DE69705900T2

DE69705900T2 - Verfahren und Anordnung zur Bearbeitung von Signalen, welche durch ein Volumenstruktur reflektierte oder übertragene Wellen darstellen, um eine Forschung und Analyse der Struktur auszuführen

Info

Publication number: DE69705900T2
Application number: DE69705900T
Authority: DE
Inventors: Jacques Dory
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-08-14
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: MY125709A; EP0825453A1; ATE203833T1; RU2178880C2; CN1187612C; JPH10123109A; CA2211419C; US6023660A; CA2211419A1; EP0825453B1; FR2752461A1; ES2162213T3; FR2752461B1; CN1176386A; DE69705900D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Verarbeitung von Signalen, die Wellen entsprechen, die von einer räumlichen Struktur reflektiert oder übertragen worden sind, um eine Erkundung und Analyse dieser Struktur vorzunehmen.
Die Erfindung findet insbesondere, aber nicht ausschließlich, im Bereich der Herstellung von solchen Geräten, wie Ultraschallgeräten, Sonargeräten oder auch Radargeräten Anwendung.
Herkömmliche Geräte dieser Art verwenden üblicherweise Sendemittel, die eine Welle aussenden, die in das zu untersuchende Milieu einfällt, und Empfangsmittel, die gegebenenfalls alle oder einen Teil der Sendemittel verwenden (homodyne Systeme), die die Wellen empfangen, die von den Strukturen reflektiert werden, die von der einfallenden Welle angetroffen worden sind. Darüber hinaus sind Vorrichtungen vorgesehen, um die Signale zu verarbeiten, die von den Empfangsmitteln empfangen worden sind und um sie in einer vom Anwender verwendbaren Form darzustellen, z. B. in Form eines Bildes, mit dem sich die Standortbestimmung der Hindernisse ermöglichen lässt, die Reflexionen der einfallenden Welle hervorgerufen haben.
Die am häufigsten verwendete Methode für die Erreichung dieser Ergebnisse besteht darin, Impulswellen anhand eines Verfahrens einzusetzen, das darin besteht, einen Impuls in eine bestimmte Richtung auszusenden (Schuss), die reflektierten Echos zu orten, die zwischen Aussendung und Empfang verstrichene Zeit zu messen und daraus die Entfernung und somit die Position des Hindernisses abzuleiten, das jedes Echo hervorgerufen hat. Dieser Schussprozess wird sodann anhand eines vorab festgelegten Abtastgesetzes für verschiedene Richtungen wiederholt.
Sobald der Abtastvorgang abgeschlossen ist, ist es möglich, zum Beispiel anhand eines herkömmlichen Anzeigesystems, Bilder herzustellen, die die Hindernisse zeigen, die von den Echos geortet worden sind und deren Positionen bekannt sind.
Zahlreiche Geräte dieser Art verwenden eine sogenannte "sequenzielle" Methode, bei der die Struktur Zeile für Zeile anhand eines beweglichen Strahls untersucht wird, wobei sich die Erkundungszeile bei jedem Schuss verändert.
Unter diesen Bedingungen nimmt die Untersuchungsgeschwindigkeit mit dem Querschnitt des Erkundungsstrahls und mit der Taktfolge der Impulse zu. Es zeigt sich jedoch, dass der Querschnitt des Strahls durch die verlangte räumliche Auflösung begrenzt wird, während die Taktfolge wiederum durch die Zeit begrenzt wird, die jedes einzelne reflektierte Echo für die Rückkehr zur Sonde benötigt.
Als Beispiel für die Untersuchung; eine Aluminiumplatte, bei der Fehler mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Auflösung von 3 mm geortet werden sollen, kann der Querschnitt des Strahls kaum mehr als 2 mm betragen, und die Taktfolge muss unter Berücksichtigung des Nachhallphänomens unter 1000 Hz liegen.
Unter diesen Bedingungen kann die Geschwindigkeit für die Oberflächenuntersuchung nicht mehr als 2 mm · 2 mm · 1000 = 4000 mm²/Sekunde, d. h. 4/1000 m² betragen. Das ergibt in einer Stunde eine Fläche von 4/1000 · 3600 = 14,4 m². Am Produktionsausgang erweist sich diese Geschwindigkeit häufig als zu niedrig, weil sie die Produktion bremst, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, gelegentlich mehrere Anlagen parallel arbeiten zu lassen.
Bei vielen anderen Anwendungen - Kontrolle von Rohren, Eisenbahnschienen usw. - ist diese Begrenzung noch kritischer.
Um diese Nachteile zu beheben, wurde bereits vorgeschlagen, einen annähernd planen Strahl auf das zu erkundende Objekt zu senden, dessen Querschnitt relativ groß ist und der von eine Sonde erzeugt wird, die aus einem Netzwerk besteht, das eine Mehrzahl von Sende- und Empfangsorganen mit geringen Abmessungen beinhaltet, die vorzugsweise unter einer Wellenlänge liegen, um ein sehr breites Strahlungsdiagramm zu bekommen; wobei diese Sendeorgane simultan und parallel angesprochen werden. Beim Empfang arbeitet jedes Sende-/Empfangsorgan unabhängig und empfängt somit separat die Wellen, die von den Hindernissen reflektiert werden, die den Strahl auffangen, der sich in seiner Empfangszone befindet. Nach Digitalisierung werden die von diesen Sendeorganen abgegebenen Informationen (Feld mit reflektierten Wellen) in Speichern gespeichert, deren Lesung in umgekehrter Schreibrichtung erfolgt.
Die Lesesignale werden sodann an eine Vorrichtung zur Rekonstruktion des Feldes der reflektierten Wellen übertragen, zu der eine Mehrzahl von Sendeorganen gehören, die in Gestalt einer Struktur verteilt sind, die derjenigen der Sende-/Empfangsorgane der oben genannten Sonde entspricht. Die Übertragung der Lesesignale auf diese Sendeorgane erfolgt in Übereinstimmung mit der Übertragung der Schreibsignale durch die Sende- /Empfangsorgane an den Speicher.
Die Rekonstruktionsvorrichtung hat die Aufgabe, in einem Hilfsmilieu das Feld der reflektierten Welle zu reproduzieren, um ein Bild des Objekts zu reproduzieren, und dies mit einer Auflösung, die von der Wellenlänge der einfallenden Welle und den Abmessungen der Sondenelemente abhängt.
Für den Fall, dass es sich bei der einfallenden Welle um eine Ultraschallwelle handelt, besteht die einfachste Lösung darin, ein Bild in einem optisch transparenten Milieu zu erzeugen und es anhand der Schlieren-Methode darzustellen.
Für einen industriellen Einsatz ist diese Methode jedoch schlecht geeignet. Darüber hinaus ist sie linear und ermöglicht nicht die Wiedergabe von Hochfrequenzkomponenten.
Bei einem anderen Verfahren wird das Bild von einer dritten Sonde empfangen, und die Lesefrequenz wird so moduliert, dass das Bild einer Struktur immer "fertig" ist, wenn die entsprechenden Signale bei dieser Sonde eintreffen.
Es erweist sich, dass dieses System komplex ist und Sonden mit sehr großer Bandbreite erfordert. Im Übrigen zieht der Durchlauf durch drei aufeinanderfolgende Sonden eine Verschlechterung des Signals nach sich. Außerdem treten zusätzliche Probleme auf, wenn die Sendewelle geneigt oder rund ist.
Im Übrigen beschreibt das Patent US-A-4 817 434 eine Vorrichtung mit einem Adressengenerator je Empfangselement der Sonde, wobei dieser Generator die Adresse liefert, die im entsprechenden Feldspeicher des Empfangselements gelesen werden muss, um das Signal zu bekommen, das dem zu rekonstruierenden Bildpunkt entspricht. Der Bildpunkt wird erzeugt, indem die Signale, die in den jeweiligen Feldspeichern der Sensorelemente gelesen worden sind, mit den vom Adressengenerator angezeigten Adressen kombiniert werden, die dem Punkt des zu rekonstruierenden Bildes entsprechen. Diese Vorrichtung ermöglicht nur eine relativ geringe Taktfolge bei der Bilderzeugung. Um diesen Nachteil zu beheben, sieht dieses Dokument eine komplette Verarbeitungskette für jeden zu rekonstruierenden Bildpunkt vor. Daraus ergibt sich eine Vorrichtung, die aus einer großen Zahl von Komponenten besteht und somit extrem teuer ist.
Die Erfindung verfolgt somit insbesondere die Absicht, diese Nachteile zu beheben.
Zu diesem Zweck stützt sie sich auf die Feststellung, dass bei einem Prozess, wie er voranstehend beschrieben worden ist, jeder Punkt des zu erkundenden Objekts zu einer reflektierten Welle führt, die an Positionen der Speicher gespeichert werden, die in Form von Hyperbelbögen verteilt sind, deren Charakteristiken von der Entfernung des Punktes zur Sonde und vom Strahlungsdiagramm jedes Elements abhängen (diese Hyperbeln reduzieren sich bei den Punkten, die an der Sonde anliegen, theoretisch auf die beiden Asymptoten).
Infolgedessen beinhaltet das Verfahren gemäß Erfindung die folgenden Phasen:
- Absendung von einer einfallenden Welle in die genannte Struktur,
- Empfang der Wellen, die von der Struktur reflektiert oder übertragen worden sind, die von der einfallenden Welle im Inneren des Milieus angetroffen worden ist, anhand einer Vielzahl von Sensorelementen, die voneinander unabhängig sind,
- Digitalisierung und anschließende Speicherung der Informationen, die von den Sensorelementen abgegeben werden, in einem Feldspeicher, der eine Zeile je Sensorelement beinhaltet, und
- Rekonstruktion und/oder Analyse der Struktur des Milieus anhand der Informationen, die im Feldspeicher gelesen worden sind, in dem für jeden Punkt des Objekts die Positionen des Feldspeichers berechnet werden, die die Signale enthalten, die von den Sensorelementen geortet worden sind, die den Wellen entsprechen, die von diesem Punkt reflektiert oder übertragen worden sind, wobei diese Positionen mithilfe eines Adressierungsgesetzes berechnet werden, dessen Parameter von der Position dieses Punktes im Verhältnis zu den Sensorelementen abhängen, und in dem für jeden Punkt die Zeilen des Feldspeichers an den jeweiligen Positionen gelesen werden, die zuvor für diesen Punkt berechnet worden sind, wobei auf die für diesen Punkt gelesenen Werte eine mathematische Operation angewendet wird, um ein Ergebnis zu erhalten, das für den Umfang der Welle repräsentativ ist, die von diesem Punkt reflektiert oder übertragen worden ist, wobei anlässlich dieser Berechnung alle Zeilen des Speicherfeldes parallel für diesen Punkt an den Positionen gelesen werden, die für diesen Punkt in den jeweiligen zugeordneten Adressierungsspeichern angegeben sind, mit anschließender Anwendung des berechneten Ergebnisses auf alle Werte, die im Speicherfeld gelesen worden sind, mit anschließender Verarbeitung oder Speicherung dieses Ergebnisses in einem speziellen Speicher,
Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass:
- die einfallende Welle mindestens eine komplette Halbwelle beinhaltet,
- die für die Digitalisierung der Sensorsignale verwendete Sampling-Rate mindestens dem Dreifachen der Frequenz der einfallenden Welle entspricht,
- das Lesen der Werte im Feldspeicher, die den positiven und negativen Halbwellen entsprechen, anlässlich der oben genannten Rekonstruktionsphase erfolgt,
- die ersten Werte durch die zweiten Werte kompensiert werden, damit im oben genannten spezifischen Speicher ein kompensierter Wert gespeichert wird, der einen verbesserten Rauschabstand aufweist.
In Anbetracht der Tatsache, dass die Berechnung jedes Lesegesetzes zu lange dauert, um in Echtzeit ausgeführt zu werden, erfolgt diese Berechnung im voraus, und die Ergebnisse werden in spezifischen "Adressenspeichern" gespeichert, die jeder Zeile des "Feldspeichers" zugeordnet sind.
Alle Zeilen des Feldspeichers werden sodann parallel erneut gelesen, und die Werte werden addiert (entweder direkt in digitaler Form, oder nach Digital-Analog-Wandlung in analoger Form, um eine Spannung entstehen zu lassen, deren Wert in einen "Bildspeicher" eingegeben wird, der eine Mehrzahl von Punkten enthält, wobei jedem von diesen Punkten ein beispielsweise hyperbolisches Lesegesetz entspricht, dessen Parameter von den Koordinaten dieses Punktes abhängen.
Somit läuft der Leseprozess folgendermaßen ab:
Für jeden Punkt des "Bildspeichers" werden die Koordinaten dieses Punktes parallel an alle "Adressenspeicher" übertragen. Letztere liefern unmittelbar, parallel, die Adressen jeder Zeile des "Feldspeichers", die die Erzeugung des (z. B. hyperbolischen) Gesetzes für den entsprechenden Lesevorgang ermöglichen. Die entsprechende Spannung Vp wird sodann im "Bildspeicher" an der Adresse des genannten Punktes gespeichert.
Eine Art für die Ausführung der Erfindung wird beispielhaft und nicht einschränkend nachstehend und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die folgende Bedeutung haben:
Abb. 1 ist ein theoretisches Schema für eine Vorrichtung zur Erkundung und Analyse einer räumlichen Struktur;
Abb. 2 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Vorrichtung, die auf Abb. 1 dargestellt ist.
Die auf Abb. 1 dargestellte Vorrichtung ist in Ultraschallgeräten anwendbar, die mit Impulsreflexion arbeiten, für die zerstörungsfreie Prüfung von Werkstoffen oder für die Bilderzeugung in der Medizin.
Sie verwendet eine Sonde 1, die aus einem linearen Stab besteht, der sich aus einer Mehrzahl - zum Beispiel 128 - von Sende-/Empfangselementen D&sub1; bis Dn mit geringen Abmessungen (1 mm) zusammensetzt. Auf diese Weise wird die gleiche Sonde 1 zum Senden und Empfangen verwendet.
Jedes Element D&sub1; bis Dn ist einerseits über einen Vorverstärker A und einen Analog-Digital- Wandler CAN an eine jeweilige Zone - hier an die Zeile L&sub1; ... Ln - eines Feldspeichers MC und andererseits über zwei Dioden 2, 3, die kopfüber montiert sind und eine Leitungsschwelle, die z. B. in der Größenordnung von einem Bruchteil eines Volts liegt, an einen Sender E angeschlossen.
Auf diese Weise sind die Dioden 2, 3, die an alle Sende-/Empfangselemente von D&sub1; bis D&sub9; angeschlossen sind, stark leitend, wenn der Sender E eine Wechselspannung abgibt, die an die hundert Volt betragen kann und verhalten sich wie Kurzschlüsse, so dass alle Elemente D&sub1; bis D&sub9; vom Sender E parallel erregt werden und somit eine flache Welle erzeugen.
Beim Empfang dagegen arbeitet jedes Element D&sub1; bis D&sub9; unabhängig und steuert den Vorverstärker A an, an den es angeschlossen ist. Tatsächlich sind die Signale, die von den Elementen geortet werden, schwach (im Bereich von einigen Dutzend Millivolt).
Diese Vorrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, das Eingangsrauschen zu verringern, indem die Vorverstärker A vom Sendeschaltkreis isoliert werden.
Jeder Vorverstärker A steuert sodann einen entsprechenden Analog-/Digitalwandler CAN an, und die digitalisierten Signale werden in den Speicherzeilen L&sub1; bis Ln an Adressen gespeichert, die von einem Adressierungsspeicher MA geliefert werden, der wiederum von einem Zähler CR adressiert wird, der von einem Taktgeber CK gesteuert wird. Dieser Zähler CR und dieser Taktgeber CK gelten für alle Adressierungsspeicher MA, die den Speicherzeilen L&sub1; bis Ln zugeordnet sind.
Beim Lesen der Speicherzeilen L&sub1; bis Ln entsprechen die Ausgänge der Adressierungsspeicher dem Wert des Zählers CR. Es läuft somit alles so ab, als wenn die Feldspeicherzeilen L&sub1; bis Ln vom Zähler CR parallel adressiert würden.
Vorteilhafterweise wird die Anzahl No der Speicherpositionen, die beim Schreibvorgang verwendet werden, unter den Zweierpotenzen ausgewählt, wie z. B. 512, 1024 usw.
Wenn No zum Beispiel gleich 512 ist, werden die Positionen 0 bis 511 des Feldspeichers geschrieben.
Unmittelbar nach dem Schreiben werden die Speicher L&sub1; bis Ln anhand eines Flipflop B, der vom Bit 10 des Zählers CR gesteuert wird, in Leseposition umgeschaltet.
Ab Adresse 512 sind die Ausgänge der Feldspeicherzeilen L&sub1; bis Ln nicht mehr identisch, sondern werden so berechnet, dass die adressierten Speicherpositionen einer vorgegebenen Form (Lesehyperbel) entsprechen.
Diese Berechnung wird folgendermaßen ausgeführt: ab Adresse 512 adressiert der Zähler CR eine Position P'ij eines Speichers Mi (Abb. 2). Jedem Punkt P'&sub1;&sub1; bis P'nm dieses Speichers Mi lässt man eine Position P&sub1;&sub1; bis Pnm des untersuchten Objekts O entsprechen, so dass dieser "Bildspeicher" Mi in der Folge für die Lieferung eines Bildes des Objekts O verwendet werden kann.
Für jeden dieser Punkte P'&sub1;&sub1; bis P'nm berechnet man die Positionen, die in den Feldspeicherzeilen L&sub1; bis Ln belegt werden, anhand des reflektierten Ultraschallimpulses, unter Berücksichtigung der Form des ausgesendeten Feldes, der Digitalisierungsfrequenz, der Schallgeschwindigkeit und der Position des Objekts im Verhältnis zur Sonde. Auf diese Weise sind für den Punkt Pij des Objekts, der dem Punkt P'ij des "Bildspeichers" entspricht, die Positionen, die im Feldspeicher MC belegt werden, in Form einer Hyperbel angeordnet, die schraffiert dargestellt ist.
Wenn die Sonde 1 mit dem Objekt in direktem Kontakt steht, kann die Digitalisierung gleichzeitig mit dem Senden beginnen. Wenn mit einem akustischen Relais gearbeitet wird, kann der Beginn der Digitalisierung um einen Zeitraum verschoben werden, der dem Hin- und Rückweg im Relais entspricht.
Die Werte, die in den verschiedenen Speichern gelesen worden sind (z. B. die Werte, die in den Zellen der Speicherzeilen enthalten sind, die auf der Hyperbel H für den Punkt Pij angeordnet sind), werden in einem Addierschaltkreis S addiert und an die gewählte Position im Speicher Mi übertragen (z. B. an die Position P'ij).
Wie voranstehend erwähnt, können die Informationen, die im Speicher Mi enthalten sind, auf unterschiedliche Weise verwendet werden.
Sie können für die Erstellung eines Bildes auf einem Anzeigebildschirm V vom herkömmlichen Typ verwendet werden.
Diese Informationen können auch zum Beispiel anhand von logischen Schaltungen verarbeitet werden, die eine Identifizierung und Aufzeichnung der Art der georteten Fehler im Falle einer zerstörungsfreien Kontrolle ermöglichen.
Die Adressierungsspeicher MA können Festspeicher (ROM, PROM, EPROM) sein, die ein für alle Mal programmiert werden. Gleichwohl ist es sowohl im Hinblick auf die Geschwindigkeit, als auch hinsichtlich der Flexibilität der Nutzung vorzuziehen, wiederholt programmierbare Speicher, wie z. B. RAM zu verwenden.
Die Programmierung kann sodann zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme erfolgen. Die vorausgehende Berechnung kann anhand eines Kleinrechners in Abhängigkeit von den Prüfbedingungen und vom verwendeten Sondenmodell durchgeführt werden. Die Daten können auch im voraus berechnet und auf Diskette oder in PROM gespeichert werden. Die Ergebnisse werden sodann anhand eines herkömmlichen Verfahrens sequenziell in den MA- Speicher übertragen. Diese Übertragung kann sehr schnell vor sich gehen (wenige Sekunden).
Eine Art der Berechnung der Adressen in den Adressierungsspeichern MA wird nachstehend unter Verweis auf Abb. 2 beschrieben.
Pij sei der Punkt, der sich in einer Entfernung d von der Sonde und gegenüber dem Sensorelement Di befindet, so lässt man diesen Punkt Pij einer Position P'ij des "Bildspeichers" Mi entsprechen, also einer Adresse, die vom Zähler CR geliefert wird.
x sei die Entfernung zwischen dem Element D&sub1; der Sonde 1 und dem Element Di gegenüber Punkt Pij und c die Schallgeschwindigkeit im Objektmilieu.
Wenn man davon ausgeht, dass die von der Sonde 1 ausgestrahlte Welle flach ist und sich rechtwinklig zu der Oberfläche der Sonde 1 ausbreitet, entspricht die Zeit t(x), die ein Impuls benötigt, um zu einem Sensororgan - z. B. D&sub3; - zu gelangen, nach Reflexion am Punkt Pij, dem Wert d/c (Zeit, die die ausgesendete Welle bis zum Erreichen von Pij benötigt) + Quadratwurzel aus (X² + d²)/c:
Wenn die Schreibfrequenz als f bezeichnet wird und wenn der Schreibvorgang zur gleichen Zeit, wie die Aussendung beginnt, wird das reflektierte Signal in der Zelle des Feldspeichers MC gespeichert werden, die sich an der Abszisse x an der Position f. t(x) befindet.
Es ist dieser Wert f, t(x), der in den Speicher MA eingegeben wird, um anlässlich des Lesevorgangs verwendet zu werden.
Wenn sich die Welle nicht rechtwinklig zur Sonde ausbreitet (Erkundung mit schrägem Einfallswinkel), oder wenn die Welle nicht flach ist (runde Welle im Falle einer sektoriellen Erkundung), erfolgt die Berechnung auf sehr ähnliche Weise, wobei sich nur die Zeit verändert, die die Welle zum Erreichen eines Punkts Pij benötigt. Diese Zeit hängt nicht nur von d ab, sondern auch von der seitlichen Position von Punkt Pij im Verhältnis zur Sonde 1. Wenn die Welle schräg verläuft, variiert die Zeit linear im Verhältnis zur seitlichen Position Xp, wobei die Zeit, die die ausgesendete Welle benötigt, um den Punkt Pij zu erreichen (d · cos(θ) - Xp . sinθ)/C entspricht, wobei θ den Winkel des ausgesendeten Strahlenbündels im Verhältnis zur Normalen an der Sonde 1 angibt.
Für den Fall, dass die von der Sonde 1 erzeugten Wellen ungedämpft oder halbungedämpft sind und diese Wellen die Form eines Wellenzugs mit einer Dauer haben, die ausreicht, um jedes Objekt abzudecken, führt jeder Punkt zur Entstehung einer reflektierten Welle mit einer derartigen Dauer, dass sie in beinahe allen Positionen der Speicherzeilen MC gespeichert wird, und die Informationen, die unterschiedlichen Punkten entsprechen, legen sich übereinander.
Man kann davon ausgehen, dass ein "Abschnitt" dieser Speicher alle Informationen enthalten wird, die dem Objekt entsprechen, sobald dieser Abschnitt eine ausreichende "Dicke" besitzt, um die größte der Hyperbeln aufzunehmen.
Das Lesen dieses einzigen Abschnitts wird somit grundsätzlich ausreichen, um das Bild des Objekts zu erzeugen.
Dieses Lesen kann durch schrittweise Veränderung der Form der Lesehyperbeln erfolgen, oder durch "Einstellung" auf eine Zone in einer vorgegebenen Entfernung.
Die Digitalisierung des Signals muss sodann anhand einer höheren Anzahl von Ebenen erfolgen, um eine gute Unterscheidung der verschiedenen Informationen zu ermöglichen. Um die Elektronik zu vereinfachen, kann auch in Betracht gezogen werden, die Speicher MC anlässlich des Schreibvorgangs sequenziell zu adressieren, wobei das erneute Lesen immer parallel erfolgt (in diesem Fall sind nur ein einziger Vorverstärker und nur ein einziger Analog-Digital-Wandler erforderlich).
Die Erfassungsgeschwindigkeit wird in diesem Fall erheblich verringert, aber die Auflösung bleibt hoch. Diese Lösung kann interessant sein, wenn das Streben nach Geschwindigkeit keine Priorität hat. Gemischte Lösungen können ebenfalls in Betracht gezogen werden: paralleles Schreiben an Speichergruppen, wobei diese Gruppen sequenziell adressiert werden.
Bei dem voranstehend beschriebenen Beispiel wird das Ultraschallsignal vor der Ortung gespeichert, also im Hochfrequenzbereich. Die Sampling-Rate muss mindestens dem Dreifachen der Ultraschallfrequenz entsprechen, d. h. sie muss bei einer Ultraschallwelle von 3 MHz z. B. 10 MHz betragen.
Wenn eine Tiefe von 10 cm in Stahl erkundet werden soll, entspricht die maximale Zeit für den Hin- und Rückweg ungefähr 60 Mikrosekunden. Das entspricht 600 Sampling-Punkten auf jeder Zeile.
Für ein Bild mit 100 Zeilen müssen somit 600 · 100 = 60.000 Punkte berechnet werden.
Die Berechnung reduziert sich hier auf einen einfachen Speicherlesevorgang, gefolgt von einer Addition.
Diese Maßnahme kann mit modernen Schaltungen in 1/100 Mikrosekunde ausgeführt werden. Das gesamte Bild wird auf diese Weise in 60.000/100 = 600 Mikrosekunden berechnet.
Die Speicherung des Feldes wird 60 Mikrosekunden gedauert haben, und die Gesamtzeit für die Erfassung eines Bildes wird somit 660 Mikrosekunden betragen, wobei die Bildfolge mehr als 1000 Hz betragen kann.
Wenn sich diese Bildfolge als unzureichend erweist, kann sie auf mehrere Arten angehoben werden:
a) Aufteilung des Feldspeichers in mehrere Unterspeicher, die parallel gelesen werden.
b) Auswahl und Verarbeitung der einzigen Speicherzone, die die nützlichen Informationen enthält.
Es ist anzumerken, dass die Ultraschallwelle häufig die Form eines kurzen Impulses besitzt, der mehrere Halbwellen enthält. Es kann in diesem Falle von Interesse sein, mehrere Lesehyperbeln zu verwenden, die diese Halbwellen abfangen. Wenn der Impuls kurz ist und nur eine einzige vollständige Halbwelle enthält, kann eine Hyperbel verwendet werden, um die positive Halbwelle zu lesen und dies in einem Abstand, der einer Halbperiode für das Lesen der negativen Halbwelle entspricht. Wenn Pp und Pm die Werte sind, die nach diesem Ablesen erhalten wurden, wird der Wert P = Pp-Pm aufgezeichnet. Diese Lösung kann den Rauschabstand und die Auflösung des Systems verbessern. Die beiden Lesevorgänge können aufeinanderfolgend zum Nachteil der Geschwindigkeit erfolgen, oder aber parallel, indem zwei Speichergruppen verwendet werden.
Das Verfahren gemäß Erfindung weist zahlreiche Vorteile gegenüber den sequenziellen Verfahren auf.
Geschwindigkeit: Bei jedem Schuss wird eine große Oberfläche erkundet, z. B. von 100 · 5 mm, anstelle von 3 · 3 mm beim sequenziellen Verfahren.
Die Untersuchungsgeschwindigkeit kann im Verhältnis zum sequenziellen Verfahren um den Faktor 50 oder 100 gesteigert werden, was ganz erheblich ist.
Die Schnelligkeit des Verfahrens macht den Weg frei für zahlreiche Anwendungen, z. B. für die dreidimensionale Bilderzeugung und die Doppler-Bilderzeugung.
Die dreidimensionale Bilderzeugung kann problemlos verwirklicht werden, wenn man eine Matrixsonde verwendet, aber die Elektronik ist sehr schwer, weil die Anzahl der Elemente einer herkömmlichen Matrixsonde hoch ist. Allerdings ist es möglich, die Anzahl der Elemente deutlich zu verringern, indem eine zufällige Verteilung dieser Elemente auf der Sondenoberfläche verwendet wird, was einen größeren Abstand der Elemente zulässt, ohne dass die Störkeulen zu groß werden. Mit einer linearen Sonde kann eine Serie von Ebenen sehr schnell aufgezeichnet werden, indem die Schnittebene nach jedem Schuss verschoben wird. Bei einer Taktfolge von 100 Hz können in 1/10 Sekunde 100 Schnittebenen gespeichert werden. Die Speicher können sodann verwendet werden, um eine dreidimensionale Ansicht oder eine Schnittansicht in einer beliebigen Ebene zu erzeugen.
Was die Doppler-Bilderzeugung anbelangt, ergibt sich die Anwendung der Doppler- Bilderzeugung aus der Tatsache, dass aufeinanderfolgende Bilder miteinander verglichen werden können. Da das Hochfrequenzsignal gespeichert wird, können sehr geringe Unterschiede zwischen zwei Bildern festgestellt (z. B. durch Subtraktion) und aufgezeigt werden.
Auflösung: Das System arbeitet mit einer sehr großen digitalen Öffnung. In der Praxis wird die räumliche Auflösung nur durch den größeren der beiden folgenden Werte begrenzt: Wellenlänge - Maße eines Elements. So ist im angegebenen Beispiel zum Beispiel die Wellenlänge mit 2 mm der größere dieser beiden Werte. Bei einer Frequenz von 10 MHz wäre der größere dieser beiden Werte die Größe eines Elements, d. h. 1 mm.
Reproduzierbarkeit: Die Sensibilität des Systems schwankt sehr geringfügig im Verhältnis zur Position eines Hindernisses unter der Sonde, da das Feld in Form einer flachen Welle ausgestrahlt wird. Darüber hinaus können die Veränderungen der Sensibilität im Verhältnis zur Position berechnet und somit korrigiert werden, da die exakte Position jedes Hindernisses im Verhältnis zur Sonde bekannt ist.
Das System kann mit Wellenfronten beliebiger Form (flach, schräge Ebene, zylindrisch) arbeiten. Es genügt, in jedem Falle die Form der Lesehyperbeln im Verhältnis zu ihrer Position zu berechnen.

Claims

1. Verfahren für die Verarbeitung von Signalen, die reflektierten Wellen entsprechen, die von einem Milieu (0) übertragen oder gebrochen werden, um eine Erkundung und Analyse der Struktur dieses Milieus vorzunehmen, wobei dieses Verfahren die folgenden Phasen beinhaltet:

- Absendung von mindestens einer einfallenden Welle in die genannte Struktur,

- Empfang der Wellen, die von den Strukturen reflektiert oder übermittelt werden, wie sie von der einfallenden Welle im Inneren des Milieus (0) angetroffen worden ist, anhand einer Vielzahl von Sensorelementen (D&sub1; bis Dn), die voneinander unabhängig sind,

- Digitalisierung und Speicherung der Informationen, die von den Sensorelementen abgegeben werden, in einem Feldspeicher (MC), der eine Zeile (L&sub1; bis Ln) je Sensorelement (D&sub1; bis Dn) beinhaltet, und

- Rekonstruktion und/oder Analyse der Struktur des Milieus (0) anhand der Informationen, die im Feldspeicher (MC) gelesen worden sind, in dem für jeden Punkt (Pij) des Objekts (0) die Positionen des Feldspeichers berechnet werden, die die Signale enthalten, die von den Sensorelementen (D&sub1; bis Dn) geortet worden sind, die den Wellen entsprechen, die von diesem Punkt (Pij) reflektiert oder übertragen worden sind, wobei diese Positionen mithilfe eines Adressierungsgesetzes berechnet werden, dessen Parameter von der Position dieses Punktes im Verhältnis zu den Sonsorelementen abhängen, und in dem für jeden Punkt (Pij) die Zeilen (L&sub1; bis Ln) des Feldspeichers (MC) an den jeweiligen Positionen gelesen werden, die vorab für diesen Punkt (Pij) berechnet und in den Adressierungsspeichern (MA) gespeichert worden sind, die den genannten Zeilen (L&sub1; bis Ln) des Feldspeichers (MC) zugeordnet sind, wobei auf die für diesen Punkt gelesenen Werte eine mathematische Operation angewendet wird, um ein Ergebnis (Vp) zu erhalten, das für den Umfang der Welle repräsentativ ist, die von diesem Punkt reflektiert oder übertragen worden ist, wobei anlässlich dieser Berechnung alle Zeilen (L&sub1; bis Ln) des Feldspeichers (MC) parallel für jeden Punkt (Pij) an den Punkten gelesen werden, die für diesen Punkt jeweils von den zugeordneten Adressierungsspeichern (MA) angegeben werden, wobei das Ergebnis der Berechnung (Vp) sodann auf alle Werte angewendet wird, die im Feldspeicher (MC) gelesen worden sind, mit anschließender Verarbeitung oder Speicherung dieses Ergebnisses in einem speziellen Speicher,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die einfallende Welle mindestens eine vollständige Halbwelle beinhaltet,

- die Sampling rate, die für die Digitalisierung der Ortungssignale verwendet wird, mindestens dem Dreifachen der Frequenz der einfallenden Welle entspricht,

- anlässlich der oben genannten Rekonstruktionsphase erfolgt das Lesen der Werte, die den positiven und negativen Halbwellen entsprechen, im Feldspeicher,

- die ersten Werte werden in der Weise durch die zweiten Werte kompensiert, daß in dem oben genannten spezifischen Speicher ein kompensierter Wert gespeichert wird, der einen verbesserten Rauschabstand aufweist.

2. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis (Vp) für jeden Punkt (Pij) in einem Bildspeicher (Mi) gespeichert werden, der eine Vielzahl von Punkten (P&sub1;' bis Pn') enthält, die jeweils den Punkten (Pij) entsprechen.

3. Verfahren gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oben genannte Adressierungsgesetz ein hyperbolisches Gesetz ist und die Berechnung, die auf die Werte angewendet wird, die im Feldspeicher (MC) gelesen worden sind, eine Addition ist.

4. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Adressierungsgesetze für das Lesen jedem Punkt (P&sub1; bis Pn) des Bildspeichers zugeordnet sind.

5. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oben genannten einfallenden Wellen in Form von Impulsen ausgesendet werden.

6. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einfallenden Wellen in Form von Wellenzügen oder einer dauernden Sendung ausgesendet werden, wobei das Adressierungsgesetz in der Weise gewählt wird, daß die reflektierenden Punkte aufgezeigt werden, die sich in einem vorgegebenen Abstand von den Sensorelementen befinden.

7. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendung der einfallenden Wellen und der Empfang der reflektierten Wellen anhand derselben Mittel erfolgt.

8. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Senden der einfallenden Wellen und der Empfang der reflektierten Wellen mithilfe von verschiedenen Mitteln erfolgt.

9. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fronten der einfallenden Wellen plan sind.

10. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einfallenden Wellen aus gerichteten und/oder fokalisierten Bündeln bestehen, die sich nicht gegenseitig überlagern, wobei diese Wellenbündel im Laufe aufeinanderfolgender Sendungen so verschoben werden, daß die gesamte erkundete Struktur abgedeckt wird.

11. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oben genannten einfallenden Wellen mithilfe eines linearen Netzes von unabhängigen Sende- und Empfangsorganen erzeugt werden.

12. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einfallenden Wellen mithilfe von Sende- und Empfangsorganen erzeugt werden, die anhand einer Matrixkonfiguration angeordnet sind.

13. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einfallenden Wellen mithilfe von zufällig angeordneten Sende- und Empfangsorganen erzeugt werden.

14. Vorrichtung für die Anwendung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Sonde (1) beinhaltet, die aus einer Vielzahl von Sende/Empfangselementen (D&sub1; bis Dn) besteht, die jeweils zum einen über zwei über Kopf montierten Dioden mit Leitungsschwelle (2, 3) an einen Sender (E) und zum anderen an einem Analog-/Digitalwandler (CAN) angeschlossen sind, dessen Ausgang an den Schreibeingang einer jeweiligen Leitung (L&sub1; bis Ln) eines Feldspeichers (MC) angeschlossen ist, dessen Lesen durch einen Adressierungsspeicher (MA) gesteuert wird, der durch einen Taktgeber (CK) über einen Zähler (CR) geregelt wird, wobei die jeweiligen Leseausgänge der Leitungen (L&sub1; bis Ln) des Feldspeichers (MC) an ein Addierglied (S) angeschlossen ist, dessen Ausgang an den Schreibeingang eines Bildspeichers (Mi) angeschlossen ist, der vom oben genannten Zähler (CR) gesteuert wird.

15. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der oben genannte Bildspeicher (Mi) über eine Anzeigevorrichtung ausgewertet wird.