllt wird:

(9) _/\__h(t-T_h*(t)) = w_oT_h*(t) - w_c [yt) - T_h*(t)]

Der Unterschied gegenüber Gleichung (7) besteht darin, daß zwischen den beiden Ausdrucken auf der rechten Seite der Gleichung ein Minuszeichen und kein Pluszeichen steht. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist die Phase des oberen Seitenbandes die gleiche wie die Phase der oberen Seitenbänder gemäß Figur 5A und 5B, wie durch Gleichung (4) beschrieben wird. Daher sind die oberen Seitenbänder aller Meßumformer-Kanäle wie dasjenige in Figur 5D genau in Phase am Summierungspunkt S"' . Der Ausdruck für das untere Seitenband in Figur 5D

(10) 1/2 E_h(t-T_h*(t)) cos jw_ot - [w_c(t-T_h(t))

unterscheidet sich von dem Ausdruck (5) für die unteren Seitenbänder der Figuren 5A und 5B durch die Einfügung des Phasenausdrucks -2w_cJT_h(t) - T_h (t)]. Daher sind die unteren Seitenbänder der Kanäle am Summierungspunkt S'" nicht in Phase, so daß nur die oberen Seitenbänder verwendet werden töWfyig 2 5/0851

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Insoweit die Phasenkohärenz am Summierungspunkt der Wellen des geeigneten Seitenbandes der Zwischenfrequenz nicht langer alleine von den Verzögerungen abhängt, die an den Anschlüssen auftreten, mit denen die Meßumformer verbunden sind, können die Anschlüsse für jeden Meßumformer am Beginn der fokalen Abtastung längs jeder radialen Richtung ausgewählt werden und unverändert bleiben, um eine Verzögerung T. einzuführen, bis die Abtastung der nächsten radialen Richtung beginnt. In diesem Fall wird die Variable T. (t) in den Gleichungen (7) und (9) eine Konstante T, , so daß die

h Gleichungen (7) und (9) jeweils ausgedrückt werden können durch

und

(12) -A_h(t-T«) = w₀T_h** - w_cfT_h(t) - T

Durch Ersatz des Ausdruckes T+T. * für die freie Variable t kann explizit der Phasenwinkel aus den Gleichungen (11) und (12) bestimmt werden:

(13) W _h(t) « W₀V ⁺ «chi* ^{+ T}h ) - ^Th J und

(14) -A._h(t)-w₀V-w_c[T_h(t₊V)-V

Falls Gleichung (13) für die Berechnung von -A__h(t) ausgewählt

wird, muß das untere Seitenband verwendet werden, und falls Gleichung (14) verwendet wird, muß das obere Seitenband verwendet werden.

Aus Gleichung ist ersichtlich, daß der Phasenwinkel 7\__h, der in irgendeinem Zeitpunkt t zu verwenden ist, aus einem festen Anteil w_QT_h ** besteht, der die Phasenverschiebung korrigiert, welche

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durch das Zwischenfrequenzsignai erzeugt wird, wenn dieses durch die Verzögerungsleitung an dem Anschluß hindurchgelangt, an dem der Meßumformer verbunden ist, und einen variablen Anteil w [Tu(t ⁺ T. **) - T. **3 enthält, welcher einen Phasenwinkel erzeugt, der sich mit der Zeit derart ändert, daß die Zyklen der Zwischenfrequenz-Wellen, die auf nachfolgende Fokussierungspunkte bezogen sind, am Summierungspunkt phasengleich zueinander auftreten.

In Figur 6 stellen die ausgezogenen Linien Änderungen der idealen Verzögerung T. (t) gegenüber der Zeit dar, die gemäß Gleichung (1) erforderlich ist, um jeden der acht Meßumformer zu fokussieren, die symmetrisch um die Mittellinie einer Anordnung von einem Bereich von 1,4 cm bis zu einem Bereich von 15,0 cm entlang einer Richtung θ = +45° angeordnet sind. Der Abstand h vom Zentrum der Anordnung jedes Meßumformers ergibt sich aus der rechten Seite der Darstellung. Die Meßumformer können während jeder fokalen Bilderzeugung vom minimalen zum maximalen Bereich mit einem Anschluß verbunden sein, bei dem die Verzögerung T,** dem idealen Wert T. (t) für einen Bereich, beispielsweise 7,5 cm, am nächsten kommt. Falls die Anschlüsse jeweils im Abstand von 1/ ps angeordnet sind, werden die Meßumformer jeweils bei h = +1,1, +0,68, +0,33, +0,02, -0,02, -0,33, -0,68 und -1,1 cm mit den Anschlüssen verbunden, welche Verzögerungswerte T,** von 11, 9, 7,5, 6, 6, 4,5, 2,5 und 0,5 με haben. Der Wert des festen Ausdrucks w T. ** der Gleichung (13) für jeden Meßumformer wird dann erhalten, indem die Werte für T.** mit der Oszillatorwinkelfrequenz w multipliziert werden.

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Int. Az.: Case 1246

Die unterbrochenen Linien in Figur 6 stellen die Änderungen des Ausdrucks T. (t+T. **) dar und ergeben sich durch Bewegung der ausgezogenen Linien nach links um einen Betrag des Zeitintervalles zu der Verzögerung T,** für jeden Meßumformer. Die gesamte Anzahl der Winkel einheiten für w T, (t+T, **) zu irgendeinem Zeitpunkt t wird bestimmt durch Multiplikation der entsprechenden Verzögerung der unterbrochenen Kurve zu diesem Zeitpunkt mit dem Wert w . Dieser Winkelwert tritt um T. ** ms früher auf, als es der Fall wäre, falls die Kurven mit den ausgezogenen Linien benutzt wurden. Der Grund für diese Zeitverschiebung besteht darin, daß T,** με erforderlich sind für jede Änderung des Systems der Verzögerungsleitungen, um den Summierungspunkt zu erreichen, und daß die geänderten Signale den Summierungspunkt im gleichen Zeitpunkt erreichen müssen. Es wird dann der Wert w T, ** berechnet und von dem Wert abgezogen, der für w T, (t+T,**) erhalten wird, und dieses Ergebnis wird zu w T. ** addiert. Der Winkel wert, um den das Ergebnis von dem nächsten ganzzahligen Vielfachen von zwei abweichtest der WertJLh(t).

Steuerung der Phasenwinkeljih

Es wäre sehr teuer, die PhasenwinkelJ_h kontinuierlich derart zu verändern, daß eine vollkommene Phasenkohärenz der Perioden der Zwischenfrequenzwellen für alle Bereiche erreicht würde; vielmehr hat sich eine Phasenkohärenz mit einer Toleranz von - 22,5° als zufriedenstellend ergeben. Beginnt man an einem Anfangszeitpunkt, so können die Phasenwinkel für die Meßumformerkanäle auf Werte eingestellt werden, die jeweils um 22,5° größer sind als die Werte, die für die vollkommene Fokussierung zu diesem Zeitpunkt erforderlich sind. Diese Werte werden aufrechterhalten bis zu den Zeitpunkt, zu dem sie um 22,5° kleiner sind als die für eine vollständige Fokussierung erforderlichen Werte. Zu diesen Zeitpunkten werden die Phasenwinkel um 45° erhöht, so daß sie wiederum um 22,5° größer sind als der für die Fokussierung erforderliche Phasenwinkel. Die Änderungen treten auf, wenn die Verzögerungen T^t+T **), die durch die unterbrochenen Linien in Figur 6 angedeutet sind, sich um ein Achtel der Periode der Trägerfrequenz w_c ändern. Ein noch weniger kostspieliges Verfahren besteht darin, willkürlich die Phasenwinkel für alle Meß-

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Int. Az.: Case 1246

umformerkanäle bei relativ weniger Bereichen zu ändern, beispielsweise bei den Bereichen R. bis R₁₅ in der Abbildung 23 in Figur 6, und zwar bis auf Werte, die dem nächsten Vielfachen von 45° bezüglich der Phase entsprechen, die für eine perfekte Fokussierung an den Mittelpunkten der entsprechenden aufeinanderfolgenden fokalen Zonen A bis N erforderlich sind. Die Bereiche R₁ bis R₁₁- sind jene,

I Ib

bei denen Änderungen von 45° erforderlich wären, um den Phasenfehler innerhalb von ⁱ 22,5° für einen Meßumformer zwischen dem Mittelpunkt und dem Ende der Anordnung zu halten. In diesem Fall würde der Phasenfehler für den Meßumformer zwischen +22,5° und -22,5° schwanken. Größere Phasenfehler würden in den Kanälen für Meßumformer auftreten, die weiter von dem Zentrum der Anordnung entfernt sind, und kleinere Phasenfehler würden in den Kanälen für Meßumformer auftreten, die sich näher an dem Zentrum der Anordnung befinden.

Bevorzugte Ausführungsformen

Aus Figur 7 geht ein Ul traschall system gemäß der Erfindung hervor, bei welchem die Phase der Zwischenfrequenzwellen in Stufen von 25° geändert wird und die Anschlüsse auf der Hauptverzögerungsleitung für jeden Meßumformer zum Beginn der fokalen Bilderzeugung in jeder radialen Richtung eingestellt werden. Es sind nur zwei nebeneinander befindliche Meßumformerkanäle dargestellt, einer für einen Meßumformer TR. und einer für einen Meßumformer TR₉₅, aber in der Praxis werden allgemein 16 oder mehr Meßumformer verwendet. Entsprechende Bauteile für den dem Meßumformer TRp zugeordneten Kanal sind durch die gleichen, mit Anführungsstrichen versehenen Zahlen bezeichnet.

Der Meßumformer TR, wandelt akustische Impulse einer Frequenz w in entsprechende elektrische Wellen um, die durch eine Schutzschaltung 24 und einen Verstärker 26 mit veränderlicher Verstärkung zu einem Mischer 28 gelangen, wo sie mit einem von acht Phasensignalen (in Inkrementen von 45°) überlagert werden, die durch einen Oszillator 30 erzeugt und durch einen Phasenwähler 32 ausgewählt werden. Die Ausgangssignale mit acht verschiedenen Phasen des Oszillators 30 können digitale Signale sein, die beispielsweise von einem

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Int. Az.: Case 1246

Johnson-Zähler abgegeben werden, in welchem Fall der Phasenwähler 32 ein einfacher 1 aus 8 Datenwähler ist. Die Zwischenfrequenzen (w - w ) und (w + w ), die durch den Mischer 28

OC OC

erzeugt werden, v/erden einem Addierer 34 zugeführt, wo sie mit den durch einen ähnlichen angrenzenden Kanal erzeugten Zwischenfrequenzen verbunden werden, wie der dem Meßumformer TR₂ zugeordnete Kanal. Zwischen dem Ausgang des Addierers 34 und einem Eingang eines Anschlußwählers 38 ist ein Schalter 36 verbunden. Wenn der Schalter 36 geöffnet ist, wird die durch eine inkrementale Verzögerungsleitung 42 abgegebene Verzögerung zwischen dem Addierer 34 und dem Anschlußwähler 38 eingefügt. Wenn der Schalter 36 geschlossen ist, wird die inkrementale Verzögerungsleitung überbrückt. Der Zusatz von Zwischenfrequenzen angrenzender Kanäle in einem Addierer, beispielsweise bei 34, vermindert die Anzahl der Anschlußwähler und beeinträchtigt das Abbild nicht, da die bezüglich der Phase angeglichenen Zwischenfrequenzsignale der angrenzenden Kanäle sehr ähnlich sind.

Der Anschlußwähler 38 verbindet wahlweise seinen Eingang mit einem aus mehreren Leitern in einem Bus-System 39. Jeder Leiter des Bus-Systemes ist mit einem anderen Anschluß t auf der Hauptverzögerungsleitung 40 verbunden, Zwischenfrequenzimpulse von anderen, nicht dargestellten Paaren von Meßumformerkanälen werden den Eingängen von Anschlußwählern, beispielsweise dem Eingang 38 zugeführt, und die Ausgänge jedes Anschlußwählers sind entsprechend verbunden mit den Leitern in dem Bus-System 39 über einen der bei 44 angegebenen Eingänge. Viele verschiedene Anschlußwähler können ihre entsprechenden Meßumformer-Kanal paare mit dem gleichen Anschluß auf der Hauptverzögerungsleitung oder mit verschiedenen Anschlüssen verbinden, wie es erforderlich ist. Wenn die Impulse in.die Verzögerungsleitung an einem Punkt eintreten, der durch die Anschlußwahl bestimmt ist, überlagern sie sich den an vorherigen Anschlüssen in die Leitung eingeführten Impulsen, so daß alle Impulse am Summierungspunkt S zur Erzeugung eines Video-Signales verknüpft werden. Nach der Verstärkung durch einen Verstärker 46 wird

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Int. Az.: Case 1246

das geeignete Zwischenfrequenzband des Video-Signales durch ein Filter 48 ausgewählt, bevor es über eine Signal Verarbeitungseinrichtung 49, welche einen Detektor aufweisen kann, mit der Intensitätssteuerelektrode 50 einer Kathodenstrahlröhre 52 zugeführt wird. Falls die Phasenwinkel, (t) der Gleichung (13) entsprechen, wird das untere Seitenband durch das Filter 48 ausgewählt, und falls die Phasenwinkel der Gleichung (14) entsprechen, wird das obere Seitenband ausgewählt. Es ist lediglich erforderlich, daß die Verzögerungsleitung 40 das durch das Filter ausgewählte Frequenzband hindurchläßt. Der Strahl der Kathodenstrahlröhre wird derart abgelenkt, daß er einem Muster mit radialen Richtungen 54 folgt, daß den radialen Richtungen entspricht, längs derer die Anordnung der Meßumformer in den Körper des untersuchten Patienten fokussiert wird.

Steuerungssystem

Die Steuerung der verschiedenen, durch das Ul traschall system gemäß Figur 7 ausgeführten Funktionen kann in verschiedener Weise erfolgen. Bei diesem System wird die Anordnung der Meßumformer bei jeder der 16 Brennebenen längs jeder von 128 radialen Richtungen fokussiert. Hauptbestandteil des Steuerungssystemes ist ein Brennebenen-Impulsgenerator 56, welcher Impulse Pg und P, bis P₁₅ in einer sich wiederholenden Folge erzeugt, so daß nach dem Start jeder sechzehnte Impuls dem Pulse Pq entspricht. Die Impuse P, bis P,5 treten in den entsprechenden Bereichen R, bis R,,. von Figur 6 auf. Der große Abstand zwischen dem Impuls P_Q und dem Impuls P. der ersten Brennebene stellt den Bereich unter dem Minimum dar, für welches das System ausgelegt ist. Die Impulse P, bis P₁₅ sind progressiv weiter voneinander entfernt, als aus der vorherigen Betrachtung der Schaubilder in Figur 6 folgen würde.

Steuerung der ausgesendeten Impulse

Die Strahl richtung eines ausgesendeten akustischen Impulses wird bestimmt durch die relativen Zeiten, zu denen die Meßum-

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Int. Az.: Case 1246

former der Anordnung gespeist werden. Die elektrischen Impulse P. bis P,r von dem Generator 56 werden einem Zähler 62 zugeführt, der ein verschiedenes digitales Ausgangswort entsprechend jedem Impuls abgibt. Die ersten vier Bits 1, 2, 3 und 4 jedes Wortes werden einem NAND-Glied 64 zugeführt, welches einen Ausgangsimpuls bei jedem sechzehnten Impuls abgibt, d.h. jeder Ausgangsimpuls fällt mit einem Impuls P_n zusammen. Dieser Impuls wird zugeführt, um das Zählen eines zur Verzögerungseinstellung dienenden Zählers 70 auszulösen. Falls die akustischen Impulse nacheinander in 128 verschiedenen Richtungen ausgesendet werden müssen, werden die sieben Bits 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11 des Zählers 62 derart zugeführt, daß ein 8 χ 128 RON 68 adressiert wird und eine von 128 Kombinationen aus acht Bits zu dem Zeitpunkt abgibt,in dem jeder Impulspegel auftritt. Jede Kombination von acht Bits bewirkt, daß der Zähler 70 einen Impuls zu einem von 256 verschiedenen Zeitpunkten nach dem Auftreten eines Impulses P_n abgibt. Der Ausgangsimpuls vom Zähler 70 wird derart verwendet, daß er ein Teiler-Glied 72 öffnet und zuläßt, daß einige Signalperioden einer Trägerwelle der richtigen Phase und der von dem Frequenzumsetzer 74 durch das Teilerglied 72 abgeleiteten Frequenz w zu dem Meßumformer TR₁ über die Schutzschaltung 34 gelangen können. Die Schutzschaltung dient dazu zu verhindern, daß diese Impulse den Empfängerkanal beschädigen. Die Aussendung von Impulsen von Trägerwellen der Frequenz w vom Meßumformer TR- wird gesteuert durch entsprechende Bauteile, die durch die gleiche Nummern und einen Anführungsstrich bezeichnet sind. Der Zeitpunkt, zu dem durch den Meßumformer TR₂ der Impuls ausgesendet wird, ist allgemein geringfügig früher als der durch den Meßumformer TR, ausgesendete Impuls, wie durch in dem ROM 68' enthaltene Information bestimmt wird.

Steuerung der Phasenauswahl

Der Phasenwinkel_jL,(t), welcher für die Signale mit der Frequenz des Überlagerungsoszillators erforderlich sind, wird folgendermaßen gesteuert. Der digitale Ausgang des Brennebenen -Zählers 62 wird den Adresseneingängen eines ROMs 76 mit 3 χ 2048 Bits

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zugeführt, so daß eine von acht vorgespeicherten Kombinationen von drei Bits zu dem Zeitpunkt abgegeben wird, zu dem jeder der Impulse P_Q bis P₁₅ an jedem der 128 Sektorwinkel auftritt. Jede verschiedene Kombination kann bewirken, daß der Phasenwähler 32 eine andere Phase von 45° aus dem Ausgangssignal des Oszillators 30 wählt und dem Mischer 28 zuführt. Die ausgewählte Phase mit 45° ist diejenige, welche dem genauen Winkel am nächsten kommt, der bei dem mittleren Wert von_L, (t) erforderlich ist, der aus den Gleichungen (13) oder (14) für die Brennebene nach dem Impuls bestimmt isc. Wenn es 16 Brennebenen entlang jeder der 128 verschiedenen Strahl richtungen geben muß, werden die 2048 erforderlichen unterschiedlichen Kombinationen vom Festwertspeicher 76 abgegeben. Der Festwertspeicher 76' arbeitet in der gleichen Weise und bewirkt, daß der Phasenwähler 32' die geeigneten Phasenwerte des Ausgangssignales des Oszillators 30 an den Mischer 28' abgibt.

Steuerung der Anschlüsse der Hauptverzögerungsleitung

Bei dieser speziellen Anordnung wird der Anschluß auf der Hauptverzögerungsleitung 40 zu dem Zeitpunkt jedes Impulses Pq ausgewählt und nicht geändert, bis der Impuls P_Q am Anfang der nächsten radialen Leitung einsetzt. Sieben Bits (5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11) des Zählers 62 adressieren einen Festwertspeicher 78 mit 5 χ Bits. Das aus fünf Bits bestehende Ausgangssignal des Festwertspeichers bewirkt, daß der Anschlußwähler 38 das Ausgangssignal des Addierers 34 an einen von 32 Anschlüssen der Verzögerungsleitung 40 abgibt, wobei nur 17 Anschlüsse dargestellt sind. Falls jene Anschlüsse gewählt werden sollen, die der erforderlichen Verzögerung bei einem Bereich von 7,5 cm entlang einem Abtastwinkel von +45° am nächsten sind, handelt es sich um die Anschlüsse in Figur 6. Zusätzliche Festwertspeicher und Anschlußwähler sind für andere nicht dargestellte Phasenpaare erforderlich. Der Schalter 36 ist geschlossen, da die inkrementale Verzögerungsleitung 42 in diesem Beispiel nicht verwendet wird.

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Steuerung der Kathodenstrahlablenkung

Um die Ablenkung des Strahls der Kathodenstrahlröhre 52 derart zu steuern, daß diese ein Muster von 128 verschiedenen radialen Linien abtastet, wie bei 54 angedeutet ist, werden die Bits 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11 des Zählers 62 zwei Festwertspeichern 80 bzw. 82 aus 12 χ 128 Bits zugeführt, so daß diese ein aus zwölf Bits bestehendes Wort beim Beginn jedes Strahls abgeben. Die durch den Festwertspeicher 80 abgegebenen Datenwörter bestimmen die Neigung der Spannungswelle H für die Horizontalablenkung von einem D-A Rampengenerator 84 an eine Horizontalablenkungsplatte 86, und die durch den Festwertspeicher 82 abgegebenen Wörter bestimmen die Neigung der Vertikalablenkungswelle V von einem Rampengenerator 88 für eine Vertikalablenkungsplatte 89.

Steuerung der Anschlüsse auf der inkrementalen Verzögerungsleitung

Falls der Anschluß auf der Hauptverzögerungsleitung 40 zu Beginn der Abtastung jedes Strahls, d.h. im Zeitpunkt jedes Impulses P₀ ausgewählt wird und während der Abtastung des Strahls nicht geändert wird, kann die Differenz zwischen der idealen Verzögerung T, (t) und der tatsächlichen Verzögerung T.** infolge des Anschlusses so groß werden und die sich ergebende Überlappung der Impulse so klein werden, daß der Bereich oder die winkelmäßige Auflösung des Abbildes beeinträchtigt wird. Unter diesen Umständen könnten die Anschlüsse auf der Hauptverzögerungsleitung beim Abtasten der Leitung geändert werden, wozu der Festwertspeicher 78 einen Speicher mit 5 χ 2048 Bits haben müßte, und dieser Speicher müßte mit allen elf Bits von dem Zähler 62 adressiert werden, so daß der Anschlußwähler sechzehn Mal während der Abtastung jedes Strahls die Anschlüsse ändern kann. Es wird jedoch vorgezogen, daß die Anschlüsse nicht oft geändert werden müssen, so daß die Verwendung von teueren Anschlußwählern zwecks Verminderung des Schaltrauschens nicht erforderlich ist.

Eine andere Alternative besteht darin, die inkremental Verzögerungsleitung 42 zwischen dem Addierer 34 und dem Anschlußwähler 38 anzu-

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schließen, vgl. DE-OS 27 36 310.6. Die Verzögerung zwischen den Anschlüssen der inkrementalen Verzögerungsleitung 42 ist kleiner oder vergleichbar der differentiellen Verzögerung zwischen den Anschlüssen auf der Hauptverzögerungsleitung 40, so daß die Auswahl eines geeigneten Anschlusses auf der inkrementalen Leitung 42 zu Beginn jeder fokalen Zone zu einer kombinierten Verzögerung T, *(t) beider Leitungen führt, die der idealen Verzögerung T. (t) besser entspricht. Dieses kann erfolgen, indem der Anschlußwähler 90 derart gesteuert wird, daß ein Anschluß auf der inkrementalen Verzögerungsleitung 42 mit einem Festwertspeicher 92 gewählt wird, der 2048 χ 4 Bits enthält und durch den Zähler 62 adressiert wird. Der Schalter 36 müßte geöffnet sein, aber bei einer tatsächlich existierenden Ausführungsform wäre der Schalter nicht erforderlich, da die inkrementale Leitung 42 derart programmiert werden könnte, daß sie die Verzögerung Null hat. Der Schalter ist dargestellt um anzuzeigen, daß die inkrementale Verzögerungsleitung nicht benutzt zu werden braucht.

Wenn die inkrementale Verzögerungsleitung 42 in der beschriebenen Weise eingefügt wird, unterscheidet sich der Wert des Phasenwinkels Λ-, (t) gegenüber dem vorhergehenden Beispiel. Der Anschluß auf der Hauptverzögerungsleitung 40 wird durch den Festwertspeicher 78 und den Anschlußwähler 38 auf die kleinste Verzögerung T_MD gesetzt, und zwar unter die kleinste ideale Verzögerung T. (t) für eine spezielle Abtastlinie. Falls die Verzögerung der inkrementalen Leitung T_ID(t) derart eingestellt ist, wie durch die nachfolgende Gleichung angegeben wird, wäre die tatsächliche Verzögerung durch die Kombination der beiden Verzögerungsleitungen gleich der idealen Verzögerung T_h(t) gemäß Gleichung (1):

(t + T_Mn - T)

^TID^(t> ^{= T}o - ^TMD

^TMD ■ V^{2 h2 (t + T}MD " ^To^{)h Sin θ}

Wenn die Anschlüsse der inkrementalen Verzögerungsleitung gemäß einem Merkmal der Erfindung grob abgestuft sind, kann die kombinierte Ver-

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zögerung nur ungefähr gleich der idealen Verzögerung T, (t) sein. Die Summe von Τ_τπ und T..,, wird als Wert T.** bei der Berechnung des PhasenwinkelS-A-, (t) aus den Gleichungen (13) oder (14) gewählt, wobei ein Signal mit diesem Phasenwinkel durch die Phasenwähler 32 und 32' abgegeben würde.

Steuerung der Kanal verstärkung

Bisher wurde erläutert, daß eine inkrementale Verzögerungsleitung verwendet wird, wenn die Bereichsauflösung durch die Tatsache beeinträchtigt ist, daß die tatsächliche Verzögerung T. ** infolge eines Anschlusses auf der Hauptverzögerungsleitung 40 sich zu sehr von der idealen Verzögerung T.(t) unterscheidet. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Meßumformerkanal abgeschaltet werden. Dieses kann erfolgen, indem eine Verstärkungssteuerung 94 für einen Verstärker 26 mit veränderbarer Verstärkung mittels eines Festwert-Speichers 96 mit 2048 χ 12 Bits gesteuert wird, der durch das Ausgangssignal von dem Zähler 62 adressiert wird. Diese Bauteile können dazu verwendet werden, um die Verstärkung des Kanales zu erhöhen, wenn der Bereich erhöht wird, so daß die Abschwächung der akustischen Welle bei deren Durchgang durch Körper ausgeglichen wird.

Anpassung einer akustischen Leitung

Das Ultraschall system in Figur 7 kann in der dargestellten Weise verwendet werden mit einer elektrischen oder akustischen Hauptverzögerungsleitung 40; jedoch werden bestimmte Vorteile bei einer akustisehen Leitung gemäß Figur 7A erhalten. Der Anschlußwähler 38 ist im wesentlichen ein Schalter mit mehreren Positionen, der den Eingang mit einer von einer Anzahl von Ausgangsleitungen verbindet. Eine Ausgangsleitung ist für jeden Anschluß auf der Verzögerungsleitung 40 vorgesehen. Zur Vereinfachung sind nur zwei Ausgangsleitungen 41 und 41' dargestellt. In Figur 7A ist die Leitung 41 mit einem Eingang eines Mischers 43 verbunden, und der Ausgang des Mischers 43 ist mit einem Anschluß 45 auf der Verzögerungsleitung

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verbunden. Der andere Eingang des Mischers 43 ist mit einem voreingestellten Phasenwähler 49 verbunden, der eine Phase eines Oszillators 47 wählt. Falls die Mittenfrequenz der Verzögerungsleitung 20 MHz beträgt und die Zwischenfrequenz (w - w ) / 2ΤΓ 2 MHz beträgt, kann die Frequenz des Oszillators 47 18 MHz sein. In ähnlicher Weise ist die Leitung 41' verbunden mit einem Anschluß 45' auf der Hauptverzögerungsleitung durch einen Mischer 43', dem ein Signal mit einer Phase vom Ausgang des Oszillators 47 zugeführt wird, wobei die Phase durch einen voreingestellten Phasenwähler 49' ausgewählt wird.

Wenn eine elektrische Verzögerungsleitung verwendet wird, kann die Verzögerung zwischen den Anschlüssen genau auf einen gewünschten Wert, beispielsweise auf 0,5 us eingestellt werden, indem Abschnitte der Verzögerungsleitung hinzugefügt werden, aber dieses ist mit einer akustischen Leitung nicht möglich.

Der Zweck der voreingestellten Phasenwähler 49 und 49' ist es, geringfügige Fehler im Abstand der Anschlüsse 45 und 45' auf der akustischen Verzögerungsleitung 40 auszugleichen. Die Phasenverschiebungen_J\, (t), welche zur Fokussierung erforderlich sind, können durch die erste überlagerung in den Mischern 28 und 28' in Figur 7 erreicht werden. Die zur Kompensation des Fehlers infolge des Abstands der Anschlüsse erforderlichen Phasenverschiebungen können durch die Phasenwähler 49 und 49' oder andere Einrichtungen, beispielsweise abgestimmte Schaltkreise^erhalten werden.

Durch Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß Figur 7A ist es möglich, von einer Verzögerungsleitung mit einer Frequenz auf eine Verzögerungsleitung mit einer anderen Frequenz zu wechseln, ohne irgendeinen anderen Teil der Schaltung zu ändern, so daß die Festwertspeicher 67 und 67' und deren zugeordnete Phasenwähler 32 und 32' weiter in genau der gleichen Weise arbeiten und die gleichen Phasenwinkel—/., der Zwischenfrequenzwellen an den Ausgängen der Mischer 28 und 28' verursachen. Die Frequenz w. des

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Oszillators 47 ist derart eingestellt, daß ein Band aus Zwischenfrequenzen an den Ausgängen der Mischer 43 und 43' erzeugt wird, welches in den Durchlaßbereich der Verzögerungsleitung 40 fällt, und die Phasenwähler, beispielsweise 49 und 49', werden derart gesteuert, daß sie jeweils irgendeinen festen Phasenbestandteil hinzufügen, der erforderlich sein kann, um bei irgendeinem Fehler im Abstand der Anschlüsse eine zweite feste Phasenkomponente w.T ** hinzuzufügen, wobei T.** die Verzögerungen infolge der Anschlüsse auf der Hauptverzögerungsleitung 40 bedeutet, mit denen die Mischer, beispielsweise 43 bzw. 43\ verbunden sind. Die in Figur 7 dargestellten Einrichtungen zum Bestimmen der Phase der Oszillatorfrequenz für die Mischer und zur Auswahl der Anschlüsse auf der inkremental en und der Hauptverzögerungsleitung umfassen getrennte Festwertspeicher, in denen die erforderliche digitale Information gespeichert ist. Andererseits könnte die Information in einem Speicher mit weniger Bits gespeichert werden, falls der Speicher entsprechend für die verschiedenen Einrichtungen aufgeteilt würde. Auch ist es möglich, die Information in einem Mikroprozessor in Realzeit zu berechnen. Schließlich könnten auch andere Formate und Steuertechniken zur Verwirklichung der hierin beschriebenen Grundgedanken herangezogen werden.

Bei den verschiedenen Berechnungen wurde davon ausgegangen, daß die Meßumformer auf einer geraden Linie liegen. Wenn die Meßumformer auf eine anders ausgebildeten Linie liegen, wäre die Formel für die ideale Verzögerung T. (t) für einen Meßumformer verschieden, aber die für die Fokussierung erforderliche Phase wäre . immer noch auf T. (t) und T. ** in der gleichen Weise wie in den Gleichungen (13) und (14) bezogen.

Phasenänderungsei nri chtung

In den Meßumformerkanälen von Figur 7 besteht die Einrichtung zur Änderung der Phase_/Lr(t) der von dem Meßumformer abgeleiteten und einem Anschluß auf der Verzögerungsleitung zugeführten Wellen aus einem Mischer, einem Oszillator und einem Phasenwähler. Die Einrichtung zur Änderung der Phase kann jedoch einen

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Int. Az.: Case 1246 2854134

in Reihe mit jedem Mischer geschalteten Phasenschieber aufweisen, falls ein Eingangssignal cos(w t + 0) bei der Verschiebung um den Wert-A-(t) ein Signal cos(w t + 0 +-Mt)) erzeugt. In Figur 8 ist schematisch ein Meßwertumformerkanal mit einem Meßumformer 95, einem Mischer 97 und einem in Reihe mit einem Eingang eines Addierers 100 verbundenen Phasenschieber 98 verbunden, und ein ähnlicher benachbarter Kanal umfaßt einen Meßumformer 95', einen Mischer 97' und einen Phasenschieber 98', der in Reihe mit dem anderen Eingang des Addierers 100 geschaltet ist. Der Ausgang des Addierers 100 ist wahlweise mit einem Anschluß auf der Hauptverzögerungsleitung Mr. durch einen Anschlußwähler 102 verbunden, und ein Oszillator 104 gibt ein Signal mit der gleichen Phase einer Oszillatorfrequenz w an die Mischer 97 und 97'. Der Phasenschieber kann digital in bekannter Weise durch Information gesteuert werden, die in dem Fest-Wertspeicher 76 in Figur 7 enthalten ist. Die Phasenschieber könnten andererseits zwischen den Meßumformern und den Mischern angeordnet sein, wie aus den Rechtecken 105 und 105' mit unterbrochenen Linien hervorgeht. Obgleich dieses weniger wünschenswert für viele Anwendungen ist, könnte die Einrichtung zur Phasenänderung nur aus einem Phasenschieber, jedoch keinem Mischer bestehen, wie in Figur 3 dargestellt ist.

Quadratursystem

Bei der Erörterung des Systems gemäß Figur 9 wird davon ausgegangen, daß die Einrichtung zur Steuerung der Zeitpunkte der übertragenen Impulse, der Verstärkung des Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung und der Phasenwinkel_v\_ ■ (t) und die Anschlüsse auf den Hauptverzögerungsleitungen die gleichen oder ähnlich sind wie diejenigen in Figur 7. Es ist nur ein Meßumformerkanal dargestellt, während die anderen ähnlich wären.

Durch einen Meßumformer 106 wird ein Signal E. (t)cos(w t + 0, ) erzeugt und über eine Schutzschaltung 108 und einen Verstärker 110 mit einstellbarer Verstärkung an einen Mischer 112 abgegeben, wo

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das Signal mit dem gleichen Osziliatorsignal cos(w t + u überlagert wird, gemäß Figur 5C oder Figur 7. Das Meßumformersignal wird auch einem Mischer 114 zugeführt, wo es mit einem Oszillatorsignal sin(w t + u(t)) überlagert wird. Dieses Oszillatorsignal kann von dem vorherigen Oszillatorsignal abgeleitet werden, indem eine Verzögerung 116 eingeführt wird, die eine Viertel Periode der Frequenz w entspricht.

Das Ausgangssignal vom Mischer 112 wird einem Anschluß auf einer elektrischen Hauptverzögerungsleitung 118 zugeführt, der durch einen Anschlußwähler 120 bestimmt ist, und nach dem Durchgang durch die Verzögerungsleitung 118 und ein Tiefpaßfilter 121 wird das Ausgangssignal in einem Mischer 122 mit einem Signal cos w,t überlagert. Das Ausgangssignal vom Mischer 114 wird einem identischen Anschluß auf einer identischen elektrischen Hauptverzögerungsleitung 124 zugeführt, der durch einen Anschlußwähler 126 bestimmt ist, und nach dem Durchgang durch die Verzögerungsleitung 124 und ein Tiefpaßfilter 128, welches dem Tiefpaßfilter 121 entspricht, wird das Signal in einem Mischer 130 mit einem Signal sin w.t überlagert. Durch die Wahl w = w erfordern die Verzögerungs!eitungen und Tiefpaßfilter Bandbreiten, die nur breit genug zu sein brauchen, um die Hüll kurven E.(t) der von den Meßwertumformern abgegebenen Signale hindurchzulassen. Die Ausgangssignale der Mischer 123 und 130 werden einem Addierer 132 zugeführt. Falls die Frequenzbedingung w, = w gilt, haben die Mischer 120 und 130 die Frequenz w . Andererseits kann die Signalverarbeitung an den Ausgängen der Tiefpaßfilter 121 und 128 erfolgen, statt die Signale den Mischern 122 und 130 zuzuführen, d.h. indem die Quadratwurzel . der Summer der Quadrate der Mischerausgangssignale verwendet wird. In allen Mischern könnten digitale Signale verwendet werden. Gewünschtenfalls können preiswerte inkrementale Leitungen an den Punkten χ eingefügt werden, wie es gemäß Figur 7 erfolgte. Auf jeder Seite der Mischer 112 und 114 können Phasenschieber eingefügt werden, die in Verbindung mit Figur 8 erläutert wurde, so daß ein Oszillator oder ein Taktgeber mit einer konstanten Phase verwendet werden kann und davon Quadraturphasensignale abgeleitet werden können.

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Int. Az.: Case 1246

Die Quadraturtechnik ist insbesondere nützlich, wenn Verzögerungsleitungen 118 und 124 mit ladungsgekoppelten Einrichtungen verwendet werden.

Doppelte Umformung

In Figur 10 ist eine Ausführungsform mit doppelter Umformung der Signale dargestellt. Das von einem Meßumformer 134 abgegebene Signal E. (t)cos(w t + 0, ) wird mit dem Ausgangssignal cos w.t eines Oszillators 135 in einem Mischer 136 überlagert. Das gleiche Oszillatorausgangssignal, welches also die gleiche Phase hat, wird den entsprechenden Mischern aller Kanäle zugeführt. Ein Filter 138 wählt das untere Seitenband (w. - w ) von Ausgang des Mischers 136 und führt dieses dem Eingang eines Mischers 140 zu, wo es mit dem Signal cos(w₂t + 0, (t)) überlagert wird, das durch einen Phasenwähler 142 gewählt wird, der in der gleichen Weise gesteuert ist wie der Phasenwähler 32 in Figur 7, um das Ausgangssignal eines Oszillators 144 mit der gewünschten Phase zu wählen. Ein Anschlußwähler 146, der in der gleichen Weise wie der Anschlußwähler 38 in Figur 7 gesteuert ist, verbindet den Ausgang des Mischers 140 mit entsprechenden Anschlüssen auf der Hauptverzögerungsleitung [L·. Das Ausgangssignal von der Verzögerungsleitung M wird einem Filter 147 zugeführt, welches das obere Seitenband Cw₁ + W₂ - w ) wählt. Eine genaue Phasenkohärenz wird erreicht, falls die Verzögerung am Anschluß ideal ist, d.h. gleich T. (t) und falls der Phasenwinkel (Θ. ) der Gleichung genügt:

(16) 9_h(t-T_h(t)) = (W₁ + W₂) T_h(t)

Dabei wurde w in Gleichung (6) ersetzt durch (w, + w_?).

Um Anschlüsse mit größeren Abständen entsprechend einem Merkmal der Erfindung zuzulassen, wird anstelle des Wertes Θ, (t) der Phasenwinkel_A__h(t) verwendet und in Gleichung (13) oder in Gleichung (14) für w_Q der Wert (W₁ + W₂) eingesetzt. Damit ergäbe sich aus

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Hewlett-Packard Company Int. Az.: Case 1264

Gleichung (13):

(17) _A._h(t) =

Um die Anzahl der auszuwählenden Anschlüsse zu reduzieren, können die Ausgangssignale der zweiten Mischer, beispielsweise des Mischers 140, der Kanäle für angrenzende Meßumformer addiert werden, bevor sie den Anschlußwählern, beispielsweise im Anschlußwähler 146, zugeführt werden. Obgleich damit zusätzliche Kosten verbunden sind, könnte der Phasenwinkel_Λ_. (t) mit Phasenschiebern versehen werden, die entweder am Eingang oder am Ausgang des Mischers 140 vorgesehen sind, in welchem Fall die Phase des Wertes W₂ konstant gehalten würde, wie in Verbindung mit Figur 8 erläutert wurde.

Gemäß Figur 10 werden das untere Seitenband am Ausgang des Mischers 136 und das obere Seitenband am Ausgang des Mischers 140 durch Filter-138 bzw. 147 gewählt. Es könnte jedoch jede Kombination von Seitenbändern verwendet werden, solange der geeignete Wert von^L. (t) verwendet wird, der sich aus der nachfolgenden Tabelle ergibt, in welchem Fall #1 dem entsprechenden Symbol in Figur 10 entspricht. Es kann jede Kombination von w,. und w_? als effektive Oszillatorfrequenz betrachtet und anstelle des Wertes w in den verschiedenen Gleichungen

20 eingesetzt werden.

Fall	Seitenband von 139	Seitenband von 140	_JU_h(t)

#1	W₁ -W₀"-	^W2^+Wi"^wc	*(W₂₊W₁)Y₊ w_cp_h(t₊y)-T_h-]*
#2	W₁ -w_c	W₂-W₁₊W₀	(W₂-W₁)Tj₁-w_cCr_hit₊T_h)-T_h^
#3	W_{1 +} w_c	W₂-W₁-W₀	(W₂-W₁)Tj₁ ₊ w_c[T_h(t₊T_h)-T_h]**
#4	W₁ + w_c	W₂₊W₁₊W₀	*(W₂₊W₁)Y- w_c[T_h(t₊T_h)-T_h]**

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- 36 Hewlett-Packard Company

Int. Az.: Case 1246

In Figur 11 ist ein Meßumformerkanal mit zwei Mischern dargestellt, von denen sich einer vor und einer hinter der inkremental en Verzögerungsleitung befindet, so daß verschiedene,Zwischenfrequenzen für eine die Zeitverzögerung veränderte inkrementale Verzögerungsleitung und die Hauptverzögerungsleitung mit einer festen Verzögerung verwendet werden kann. Ein anderer Vorteil ist, daß die "Vorwegnahme" die bei der Phasenkompensation des Wertesj\__h(t) erforderlich ist, dadurch vereinfacht wird, daß die Phasenkompensation nach dem zeitlich veränderlichen Anteil der Zeitverzögerung und nicht davor erfolgt. Ein Meßumformer 148 gibt ein Signal E_h(t)cos(w_ct + 0^) an einen Mischer 150 ab, wo es mit einer konstanten Phase von cos w,t von einem Oszillator 152 überlagert wird, um Zwischenfrequenzen (W₁ - w ) und (W₁ + w ) zu erzeugen. Die gleiche Phase der Oszillatorfrequenz wird den entsprechenden Mischern der anderen Meßumformerkanäle zugeführt. Wie in Figur 10 wird das untere Seitenband (W₁ - w ) der sich ergebenden ZwischenfrequenzträgerwelIe durch ein Filter 154 ausgewählt, das zwischen dem Ausgang des Mischers und einem Ende einer inkrementalen Verzögerungsleitung 156 mit einer Verzögerung T-J_nU) verbunden ist. Ein Anschlußwähler 158, der wie der Anschlußwähler 90 in Figur 7 betrieben werden kann, verbindet einen der Anschlüsse der inkrementalen Verzögerungsleitung 156 mit einem Mischer 160, wo die überlagerung mit dem Ausgangssignal cos Wpt +J\_, (t) erfolgt, das durch einen Phasenwähler 163 von einem Oszillator 164 ausgewählt wurde, um ein Zwischenfrequenzträgersignal und dessen Seitenbänder zu erzeugen. Die Frequenz w~ mit der Phase-Λ-, (t), welche in diesem Fall erforderlich ist, kann erzeugt werden, indem in einem Festwertspeicher die entsprechende Information eingegeben und zur Steuerung des Phasenwählers 162 in der gleichen Weise verwendet wird, wie der Festwertspeicher 78 den Anschlußwähler 38 in Figur 7 steuert. Der Ausgang des Mischers 160 ist mit dem Eingang eines Anschlußwählers 166 verbunden, der wie der Anschlußwähler 38 in Figur 7 gesteuert wird und die Zwischenfrequenzwellen an einen der Anschlüsse einer Hauptverzögerungsleitung M„ mit einer Verzögerung T „ abgibt. Ein Filter 167 am Ausgang der Verzögerungsleitung Μη wählt das obere Seitenband (w.+Wp-w ) wie in Figur 10.

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Int. Az.: Case 1246 2854134

Falls der Anschluß bei M_n mit der Verzögerung Τ_ΜΓ) während der fokalen Abtastung eines Bereichs entlang einer Strahl richtung bleibt, muß die inkrementale Verzögerung T-u(t) der Leitung 156 der nachfolgenden Gleichung entsprechen, falls die kombinierten Verzögerung der beiden Leitungen gleich der idealen Verzögerung T, (t) ist:

(18) T_ih(t) = T_h(t ₊ T_MD) - T_MD

Da die inkrementale Leitung Anschlüsse hat, ist es unwahrscheinlich, daß sie die ideale Verzögerung erzeugt. Vielmehr wird eine Verzögerung T.,* des dem Wert T-. (t) am nächsten kommenden Anschlusses erzeugt, so daß die Gleichung gilt:

(19) T_1h*(t) = T_h*(t ₊ T_MD) - T_MD.

In diesem Fall beträgt der Phasenwinkel^r, (t) des Signales vom Oszillator 164, welches dem Mischer 160 zugeführt wird:

⁽²⁰⁾ ^h^(t-"W = ^wiV^(t)

Wenn der Ausdruck t+Tw^ für t eingesetzt wird, ergibt sich

_{h 1}j₁j₁₀) ₊ w_zT_{MD +} w_c CT

Es kann zu dem Phasenwinkel ein Korrekturwert hinzugefügt werden, um Fehler in der Anordnung der Anschlüsse auszugleichen, wie in Verbindung mit Figur 7A erläutert wurde.

Aus Gleichung (21) ist ersichtlich, daß der Phasenwinkel:^^) Bestandteile hat, welche die Tatsache ausgleichen, daß jede Oszillatorfrequenz verwendet wird. Diese Anteile werden bestimmt _t indem die Frequenz mit der tatsächlichen Verzögerung jenseits des Punktes multipliziert wird, an dem die Oszillatorfrequenz eingeführt wird. Der sich ergebende Winkelwert erhält auch einen Bestandteil, der durch Multiplikation der Trägerfrequenz mit der

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Int. Az.: Case 1246

Differenz zwischen der ideal erweise für einen bestimmten Meßumformer erforderlichen Verzögerung und der tatsächlichen Verzögerung zum Zwecke der Fokussierung bestimmt wird. Unabhängig von der Komplexität des verwendeten überlagerungssystemes müssen diese beiden Bestandteile verwendet werden. Der tatsächlich verwendete Phasenwinkel kann, wie vorher erläutert wurde, am nahesten zu dem Wert von 45° oder einen anderen willkürlich gewählten Winkelmaß sein. Der Punkt, an dem die Phaseneinstellung erfolgt, ist so lange unkritisch, wie die sich ergebende Phase der Zwischenfrequenz-Trägerwellen innerhalb der willkürlich gewählten Grenze am Eingang zu dem Verzögerungsleitungssystem ist. Wenn daher zwei Überlagerungseinrichtungen verwendet werden, kann die erforderliche Gesamtphasenverschiebung zwischen diesen in irgendeiner gewünschten Weise aufgeteilt werden. Wie in Figur 10 kann jede Kombination von Seitenbändern ausgewählt werden, solange wie das geeignete Vorzeichen ausgewählt wird für die Ausdrücke

wc C^Th^{(t +} W - V^ ⁺ -^
und

Zusammenfassung

Durch die Steuerung der Phase der von den Meßwertumformern abgeleiteten Wellen und ihrer Zufuhr zu den Eingängen oder Anschlüssen der Verzögerungseinrichtung, unabhängig davon ob es sich um Trägerwellen oder Zwischenfrequenzwellen handelt, so daß die Wellen am Summierungspunkt mit einer hinreichenden Phasenkohärenz zur Ausbildung eines verwendbaren Video-Signales eintreffen, ist es möglich, eine Verzögerungseinrichtung mit weniger Eingängen oder Anschlüssen zu verwenden, als erforderlich wäre, um die gewünschte Phasenkohärenz zu erzeugen, falls nur eine Verzögerungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik verwendet würde. Dadurch werden nicht nur die Kosten bei der Verwendung von elektrischen Verzögerungsleitungen und die bei akustischen Verzögerungsleitungen auftretenden Reflexionsprobleme wesentlich herabgesetzt, sondern es können auch

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Claims

PATENTANWALT D-7261 Ge.:hin.|en/Bergwald

Lindenstr.-i6 . .

DIPL-ING. KNUD SCHULTE _{Telefon: (o7O5(}u_1Ä67_ '

Patentanwalt K. Schulte, Lindenstr. 16, D-7261 Gechingen

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Int. Az.: Case 1246 8. Dezember 1978

PATENTANSPRÜCHE

Schaltungsanordnung zum Herstellen von Abbildern eines Körpers mit einer Einrichtung zur periodischen Aussendung von Impulsen aus pulsierenden Druckwellen einer Frequenz w in den Körper, einer Anordnung von Meßumformern zur Aufnahme von Anteilen der Energie der Impulse aus pulsierenden Druckwellen, welche von Punkten innerhalb des Körpers reflektiert werden, und zu deren Umwandlung in entsprechende Impulse einer elektrischen Wechselspannung, einer Verzögerungseinrichtung, welche zwischen einer Anzahl von Eingangssignalen und einem Summierungspunkt verschiedene diskrete Verzögerungen bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß

die Verzögerungseinrichtung (40) diskrete Verzögerungen mit solchen Beträgen an ihren Eingängen bewirkt, daß Impulse aus Wechselspannungswellen entsprechend den Impulsen aus pulsierenden Druckwellen, die durch die Meßumformer (TR./TRp) von einem gegebenen Punkt empfangen werden, am Summierungspunkt während verschiedener sich überlappender Zeitintervalle und mit wenig Phasenkohärenz zwischen den Wechselspannungswellen in den überlappenden Bereichen auftreten würden, falls diese Impulse jeweils von den Meßumformern den Eingängen der Verzögerungseinrichtung zugeführt würden, eine Einrichtung (38) zwischen den Meßumformern und den Eingängen der Verzögerungseinrichtung (40) eine Phasenänderungseinrichtung (28/28') einführt und die Verzögerungseinrichtung diskrete Verzögerungen T.** aufweist, die nahe der idealen Kompensationsverzögerung T. (t) sind, welche zur genauen Fokussierung der Meßum-

ORIGlNAL INSPECTED

90982S/0Ö51

Volksbank Bobhngen AG. Kto. 108458008 (BLZ 60390220) · Postscheck: Stuttgart 996 55-709

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Int. Az.: Case 1246 - 2 -

former der Anordnung an einem Punkt innerhalb eines gegebenen Bereichs erforderlich sind,

eine Einrichtung (32/32') die PhasejV.. (t) des Ausgangssignales der Phasenänderungseinrichtung (28/28¹) derart steuert, daß den Eingängen der Verzögerungseinrichtung Wechsel Spannungssignale zugeführt werden, die von den Druckschwankungen abgeleitet sind, welche von den Meßumformern als Reflexionen von gegebenen Punkten im Körper am Summierungspunkt mit hinreichender Phasenkohärenz empfangen werden.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenänderungseinrichtung (28/28¹) einen ersten Satz von Mischern aufweist, die einen mit den Meßumformern entsprechend verbundenen Satz von Eingängen aufweist, und deren Ausgänge entsprechend mit den Eingängen der Verzögerungseinrichtung verbunden sind, und die Einrichtung (30/30', 32/32') entsprechend Wechselspannungssignale einer Frequenz w abgibt, welche Phasenwinkel CV\_,(t)) bezüglich des anderen Satzes von Eingängen der Mischer haben.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Phasenwinkel J\_. (t) des Signales für jeden Meßumformer mehrere Male zwischen den periodischen Übertragungen der Impulse akustischer Wellen in den Körper gleich ^wo^Th** ^{+ w}c C^Th^ ^{+ T}h**^ ~ ^Th**] ^oder 9^leich ^wo^Th** " V^V* ^{+ T}h**^J " ^Th**5 beträgt-
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Differenz (ΔΤ. **) zwischen den tatsächlichen Verzögerungen T an den Eingängen der Verzögerungseinrichtung und den angenommenen Werten (T. **) bei der Bestimmung des Phasenwinkels_J_, (t) ein zweiter Satz (43/43')

3Ü von Mischern zwischen den Ausgängen des ersten Satzes von Mischern und den Anschlüssen eingesetzt, ein Satz von Eingängen des zweiten Satzes von Mischern entsprechend mit den Ausgängen

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Int. Az.: Case 1246 - 3 -

des ersten Satzes von Mischern verbunden ist und der andere Satz von Eingängen des zweiten Satzes von Mischern entsprechend mit einer Einrichtung (47) verbunden ist, welche vorbestimmte Phasenwerte einer Welle mit einer Frequenz (W,) abgibt, die vorbestimmten Phasenwerte eine erste feste Phasenkomponente (W.AT. **) haben, welche zur Kompensation der Differenzen zwischen den angenommenen Werten von T. ** für jeden Meßumformer und der tatsächlichen Verzögerung durch die Anschlüsse, mit denen die Meßumformer durch die Mischer verbunden sind, erforderlich ist und daß sie eine zweite feste Phasenkomponente haben, die W,mal der tatsächlichen Verzögerung ist, und die Ausgänge des zweiten Satzes von Mischern entsprechend mit den Eingängen der Verzögerungseinrichtung gekoppelt sind.
5. Schaltungsanordnunganordnung nach Anspruch 1, dadurch g e -

kennzeichnet, daß ein erster Satz (136) von Mischern entsprechend in Reihe geschaltet ist mit der Phasenänderungseinrichtung und die Spannungswellen der Frequenz w von den Meßumformern mit der gleichen Phase der Spannungswellen einer Frequenz W, überlagert werden und Filter (138) eines der durch die überla-. gerung erzeugten Seitenbänder auswählen und in Reihe mit den entsprechenden Ausgängen des ersten Satzes von Mischern geschaltet sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenänderungseinrichtung ein zweiter Satz (140) von Mischern zur Überlagerung von Spannungswellen ist, die von den Meßumformern über den ersten Satz von Mischern abgeleitet sind, mit elektrischen Wellen mit einer Frequenz W₂, und ein Bandpaßfilter (147), welches eines der Seitenbänder hindurchläßt, das eine Kombination der Frequenzen w , W. und W„ ist,in Reihe mit dem Ausgang der Verzögerungseinrichtung geschaltet ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß ein erster Satz (152) von Mischern entsprechend mit den Meßwertumformern verbunden ist zur Überlagerung von elektrischen

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Int. Az.: Case 1246

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Wellen einer Frequenz W, mit den elektrischen Wellen einer Frequenz W zur Erzeugung von Seitenbandfrequenzen, Bandpaßfilter (154), eines der Frequenzseitenbänder hindurchlassen und mit den Ausgängen des ersten Satzes von Mischern verbunden sind, und die Phasenänderungseinrichtung aus einstellbaren inkrementalen Verzögerungsleitungen (156) besteht und ein zweiter Satz (160) von Mischern die durch die inkremental en Verzögerungsleitungen hindurchgelangenden Seitenbandfrequenzen mit der Phase einer elektrischen Welle der Frequenz W₂ derart überlagert, daß die Wellen an den Ausgängen des zweiten Satzes von Mischern am Summierungspunkt mit hinreichender Phasenkohärenz eintreffen.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Verzögerungseinrichtung (124) vorgesehen ist, die der ersten Verzögerungseinrichtung gleicht, und eine Einrichtung zur entsprechenden Verbindung der zweiten Phasenänderungseinrichtung (114) ähnlich der Phasenänderungseinrichtung zwischen den Meßwertumformern und den Eingängen der zweiten Verzögerungseinrichtung (124) vorgesehen ist, eine Einrichtung (116) die Phasen der Phasenänderungseinrichtung ändert, so daß diese Phasenwerte _Λ_, (t)— 90° abgibt und eine Einrichtung (121, 122, 128, 130, 132) mit dem Ausgang der Verzögerungseinrichtung und der zweiten Verzögerungseinrichtung verbunden ist zur Bestimmung und Kombination der Signale an dieser.

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