Ультразвукове Зображення та Сонар: Наведення Променя лише за Часом Затримки

Эхо-отражение: основная идея подлодочных сонаров, радаров и ультразвуковых сканеров

Каждая система эхо-отражения, будь то ультразвуковой сканер в больнице, сонар подводной лодки или радар аэропорта, работает одинаково: посылается короткий импульс энергии, слушается отраженного сигнала и использует время полёта для определения расстояния до отражающегося объекта. Для звуковых систем расчёт дальности прост, поскольку скорость распространения известна и примерно постоянна в данном средстве:

дальность = (скорость_звука * время_полёта) / 2 (делим на 2: полёт туда и обратно) скорость звука: ~1500 м/с в воде (сонара) ~1540 м/с в мягких тканях (медицинский ультразвук) Одиночный преобразователь даёт возможность измерять расстояние в любом направлении, которое он направлен. Создание полезного изображения означает контроль того, в какое направление этот вектор указывает, что является идеальным сценарием без физического вращения — что и делает фазированный массив.

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)

Фазовані масиви: спрямування променя лише за допомогою затримок у часі

Фазований масив – це ряд невеликих елементів трансдюсера, кожен з яких здатен випромінювати власну сферичну хвилю. Якщо запустити всі елементи одночасно, хвилі об’єднуються в плоску фронтальну хвилю, яка йде прямо, перпендикулярно масиву. Але якщо запізнити час запуску кожного елемента на невелику, точно розраховану кількість – частку періоду хвилі, лінійно збільшуючи її по ряду – об’єднана фронтова хвиля нахиляється, оскільки хвилі тепер конструктивно збігаються в кутованому напрямку замість прямого. Це і є формування променя: жодна частина масиву фізично не рухається, але електронно можна змінювати напрямок променя, і той же трюк із затримкою додатково може фокусувати промінь на обрану глибину, застосовуючи криволінійний (замість лінійного) профіль затримок по масиву, що імітує лінзу.

Приймання працює так само, але в зворотному порядку

Однакова масив слухає повертаючого ехо, і той самий трюк застосовується до прийому: запізнення та підсумовування кожного елементу отриманого сигналу на відповідну величину посилює ехо, що надходить з напрямку, в якому була спрямована базова лінія, тоді як ехо та шум, що надходять з інших напрямків, додаються незв’язно і в середньому скасовуються. Саме тому системи з фазованого масиву мають гарну спрямованість чутливості при отриманні, а також при передачі, значно покращуючи роздільну здатність зображення порівняно з тим, що може досягти один ширококутний елемент.

Побудова Б-скану, рядок за рядком

Б-скан (зображення за рівнем яскравості) створюється шляхом повторення циклу імпульсів вздовж профілю сканування кутів випроменення, один рядок сканування на кожному куті. Кожен повернений відбиток розміщується на рядку сканування на глибині, встановленій за часом його прибуття, і його яскравість встановлюється за силою відбиття — міцний дзеркальний елемент, як кістка чи метал, повертає яскравий піксель, а слабкий розсіювач повертає тьмяний. Проскануйте промінь електронним способом по всьому полю зору, десятки або сотні разів на секунду, і окремі рядки сканування переплітаються у живий, безперервно оновлюваний поздовжний образ, який точно відповідає Б-скану ультразвуку або обертовому дисплею сонарів на екрані.

Роздільна здатність: частота, довжина імпульсу та апертура

Три окремі межі визначають чіткість зображення. Горизонтальна роздільна здатність – як далеко можуть бути розташовані два сусідні об’єкти та все ще розрізнятися – покращується за рахунок ширшої апертури та коротшої довжини хвилі, така сама межа дифракції, яка регулює будь-яку систему зображення на основі хвиль. Роздільна здатність по глибині (аксіальна) залежить від довжини імпульсу: короткий і різкий імпульс дозволяє двома сусіднім відображенням повертатися як два окремих, розрізнюваних спалаху замість одного розмитого відображення. Відстань сама по собі безпосередньо обмінюється на частоту, оскільки звук вищої частоти швидше за все поганішає в будь-якому середовищі, тому чому медичний ультразвук використовує мегагерцові частоти для тонких, неглибоких деталей, а сонар – кілогерцові частоти для досягнення кілометрів через воду.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Ultrasonic Imaging and Sonar і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.