DE10038653A1 - Flexible Integrierte Schaltungsarchitektur zur Empfangsstrahlformung - Google Patents

Abstract

Ein Empfangsstrahlformer implementiert auf integrierten Schaltungschips die Funktionen einer Verzögerungs- und Amplitudensteuerung für eine dynamische Fokussierung beim Empfang. Jeder Chip ist derart entworfen, dass jegliche bei der Berechnung der Verzögerung und der Amplitude als Funktion der Zeit enthaltene Komplexität von dem Chip beseitigt ist. Diese Daten werden auf einem Universalcomputer zuvor berechnet, wodurch eine leichte Änderung der Verzögerungs- und Amplitudenfunktionen ermöglicht wird. Der Chip selbst enthält Strukturen (30, 32, 34, 36, 38), die die Zeitverzögerungs- und Amplitudensteuerung implementieren. Es kann auf dem Chip auch eine Analog-Digital-Wandlung (28) enthalten sein.

Description

Die Erfindung betrifft kohärente Abbildungsverfahren, die eine phasengesteuerte Antennenanordnung anwenden, insbesondere Empfangsstrahlformungsverfahren zur Verwendung bei Ultraschallabbildungssystemen.

Ein medizinisches Ultraschallsystem bildet ein Bild durch die Erfassung einzelner Ultraschalllinien (oder Strahlen) aus, die aneinander angrenzen und den abzubildenden Zielbereich abdecken. Jede Linie oder Zeile wird durch die Übertragung eines Ultraschallimpulses in einer bestimmten Ortsrichtung und durch den Empfang der reflektierten Echos aus dieser Richtung ausgebildet. Die Ortscharakteristiken der Sendewelle und die Charakteristiken der Empfangsempfindlichkeit bestimmen die Qualität des Ultraschallbildes. Dabei ist es wünschenswert, dass die Ultraschallzeile Zielinformationen lediglich aus der beabsichtigten Richtung liefert und Ziele in anderen Richtungen ignoriert.

Herkömmliche Ultraschallabbildungssysteme umfassen ein Array aus Ultraschallumformerelementen, die einen Ultraschallstrahl senden und dann den reflektierten Strahl von dem untersuchten Objekt empfangen. Diese Abtastung umfasst eine Folge von Messungen, bei denen die fokussierte Ultraschallwelle übertragen wird, das System nach einem kurzen Zeitintervall in den Empfangsmodus umschaltet, und die reflektierte Ultraschallwelle empfangen, ihr Strahl geformt und für eine Anzeige verarbeitet wird. Typischerweise sind Sendung und Empfang während jeder Messung in der gleichen Richtung fokussiert, um Daten von einer Folge von Punkten entlang eines akustischen Strahls bzw. einer Abtastzeile zu erfassen. Der Empfänger wird dynamisch an einer Folge von Reichweiten entlang der Abtastzeile beim Empfang der reflektierten Ultraschallwellen fokussiert.

Für eine Ultraschallabbildung weist das Array typischerweise eine Vielzahl von Umformerelementen auf, die in einer oder mehreren Reihen angeordnet sind und mit separaten Spannungen angesteuert werden. Durch die Auswahl der Zeitverzögerung (oder Phase) und der Amplitude der angelegten Spannungen können die einzelnen Umformerelemente in einer gegebenen Reihe zur Erzeugung von Ultraschallwellen gesteuert werden, die zusammen eine Nutz-Ultraschallwelle ausbilden, die sich entlang einer bevorzugten Vektorrichtung bewegt und in einer ausgewählten Zone entlang des Strahls fokussiert wird. Die Strahlformungsparameter jeder Zündung können zur Ausbildung einer Änderung des maximalen Fokus oder andererseits einer Änderung des Inhalts der empfangenen Daten für jede Zündung variiert werden, indem beispielsweise aufeinander folgende Strahlen entlang der gleichen Abtastzeile übertragen werden, wobei die Fokalzone jedes Strahls relativ zur Fokalzone des vorhergehenden Strahls verschoben ist. Bei einem gesteuerten Array kann der Strahl mit seiner Fokalzone durch Änderung der Zeitverzögerungen und Amplituden der angelegten Spannungen in einer Ebene zur Abtastung des Objekts bewegt werden. Bei einem linearen Array wird ein fokussierter Strahl in der Richtung normal zu dem Array über das Objekt durch Querbewegen der Apertur über das Array von einer Zündung zur nächsten abgetastet.

Das gleich Prinzip gilt bei der Verwendung des Umformermessfühlers zum Empfangen des reflektierten Schalls in einem Empfangsmodus. Die an den Empfangsumformerelementen erzeugten Spannungen werden summiert, so dass das Nutzsignal die von einer einzelnen Fokalzone in dem Objekt reflektierte Ultraschallenergie zeigt. Wie in dem Sendemodus wird dieser fokussierte Empfang der Ultraschallenergie durch Beaufschlagung des Signals von jedem Empfangsumformerelement mit einer separaten Zeitverzögerung (und/oder Phasenverschiebungen) und Verstärkungen erreicht. Die Zeitverzögerungen werden mit größerer Tiefe des zurückgegebenen Signals angepasst, um eine dynamische Fokussierung beim Empfang herzustellen. Die Verstärkung bzw. der Gewinn jedes Kanals ändert sich mit der Reichweite, um Seitenkeulen durch das Apodisieren der Apertur zu verringern.

Der Strahlformer ist eine wesentliche Komponente eines Ultraschallabbilders. Frühere Verbesserungen der Strahlformerqualität hatten entscheidende Auswirkungen auf den Stand der Technik der medizinischen Ultraschallabbildung. Digitale anstelle analoger Strahlformer sind nunmehr verbreiteter bei Ultraschallabbildern hoher Qualität. Bei diesen Einrichtungen wird das Signal jedes Elements des Umformers verstärkt und vor der Strahlformung in digitale Bits umgewandelt. Da die Amplitude und die Zeitverzögerung jedes Kanals mit der Reichweite verändert werden müssen, sind die Berechnungsanforderungen an einen digitalen Strahlformer sehr hoch. Demzufolge kann der Strahlformer nicht unter Verwendung eines Universalcomputers implementiert werden. Es ist eine spezielle Kundenhardware in der Form anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC) erforderlich.

Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, die eine ausreichende Rechenleistung bereitstellen können, benötigen eine lange Entwicklungs- und Testzeit. Des weiteren sind die wiederholten Kosten bei der Herstellung einer Überarbeitung einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltungsentwicklung erheblich. Diese Nachteile beeinträchtigen die Implementation neuer Strahlformungsalgorithmen, da die Berechnungen durch die Entwicklung der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung bestimmt sind und nicht ohne die Erzeugung eines neuen Chips modifiziert werden können. Dies ist unbefriedigend, da die Halbleitertechnologie und der Stand der Strahlformungsalgorithmen sich äußert schnell weiterentwickeln.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine flexible integrierte Strahlformungsschaltungsarchitektur auszugestalten, die dieses Problem löst.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Architektur für eine integrierte Ultraschall-Strahlformungsschaltung mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung gelöst, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Eingang das Signal von einem oder mehreren piezoelektrischen Umformungselementen eines Ultraschallumformerarrays hat. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung führt die geeigneten Verzögerungen und Amplituden derart zu, dass die summierten Ausgangssignale von jedem Kanal des Empfangsstrahlformers einen fokussierten Empfangsstrahl bilden. Diese Architektur minimiert die Entwicklungszeit und ermöglicht Verbesserungen bei Ultraschallstrahlformungsalgorithmen und ein schnelles Einfügen einer Halbleitertechnologie in einen neuen Ultraschallabbilder.

Die Software zur Entwicklung von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen ist für Standardstrukturen wie Addierer, Speicher und Multiplizierer sehr fortgeschritten. Diese können auf hohem Niveau spezifiziert werden, und der detaillierte Schaltkreis und das Layout sind der Software überlassen. Daraus ergibt sich eine viel höhere Produktivität für den Chipentwickler. Dagegen sind Steuerstrukturen auf diesem hohen Niveau sehr schwer zu definieren, und werden typischerweise Gatter für Gatter hergestellt. Die bei modernen anwendungsspezifischen integrierten Schaltungsentwicklungen enthaltene Komplexitätsstufe ist so hoch, dass das Hinzufügen eines Schaltkreises auf Gatterniveau nahezu unmöglich zu steuern oder zu manipulieren ist.

Die Erfindung kann zur Erzeugung von Strahlformerarchitekturen verwendet werden, die lediglich solche Strukturen verwenden (beispielsweise Addierer, Speicher und Multiplizierer), die durch eine Beschreibung auf hohem Niveau (beispielsweise VHDL) leicht spezifiziert werden können. Die Synthese und das Layout können dann schnell und automatisch unter Verwendung eines Siliziumcompilers bewirkt werden. Die Siliziumkompilierung war trotz Jahren der Anstrengung bei Steuerschaltkreisen in anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen erheblicher Komplexität nicht erfolgreich.

Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ergibt sich bei der Abbildung mit stark unterabgetasteten Arrays, wie bei aktiven Matrixarray(AMA)-umformern. Anwendungsspezifisch integrierte Standard-Schaltungen zur Strahlformung beruhen auf einer 1/r- Abhängigkeit der Fokussierverzögerung von der Reichweite r. Umformerelemente außerhalb der zentralen Reihe eines AMA- Messfühlers benötigen eine Fokussierverzögerung, die für die beste Leistung von 1/r verschieden ist. Der hier offenbarte Entwurf kann willkürliche Verzögerungsänderungen als Funktion der Reichweite erzeugen.

Gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Funktionen bezüglich der Verzögerungs- und Amplitudensteuerung zur dynamischen Fokussierung beim Empfang in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) implementiert, die entwickelt ist, um jegliche bei der Berechnung der Verzögerung und der Amplitude als Funktion der Zeit enthaltene Komplexität zu beseitigen. Diese Daten werden in einer Universaleinrichtung vorab berechnet. Auf diese Weise können die Verzögerungs- und Amplitudenfunktionen leicht geändert werden. Der Chip selber enthält Strukturen, die die Zeitverzögerungs- und Amplitudensteuerung implementieren.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Eingangssignal ein digitaler Datenstrom von einem Analog- Digital-(A/D-)Wandler. Die Ausgangssignale von jedem Kanal werden entweder einem Summationspunkt zugeführt, oder es wird eine Busarchitektur verwendet, bei der jeder Chip eine Teilsumme von den vorhergehenden Chips empfängt und den Beitrag des vorliegenden Kanals addiert.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Analog-Digital-Umwandlung auf dem Chip enthalten. Dies hat den Vorteil einer Verringerung der Anzahl an Verbindungen über die Baueinheit eine wichtige Überlegung, wenn eine Vielzahl von Kanälen in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung unter Berücksichtigung der begrenzten Anzahl an Pins in einer Baueinheit zu verarbeiten ist. Eine analoge Leitung kann als zehn digitale Leitungen dienen. Eine weitere wichtige Überlegung ist die Clusterbildung von A/D- Wandlern um eine anwendungsspezifische integrierte Strahlformungsschaltung auf einer Leiterplatte. Verarbeitet die anwendungsspezifische integrierte Schaltung Daten von einer Vielzahl von A/D-Wandlern, wird die Handhabung des physikalischen Layouts schwierig. Daher ist es vorteilhaft, die A/D-Wandler in der Strahlformungs-ASIC unter Verwendung eines "Megazellen"-Ansatzes zu absorbieren, d. h., durch das Importieren eines vorab vorhandenen Schaltungsentwurfs für einen A/D-Wandler in die ASIC.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen B-Modus- Ultraschallabbildungssystems,

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen, die jeweils die Strahlformungsgeometrie für lineare/Sektor- und gekrümmte lineare Umformer zeigen, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer flexiblen integrierten Schaltungsarchitektur zur Empfangsstrahlformung gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Ein allgemein in Fig. 1 dargestelltes herkömmliches B-Modus- Ultraschallabbildungssystems verwendet ein Umformerarray 2 aus einer Vielzahl separat angesteuerter Umformerelemente 4, die jeweils einen Ultraschallenergieburst erzeugen, wenn sie durch einen Impulssignalverlauf mit Energie versorgt werden, der durch einen Sender 8 erzeugt und über eine Gruppe von Sende/Empfangs-(T/R-)Schaltern 6 gesendet wird, die in einen Sendezustand geschaltet sind. Die zu dem Umformerarray 2 von dem beobachteten Objekt reflektierte Ultraschallenergie wird durch jedes Empfangsumformelement 4 in ein elektrisches Signal umgewandelt und separat durch T/R-Schalter 6 einem Empfangsstrahlformer 10 zugeführt, wobei die Schalter in einen Empfangszustand geschaltet sind. Die T/R-Schalter sind typischerweise Dioden, die die Empfangselektronik vor hohen durch die Sendeelektronik erzeugten Spannungen schützen. Das Sendesignal bewirkt das Sperren der Dioden oder die Begrenzung des Signals zu dem Empfänger. Der Sender 8 und der Empfangsstrahlformer 10 arbeiten unter der Steuerung eines Hostcomputers (d. h. einer Mastersteuereinrichtung) 24. Eine vollständige Abtastung wird durch die Erfassung einer Folge von Echos durchgeführt, bei denen der Sender 8 augenblicklich eingeschaltet wird, um jedes Umformerelement 4 in der Sendeapertur mit Energie zu versorgen, und die durch jedes Umformerelement 4 erzeugten nachfolgenden Echosignale werden dem Empfangsstrahlformer 10 zugeführt. Der Empfangsstrahlformer 10 kombiniert die separaten Echosignale von jedem Umformerelement zur Erzeugung eines einzigen Echosignals, das zur Erzeugung einer Zeile in einem Bild auf einem Anzeigemonitor 22 verwendet wird.

Die in den Empfangsstrahlformer eingegebenen Signale sind analoge Hochfrequenz-(RF-)Signale auf niedrigem Pegel von den Umformerelementen. Der Empfangsstrahlformer ist für die Analog-Digital-Wandlung und die Empfangsstrahlformung verantwortlich. Bei Basisbandabbildungssystemen wird das strahlsummierte Signal einem Demodulator 12 zugeführt, der das strahlsummierte Signal in In-Phase- I- und Quadratur- Q- Basisbandempfangsstrahlen umwandelt. Die akustischen I- und Q-Datenvektoren vom Demodulator 12 werden jeweiligen FIR- (endliche Impulsantwort)Filtern 14 zugeführt, die mit Filterkoeffizienten zum Durchlassen eines Frequenzbandes programmiert sind, das vorzugsweise seinen Mittelpunkt an der Grundfrequenz f₀ des Sendesignalverlaufs oder einer (sub-)harmonischen Frequenz davon hat.

Vektoren der gefilterten akustischen I- und Q-Daten werden einem B-Modus-Prozessor 16 zugeführt, der die akustischen I- und Q-Daten in eine logarithmisch komprimierte Version der Signalhüllkurve umwandelt. Die B-Modusfunktion bildet die zeitveränderliche Amplitude der Signalhüllkurve als Grauskala ab. Die Hüllkurve eines Basisbandsignals ist die Größe des Vektors, den I und Q darstellen. Der I,Q-Phasenwinkel wird in der B-Modusanzeige nicht verwendet. Die Größe (d. h. die Intensität) des Signals ist die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der orthogonalen Komponenten, d. h. (I² + Q²)^1/2.

Die B-Modus-Intensitätsdaten werden einem Abtastumwandler 18 aus einem B-Modus-Akustik-Zeilenspeicher gefolgt von einem X- Y-Anzeigespeicher zugeführt. Der Akustikzeilenspeicher nimmt die verarbeiteten Vektoren der B-Modus-Intensitätsdaten an und interpoliert bei Bedarf und transformiert auch die B- Modus-Intensitätsdaten vom Polarkoordinaten-(R-θ-) Sektorformat oder dem linearen kartesischen Koordinatenformat in geeignet skalierte kartesische Koordinaten-Anzeige-Bildelement-Intensitätsdaten, die in dem X-Y-Anzeigespeicher gespeichert werden.

Die Abtast-umgewandelten Vollbilder werden einem Videoprozessor 20 zugeführt, der die Bildelementintensitätsdaten in die Videobildrate konvertiert und dann die Bildelementintensitätsdaten in eine Grauskalenabbildung zur Videoanzeige abbildet. Ein herkömmliches Ultraschallabbildungssystem verwendet typischerweise eine Vielzahl von Grauabbildungen, die einfache Übertragungsfunktionen der rohen Intensitätsdaten in Anzeige-Grauskalenpegel sind. Die Grauskala-Vollbilder werden dann einem Anzeigemonitor 22 zur Anzeige zugeführt.

Das durch das in Fig. 1 gezeigte System erzeugte Ultraschallbild ist aus einer Vielzahl von Bildabtastzeilen zusammengesetzt. Eine einzelne Abtastzeile (bzw. eine kleine lokalisierte Gruppe von Abtastzeilen) wird durch das Senden fokussierter Ultraschallenergie an einen Punkt in der interessierenden Region und dann durch das Empfangen der reflektierten Energie über die Zeit erfasst. Die fokussierte Sendeenergie wird als Sendestrahl bezeichnet. Während der Zeit nach dem Senden summiert einer oder summieren mehrere Empfangsstrahlformer kohärent die durch jeden Kanal empfangene Energie (d. h. eine Empfangsschaltung, die mit einem einzelnen Umformer gekoppelt ist) mit dynamischer Änderung der Phasenrotation bzw. der Verzögerungen zur Erzeugung einer Spitzenempfindlichkeit entlang der gewünschten Abtastzeilen an Reichweiten, die proportional der verstrichenen Zeit sind. Das resultierende fokussierte Empfindlichkeitsmuster wird als Empfangsstrahl bezeichnet. Die Auflösung einer Abtastzeile ist das Ergebnis des Richtfaktors des assoziierten Sende- und Empfangsstrahlpaares.

Abtastzeilen sind durch ihre Position und ihren Winkel definiert. Der Schnittpunkt eines Strahls mit der Umformerarrayfläche wird als Phasenzentrum bezeichnet. Der Winkel einer Abtastzeile relativ zur Orthogonalen wird als Steuerwinkel bezeichnet.

Strahlformungsverzögerungen können fest oder dynamisch sein. Sendeverzögerungen sind zur Ausbildung eines Spitzendrucks an einer bestimmten Reichweite fixiert. Empfangsverzögerungen sind typischerweise dynamisch, da die Spitzenempfindlichkeit die sich erhöhende Reichweite r der Reflexionen als Funktion der verstrichenen Zeit t verfolgen muss:

wobei c die Geschwindigkeit des Schalls in dem abgebildeten Medium ist. Die verstrichene Zeit kann durch einen Betrag τ quantisiert werden, der gleich der quntisierten fokalen Reichweiten ist:

Bei den Strahlformungsgeometrien für lineare/Sektor- und krümmungslineare Umformer, die jeweils in den Fig. 2 und 3 gezeigt sind, sind die wichtigen Bezugspunkte das Phasenzentrum, der Brennpunkt und die Umformerelementposition. Das Phasenzentrum ist der Ursprung des (x, z)-kartesischen Koordinatensystems. Der Brennpunkt befindet sich an der Reichweite r und die Umformerelementposition ist p_i. Für gekrümmte Arrays wird die Umformerelementposition durch den Radius der Krümmung ρ und den Kanalwinkel Φ_i = I_iρ bestimmt, wobei I_i die Entfernung vom Phasenzentrum entlang der Oberfläche des Messfühlers ist.

Der Strahlformer muss Kanal-zu-Kanal-Unterschiede während der Ausbreitungszeit T_p des Schalls kompensieren, der sich zwischen dem Phasenzentrum und p_i über einen Reflektor an r bewegt. Die relative Verzögerung T_d ist die Differenz zwischen der Ausbreitungszeit für einen Kanal i und der Ausbreitungszeit für das Phasenzentrum. Für die Geometrie in Fig. 2 ergeben sich die Zeiten T_p und T_d wie folgt:

Die gleichen Verzögerungen werden für die Sende- und Empfangsstrahlformung verwendet.

Die Architektur einer optimierten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 für einen Empfangskanal gezeigt. Es ist ersichtlich, dass jede anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC eine Vielzahl von Empfangskanälen (beispielsweise 8) hat. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine Vielzahl derartiger anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen für den Empfänger 10 in Fig. 1 eingesetzt werden. Vorzugsweise implementiert jeder ASIC-Empfangskanal drei Funktionen: eine Analog-Digital-Wandlung, eine Zeitverzögerungs- und eine Amplitudensteuerung. Sowohl die Zeitverzögerung als auch die Amplitude müssen sich mit der Entfernung vom Phasenzentrum des Umformers verändern. Die Verzögerungen und Amplituden werden auf einem Universalcomputer vorab berechnet und dann in den ASIC- Speicher geladen. Auf diese Weise können die Verzögerungs- und Amplitudenfunktionen leicht geändert werden.

Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, ist das Eingangssignal jedes Empfangskanals ein analoges Signal von einem piezoelektrischen Umformelement mit oder ohne Vorverstärkung. Das analoge Signal wird dem Chip über einen Dateneingang 27 bereitgestellt, und ein A/D-Wandler 28 wandelt das analoge Signal in einen Strom digitaler Abtastungen mit einer Abtastrate um. Die digitalen Abtastungen werden einem Verzögerungs-FIFO (first-in/first-out)Register 30 zugeführt, das die digitalen Abtastungen um ein Zeitintervall gleich einer ganzzahligen Anzahl von Abtastperioden verzögert, wodurch eine sog. grobe Verzögerung erhalten wird. Die ganze Zahl wird als Eingangssignal von einem Verzögerungsspeicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 34 erhalten. Die grob verzögerten digitalen Abtastungen werden dann einem Interpolierer 32 zugeführt, der die grob verzögerten digitalen Abtastungen um ein Zeitintervall gleich einem Bruchteil der Abtastperiode verzögert, wodurch eine sog. feine Verzögerung erhalten wird. Der Bruchteil der Abtastperiode wird auch als Eingangssignal von dem Verzögerungs-RAM 34 bereitgestellt. Der Interpolierer wird zur feineren Quantisierung der Verzögerung als die Abtastperiode verwendet. Die durch das FIFO und den Interpolierer bereitgestellte Verzögerung ist Reichweiten­ abhängig, um eine breitbandige Empfangsstrahlformung zu unterstützen. Die Verzögerungsfestsetzung ist in dem Verzögerungs-RAM 34 als einfache Tabelle enthalten. Daten von dem Verzögerungs-RAM spezifizieren direkt die FIFO-Länge als Funktion der Reichweite. Wird die FIFO-Länge erhöht, wird die Ausgabeabtastung um eine Abtastperiode gehalten. Gleichermaßen spezifizieren Daten von dem Verzögerungs-RAM direkt die Koeffizienten, die an den Interpolierer 32 anzulegen sind, um den gewünschten Zeitverzögerungsbruchteil zu erreichen. Der Interpolierer ist vorzugsweise ein digitales Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR). Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Interpolatorfilter 32 vier Anzapfungen auf. Die Filterkoeffizienten k₀ bis k₃ werden jeweils diesen vier Anzapfungen zur Ausbildung von Bruchteilverzögerungen in Vielfachen eines Viertels einer Abtastperiode angelegt. Beispiele für die Filterkoeffizienten sind in der Tabelle 1 für eine Takt-(Abtast-)Rate von 40 MHz und eines Interpolationsverhältnis von 4 : 1 aufgelistet. Die FIFO-Länge und die Interpolatorposition können alle 100 nsek geändert werden.

Tabelle 1

Die zeitverzögerten digitalen Abtastungen vom Interpolierer 32 werden einem Multiplizierer 36 zugeführt, der eine Reichweiten-abhängige Amplitudensteuerung implementiert. Der andere Eingang des Multiplizierers 36 empfängt Apodisiergewichtungen von einem Amplituden-RAM 38. Die Apodisiergewichtungen werden im Amplituden-RAM 38 als einfache Tabelle gespeichert. Der Multiplizierer 36 führt das Produkt jeder digitalen Abtastung und der entsprechenden Apodisiergewichtung einem Chipdatenausgang 40 zu.

Die erforderliche Änderung der Amplitude muss nicht so präzise wie die Änderung der Zeitverzögerung sein. Daher benötigen die digitalen Amplitudenwerte weniger Bits als die digitalen Verzögerungswerte. Außerdem können die Amplitudenwerte weniger häufig als die Verzögerungswerte aktualisiert werden (beispielsweise alle 200 nsek anstelle alle 100 nsek).

Die vorstehend beschriebene Architektur erfordert eine gemäßigte Kapazität des RAMs auf dem Chip, selbst wenn ein System in Betracht gezogen wird, das eine vielfache Strahlformung implementiert. Bei einem Ausführungsbeispiel sind 2500 11-Bit-Zahlen jeweils für die Strahlverzögerungsdaten gespeichert, und 1250 8-Bit-Zahlen werden für die Amplituden-(Apodisier-)Steuerung verwendet. Ein 200-Strahl-Vollbild erfordert 916 Kilobytes an RAM, was eine sehr praktische Menge darstellt. Eine Mehrfach- Strahlformung erhöht die Vollbildrate des Abbilders durch die Erzeugung von zwei oder mehreren unabhängigen Empfangsstrahlen für jede Sendezündung. In dem 2 : 1 Strahlformungsfall bewirken Redundanzen in den Koeffizienten, dass die RAM-Kapazität weniger als das zweifache der RAM- Kapazität im Einfach-Strahlformungsfall ist.

Obwohl Fig. 4 einen einzigen Kanal einer Empfangsstrahlformungs-ASIC zeigt, ist ersichtlich, dass eine Vielzahl von Kanälen in einem einzelnen Chip enthalten sein kann. Es ist auch ersichtlich, dass anstelle der Ausbildung eines einzelnen Strahlausgangssignals jeder Kanal am der A/D- Wandlerausgang zur Ausbildung linker und rechter Strahlen verästelt werden kann, die unter Verwendung verschiedener Gruppen von Empfangszeitverzögerungen und Apodisiergewichtungen zeitverzögert und apodisiert werden. Im Fall der 2 : 1 Strahlformung werden die in Fig. 4 gezeigten Komponenten 30, 32, 34, 36 und 38 für den zweiten Empfangskanal dupliziert, mit dem Unterschied, dass die entsprechenden Verzögerungs- und Amplituden-RAMs unterschiedliche Gruppen von Zeitverzögerungen und Apodisiergewichtungen speichern.

Es ist auch ersichtlich, dass, obwohl Fig. 4 separate RAMs 34 und 38 zeigt, diese RAMs unterschiedliche Adressblöcke in dem gleichen Schaltungskomplex bilden können und nicht physikalisch getrennt sein müssen.

Für den Fachmann sind neben den bevorzugten Ausführungsbeispielen viele Modifikationen und Änderungen denkbar. Beispielsweise ist die Reihenfolge, in der die ganzzahlige Zeitverzögerung, die Bruchteilverzögerung und die Amplitudengewichtung im Chip ausgeführt werden, nicht erfindungskritisch. Insbesondere kann die Amplitudengewichtung vor der Anwendung der Zeitverzögerungen durchgeführt werden.

Ein Empfangsstrahlformer implementiert auf integrierten Schaltungschips die Funktionen einer Verzögerungs- und Amplitudensteuerung für eine dynamische Fokussierung beim Empfang. Jeder Chip ist derart entworfen, dass jegliche bei der Berechnung der Verzögerung und der Amplitude als Funktion der Zeit enthaltene Komplexität von dem Chip beseitigt ist. Diese Daten werden auf einem Universalcomputer zuvor berechnet, wodurch eine leichte Änderung der Verzögerungs- und Amplitudenfunktionen ermöglicht wird. Der Chip selbst enthält Strukturen, die die Zeitverzögerungs- und Amplitudensteuerung implementieren. Es kann auf dem Chip auch eine Analog-Digital-Wandlung (28) enthalten sein.

Claims (16)

1. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip mit einem ersten Empfangskanal mit einem Dateneingang (27) zum Empfangen eines ersten Stroms digitaler Abtastungen und einem Datenausgang (40), wobei der erste Empfangskanal umfasst:
eine erste grobe Verzögerungsschaltung (30) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des ersten Stroms um ein ganzzahliges Vielfaches einer Abtastperiode,
eine erste feine Verzögerungsschaltung (32) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des ersten Stroms um einen Bruchteil der Abtastperiode und
einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (34, 38) zur Speicherung einer ersten Gruppe ganzzahliger Zeitverzögerungssteuerdaten und einer ersten Gruppe von Bruchteil-Zeitverzögerungssteuerdaten zur Steuerung jeweils der durch die erste grobe Verzögerungsschaltung und die erste feine Verzögerungsschaltung angelegten Verzögerungen.

2. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip nach Anspruch 1, ferner mit einem ersten Multiplizierer (36) zur Multiplikation der digitalen Abtastungen des ersten Stroms mit einer Amplitudengewichtung zur Apodisierung der Apertur, wobei der Speicher mit wahlfreiem Zugriff auch zur Speicherung einer ersten Gruppe von Amplitudengewichtungssteuerdaten zur Steuerung der durch den ersten Multiplizierer angewendeten Amplitudengewichtungen eingerichtet ist.

3. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip nach Anspruch 1, wobei die erste grobe Verzögerungsschaltung ein FIFO-Register aufweist und die erste feine Verzögerungsschaltung ein Interpolationsfilter aufweist.

4. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip nach Anspruch 1, ferner mit einem zweiten Empfangskanal mit einem Dateneingang (27) zum Empfang eines zweiten Stroms digitaler Abtastungen und einem Datenausgang (40), wobei der zweite Empfangskanal umfasst:
eine zweite grobe Verzögerungsschaltung (30) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des zweiten Stroms um ein ganzzahliges Vielfaches einer Abtastperiode und
eine zweite feine Verzögerungsschaltung (32) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des zweiten Stroms um einen Bruchteil der Abtastperiode,
wobei der Speicher mit wahlfreiem Zugriff auch zur Speicherung einer zweiten Gruppe ganzzahliger Zeitverzögerungssteuerdaten und einer zweiten Gruppe von Bruchteilzeitverzögerungssteuerdaten zur Steuerung der jeweils durch die zweite grobe Verzögerungsschaltung und die zweite feine Verzögerungsschaltung angelegten Verzögerungen eingerichtet ist.

5. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip nach Anspruch 2, ferner mit einem zweiten Empfangskanal mit einem Dateneingang (27) zum Empfangen eines zweiten Stroms digitaler Abtastungen und einem Datenausgang (40), wobei der zweite Empfangskanal umfasst:
eine zweite grobe Verzögerungsschaltung (30) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des zweiten Stroms um ein ganzzahliges Vielfaches einer Abtastperiode,
eine zweite feine Verzögerungsschaltung (32) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des zweiten Stroms um einen Bruchteil der Abtastperiode und
einen zweiten Multiplizierer (36) zur Multiplikation der digitalen Abtastungen des zweiten Stroms mit einer Amplitudengewichtung,
wobei der Speicher mit wahlfreiem Zugriff auch zur Speicherung einer zweiten Gruppe ganzzahliger Zeitverzögerungssteuerdaten und einer zweiten Gruppe von Bruchteilzeitverzögerungssteuerdaten zur Steuerung der jeweils durch die zweite grobe Verzögerungsschaltung und die zweite feine Verzögerungsschaltung angelegten Verzögerungen und einer zweiten Gruppe von Amplitudengewichtungssteuerdaten zur Steuerung der von dem zweiten Multiplizierer angewendeten Amplitudengewichtungen eingerichtet ist.

6. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip nach Anspruch 1, ferner mit einem zweiten Empfangskanal mit einer Datenausgabe (40) und einem an den ersten Empfangskanaldateneingang angeschlossenen Eingang, wobei der zweite Empfangskanal umfasst:
eine zweite grobe Verzögerungsschaltung (30) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des ersten Stroms um ein ganzzahliges Vielfaches einer Abtastperiode und
eine zweite feine Verzögerungsschaltung (32) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des ersten Stroms um einen Bruchteil der Abtastperiode,
wobei der Speicher mit wahlfreiem Zugriff auch zur Speicherung einer zweiten Gruppe ganzzahliger Zeitverzögerungssteuerdaten und einer zweiten Gruppe von Bruchteilzeitverzögerungssteuerdaten zur Steuerung der jeweils durch die zweite grobe Verzögerungsschaltung und die zweite feine Verzögerungsschaltung angewendeten Verzögerungen eingerichtet ist.

7. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip nach Anspruch 2, ferner mit einem zweiten Empfangskanal mit einem Datenausgang (40) und einem mit dem ersten Empfangskanaldateneingang verbundenen Eingang, wobei der zweite Empfangskanal umfasst:
eine zweite grobe Verzögerungsschaltung (30) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des ersten Stroms um ein ganzzahliges Vielfaches einer Abtastperiode,
eine zweite feine Zeitverzögerungsschaltung (32) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des ersten Stroms um einen Bruchteil der Abtastperiode und
einen zweiten Multiplizierer (36) zur Multiplikation der digitalen Abtastungen des ersten Stroms mit einer Amplitudengewichtung,
wobei der Speicher mit wahlfreiem Zugriff auch zur Speicherung einer zweiten Gruppe ganzzahliger Zeitverzögerungssteuerdaten und einer zweiten Gruppe von Bruchteilzeitverzögerungssteuerungsdaten zur Steuerung der jeweils durch die zweite grobe Verzögerungsschaltung und die zweite feine Verzögerungsschaltung angewendeten Verzögerungen und einer zweiten Gruppe von Amplitudengewichtungssteuerdaten zur Steuerung der durch den zweiten Multiplizierer angewendeten Amplitudengewichtungen eingerichtet ist.

8. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip mit einem ersten Empfangskanal mit einem Dateneingang (27) zum Empfangen eines ersten analogen Signals und einem Datenausgang (40), wobei der erste Empfangskanal umfasst:
einen ersten Analog-Digital-Wandler (28) zur Umwandlung des ersten analogen Signals in einen Strom digitaler Abtastungen,
eine erste grobe Verzögerungsschaltung (30) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des ersten Stroms um ein ganzzahliges Vielfaches einer Abtastperiode,
eine erste feine Verzögerungsschaltung (32) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des ersten Stroms um einen Bruchteil der Abtastperiode und
einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (34, 38) zur Speicherung einer ersten Gruppe ganzzahliger Zeitverzögerungssteuerdaten und einer ersten Gruppe von Bruchteilzeitverzögerungssteuerdaten zur Steuerung der jeweils durch die erste grobe Verzögerungsschaltung und die erste feine Verzögerungsschaltung angewendeten Verzögerung.

9. Integrierter Empfangstrahlformungs-Schaltungschip nach Anspruch 8, ferner mit einem ersten Multiplizierer (36) zur Multiplikation der digitalen Abtastungen des ersten Stroms mit einer Amplitudengewichtung, wobei der Speicher mit wahlfreiem Zugriff zur Speicherung einer ersten Gruppen von Amplitudengewichtungssteuerdaten zur Steuerung der durch den ersten Multiplizierer angewendeten Amplitudengewichtungen eingerichtet ist.

10. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip nach Anspruch 8, wobei die erste grobe Verzögerungsschaltung ein FIFO-Register umfasst und die erste feine Verzögerungsschaltung ein Interpolationsfilter umfasst.

11. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip nach Anspruch 8, ferner mit einem zweiten Empfangskanal mit einem Dateneingang (27) zum Empfang eines zweiten analogen Signals und einem Datenausgang (40), wobei der zweite Empfangskanal umfasst:
einen zweiten Analog-Digital-Wandler (28) zur Umwandlung des zweiten analogen Signals in einen Strom digitaler Abtastungen,
eine zweite grobe Verzögerungsschaltung (30) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des zweiten Stroms um ein ganzzahliges Vielfaches einer Abtastperiode und
eine zweite feine Verzögerungsschaltung (32) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des zweiten Strom um einen Bruchteil der Abtastperiode,
wobei der Speicher mit wahlfreiem Zugriff auch zur Speicherung einer zweiten Gruppe ganzzahliger Zeitverzögerungssteuerdaten und einer zweiten Gruppe von Bruchteilzeitverzögerungssteuerdaten zur Steuerung der jeweils durch die zweite grobe Verzögerungsschaltung und die zweite feine Verzögerungsschaltung angewendeten Verzögerungen eingerichtet ist.

12. Integrierter Empfangsstrahlformungs-Schaltungschip nach Anspruch 9, ferner mit einem zweiten Empfangskanal mit einem Dateneingang (27) zum Empfangen eines zweiten analogen Signals und einem zweiten Datenausgang (40), wobei der zweite Empfangskanal umfasst
einen zweiten Analog-Digital-Wandler (28) zur Umwandlung des zweiten analogen Signals in einen zweiten Strom digitaler Abtastungen,
eine zweite grobe Verzögerungsschaltung (30) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des zweiten Stroms um ein ganzzahliges Vielfaches einer Abtastperiode,
eine zweite feine Verzögerungsschaltung (32) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des zweiten Stroms um ein Bruchteil der Abtastperiode und
einen zweiten Multiplizierer (36) zur Multiplikation der digitalen Abtastungen des zweiten Stroms mit einer Amplitudengewichtung,
wobei der Speicher mit wahlfreiem Zugriff auch zur Speicherung einer zweite Gruppe ganzzahliger Verzögerungssteuerdaten und einer zweiten Gruppe von Bruchteilzeitverzögerungssteuerdaten zur Steuerung der durch die zweite grobe Verzögerungsschaltung und die zweite feine Verzögerungsschaltung jeweils angewendeten Verzögerungen und einer zweiten Gruppe von Amplitudengewichtungssteuerdaten zur Steuerung der durch den zweiten Multiplizierer angewendeten Amplitudengewichtungen eingerichtet ist.

13. Abbildungssystem mit
einem Umformerarray (2) mit einer Vielzahl von Umformerelementen,
einem Sender (8), der zur Ansteuerung der Umformerelemente mit jeweiligen Anregungssignalverläufen während einer Sendezündung programmiert ist, wobei die Anregungssignalverläufe jeweilige vorbestimmte Sendezeitverzögerungen derart aufweisen, dass individuelle, durch die Umformerelemente im Ansprechen auf die Anregungssignalverläufe erzeugte Verläufe zur Ausbildung eines Sendestrahls zusammengesetzt werden, der an einer Sendefokalzonenposition fokussiert ist,
einem Empfangstrahlformer (10), der zur Strahlformung jeweilig analoger Signale programmiert ist, die von der Vielzahl der Umformerelemente empfangen werden, und eine Vielzahl integrierter Schaltungschips und einen Strahlsummierer zur Summation von Ausgangssignalen der Chips zur Erzeugung eines Nutzempfangsignals umfasst, wobei die Chips jeweils eine Vielzahl von Empfangskanälen aufweisen,
einem Computer (24) zur Programmierung des Senders und des Empfangsstrahlformers,
einem Prozessor (16, 18) zur Herleitung eines Bildsignals aus dem Nutzempfangssignal und
einer Anzeigeeinrichtung (20, 22) zur Anzeige eines Bildes mit einem Bildabschnitt, der eine Funktion des Bildsignals ist,
wobei die Empfangskanäle jeweils aufweisen
einen Analog-Digital-Wanlder (28) zur Umwandlung eines jeweiligen analogen Signals in einen jeweiligen Strom digitaler Abtastungen,
eine grobe Verzögerungsschaltung (30) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des jeweiligen Stroms um ein ganzzahliges Vielfaches einer Abtastperiode,
eine feine Verzögerungsschaltung (32) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des jeweiligen Stroms um einen Bruchteil der Abtastperiode und
einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (34, 38) zur Speicherung einer jeweiligen Gruppe ganzzahliger Zeitverzögerungssteuerdaten und einer jeweiligen Gruppe von Bruchteilzeitverzögerungssteuerdaten zur Steuerung der jeweils durch die grobe Verzögerungsschaltung und die feine Verzögerungsschaltung angewendeten Verzögerungen, wobei der Computer zur Ausbildung der jeweiligen Gruppen der ganzzahligen und der Bruchteilzeitverzögerungssteuerdaten eingerichtet ist.

14. Abbildungssystem nach Anspruch 13, wobei jeder Empfangskanal ferner einen Multiplizierer (36) zur Multiplikation der digitalen Abtastungen des jeweiligen Stroms mit einer Amplitudengewichtung umfasst, wobei der Speicher mit wahlfreiem Zugriff auch zur Speicherung einer jeweiligen Gruppe von Amplitudengewichtungssteuerdaten zur Steuerung der durch den Multiplizierer angewendeten Amplitudengewichtungen eingerichtet ist, und der Computer zur Ausbildung der jeweiligen Gruppen der Amplitudengewichtungssteuerdaten einrichtet ist.

15. Abbildungssystem mit
einem Umformerarray mit einer Vielzahl von Umformerelementen (4),
einem Sender (8), der zur Ansteuerung der Umformerelemente mit jeweiligen Anregungssignalverläufen während einer Sendezündung programmiert ist, wobei die Anregungssignalverläufe jeweilige vorbestimmte Sendezeitverzögerungen derart aufweisen, dass die durch die Umformerelemente im Ansprechen auf die Anregungssignalverläufe erzeugten individuellen Verläufe zur Ausbildung eines Sendestrahls zusammengesetzt werden, der an einer Sendefokalzonenposition fokussiert ist,
einem Empfangsstrahlformer (10), der zur Strahlformung jeweiliger analoger Signale programmiert ist, die von der Vielzahl der Umformerelemente empfangen werden, und eine Vielzahl von Analog-Digital-Wandlern zur Umwandlung jeweiliger analoger Signale in jeweilige Ströme digitaler Abtastungen, eine Vielzahl integrierter Schaltungschips mit Chipdateneingängen (27) zum Empfang der jeweiligen Ströme digitaler Abtastungen und einen Strahlsummierer zur Summation von Ausgangssignalen an jeweiligen Ausgängen (40) der Chips zur Erzeugung eines Nutzempfangssignals aufweist, wobei die Chips eine Vielzahl von Empfangskanälen umfassen,
einem Computer (24) zur Programmierung des Senders und des Empfangsstrahlformers,
einem Prozessor (16, 18) zum Herleiten eines Bildsignals aus dem Nutzempfangssignal und
einer Anzeigeeinrichtung (20, 22) zur Anzeige eines Bildes mit einem Bildabschnitt, der eine Funktion eines Bildsignals ist,
wobei jeder Empfangskanal jeweils umfasst
eine grobe Verzögerungsschaltung (30) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des jeweiligen Stroms um ein ganzzahliges Vielfaches einer Abtastperiode,
eine feine Verzögerungsschaltung (32) zur Verzögerung der digitalen Abtastungen des jeweiligen Stroms um einen Bruchteil der Abtastperiode und
einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (34, 38) zur Speicherung einer jeweiligen Gruppe ganzzahliger Zeitverzögerungssteuerdaten und einer jeweiligen Gruppe von Bruchteilzeitverzögerungssteuerdaten zur Steuerung der jeweils durch die grobe Verzögerungsschaltung und die feine Verzögerungsschaltung angewendeten Verzögerungen, wobei der Computer zur Bereitstellung der jeweiligen Gruppen ganzzahliger und Bruchteilzeitverzögerungssteuerdaten eingerichtet ist.

16. Abbildungssystem nach Anspruch 15, wobei jeder Empfangskanal ferner einen Multiplizierer (36) zur Multiplikation der digitalen Abtastungen des jeweiligen Stroms mit einer Amplitudengewichtung aufweist, der Speicher mit wahlfreiem Zugriff auch zur Speicherung einer jeweiligen Gruppe von Amplitudengewichtungssteuerdaten zur Steuerung der durch den Multiplizierer angewendeten Amplitudengewichtungen eingerichtet ist, und der Computer zur Bereitstellung der jeweiligen Gruppen von Amplitudengewichtungssteuerdaten eingerichtet ist.