Obrazowanie ultradźwiękowe i sonar: kierowanie strumieniem za pomocą jedynie czasu opóźnienia

Puls-echo: jedna idea podziwiająca sonar, radar i ultradźwięk

Każdy system puls-echo, czyli zarówno aparat ultradźwiękowy w szpitalu, sonar na okręcie podwodnym, jak i radar lotniska, działa według tego samego schematu: wysyłanie krótkiego impulsu energii, nasłuchiwanie odzwierciedlonej przez obiekty energii, a następnie wykorzystanie czasu podróży w obu kierunkach do obliczenia odległości od odzwierciedlającego obiektu. W przypadku systemów opartych na dźwięku obliczanie odległości jest proste, ponieważ prędkość rozprzestrzeniania się dźwięku jest znana i prawie stała w danymmedium:

odległość = (prędkość_dźwięku * czas_podróży) / 2 (dzielone przez 2: podróże w obu kierunkach) prędkość dźwięku: ~1500 m/s w wodzie (sonar) ~1540 m/s w tkance miękkiej (ultradźwięk medyczny) Jednym transduktorem uzyskujesz odległość w kierunku, w którym aparat przypadkiem jest skierowany. Tworzenie przydatnego obrazu oznacza kontrolowanie kierunku skierowania tego impulsu bez fizycznego obracania czegokolwiek — dokładnie to robiarray fazowy.

range = (speed_of_sound * time_of_flight) / 2      (divide by 2: round trip)

speed of sound:  ~1500 m/s in water (sonar)
                 ~1540 m/s in soft tissue (medical ultrasound)

Tablice fazowe: kierowanie strumieniem za pomocą opóźnień czasowych tylko

Tablica fazowa to rzęd małych elementów przewodników, każdy z których jest w stanie wydać własny kulowy falik. Wyślij wszystkie elementy jednocześnie i faliki łączą się w płaską frontę falową, która porusza się prosto, pionowo względem tablicy. Ale opóźnij czas wysyłki każdego elementu o małą, dokładnie obliczoną ilość — ułamek okresu fali, zwiększając liniowo poziomo — i front łączony teraz kieruje się pod kątem, ponieważ faliki teraz harmonicznie łączą się w kierunku skierowanym zamiast prosto. To jest formacja strumienia: żaden element tablicy nie fizycznie przesuwa się, ale kierunek strumienia można elektronicznie obracać mikrosekundami, a ta sama technika opóźnieniowa może z kolei skupić strumień na wybranym poziomie stosując profil opóźnień krzywoliniowy zamiast liniowego poziomo, co symuluje lenc.

Odbieranie działa w taki sam sposób, tylko w odwrotnej kolejności

Ten sam zestaw odbiera powrótne eko, a ta sama technika stosowana jest podczas odbioru: opóźnianie i sumowanie sygnału odebranej przez każdy element o odpowiednią wartość zwiększa siłę eków dotarujących w kierunku, w którym strumień był skierowany, a ekwy i szum dotarujący z innych kierunków sumują się niekorencyjnie i anulują na średnim poziomie. To jest powodem, dla którego systemy zorientowane na fazę mają dobre wrażliwość kierunkową zarówno podczas odbioru, jak i nadawania, co ulepsza obraz daleko przewyższa to, co pojedynczy szeroki element mógłby rozpoznać.

Tworzenie obrazu B-scan linia po linii

Obraz B-scan (obraz oświetloności) tworzy się powtarzając cykl puls-echo dla pełnego zakresu kątów strumienia, jedna linia obrazu na każdy kąt. Każdy zwracany eko umieszczany jest w swojej linii obrazu na głębokości określonej czasem dotarcia i jasności ustalanej przez siłę eco — silny odzwierciedlaczy, takie jak kości lub metale, zwraca jasne piksele, podczas gdy słabe odbijacze zwracają ciemne. Elektronicznie przesuń strumień po pełnym polu widzenia, setki razy na sekundę, a oddzielne linie obrazu łączą się w żywy, ciągle odświeżany obraz sekcji przekrojowej, który dokładnie pokazuje to, co pokazuje ekran obrazu ultradźwiękowego B-scan lub obracający się wyświetlacze sonaru.

Rozdzielczość: częstotliwość, długość impulsu i apertura

Trzy oddzielne granice ustalamy ostrość obrazu. Rozdzielczość laterodoktry — jak blisko mogą być ze sobą dwa cechy położone obok siebie i nadal można je rozróżnić — zwiększa się przy większej apertura apertywy i krótszym długosci falowej, taka sama granica difracji, która rządzi dowolnym systemem dozorczym opartym na falach. Rozdzielczość wzdłuż osi (osiowa) zależy od długości impulsu: krótki, ostry impuls pozwala na rozróżnienie dwoch bliskoległych odbiorców jako dwie oddzielne, rozróżnialne plamy zamiast jednego rozmytego odbicia. Sam zakres handluje bezpośrednio przeciwko częstotliwości, ponieważ dźwięk wyższej częstotliwości absorbowany jest szybciej w każdym materialu, co jest powodem dla którego ultradźwięki medyczne używają częstotliwości megahertzowych do szczegółowego i głębokiego obrazowania, podczas gdy sonar używa częstotliwości kilohertzowych aby dotrzeć kilometr dalej w wodzie.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Ultrasonic Imaging & Sonar: Pulse-Echo & Phased Arrays i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.