DE69120004T2

DE69120004T2 - Verfahren zur Transformation eines Mehrstrahl-Sonarbildes

Info

Publication number: DE69120004T2
Application number: DE69120004T
Authority: DE
Inventors: Alexander I Drukarev; Konstantinos Konstantinides; Gadiel Seroussi
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1990-08-15
Filing date: 1991-08-08
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2011-08-09
Also published as: JPH04244145A; EP0473959B1; EP0473959A2; US5105814A; EP0473959A3; DE69120004D1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Sonarabbilden, wie Z.B.. das Ultraschallabbilden, und insbesondere auf ein derartiges Abbilden, welches ein Objekt mit mehrfachen Sonarstrahlen abtastet, welche gleichzeitig übertragen werden.

2. Hintergrund der Erfindung

Während der letzten beiden Dekaden haben Fortschritte in der Signalverarbeitung und der Elektronik der Ultraschallabbildung dabei geholfen, eines der Hauptwerkzeuge der nicht-invasiven klinischen Diagnose zu werden. Durch Übertragen einer Serie von Hochfrequenzpulsen erlaubt die Ultraschallabbildung die Untersuchung innerer Organe mit einem viel kleineren Risiko als herkömmliche chirurgische Techniken oder Röntgenstrahlen. Die Ultraschallabbildung wird beim Messen des Verhaltens des Herzens, des Blutflusses, um Tumore zu identifizieren und bei der pränatalen Vorsorge und Diagnose verwendet.
Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines typischen bekannten Ultraschallabbildungssystems ist in Fig. 1 allgemein bei 10 gezeigt. Ein piezoelektrisches Wandlerarray 12, das aus einem festen Array von vielen kleinen Wandlern besteht, wird durch eine Hochfrequenz-Wandlerschaltung 14 erregt. Wenn das Array 12 derart erregt wird, erzeugt es einen Ultraschallpuls in einem relativ schmalen Strahl 16, wie es schematisch dargestellt ist. In Fig. 1 ist das Wandlerarray im wesentlichen bündig an einem Objekt 18 anliegend und auf dasselbe gerichtet, welches in dem Fall einer medizinischen Ultraschallabbildung einen menschlichen Körper aufweist.
Nach der Übertragung des Strahls 16 werden die Reflexionen des Pulses von dem Körper 18 durch das Array 12 erfaßt, wobei derartige Signale durch einen Empfänger 20 zur Anzeige auf einer Kathodenstrahlröhre 22 verarbeitet werden.
Ein zweidimensionales Bild kann durch Wobbeln eines Strahls, wie des Strahls 16, über einen Sektor erhalten werden. Bei beispielsweise einem Ultraschallsystem mit einem phasengesteuerten Array, wie z.B. dem System 10, ist ein stationäres Array 12 elektronisch gesteuert, um einen derartigen Strahl zu lenken und zu fokussieren. Ein derartiges Array ist in R. D. Gatzke, J. T. Fearnside, und S. M. Karp, "Electronic Scanner for a Phased-Array Ultrasound Transducer", Hewlett- Packard Journal, S. 13 bis 20, Dez. 1983, dargestellt.
Gegenwärtige Pulsecho-Abbildungssysteme sammeln Daten sequenziell. Bei einem Abbildungssystem mit einem phasengesteuerten Array, wie dem System 10, wird ein Puls in einem schmalen Strahl übertragen&sub1; wobei der Fokus für eine Linie optimiert ist. Unter Verwendung einer dynamischen Empfangsfokussierung wird der Puls verfolgt, während er durch den Körper läuft. Dieser Prozeß wird für jede Linie wiederholt, bis eine vollständige Abbildung, d.h. 100 bis 200 Zeilen, erfaßt ist. Die Übertragungsrate wird derart ausgewählt, daß Echos des übertragenen Pulses Zeit haben, um von dem tiefsten Ziel zurückzukehren, bevor der nächste Puls übertragen wird.
Echtzeitsysteme müssen alle Punkte mit einer Rate von mindestens 30 Vollbildern pro Sekunde abbilden. Wenn T die Übertragungsperiode bezeichnet, dann ist für eine typische Tiefe einer Abbildung von 20 cm, für eine Schallgeschwindigkeit von 1.450 m/s und einer CRT-Vollbildrate von 30 Vollbildern/s (CRT Cathode Ray Tube = Kathodenstrahlröhre) die beste verfügbare Zeilenauflösung: Auflösung Vollb.-Zeit 120 Linien/Vollb.
Aus (1.1) ist die Hauptbegrenzung der Auflösung und der Aufnahmeraten die Schallgeschwindigkeit in dem Körper. Diese Begrenzung führt zu Kompromissen beim Entwurf gegenwärtiger Ausrüstungen und begrenzt die Fähigkeit zukünftiger Ultraschallabtastgeräte.
Eine neue Entwicklung von großem Interesse ist die dreidimensionale (3-D) akustische Abbildung, bei der ein gestapelter Satz von 2-D-Abtastungen ein 3-D-Abbild eines inneren Organs ergibt. Ein dreidimensionales Array wird in H. A. Mccann u.a., "Multidimensional Ultrasonic Imaging for Cardiology", Proc. of the IEEE, Bd. 76, Nr. 9, Sept. 1988, beschrieben. Eine derartige Technik könnte beispielsweise eine nicht-invasive Ansicht der Herzarterien für die effiziente Diagnose von Herzkrankheiten ermöglichen. Gegenwärtige Techniken und Aufnahmeraten machen jedoch die Implementierung eines 3-D-Abbildungssystems, das in Echtzeit arbeitet, unmöglich.
Ein Lösungsansatz, um dieses Problem zu überwinden, besteht darin, eine massive Parallelverarbeitung der Schaltungsanordnung zu verwenden, die die empfangenen Echos bildet. Ein derartiges Schema ist in J. Poulton, O. Von Ramm und S. Smith, "Integrated circuits for 3-D Medical Ultrasound Imaging", MCNC Technical Bulletin, Bd. 3, Nr. 4, Juli/August 1987, offenbart. Für jeden Sendestrahl, welcher viele Punkte gleichzeitig beleuchtet, werden 64 gleichzeitige Empfangsstrahlen über einem 8x8-Liniennetz gebildet. Die Parallelverarbeitung kann dann für die gleichzeitige Verarbeitung aller empfangenen Signale verwendet werden. Eine derartige gleichzeitige parallele Verarbeitung ist in M. O'Donnell, "Applications of VLSI Circuits to Medical Imaging", Proc. of the IEEE, Bd. 76, Nr. 9, S. 1106 - 1114, Sept. 1988, offenbart.
In Fig. 2 ist allgemein bei 24 ein zweistrahliges Ultraschallsystem zum Erzeugen eines Abbildes in einer einzigen Ebene gezeigt. In derselben sind eine Gesamtzahl von K Wandlerelementen enthalten, von denen drei als Elemente 1, 2, K bezeichnet sind. Jedem Element sind zwei Zeitverzögerungen (d&sub1;&sub1; bis dK2) (d = delay) zugeordnet, wobei das Wandlerelement 1 mit den Verzögerungen d&sub1;&sub1;, d&sub1;&sub2;, das Wandlerelement 2 mit den Verzögerungen d&sub2;&sub1;, d&sub2;&sub2; und das Wandlerelement K mit den Verzögerungen dK1, dK2 verbunden ist.
Ein kommerziell erhältlicher Pulsgenerator 26 ist über einen Leiter 28 mit jeder der Verzögerungen verbunden. Wenn der Pulsgenerator 26 einen Puls auf dem Leiter 28 erzeugt, wird derselbe an jeder der Verzögerungen angelegt. Nach einer vorbestimmten Zeitverzögerung wird der Puls an den Wandler angelegt, mit dem jede Verzögerung verbunden ist. Die Wandlerelemente erzeugen einen Ultraschallpuls, welcher sich in ein Objekt ausbreitet, gegen das das Wandlerarray gehalten wird.
Die Länge der Verzögerung, die einem Puls, der an dieselbe angelegt wird, auferlegt wird, ist für jede der Zeitverzögerungen d&sub1;&sub1; bis dK2 variabel und wird durch einen Computer auf eine bekannte Art und Weise gesteuert. Durch eine derartige Computersteuerung wird es bewirkt, daß sich eine vorher ausgewählte Anzahl von Ultraschallstrahlen von der Mitte des Arrays ausbreitet, wobei jeder Strahl einen vorausgewählten Winkel zu derselben aufweist. Geeignete Wahlen der Verzögerungseinstellungen werden verwendet, um sowohl den Winkel als auch die Fokuslänge eines gesendeten Strahls zu wählen.
Die Aufnahme der Strahlreflexionen funktioniert auf eine umgekehrte Art und Weise. Wenn eine sonare Reflexion auf eines der Wandlerelemente 1-K auftrifft, erzeugt das Element ein elektrisches Signal, das der Sonarreflexion proportional ist, welches an die Zeitverzögerungen angelegt wird. Dies verzögert jedes Signal um einen vorausgewählten Wert auf die gleiche Art und Weise wie der gesendete Puls verzögert wurde. Jedes der verzögerten empfangenen Signale wird an einen Leiter angelegt, wie z.B. das Signal, das von der Verzögerung d&sub1;&sub1; an einen Leiter 30 angelegt wird, und wie z.B. das Signal, das von der Verzögerung d&sub1;&sub2; an einen Leiter 32 angelegt wird. Die Signale von einer dieser Verzögerungen, die jedem Wandlerelement zugeordnet sind, werden durch ein herkömmliches Summiergerät 34 summiert, wobei die Signale von der anderen Zeitverzögerung, die jedem Wandlerelement zugeordnet ist, an einem getrennten Summiergerät 36 summiert werden.
Die Auswahl des Aufnahmewinkels und -Fokus wird auf dieselbe Art und Weise wie die Auswahl des Sendewinkels und -Fokus erreicht, d.h. durch Einstellen verschiedener Zeitverzögerungen auf eine bekannte Art und Weise. Das Array wird somit veranlaßt, entlang jeder Sendeachse auf progressiv zunehmende Abstände zu fokussieren, wodurch die Sonarreflexionen, die durch jeden gesendeten Puls erzeugt werden, erfaßt werden.
Das System 24 umfaßt ein Zweistrahlsystem, d.h. zwei Ultraschallpulse werden gleichzeitig in das Objekt gesendet. Die Zeitverzögerungen, die dem Summiergerät 34 zugeordnet sind, werden verwendet, um den Winkel zu steuern und einen der Strahlen in dem Aufnahmemodus zu fokussieren, während die Verzögerungen, die mit dem Summiergerät 36 verbunden sind, verwendet werden, um den anderen Strahl derart zu steuern. Dieser Lösungsansatz ist eine direkte Erweiterung des Einzelstrahlsystems, das in R. D. Gatzke, J. T. Fearnside und S. M. Karp, "Electronic Scanner for a Phased-Array Ultrasound Transducer", Hewlett-Packard Journal, S. 13 bis 20, Dez. 1983, beschrieben ist, wobei seine allgemeine Form KxM Verzögerungselemente für ein System mit M Strahlen und K Wandlerelementen benötigt. Es sollte gewürdigt werden, daß alternative Strahlformungstechniken, welche eine reduzierte Anzahl von Verzögerungselementen benötigen, genauso gut ver wendet werden können, um ein Mehrstrahl-Ultraschallabbildungssystem zu schaffen. Siehe beispielsweise in J. Butler, R. Lowe, "Beam-Forming Matrix Simplifies Design of Electronically Scanned Arrays", Electronic Design, S. 170 bis 173, 12. April 1961.
Nachfolgend wird das Problem der Zwischenstrahlinterferenz berücksichtigt, welches bei einem Mehrstrahl-Ultraschallsystem auftritt, wie z.B. bei dem, das in Fig. 2 gezeigt ist. Es wird angenommen, daß das System M Strahlen und ein Wandlerarray von K Elementen aufweist. Ferner wird angenommen, daß nur ein Strahl j aktiv ist und ein einziges Ziel in einem Abstand D und einem Winkel e zu dem Array (Fig. 3) vorhanden ist. Ferner wird angenommen, daß das Medium frei von Frequenzverzerrung und Dämpfung ist, wobei der Wert des Ultraschallsignals, das das Ziel beleuchtet, damit folgendermaßen gegeben ist:
dkj ist die Verzögerung, die am Eingang des k-ten Elements für die elektronische Fokussierung des Strahls j (siehe Fig. 2) benötigt wird, dkD ist die Zeit, die von dem Signal, das durch ein Element k erzeugt wird, benötigt wird, um das Ziel zu erreichen und g(t) ist das Signal, das durch den Pulsgenerator erzeugt wird. Das hochgestellte s (s = single) bezeichnet, daß das System im Einzelstrahlmodus ist.
Aus Fig. 3 ist δkd = lkD/V zu entnehmen, wobei V die Schallgeschwindigkeit und lkD der Abstand des Elements k von dem Ziel sind. Durch Anwenden des Theorem von Pythagoras kann gezeigt werden, daß folgende Gleichung gilt:
δkD = 1/V D² + e(k)² - 2e(k)D sinΘ (2.2)
e(k) = 1/2 (2k - K - 1)τ ist der Abstand des Elements k von der Mitte des Arrays und τ ist der Abstand zwischen den Elementen des Wandlers. Für eine Strahlfokussierung auf einen Abstand Dfj ist es notwendig, daß dkj + δkDfj = konstant = Tf gilt. Dann ergibt sich aus Gleichung (2.2):
dkj = Tf = 1/V D²fj + e(k)² - 2e(k)Dfj sinΘξ (2.3)
Dfj ist der Fokussierungsabstand eines Strahls j, Θj ist der Lenkwinkel des Strahls j und Tf ist eine Konstante, die derart ausgewählt ist, daß dkj immer positiv ist.
Ähnlich zu (2.1) ist das empfangene Echo vom Strahl j durch folgende Gleichung gegeben:
α bezeichnet dabei die Zielreflektivität.
Wenn alle M Strahlen zum selben Zeitpunkt gesendet werden, und wenn Tm(t) das zusammengesetzte Signal bezeichnet, das das Ziel in dem Mehrstrahlmodus beleuchtet, dann gilt:
Aus (2.4) und (2.5) ist das an dem Ausgang des Empfängers für den j-ten Strahl empfangene Signal durch folgende Gleichung gegeben:
Aus (2.1) bis (2.6) kann folgende Beziehung gezeigt werden:
Der zweite Term in (2.7) besagt, daß das Signal, das durch einen bestimmten Strahl j von einem Abbildungsziel empfangen worden ist, durch die gesendete Energie aller anderer Strahlen beeinträchtigt wird. Dieser Term wird hier als Zwischenstrahlinterferenz bezeichnet und existiert hauptsächlich aufgrund der Nebenkeulenenergie jedes Strahls. Die Interferenz tritt in zwei Dimensionen auf, nämlich entlang jedes Bogens, welcher die Strahlen kreuzt und entlang der Achse jedes Strahles. Bei einem realen Abbildungssystem ist diese Interferenz als ein "Schmetterlingsmuster" um das wahre Ziel herum zu sehen.
Obwohl bekannte Systeme Daten verarbeitet haben, die durch Vielstrahl- (und Einzelstrahl-) Sonarabbildungssysteme gesammelt worden sind, weisen sie entweder einen sehr hohen Grad an Komplexität auf oder sie minimieren nicht die Auswirkung der Zwischenstrahlinterferenz bis zu dem Grad, bis zu dem es die vorliegende Erfindung durchführt.
Das Dokument 1982 Ultrasonics Symposium Proceedings, Bd. 2, S. 821 bis 825 offenbart mehrmodige, gleichzeitig sendende phasengesteuerte Arrays. Statt des sequentiellen Erregens der verschiedenen erwünschten Moden eines phasengesteuerten Arrays wird in Betracht gezogen, die Systembetriebsgeschwindigkeit durch ein bestimmtes Verfahren des gleichzeitigen Sendens zu erhöhen, bei dem die verschiedenen Moden keine Interferenz miteinander bilden. Ein Beispiel eines zweimodigen, gleichzeitig sendenden phasengesteuerten Arrays weist ein Vielelementarray, zwei Korrelatoren, zwei Codequellen, zwei Sätze von Verzögerungsleitungs-Phasenschiebern für jeden Modus und Multiplexer- und Pufferverstärker auf, die zwischen die Elemente des Vielelementarrays und die Phasenschieber geschaltet sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Abbilden eines Objekts unter Verwendung eines Arrays von Sonarsendern Das Array sendet gleichzeitig eine Mehrzahl von Sonarstrahlen in ein Objekt entlang einer Mehrzahl von Linien und über eine Mehrzahl von Bögen. Das Sonarsignal, das entlang jeder der Linien reflektiert wird, wird erfaßt und ein Abbildungsarray, der aus den reflektierten Signalen gebildet wird, wird erzeugt. Jeder Wert in dem Array stellt ein Signal dar, das von einem der Bögen reflektiert worden ist. Für einen ausgewählten Wert in dem Abbildungsarray wird ein transformierter Abbildungswert erzeugt, welcher eine Funktion von Werten in den Signalen ist, die entlang der gleichzeitig gesendeten Strahlen auf beiden Seiten des Bogens, der das ausgewählte Element enthält, reflektiert worden sind.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das vorhergehende für jedes Element in dem Abbildungsarray erreicht, wodurch ein Array von transformierten Abbildungswerten erzeugt wird, welches den Effekt der Zwischenstrahlinterferenz minimiert.
Ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Transformieren einer Mehrstrahlsonarabbildung zu schaffen, welches eine Verbesserung gegenüber den Verfahren gemäß dem Stand der Technik darstellt.
Ein spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Datenerfassungsrate zu erhöhen, während die Genauigkeit der Daten auf einem hohen Pegel gehalten wird.
Ein spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein derartiges Verfahren zu schaffen, welches die Auswirkung der Zwischenstrahl interferenz minimiert.
Ein weiteres spezifisches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein derartiges Verfahren zu schaffen, welches die Zwischenstrahlinterferenz in beiden Dimensionen der Abbildungsebene minimiert.
Die vorhergehenden und weiteren Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, welche bezugnehmend auf die Zeichnungen fortschreitet, ohne weiteres offensichtlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines bekannten Einzelstrahl-Ultraschallabbildungssystems.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines Mehrstrahl-Sonarabbildungssystems, das beim Implementieren der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm eines Ultraschallwandlerarrays mit K Elementen.
Fig. 4A ist ein Diagramm der Position einer Anzahl von Werten, die bei einem Einzelstrahl-Ultraschallabbildungsfeld abgetastet worden sind.
Fig. 4B ist ein Diagramm der Position einer Anzahl von Werten, die in einem Mehrstrahl-Ultraschallabbildungsfeld gemäß der vorliegenden Erfindung abgetastet worden sind.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Helligkeit als Funktion des Linienwinkels für eine 5-Strahl-Ultraschallabtastung, die gemäß der vorliegenden Erfindung transformiert worden ist und über die nichttransformierte Abtastung und eine Einzelstrahl-Abtastung gelegt ist.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die zu Fig. 5 ähnlich ist und eine 10-Strahl-Abtastung verwendet.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Nachfolgend wird die Basisnotation in Betracht gezogen, die in den Gleichungen verwendet wird, welche das Transformationsverfahren der vorliegenden Erfindung beschreiben. In Fig. 4A sind die Abbildungsfeldpositionen von Werten dargestellt, die durch ein Einzelstrahlsystem abgetastet worden sind. Jeder Punkt in dem Feld ist durch ein Paar von Indizes (j,i) gekennzeichnet, wobei j = 0, 1, ..., J-1 die Bogennummer und i = 0, 1, ..., N-1 die Liniennummer ist. Es wird angenommen, daß der Wandler unter dem Bogen 0 positioniert ist. In der Realität ist ein abgetastetes Abbildungsfeld ein Sektor, wie z.B. der, der in Fig. 2 gezeigt ist. In Fig. 2 sind mehrere der Linien numeriert, um den Liniennummern in Fig. 4B zu entsprechen, wie es auch die Bögen sind. In der Ansicht von Fig. 2 ist der Strahl 1 koaxial zur Linie 2, wogegen der Strahl 3 koaxial zur Linie N-3 ist.
Der Wandler in dem System von Fig. 2 sendet gleichzeitig mehrere Strahlen in das Abbildungsfeld. Diese gleichzeitig gesendeten Strahlen werden als das Strahlenarray bezeichnet. Das Strahlenarray besteht aus M Strahlen, wobei die Strahlen von der linken Seite aus wie folgt numeriert sind: m = 0, 1, ..., M-1. Für das System von Fig. 2 gilt M = 2. Es wird angenommen, daß die Fokussierungsabstände für alle Strahlen in dem Array die gleichen sind, und daß die Strahlen durch Δ Linien oder Δdeg Grad geteilt sind. Es wird angemerkt, daß die Strahlentrennung und die Linien- (oder Winkel-) Auflösung eines Mehrstrahlsystems unabhängige Größen sind. Es ist beispielsweise möglich, ein Strahlenarray mit einer Strahlentrennung von 5º zu haben, wobei dasselbe jedoch zu einem Zeitpunkt nur 0,5º gedreht wird, wodurch eine Linienauflösung von 0,5º erreicht wird. Das Strahlenarray von Fig. 2 weist eine Strahlentrennung von etwa 60º auf. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß eine derart große Strahlentrennung nicht typisch ist, und daß Fig. 2 nur so gezeichnet ist, um die hierin verwendete Notation zu veranschaulichen. Während das Strahlenarray das Abbildungsfeld abtastet, ist jede Position des Strahlenarrays durch ein Paar von Nummern (j,p) gekennzeichnet, wobei j die Empfangsfokussierungsbogennummer und p die Linienposition des Arrays sind. Es wird die Konvention verwendet, bei der die Linienpositionen des Arrays aufeinanderfolgend von der linken Seite wie folgt numeriert sind: p = 0, 1, ..., P-1, wobei P = N/M gilt. Im Gegensatz zu einem Einstrahlsystem kann die Anzahl von Linien in einem Mehrstrahlsystem nicht beliebig sein. Um keine "Löcher" in einem abgetasteten Sektor zu haben, und um nicht dieselbe Linie zweimal zu besuchen, muß die Anzahl von Linien ein Mehrfaches von Δ M sein.
Das Strahlenarray tastet das Abbildungsfeld wie folgt ab. Es wird angenommen, daß das Strahlenarray zu Beginn in der Position (0,0) ist, und daß die Trennung zwischen den Strahlen Δ ist. Es wird auf allen Strahlen gesendet und die Reflexionen von allen Bögen werden empfangen. Das Array wird eine Linie nach rechts bewegt und sendet wieder. Dies wird fortgesetzt, bis die Linienzahl des Strahls 0 die gleiche ist wie die anfängliche Linienzahl des Strahls 1. (Dies bedeutet, daß der Strahl 0 dabei ist, eine Linie abzutasten, die bereits abgetastet worden ist.) Dann wird zu einer neuen Position gesprungen, derart, daß die Linienposition des Strahls 0 gerade auf der rechten Seite der letzten Linienposition des Strahls M-1 sein wird, wonach, wie oben beschrieben, weitergemacht wird. Dieses Abtastformat wird als das Abtasten- und Springen-Format bezeichnet.
Bezugnehmend auf die Fig. 2 und 48 kann gesehen werden, daß jeder Puls, der entlang einer Linie gesendet worden ist, ein Signal reflektiert, welches Informationen über das Medium enthält, durch welches das Signal läuft. Das reflektierte Signal wird periodisch abgetastet, um eine Mehrzahl von abgetasteten Werten für jedes derartige Signal zu erzeugen. Jeder Wert kann auf eine Position in dem Abtastungsfeld zurückgeführt werden, wie es in Fig. 4B dargestellt ist. Die abgetasteten Werte, die in Fig. 4B dargestellt sind, werden hier als Abbildungsarray oder -Matrix bezeichnet, wobei jeder abgetastete Wert x(j,i) ein Element in der Matrix bildet. Obwohl das Transformationsverfahren für sowohl durchgehende als auch abgetastete Signale verwendet werden kann, wird in diesem Ausführungsbeispiel angenommen, daß die erfaßten Signale abgetastet sind.
Allgemein gesprochen wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung wie folgt erklärt. Bei einem Mehrstrahlsystem bewirkt das Vorhandensein von mehreren Strahlen, die gleichzeitig gesendet werden, ein zweidimensionales Interferenzmuster um ein Punktziel, wie oben beschrieben wurde. Dies sagt, daß ein Signal, das von einem abgebildeten Signal durch einen bestimmten Strahl m empfangen worden ist, durch die Signale, die von anderen Zielen in der Nachbarschaft des abgebildeten Ziels reflektiert worden sind, beeinträchtigt wird, was durch Gleichung (2.7) demonstriert ist. Diese Reflexionen werden durch das Strahlenarray empfangen, wodurch die empfangenen Signale Informationen bezüglich des Betrags der Zwischenstrahlinterferenz tragen. Die Interferenz kann eliminiert werden, wenn die "Interferenzabschnitte" der empfangenen Signale genommen werden und dieselben von dem Signal, das von dem abgebildeten Ziel empfangen worden ist, subtrahiert werden. Ungünstigerweise sind die "Interferenzabschnitte" nicht von vornherein bekannt. Daher wird eine lineare Kombination der abgetasteten Werte in der Nachbarschaft des abgebildeten Ziels (einschließlich des Werts des Signals, das von dem abgebildeten Ziel selbst empfangen worden ist) gebildet, wobei dieselbe statt des abgebildeten Zielsignals verwendet wird. Derartige abgetastete Werte von der Nachbarschaft des abgebildeten Ziels umfassen Werte auf angrenzenden Linien und Bögen bezüglich des abgebildeten Ziels. Die Koeffizienten in dieser linearen Kombination werden derart berechnet, daß die Zwischenstrahlinterferenz minimiert wird. Diese Koeffizienten werden als die Transformationskoeffizienten oder als der Transformationskern bezeichnet.
Die gerade beschriebene Transformation kann entweder in dem Hochfrequenzbereich oder in dem Videobereich (d.h. nach der Erfassung) durchgeführt werden. Die Abbildungsmatrix, die derart transformiert ist, wird hier als eine Matrix transformierter Abbildungswerte bezeichnet. Die Transformation nach der Erfassung ist einfacher zu implementieren, was der Grund dafür ist, warum dieser Transformationsmodus verwendet worden ist, um das vorliegende Ausführungsbeispiel der Erfindung zu implementieren. Das Transformationsverfahren und die Prozedur zum Finden der optimalen Transformationskoeffizienten wird nachfolgend detaillierter beschrieben.
Es sollte angemerkt werden, daß die vorliegende Erfindung vorzugsweise mit mehr als zwei Strahlen implementiert ist. Das Zweistrahl-System von Fig. 2 wird verwendet, um die Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels zu vereinfachen. Die Strahlkonf iguration kann beliebig sein. Das Transformationsverfahren der vorliegenden Erfindung kann ohne Rücksicht auf eine Strahlenarrayausrichtung verwendet werden.
Bei den gegenwärtigen Einstrahl-Systemen kann die Heiligkeitsverteilung über dem Abbildungsfeld durch eine zweidimensionale Größe x(j,i) beschrieben werden, welche den empfangenen Wert (nach der Erfassung) von dem Punkt (j,i) darstellt. Bei einem Mehrstrahlsystem, das das Abtasten- und Springen-Format verwendet, das oben beschrieben wurde, werden verschiedene Punkte durch verschiedene Strahlen abgebildet. Um die Strahlenidentität jedes Punktes zu bewahren, muß die obige Notation zu x(m,j,p) verändert werden, was den Wert (nach der Erfassung) darstellt, der durch den Strahl m von dem Bogen j empfangen worden ist, wenn sich das Strahlenarray in der Position p entlang dieses Bogens befindet. Der Wert x(m,j,p) wird ein zusammengesetzter Wert genannt, da er eine Kombination von reflektierten Werten von Pulsen, die durch alle Strahlen übertragen worden sind, darstellt.
Es wird das Strahlenarray in einer bestimmten Position (j,p) betrachtet, wobei das Rechteck durch durchgezogene Linien in Fig. 4B begrenzt ist. Es wird ferner ein LXM-Array von zusammengesetzten Signalen betrachtet, die L aufeinanderfolgenden Bogenpositionen des Strahlenarrays entsprechen und um die gegenwrrtige Position (j,p) herum zentriert sind. Dieses Array ist als die eingekreisten Punkte in Fig. 4B gezeigt und wird hier als ein Fenster bezeichnet. Die Größe L wird später spezifiziert. Das Array von zusammengesetzten Werten, das gerade beschrieben worden ist, wird als ein zusammengesetzter Satz bezeichnet, wobei es dieser Satz ist, der verwendet wird, um eine lineare Kombination in der Transformationsgleichung zu bilden.
Es ist wichtig, sich zu erinnern, daß für einen gegebenen Bogen ein zusammengesetzter Satz die M Signale umfaßt, die von den Strahlen in einer gegebenen Winkelposition des Strahlenarrays empfangen worden sind, und nicht, daß die Signale M aufeinanderfolgenden Punkten des Bogens entsprechen (sie werden nur gleich sein, wenn die Strahlentrennung auf einer Linie gleich ist). Der Satz wird derart aufgebaut, da ein empfangenes Signal nur durch die Signale beeinträchtigt wird, die durch andere Strahlen zu demselben Zeitpunkt übertragen worden sind, d.h. in der gleichen Position des Strahlenarrays, und nicht durch die Signale, die den benachbarten Punkten auf dem Bogen entsprechen.
Durch L&sub0; = [L/2] (die größte Ganzzahl, die L/2 nicht überschreitet) wird die Zeilenzahl bezeichnet, die der Position des Strahlenarrays innerhalb eines zusammengesetzten Satzes entspricht. Dann können die Elemente der l-ten Zeile des zusammengesetzten Satzes als x(m,j-L&sub0;+1,p) geschrieben werden, wobei m = 0, 1, ..., M-1 und l = 0, 1, ..., L-1 gilt. Es wird angemerkt, daß der Punkt (m = 0, l = 0) der unteren linken Ecke eines zusammengesetzten Satzes entspricht. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die zusammengesetzten Werte in die Wertesignale y(m,j,p) gemäß der folgenden Gleichung umgewandelt:
Dabei ist das dreidimensionale Array {c(m,l,b)} das Array der Transformationskoeffizienten. Dieses Array der Transformationskoeffizienten wird als der Transformationskern der Breite M, der Tiefe L und der Höhe P bezeichnet. Eine gute Art und Weise, um das Transformationsverfahren, das durch (3.1) beschrieben ist, zu visualisieren, besteht darin, sich dasselbe als ein Verfahren vorzustellen, bei dem ein zweidimensionales Array von zusammengesetzten Werten, die durch den Transformationskern "bedeckt" sind, genommen wird und die Elemente der mittleren Zeile des Arrays durch eine lineare Kombination der Elemente in dem Array ersetzt werden. Es wird angemerkt, daß aufgrund der Tiefe des Kerns die Anzahl von Bögen in dem transformierten Bild JA kleiner als die des ursprünglichen Bildes ist, nämlich JA = J - L + 1.
Die Transformationskoeffizienten sind die Schlüsselkomponente der Transformationsgleichung (3.1). Sie können bestimmt werden, um die Zwischenstrahlinterferenz zu minimieren. Mathematisch kann diese Bedingung folgendermaßen formuliert werden. d(m,j,p) ist der erwünschte Wert von y(rn,j,p), d.h. der Wert ohne die Zwischenstrahlinterferenz. Dann können c Koeffizienten durch Minimieren des RMS-Fehlers (RMS = Root Mean Square mittlerer quadratischer Fehler) zwischen den transformierten und den erwünschten Signalen über das gesamte Abbildungsfeld gefunden werden, d.h.:
Es wird angemerkt, daß die Minimierung für jedes m unabhängig durchgeführt wird.
Wie sollte das gewünschte Signal d(.) aussehen? Offensichtlich wird es von dem abgebildeten Bild abhängen. Bei den gegenwärtigen Einstrahl-Systernen existiert ein spezieller Typ eines "Test"-Bildes und die entsprechende Systemausgabe, welche verwendet wird, um das Verhalten des Systems zu charakterisieren, nämlich die Punktausbreitungsfunktion oder das Strahlenprofil. Es wurde in ähnlicher Lösungsansatz für ein Mehrstrahlsystem verwendet. Das "Test"- oder "Trainings "-Bild, das hier als Trainingsobjekt bezeichnet wird, zum Finden der Transformationskoeffizienten umfaßt ein einziges Punktziel, das an dem Sendefokussierungsabstand des Strahlenarrays positioniert ist (der mittlere Bogen des Abbildungsfeldes jc = [J/2]) und in der Mitte des mittleren Bogens ic = [I/2). Die Matrix von abgetasteten Abbildungswerten, die von einer Abtastung des Trainingsobjekts gesammelt worden ist, wird hier als Matrix von Trainingsobjekt- Abtastungswerten bezeichnet. Das erwünschte Signal für jeden Strahl m, der ein derartiges Trainingsobjekt abtastet, ist eine Deltafunktion, die gleich 1 ist, wenn der Strahl direkt auf das Ziel sieht, und sonst 0 ist. Weitere erwünschte Signale könnten ebenfalls verwendet werden, wie z.B. ein tatsächliches Signal von einer Einzelstrahlabtastung des Trainingsobjekts. Ein derartiges gewünschtes Signal wird hier als eine ideale Trainingsobjektmatrix bezeichnet.
Die Optimierungsgleichung (3.2) kann man sich als eine "Trainingsgleichung" vorstellen, da sie mitteilt, wie das System mit dem Trainingsbild und der entsprechenden gewünschten Antwort trainiert werden kann, um einen optimalen Satz der Transformationskoeffizienten zu erzeugen. Beim Schreiben dieser Gleichung wurde angenommen, daß die zusammengesetzten und die gewünschten Signale unter Verwendung des "Abtasten- und Springen"-Abtastungsformats, das oben beschrieben worden ist, erhalten worden sind. Wenn die erwünschte Funktion jedoch eine Deltafunktion ist, wird dieses Abtastungsformat keinen aussagekräftigen Satz von Transformationskoeffizienten erzeugen. Bei dem "Abtasten- und Springen"-Lösungsansatz wird immer nur ein Strahl das Testziel sehen. Daher werden die erwünschten Funktionen für alle anderen Strahlen in dem Array identisch zu 0 sein. Dann wird die Lösung für das RMS-Problem durch einen Satz von Transformationskoeffizienten erfüllt sein, die alle 0 sind und in der Praxis nicht verwendet werden können.
Zusätzlich zu dieser fundamentalen Begrenzung weist die Verwendung des "Abtasten- und Springen"-Formats zum Training einen weiteren praktischen Nachteil auf. Bei einem realen Bild können die Objekte beliebige winklige Ausrichtungen bezüglich jedes Strahls in dem Array aufweisen. Um somit einen robusten Satz der Transformationskoeffizienten zu erzeugen, wäre es erwünscht, eine Trainingsprozedur zu haben, die so viele Ausrichtungen eines Testziels bezüglich jedes Strahls in dem Array als möglich umfaßt. Der "Abtasten- und Springen"-Abtastungsalgorithmus erlaubt es, daß jeder Strahl alle Bögen in dem Abbildungsfeld besucht, wobei jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Linien besucht werden kann.
Um die oben erörterten Begrenzungen zu überwinden wird der Abtastungsalgorithmus modifiziert, derart, daß das Strahlenarray im Trainingsmodus immer nur zu einem Zeitpunkt um eine Linie rotiert. D.h., daß bei einer gegebenen Winkelposition des Strahlenarrays alle Bögen von 0 bis J-1 abgetastet werden können, und daß dann das Array um eine Linie nach rechts bewegt wird, derart, daß der Strahl 0 nun in die gleiche Richtung wie der Strahl 1 bei der vorherigen Winkelposition sieht, der Strahl 1 in die gleiche Position sieht wie der Strahl 2 usw.. Dieser Abtastungsmodus wird als der Trainingsmodus im Gegensatz zum Abbildungsmodus bezeichnet, welcher das "Abtasten- und Springen"-Format verwendet. Die zusammengesetzten, die transformierten und die erwünschten Signale für den Trainingsmodus werden als xT(m,j,p), yT(m,j,p) bzw. dT(m,j,p) bezeichnet. Die gleichen Größen ohne das tiefgestellte T beziehen sich auf den Abbildungsmodus. Die Anzahl von Strahlenarraypositionen pro Bogen in dem Trainingsmodus beträgt PT = N-(M-1)Δ. Die Optimierungsgleichung (3.2) wird nun in der folgenden Form neu angeschrieben:
Die Gleichung (3.3) weist tatsächlich M unabhangige Gleichungen auf. Um die optimalen Transformationskoeffizienten zu finden, wird jede der Gleichungen bezüglich der ML Unbekannten c(m,l,b) differenziert, wonach die Ableitungen zu gesetzt werden und nach den Unbekannten aufgelöst werden. Das Differenzieren von (3.3) bezüglich bestimmter Koeffizienten c(m,1&sub5;,bq) und das Neuanordnen der Terme ergibt den folgenden Ausdruck:
wobei gilt:
Die Lösung von (3.4) kann in einer geschlossenen Form geschrieben werden, wenn eine Matrixnotation eingeführt wird. Bei dieser Notation bezeichnen kleingeschriebene Buchstaben Matrixelemente und großgeschriebene Buchstaben die entsprechenden Matrizen. Um (3.4) in einer Matrixform auszudrücken, muß die Dimensionalität der auftretenden Größen reduziert werden. Diese Reduktion wird folgendermaßen durchgeführt. Ein LxM zusammengesetzter Satz wird als ein äquivalenter Vektor der Länge ML durch zeilenweises aufeinanderfolgendes Numerieren der Elemente des Satzes ausgedrückt. Der dreidimensionale Transformationskern wird in ein äquivalentes zweidimensionales Array umgewandelt, wobei die m-te Zeile des äquivalenten Arrays der m-ten Ebene des dreidimensionalen Kerns entspricht. Als Ergebnis dieser Transformationen werden die Indizes und die Größen, die bei (3.4) auftreten, als die aquivalenten zweidimensionalen Größen folgendermaßen aus qedrückt:
n = lM+b, k = lsM+bq (3.7)
cE(m,n) = c(m,l,b), (3.8)
rE(n,k) = r(b,l,bq,ls), (3.9)
vE(m,k) = v(m,bq,ls) (3.10)
Unter Verwendung der äquivalenten Größen wird Gleichung (3.4) folgendermaßen neu geschrieben:
m = 0, 1, ..., M-1; k = 0, 1, ..., ML-1;
Die Matrizen der äquivalenten Größen lauten CE = {cE(m,n)}, RE = {rE(n,k)} und VE = {vE(m,k)}. Nun wird Gleichung (3.11) in einer Matrixform als CE RE = VE geschrieben, wobei die Lösung dieser Matrixgleichung folgendermaßen lautet:
CE = VE(R&supmin;¹E) (3.12)
Es wird angemerkt, daß (3.12) die Standardlösung eines Kleinste-Quadrate-Problems darstellt, wobei RE eine Korrelationsmatrix der Eingangsgrößen (die zusammengesetzten Signale in dem vorliegenden Fall), und VE eine Kreuzkorrelationsmatrix der Eingangs- und der gewünschten Größen sind.
Es sollte angemerkt werden, daß die Daten, die durch das Mehrstrahlabtastungssystem von Fig. 2 gesammelt werden, zu einem Spezialzweckcomputer (nicht gezeigt) geliefert werden, welcher programmiert ist, um die Daten gemäß den hierin offenbarten Gleichungen zu transformieren. Ein Fachmann in der Technik kann einen Computer programmieren, um die verschiedenen Operationen durchzuführen, die durch die hierin gezeigten Gleichungen angegeben sind, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung anzuwenden.
Um die Effektivität des Strahlentransforrnationsverfahrens, das oben beschrieben worden ist, zu bewerten, und um optimale Werte für die Parameter des Systems zu bestimmen, wurde ein Zeitbereichssimulator des mehrstrahligen Ultraschallabbildungssystems entwickelt. Der Simulator erzeugt Abbildungen für beliebige Zielverteilungen für Einzelstrahl-, Mehrstrahl- und transformierte Mehrstrahl-Systeme, wobei ein breiter Experimentierbereich bei den Hauptsystemparametern, wie z.B. der Anzahl von Strahlen, der Strahlentrennung, der Größe und Auflösung des Abbildungsfeldes, der Anzahl der Elemente des phasengesteuerten Arrays, usw., zugelassen war.
Unter Verwendung des Zeitbereichssimulators wurden Experimente durchgeführt, wobei verschiedene Systemparameter und -Konfigurationen getestet wurden. Nachfolgend finden sich Ergebnisse eines kleinen, jedoch typischen Teilsatzes derartiger Simulationen in graphischer Form. Bei den nachfolgend berichteten Simulationen wurden die folgenden Systemparameter festgehalten:
Linientrennung (s) = 1 Grad,
Strahlentrennung = 1 Linie,
Anzahl von Bögen (arcs) = 51,
Bogentrennung = 1,23 mm,
Sendefokusabstand = 100 mm,
Feldtiefe = 69,2 mm bis 130,8 mm,
Linien im Transformationskern (k) = 11,
Elemente im phasengesteuerten Array = 128,
Trägerfrequenz = 2,5 MHz.
Die folgenden Betrachtungen beziehen sich auf das Auswählen einer geeigneten Anzahl von Linien in dem Transformationskern (d.h. auf die Tiefe L des Transformationskerns). Es werden ungerade Werte für L ausgewählt, um den Kern bezüglich einer Strahlenarrayposition symmetrisch zu machen. Je größer der Wert von L ist, umso größer ist die Fläche, die durch den Kern bedeckt wird, was zu einer besseren Interferenzunterdrückung führen sollte. Andererseits wird ein größeres L in mehr Transformationsberechnungen pro Pixel resultieren. Ein guter Weg, um eine anfängliche Abschätzung über die Kerntiefe zu machen, besteht darin, auf die zusammengesetzte Abbildung des Trainingsbildes (ein Punktziel in der Mitte des Abbildungsfeldes) zu sehen, und zu sehen, wie tief das Interferenzmuster ist. Dann sollten ein paar Experimente mit einem kleineren und einem größeren L durchgeführt werden, wobei der größte Wert gefunden wird, über dem keine bedeutsame Verbesserung der Bildqualität betrachtet wird. Unter Verwendung dieses Lösungsansatzes wurde herausgefunden, daß eine befriedigende Tiefe des Transformationskerns für ein 10-Strahl-System mit einer Strahlentrennung von einem Grad etwa 13,5 mm beträgt, was L = 11 für eine Bogentrennung von 1,23 mm entspricht. Offensichtlich wird L von vielen Faktoren, einschließlich der Anzahl (b) von Strahlen, der Strahlentrennung, usw., abhängen.
Die Zielverteilung, die bei den Simulationen verwendet wurde, weist ein einziges Ziel einer Einheitshelligkeit auf, das in der Mitte des Abbildungsfeldes auf der Linie bei 0º und dem Bogen bei 100 mm positioniert ist.
Für die Zielverteilung sind die Simulationsergebnisse eines 5-Strahl-Systems (in Fig. 5) und eines 10-Strahl-Systems (in Fig. 6) gezeigt, wobei beide mit dem Ergebnis einer Einzelstrahlsystem-Simulation verglichen werden.
Fig. 5 und 6 zeigen beide graphische Strahlendarstellungen von Simulationen des oben beschriebenen Trainingsobjekts (eines Punktziels), wobei die vertikalen Achsen die maximale Helligkeit (in dB) entlang jeder Linie aufweisen, als Funktion des Winkels der Linie bezüglich des Wandlerarrays gezeichnet ist. Jede graphische Darstellung zeigt die simulierten Abbildungen, die durch ein Einzeistrahisystem, ein 5-Strahl-System ohne Transformation (das als ein zusammengesetztes System bezeichnet wird) und ein 5-Strahl-System mit Transformation erzeugt worden sind. Eine ideale Antwort in beiden Fig. 5 und 6 würde eine graphische Darstellung mit keinem Signal bei allen Winkeln mit Ausnahme von 0º aufweisen, wobei bei 0º ein einziger Impuls von 0 dB auftreten würde. Wie zu sehen ist, liefert die graphische Darstellung der Strahlen, die gemäß der vorliegenden Erfindung transformiert worden sind, das genaueste Ergebnis.
Es sollte angemerkt werden, daß die graphischen Darstellungen von Fig. 5 und 6 keine Phasenaberrationen annehmen. In einem menschlichen Körper, welcher verschiedene Arten von Gewebe aufweist, von denen jedes Sonarpulse bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten überträgt, sind die empfangenen Signale aufgrund des Unterschieds der Puislaufzeit von Signal zu Signal zueinander etwas verschoben. Wenn zufällige Phasenaberrationen als Teil des simulierten Systems aufgenommen werden, ergibt sich, daß die Qualität der transformierten 5-Strahl-Abbildung etwas besser als die der transformierten 10-Strahl-Abbildung ist, wobei beide bei bestimmten Linienwinkeln schlechter als die Einzelstrahl-Abbildungen sind. Dies zeigt einen erwarteten Kompromiß zwischen der Abbildungsqualität und der Datenerfassungsrate.
Die graphischen Darstellungen der Strahlen von den Fig. 5 und 6 zeigen ferner, daß, während die Strahlentransformation sehr gut beim Entfernen der Interferenz und beim Verbessern der Auflösung in der Nähe von Zielen ist, dieselbe ferner scharfe Seitenkeulen in einem moderaten Abstand von den Zielen erzeugt. Dieser Nachschwingeffekt tritt teilweise aufgrund der Verwendung einer idealen Deltafunktion als das gewünschte Signal bei der Optimierungsprozedur für die Transforrnationskoeffizienten auf. Eine Verbesserung des Nachschwingeffekts kann erwartet werden, wenn eine weichere Funktion als das gewünschte Signal verwendet wird. Ein natürlicher Kandidat für das gewünschte Signal ist ein Signal, das dem ähnelt, das durch ein Einzeistrahisystem erzeugt wird.

Claims

1. Ein Verfahren zum Abbilden eines Objekts unter Verwendung eines Arrays von Sonarsendern, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(a) Bewirken, daß das Array gleichzeitig eine Mehrzahl von Sonarstrahlen (Strahl 1, Strahl 2) in das Objekt entlang einer Mehrzahl von Linien und über eine Mehrzahl von Bögen (0, 1, ..., j-1) sendet;

(b) Erfassen eines reflektierten Sonarsignals entlang jedes Sonarstrahls;

(c) Abtasten jedes reflektierten Signais, wodurch eine Abbildungsmatrix von abgetasteten Werten erzeugt wird, die von dem Schnittpunkt jeder Linie mit jedem Bogen genommen werden; und

(d) Erzeugen eines transformierten Abbildungswertes für einen ausgewählten Wert in der Matrix, wobei der transformierte Wert eine Funktion von Werten in reflektierten Signalen auf beiden Seiten des Bogens ist, der den ausgewählten Matrixwert enthält, wobei die Funktion ausgewählt ist, um eine Zwischenstrahl interferenz zu minimieren.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Strahlen entlang einer Mehrzahl von Linien (0, 1, ..., n-1) gesendet und die reflektierten Signale entlang der Linien erfaßt werden.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der Schritt des Erzeugens eines transformierten Abbildungssignals ferner folgende Schritte aufweist: Bewirken, daß das Array gleichzeitig eine Mehrzahl von Sonarstrahlen in ein bekanntes Trainingsobjekt entlang einer Mehrzahl von Linien und über eine Mehrzahl von Bögen sendet;

Erfassen des reflektierten Sonarsignals entlang der Achse jedes Strahls;

Erzeugen eines Arrays, das die reflektierten Trainingsobjektsignale aufweist, wobei jeder Wert in dem Trainingsobjektarray ein Signal darstellt, das von einem der Bögen reflektiert worden ist;

Definieren einer Funktion der Signale in dem Trainingsobjektarray, welches im wesentlichen den Signalen in einem idealen Trainingsobjektarray gleicht; und

Anwenden der derart erzeugten Funktion auf die Signale in dem Abbildungsarray.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Verfahren ferner den Schritt des Abtastens jedes reflektierten Signals umfaßt, wodurch eine Abbildungsmatrix abgetasteter Werte erzeugt wird, die von dem Schnittpunkt jeder Linie und jedes Bogens genommen werden; und

wobei der Schritt des Erzeugens eines transformierten Abbildungswertes den Schritt des Erzeugens eines transformierten Abbildungswertes für ein ausgewähltes Element in der Abbildungsmatrix aufweist, welcher eine Funktion von Werten in Linien auf beiden Seiten des Bogens ist, der das ausgewählte Element enthält.

5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Erzeugens eines transformierten Abbildungswertes ferner folgende Schritte aufweist:

Bewirken, daß das Array gleichzeitig eine Mehrzahl von Sonarstrahlen in ein bekanntes Trainingsobjekt sendet;

Erfassen des reflektierten Sonarsignals entlang der Achse jedes Strahls;

Abtasten jedes reflektierten Signais, wodurch eine Matrix von Trainingsobjektabtastwerten erzeugt wird;

Definieren einer Funktion der Elemente in dem Trainingsobjektarray, welche im wesentlichen den Elementen in einer idealen Trainingsobjektmatrix gleicht; und

Anwenden der derart erzeugten Funktion auf die Elemente in der Abbildungsmatrix.

6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Schritt des Def inierens einer Funktion der Elemente in der Trainingsobjektmatrix, welche im wesentlichen den Elementen in einer idealen Trainingsobjektmatrix gleicht, folgende Schritte aufweist:

Definieren eines Fensters, welches eine vorausgewählte Anzahl von Zeilen und Spalten in der Trainingsobjektmatrix bedeckt;

Verschieben des Fensters bezüglich der Matrix, wobei jede Fensterposition einen anderen Satz von Zeilen und Spalten in der Trainingsobjektmatrix aufweist;

Erzeugen einer Gleichung für jede Fensterposition, die die Summe der Matrixelemente in dem Fenster aufweist, wobei jedes mit einem unbekannten Koeffizienten multipliziert ist; und

Lösen der Gleichungen für die Koeffizienten, welche die Unterschiede zwischen den Werten ausgewählter Trainingsobjektmatrixelemente und den entsprechenden Elementen in der idealen Trainingsobjektmatrix minimieren.

7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner nach dem Schritt (b) die Schritte des (bl) Drehens des Arrays um einen vorbestimmten Betrag auf eine neue Position und (b2) des Wiederholens der Schritte des Bewirkens, Erfassens und Drehens eine vorbestimmte Anzahl von Malen aufweist; und wobei der Schritt (c) das Abtasten jedes reflektierten Signals aufweist, wodurch eine Matrix von abgetasteten Werten erzeugt wird, und der Schritt (d) für einen ausgewählten, abgetasteten Wert das Erzeugen eines transformierten Wertes aufweist, welcher eine Funktion von abgetasteten Werten in einer Mehrzahl von Bögen auf beiden Seiten des Bogens ist, der den ausgewählten abgetasteten Wert enthält.

8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der Schritt des Erzeugens eines transformierten Wertes den Schritt des Erzeugens eines derartigen transformierten Wertes aufweist, welcher ebenfalls eine Funktion eines abgetasteten Wertes ist, der zu dem Zeitpunkt erfaßt worden ist, zu dem das reflektierte Signal, das den ausgewählten abgetasteten Wert enthält, erfaßt worden ist.

9. Ein Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Funktion eine lineare Kombination von Werten aufweist.

10. Ein Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Funktion ausgewählt ist, um die Zwischenstrahl interferenz zu minimieren.

11. Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem:

jeder abgetastete Wert durch die Notation x(rn,j,p) dargestellt ist, wobei m die Strahlennummer ist, entlang dessen das reflektierte Signal erfaßt wurde, j die Bogennummer ist, an dem das Signal abgetastet wurde, und p die Winkelpositionsnummer des Arrays ist; und

jeder transformierte Wert durch die Notation y(m,j,p) dargestellt ist, und gemäß der folgenden Gleichung erzeugt wird:

wobei:

m = 0, 1, ..., M-1;

j = L&sub0;, L&sub0;+1, ..., J-L+L&sub0;;

p = 0, 1, ..., P-1;

L eine vorausgewählte Anzahl von Matrixzeilen, M die Anzahl von Strahlen in dem Array,

L&sub0; die größte ganze Zahl, die nicht L/2 überschreitet, und

c(m,l,b) eine dreidimensionale Matrix von Koeffizienten sind.

12. Ein Verfahren gemäß Anspruch 11, das ferner den Schritt des Lösens nach den Werten in c(m,l,b) umfaßt, welche beliebige Auswirkungen der Zwischenstrahlinterferenz in y(m,j,p) minimieren.

13. Ein Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Schritt des Lösens für Werte in c(m,l,b) folgende Schritte aufweist:

(a) Bewirken, daß das Array gleichzeitig eine Mehrzahl von Sonarstrahlen in ein bekanntes Trainingsobjekt sendet;

(b) Erfassen des Trainingsobjektsignals, das entlang jedes Sonarstrahs re4flektiert wird;

(c) Rotieren des Arrays um einen vorbestimmten Betrag in eine neue Position;

(d) Wiederholen der vorhergehenden drei Schritte eine vorausgewählte Anzahl von Malen;

(e) Abtasten jedes reflektierten Signals, wodurch eine zweidimensionale Matrix von abgetasteten Trainingsobjektwerten erzeugt wird, von denen jeder durch die Notation xT(m,j,p) dargestellt ist, wobei m die Strahlennummer ist, entlang dessen das reflektierte Signal erfaßt wurde, j die Bogennummer ist, an dem das Signal abgetastet wurde, und p die Winkelpositionsnummer des Arrays ist; und

(f) Lösen für Werte von c(m,l,b), welche die Unterschiede zwischen yT(m,j,p) und einer Matrix von idealen Trainingsobjektwerten minimieren.