利用正交陣列形成無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種使用正交陣列進(jìn)行無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像形成的裝置，包括由互相垂直構(gòu)成正交陣列的兩個(gè)線性相控陣列(11，12)，兩個(gè)線性相控陣列分別為用于超聲波的發(fā)送并且放置在X軸方向的發(fā)射線性相控陣列(11)以及用于超聲波回聲的接收并且放置在Y軸方向的接收線性相控陣列(12)，二者分別具有一個(gè)內(nèi)部單元；一邊的長(zhǎng)度略小于λ/2直角尺傳感器；發(fā)送器(20)；接收器(30)；平行光束形成器(40)，對(duì)所述接收器(30)所提供的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行平行光束形成操作；圖像信號(hào)處理器(50)；顯示器(60)；控制器(70)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分(180)以及三維圖像信號(hào)處理器(190)。
【專利說(shuō)明】
利用正交陣列形成無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域成像方法，特別是采用超聲波正交陣列形成。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)人機(jī)與無(wú)人駕駛汽車在科技界呼風(fēng)喚雨，風(fēng)頭出盡，相較之下，低調(diào)的無(wú)人船知名度稍遜一籌。在小說(shuō)中，無(wú)人船始終籠罩著一絲神秘氣息，著名的"幽靈船"是作家虛構(gòu)航海故事的經(jīng)典素材，而在現(xiàn)實(shí)中，無(wú)人船是各國(guó)軍事領(lǐng)域的心頭寶，是科技競(jìng)爭(zhēng)的重要技術(shù)。目前無(wú)人船處于高速發(fā)展的時(shí)期，然而無(wú)人船在下水試航之前以及水上作業(yè)的時(shí)候，仍然面臨很多技術(shù)瓶頸沒有解決。
[0003]無(wú)人船，顧名思義，無(wú)需人類駕駛員對(duì)其進(jìn)行操控，“零船員”概念的出現(xiàn)到底是否恰當(dāng)，目前業(yè)界眾說(shuō)紛紜，刊物《安全》的記者就曾提出“無(wú)人船”理想與現(xiàn)實(shí)的距離，其中提出，如果某船突然起火其方位不明，依照現(xiàn)有的科技水平，無(wú)人船的操控著肯定會(huì)做出兩種指令，一種是最優(yōu)方法，即派滅火機(jī)器人尋找準(zhǔn)確著火點(diǎn)并進(jìn)行撲滅，第二種是如果機(jī)器人無(wú)法完成滅火任務(wù)，船舶將開啟高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)完成滅火任務(wù)，兩套方案，一套備用，看似沒有缺陷，而有一個(gè)問題無(wú)法回避，就算全船都有監(jiān)控設(shè)備，然而并不能保證監(jiān)控設(shè)備毫無(wú)盲區(qū)，而此時(shí)若恰好在盲區(qū)內(nèi)著火或者為引起火災(zāi)的來(lái)源，則兩套方法都無(wú)法實(shí)施，我們只能眼睜睜看著船燒盡沉沒。
[0004]由此看來(lái)，對(duì)無(wú)人船的各個(gè)盲區(qū)都能進(jìn)行有效的三維成像是正待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此本發(fā)明的目的一方面在于提供一種使用正交陣列進(jìn)行無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像形成的裝置，包括:由互相垂直構(gòu)成正交陣列的兩個(gè)線性相控陣列，兩個(gè)線性相控陣列分別為用于超聲波的發(fā)送并且放置在X軸方向的發(fā)射線性相控陣列以及用于超聲波回聲的接收并且放置在Y軸方向的接收線性相控陣列，二者分別具有一個(gè)內(nèi)部單元，兩個(gè)內(nèi)部單元相互之間相距λ/2，其中λ表示超聲波波長(zhǎng)，兩個(gè)線性相控陣列公用同一個(gè)位于X-Y軸坐標(biāo)系原點(diǎn)傳感器單元作為各自的中心陣列單元;一邊的長(zhǎng)度略小于λ/2直角尺傳感器;發(fā)送器，發(fā)出生成的用于發(fā)送線性相控陣列的超聲波的電信號(hào);接收器，從接收線性相控陣列接收返回正交陣列并由接收線性相控陣列內(nèi)的傳感器部件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的超聲波回聲輸出并將所接收的模擬電信號(hào)通過(guò)執(zhí)行多個(gè)信號(hào)處理程序轉(zhuǎn)化成為數(shù)字形式，信號(hào)處理程序在一個(gè)超聲波成像裝置中對(duì)所接收的模擬電信號(hào)進(jìn)行操作;平行光束形成器，對(duì)接收器所提供的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行平行光束形成操作，所述平行光束形成器對(duì)Φ=0并且0 = 0?的平面上的所有點(diǎn)執(zhí)行動(dòng)態(tài)深度聚焦，然后對(duì)其施加一系列延遲法則，產(chǎn)生連續(xù)的多角度聲束偏轉(zhuǎn)或不同深度焦深，平行波形成器在平行波形成過(guò)程中執(zhí)行衍射控相法從而減少旁瓣電平；圖像信號(hào)處理器，接收所有在平行光束形成器中產(chǎn)生的掃描線信號(hào)并針對(duì)所接收的信號(hào)執(zhí)行超聲相控陣成像處理程序，從而產(chǎn)生不同形式的圖像信號(hào)；顯示器，顯示圖像信號(hào)；控制器，控制上述操作從而獲得期望形式的三維圖像;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，接收器的輸出同時(shí)輸入到平行光束形成器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分以及三維圖像信號(hào)處理器。
[0006]優(yōu)選的，構(gòu)成每個(gè)相控陣列的傳感器部件數(shù)量?jī)?yōu)選為64或者128。
[0007]優(yōu)選的，X軸和Y軸構(gòu)成一個(gè)正方形區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)放置發(fā)送線性相控陣列以及接收線性相控陣列的傳感器單元。
[0008]優(yōu)選的，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分由大量半導(dǎo)體芯片或者高速大容量硬盤組成。
[0009]優(yōu)選的，三維圖像信號(hào)處理器由一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理器或者一個(gè)用于專用計(jì)算或者程序的大容量高速ASIC組成，或者由外部連接的計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
[0010]優(yōu)選的，發(fā)送器，接收器，平行光束形成器以及圖像信號(hào)處理器與通用二維圖像裝置的相應(yīng)結(jié)構(gòu)是相同的。
[0011]本發(fā)明的目的還在于提供一種利用正交陣列形成無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像的方法，步驟如下:
[0012](I)以常規(guī)模式也就是二維圖像模式運(yùn)行該裝置從而獲得二維圖像，其中發(fā)送線性相控陣列僅用于對(duì)固定傾斜角Φ =0度的波束形成，接收線性相控陣列僅用于每次發(fā)送后對(duì)固定傾斜角Φ =0度的接收波的聚焦操作，發(fā)送器使能發(fā)送線性相控陣列的動(dòng)作，這樣在傾斜角為O度的位置每次發(fā)送會(huì)形成一個(gè)發(fā)送波平面，接收線性相控陣列接收到的超聲波回聲信號(hào)在接收器內(nèi)處理，然后由平行光束形成器對(duì)應(yīng)一個(gè)方位角將其聚焦到一條信號(hào)掃描線；(2)將聚焦后的信號(hào)通過(guò)圖像信號(hào)處理器進(jìn)行處理并且在顯示器上進(jìn)行顯示；(3)將上述操作進(jìn)行重復(fù)，形成一個(gè)與現(xiàn)有二維圖像形成流程形成的平面相同的三維圖像平面；(4)使用上述二維圖像模式確定待掃描的三維區(qū)域；(5)在確定的三維區(qū)域中心定位正交陣列；(6)設(shè)定完成三維圖像模式，然后執(zhí)行三維掃描的發(fā)送和接收流程；(7)對(duì)應(yīng)接收線性相控陣列的所有傳感器元件每次步驟(6)發(fā)送后接收器的輸出被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分；
(8)完成上述步驟后，也就是，所有組成期望的三維區(qū)域的發(fā)送波平面形成后并且所有來(lái)自平面的反射信號(hào)以及接收線性相控陣列平面的傳感器單元接收的信號(hào)都被存儲(chǔ)后，發(fā)送和接收流程停止；(9)三維圖像信號(hào)處理器讀出存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的數(shù)據(jù)，然后對(duì)三維掃描區(qū)域的所有掃描線執(zhí)行波束聚焦，并且執(zhí)行要求的三維圖像處理，其中平行光束形成器，對(duì)接收器所提供的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行平行光束形成操作，平行光束形成器對(duì)Φ = O并且Θ = θη的平面上的所有點(diǎn)執(zhí)行動(dòng)態(tài)深度聚焦，然后對(duì)其施加一系列延遲法則，產(chǎn)生連續(xù)的多角度聲束偏轉(zhuǎn)或不同深度焦深，所述平行波形成器(40)在平行波形成過(guò)程中執(zhí)行衍射控相法從而減少旁瓣電平；(10)最后向顯示器(170)提供所有待顯示的二維和三維圖像的信息。
[0013]優(yōu)選的，步驟(9)的動(dòng)態(tài)深度聚焦時(shí)，只使用一個(gè)發(fā)射延遲法則，對(duì)于接收信號(hào)則連續(xù)載入聚焦法則，使超聲束沿聲束軸線，對(duì)不同聚焦深度進(jìn)行該掃描。
[0014]優(yōu)選的，當(dāng)擴(kuò)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的存儲(chǔ)器容量后可以執(zhí)行實(shí)時(shí)四維掃描。
[0015]優(yōu)選的，其中步驟(9)對(duì)三維掃描區(qū)域的所有掃描線執(zhí)行除深度聚焦以外的其他控陣聲束掃查方式。
[0016]優(yōu)選的，其他控陣聲束掃查方式優(yōu)選包括電子線形掃查或扇形掃查。
[0017]采用超聲正交陣列的相控陣方法，即使用電子方法控制聲束聚焦和掃描，可以在不移動(dòng)探頭的情況下進(jìn)行快捷和全面的掃查，提高掃描成像速度，具有良好的聲束可達(dá)性，對(duì)于復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化控制焦點(diǎn)尺寸、焦區(qū)深度和聲束方向，可使得分辨率和檢測(cè)范圍得到提高。
[0018]根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。
【附圖說(shuō)明】
[0019]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。本發(fā)明的目標(biāo)及特征考慮到如下結(jié)合附圖的描述將更加明顯，附圖中:
[0020]圖1為一視圖，表示用于解釋根據(jù)本發(fā)明的利用正交陣列形成無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像的方法及裝置的坐標(biāo)系；
[0021]圖2為一框圖，表示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式利用正交陣列形成無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像的裝置；
[0022]圖3為一框圖，用于表示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的利用正交陣列形成無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像的裝置，其中包含根據(jù)本發(fā)明的使用二維圖像形成裝置進(jìn)行三維圖像形成的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0023]現(xiàn)在參考附圖，根據(jù)本發(fā)明將給出細(xì)節(jié)的描述。
[0024]本發(fā)明提供利用正交陣列形成無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像的結(jié)構(gòu)，其中包括相比傳統(tǒng)的二維陣列來(lái)說(shuō)數(shù)量較少的傳感器單元，并且在典型的二維圖像掃描時(shí)間內(nèi)完成三維圖像掃描，以及使用該方法的新的三維圖像形成方法及裝置。
[0025]參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例使用正交陣列進(jìn)行無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像形成的裝置，包括由互相垂直的兩個(gè)線性相控陣列11和12構(gòu)成的正交陣列。發(fā)射線性相控陣列11以及接收線性相控陣列12都具有一個(gè)內(nèi)部單元，相互之間相距λ/2，其中λ表示超聲波波長(zhǎng)，并且包括直角尺傳感器，其一邊的長(zhǎng)度略小于λ/2。兩個(gè)線性相控陣列11和12公用同一個(gè)位于X-Y軸坐標(biāo)系原點(diǎn)傳感器單元作為各自的中心陣列單元。發(fā)送線性相控陣列11用于超聲波的發(fā)送，并且在圖2中放置在X軸方向。接收線性相控陣列12用于超聲波回聲的接收，并且圖2中放置在Y軸方向。構(gòu)成每個(gè)相控陣列11或12的傳感器部件數(shù)量?jī)?yōu)選為64或者128。如圖2的X軸和Y軸上所示的正方形區(qū)域式構(gòu)成發(fā)送線性相控陣列11以及接收線性相控陣列12的傳感器單元。
[0026]發(fā)送器20發(fā)出用于生成用于發(fā)送線性相控陣列11的超聲波的電信號(hào)。在焦點(diǎn)位置以聚焦形式由發(fā)送線性相控陣列11發(fā)出的超聲波在船體內(nèi)傳播時(shí)被障礙物反射。返回正交陣列10的超聲波回聲由接收線性相控陣列12內(nèi)的傳感器部件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。接收器30從接收線性相控陣列12接收該電信號(hào)輸出并將所接收的模擬電信號(hào)通過(guò)執(zhí)行多個(gè)信號(hào)處理程序轉(zhuǎn)化成為數(shù)字形式，處理程序在一個(gè)典型的超聲波成像裝置中對(duì)所接收的模擬電信號(hào)進(jìn)行操作。平行光束形成器40對(duì)接收器30所提供的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行平行光束形成操作。圖像信號(hào)處理器50接收所有在平行光束形成器40中產(chǎn)生的掃描線信號(hào)并針對(duì)所接收的信號(hào)執(zhí)行超聲相控陣成像處理程序，從而產(chǎn)生不同形式的圖像信號(hào)在顯示器60上進(jìn)行顯示?？刂破?0控制上述框圖內(nèi)的操作從而獲得期望形式的三維圖像。
[0027]當(dāng)發(fā)送器20在控制器70的控制下相發(fā)送線性相控陣列11提供電信號(hào)時(shí)，發(fā)送線性相控陣列11內(nèi)的每個(gè)傳感器單元都會(huì)產(chǎn)生超聲波。這種情況下，發(fā)送器20控制電信號(hào)施加到每個(gè)傳感器單元上的時(shí)間，這樣傾斜角為Φ = Φπι的方向上超聲波發(fā)出并且聚焦到方位角為O度以及半徑為r = R的點(diǎn)上，具有一個(gè)傾斜角為Φ = Φπι的扇形區(qū)域的發(fā)送波平面形成，如圖2所示。方位角方向上的發(fā)送波平面寬度通過(guò)由發(fā)送線性相控陣列11組成的傳感器部件的尺寸決定。由于發(fā)送過(guò)程中不能實(shí)施動(dòng)態(tài)聚焦，發(fā)送波平面在傾斜方向上的波束寬度最小為r = R，并且隨著與R距離的加大半徑增大。因此，發(fā)送波平面內(nèi)僅有有限區(qū)域是三維圖像形成的有效區(qū)域。多個(gè)傾斜角應(yīng)用常用于現(xiàn)有的二維圖像形成裝置中的多區(qū)域聚焦技術(shù)或者線性聚焦技術(shù)，在一個(gè)較寬區(qū)域或者所有期望的區(qū)域都可以形成一個(gè)有效發(fā)送波平面。這種情況下，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)需要對(duì)發(fā)送器20進(jìn)行改進(jìn)。
[0028]當(dāng)發(fā)送的超聲波信號(hào)在船體內(nèi)傳播時(shí)，所發(fā)射的超聲波信號(hào)會(huì)通過(guò)接收線性相控陣列12的傳感器單元轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。接收器30會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)接收傳感器單元轉(zhuǎn)換的超聲波信號(hào)執(zhí)行預(yù)放大，時(shí)間增益補(bǔ)償以及濾波。接收器30內(nèi)所提供的模擬一數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器(沒有示出)將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。
[0029]平行光束形成器40從接收器30接收數(shù)字超聲波信號(hào)輸出并對(duì)所接收到的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行平行光束形成操作。更詳細(xì)的說(shuō)，平行光束形成器40對(duì)圖2所示的Φ=0并且θ = θη的平面上的所有點(diǎn)執(zhí)行動(dòng)態(tài)聚焦，然后對(duì)其施加一系列延遲法則，產(chǎn)生連續(xù)的多角度聲束偏轉(zhuǎn)或不同深度焦深。結(jié)果，形成圖2所示的與X軸平行的接收波平面。接收波平面與傾斜角Φ=Φπι的發(fā)送波平面向垂直?？紤]到發(fā)送和接收的超聲波的最終波形變成發(fā)送波形和接收波形的合成產(chǎn)物。所以，獲得用于定義具有傾斜角Φ = Φπι的發(fā)送波平面與具有方位角為Θ=θη的接收波平面分界線的一條掃描線。平行波形成器40在平行波形成過(guò)程中執(zhí)行衍射控相法從而減少旁瓣電平。
[0030]如果對(duì)所有用于形成三維圖像的方位執(zhí)行動(dòng)態(tài)聚焦，也就是說(shuō)，接收波形成過(guò)程中的所有方位角θ = θη，其中η = 1，2...Ν的情況下，平行波形成器40可以從由傾斜角Φ = Φπι定義的發(fā)送波平面獲得所有的掃描線，動(dòng)態(tài)深度聚焦時(shí)，只使用一個(gè)發(fā)射延遲法則，對(duì)于接收信號(hào)則連續(xù)載入聚焦法則，使超聲束沿聲束軸線，對(duì)不同聚焦深度進(jìn)行該掃描。
[0031]所獲得掃描線上的波寬度定義如下:I)傾斜方向的寬度與發(fā)送波寬度的波束寬度相同。2)方位角方向上的波束寬度和分辨率與接收波平面的相應(yīng)參數(shù)相同，也就是說(shuō)，方位角方向上的波形為僅有接收線性相控陣列12的單向波。因此，圖2設(shè)備中方位角方向上的分辨率可以通過(guò)控制發(fā)送器20進(jìn)行控制，這種方式下，圖2裝置的分辨率比現(xiàn)有的二維圖像形成裝置的分辨率更優(yōu)良，而且由于定義了所有方位角對(duì)應(yīng)的波平面掃描線，在無(wú)人船掃描范圍內(nèi)就不會(huì)存在盲區(qū)。
[0032]如上所述，線性相控陣列11和12組成正交陣列10，用于分別進(jìn)行發(fā)送和接收以及在接收時(shí)執(zhí)行平行波輸形成，從而能夠一次發(fā)送后對(duì)圖像的一個(gè)平面執(zhí)行一次掃描。也就是說(shuō)，圖2裝置能夠在現(xiàn)有的二維圖像形成裝置獲得一條掃描線的時(shí)候?qū)θS圖像的一個(gè)平面進(jìn)行一次掃描。因此，將上述的發(fā)送和接收流程重復(fù)M次，超聲波聚焦到點(diǎn)θ = 0度以及對(duì)于每一次發(fā)送不同的傾斜角Φ = Φπι，其中m=l，2，…Μ。接收過(guò)程中對(duì)θ = 0度以及所有的方位角θ = θη，其中η=1，2...Ν執(zhí)行平行光波形成操作，這樣就完成了三維掃描。也就是說(shuō)，可以在M次發(fā)送中執(zhí)行三維掃描或者現(xiàn)有二維圖象已被獲取的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行掃描操作。
[0033]圖像信號(hào)處理器50執(zhí)行不同的信號(hào)處理程序，由于平行波束形成器40所要求的掃描線上聚焦信號(hào)獲得了優(yōu)良的圖像質(zhì)量，并執(zhí)行圖象處理和圖片信號(hào)處理從而產(chǎn)生所有類型的二維和三維圖像在顯示器60上進(jìn)行顯示，因此顯示器60也使用了所形成的三維圖像數(shù)據(jù)?？刂破鲗?duì)所有操作和處理流程進(jìn)行控制，包括發(fā)送脈沖的產(chǎn)生以及發(fā)送波形成，接收器，平行波束形成器，對(duì)發(fā)送和接收波形成的重復(fù)控制以及對(duì)圖像和信號(hào)處理的控值。
[0034]圖2所示的三維圖像形成裝置中，發(fā)送陣列以及接收陣列兩者或者分別的數(shù)量，發(fā)送器20以及接收器的復(fù)雜度都與現(xiàn)有的二維圖像形成裝置的對(duì)應(yīng)參數(shù)類似。然而，用于對(duì)組成一個(gè)平面的所有掃描線進(jìn)行平行聚焦的平行波形成器40，考慮到電路尺寸和其中的造價(jià)，其復(fù)雜度可能是現(xiàn)有二維圖像形成裝置的數(shù)十倍。因此，本發(fā)明使用了三維圖像形成方法提供了更經(jīng)濟(jì)更有實(shí)際實(shí)用價(jià)值的三維圖像形成裝置，其中的方法使用本發(fā)明的正交陣列，結(jié)構(gòu)采用圖3所示的通用二維圖像形成裝置。
[0035]圖3的三維圖像形成裝置在現(xiàn)有二維圖像處理裝置的基礎(chǔ)上增加了正交陣列，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分180以及一個(gè)三維圖像信號(hào)處理器190。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分180由大量半導(dǎo)體芯片或者高速大容量硬盤組成。三維圖像信號(hào)處理器190由一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或者一個(gè)用于專用計(jì)算或者程序的大容量高速ASIC組成。圖3中，發(fā)送器120，接收器130，接收光束形成器140以及二維圖像信號(hào)處理器150與通用二維圖像裝置的相應(yīng)結(jié)構(gòu)是相同的。發(fā)送線性相控陣列111以及接收線性相控陣列112分別由64個(gè)或者128個(gè)分別連接到發(fā)送器120和接收器130上的傳感器單元組成。
[0036]接收器130的輸出同時(shí)輸入到接收光束形成器140以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分180。當(dāng)圖3的裝置以常規(guī)模式運(yùn)行時(shí)，也就是二維圖像模式，發(fā)送線性相控陣列111僅用于對(duì)固定傾斜角Φ =0度的波束形成，接收線性相控陣列112僅用于每次發(fā)送后對(duì)固定傾斜角Φ =0度的接收波的聚焦操作。也就是說(shuō)，現(xiàn)有的二維圖像形成裝置中每次發(fā)送和接收僅獲得一條掃描線。為了獲得二維圖像，發(fā)送器使能發(fā)送線性相控陣列111的動(dòng)作這樣在傾斜角為O度的位置每次發(fā)送會(huì)形成一個(gè)發(fā)送波平面。接收線性相控陣列112接收到的超聲波回聲信號(hào)在接收器130內(nèi)處理，然后由接收光束形成器140對(duì)應(yīng)一個(gè)方位角將其聚焦到一條信號(hào)掃描線。聚焦后的信號(hào)通過(guò)二維圖像信號(hào)處理器150進(jìn)行處理并且在顯示器160上進(jìn)行顯示。將上述操作進(jìn)行重復(fù)，形成一個(gè)與現(xiàn)有二維圖像形成流程形成的平面相同的三維圖像平面。二維圖像模式下，也可以使用與現(xiàn)有二維圖像形成裝置中使用的通用線相控陣列相同的陣列。
[0037]使用圖3裝置以如下流程執(zhí)行三維圖像模式:I)使用上述二維圖像模式確定待掃描的三維區(qū)域。2)在確定的三維區(qū)域中心定位正交陣列100。3)通過(guò)按下一個(gè)特定按鈕(沒有示出)設(shè)定完成2)之后的三維圖像模式，然后執(zhí)行參考圖2裝置描述的三維掃描的發(fā)送和接收流程。4)對(duì)應(yīng)接收線性相控陣列的所有傳感器元件每次步驟3)發(fā)送后接收器130的輸出被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分180。5)完成上述步驟后，也就是，所有組成期望的三維區(qū)域的發(fā)送波平面形成后并且所有來(lái)自平面的反射信號(hào)以及接收線性相控陣列平面的傳感器單元接收的信號(hào)都被存儲(chǔ)后，發(fā)送和接收流程停止。
[0038]三維圖像信號(hào)處理器190讀出存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分180的數(shù)據(jù)。對(duì)三維掃描區(qū)域的所有掃描線執(zhí)行波束聚焦，并且執(zhí)行要求的三維圖像處理，然后向顯示器170提供所有待顯示的二維和三維圖像的信息。
[0039]使用上述圖3裝置進(jìn)行三維圖像形成的方法實(shí)時(shí)對(duì)三維圖像形執(zhí)行的掃描操作(發(fā)送和接收操作)，并且當(dāng)圖2裝置獲得實(shí)時(shí)的三維圖像時(shí)，執(zhí)行接收波聚焦，非實(shí)時(shí)的三維圖像處理以及存儲(chǔ)操作。盡管所有的三維圖像形成流程都可以在圖2所示的裝置中實(shí)時(shí)完成，但是尋找獲得診斷信息的三維圖像卻是非實(shí)時(shí)完成的。相應(yīng)的，參考圖3裝置的上述方法也是有效的。因此，圖2裝置內(nèi)沒有必要使用大型平行波形成器。
[0040]三維圖像信號(hào)處理器190可以由外部連接的計(jì)算機(jī)取代。這里，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分180具有高速外部計(jì)算機(jī)界面。當(dāng)這樣的一臺(tái)外部計(jì)算機(jī)被使用時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分180可以放在外部計(jì)算機(jī)內(nèi)而不用放在圖3所示的三維圖像形成裝置內(nèi)。任何情況下，圖3三維圖像形成裝置比起圖2圖像形成裝置來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)都是簡(jiǎn)單的。
[0041]如上所述，圖3的超聲波三維圖像形成裝置可以在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分180的存儲(chǔ)器容量足夠大的時(shí)候執(zhí)行實(shí)時(shí)四維掃描。也就是說(shuō)，隨時(shí)間的三維圖像信息可以實(shí)時(shí)獲得并且此后三維圖像的變動(dòng)可以通過(guò)執(zhí)行接收波聚焦和非實(shí)時(shí)的圖像處理隨時(shí)間檢查出來(lái)。并且相控陣聲束掃查方向可以采用電子(線形)掃查，扇形掃查和動(dòng)態(tài)深度聚焦三種方式。
[0042]雖然本發(fā)明已經(jīng)參考特定的說(shuō)明性實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是不會(huì)受到這些實(shí)施例的限定而僅僅受到附加權(quán)利要求的限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解可以在不偏離本發(fā)明的保護(hù)范圍和精神的情況下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例能夠進(jìn)行改動(dòng)和修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種使用正交陣列進(jìn)行無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像形成的裝置，其特征在于:包括 由互相垂直構(gòu)成正交陣列的兩個(gè)線性相控陣列(11，12)，兩個(gè)線性相控陣列分別為用于超聲波的發(fā)送并且放置在X軸方向的發(fā)射線性相控陣列(11)以及用于超聲波回聲的接收并且放置在Y軸方向的接收線性相控陣列(12)，二者分別具有一個(gè)內(nèi)部單元，兩個(gè)內(nèi)部單元相互之間相距λ/2，其中λ表示超聲波波長(zhǎng)，所述兩個(gè)線性相控陣列(11，12)公用同一個(gè)位于X-Y軸坐標(biāo)系原點(diǎn)傳感器單元作為各自的中心陣列單元； 一邊的長(zhǎng)度略小于λ/2直角尺傳感器； 發(fā)送器(20)，發(fā)出生成的用于所述發(fā)送線性相控陣列(11)的超聲波的電信號(hào)； 接收器(30)，從所述接收線性相控陣列(12)接收返回正交陣列并由接收線性相控陣列(12)內(nèi)的傳感器部件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的超聲波回聲輸出并將所接收的模擬電信號(hào)通過(guò)執(zhí)行多個(gè)信號(hào)處理程序轉(zhuǎn)化成為數(shù)字形式，所述信號(hào)處理程序在一個(gè)超聲波成像裝置中對(duì)所接收的模擬電信號(hào)進(jìn)行操作； 平行光束形成器(40)，對(duì)所述接收器(30)所提供的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行平行光束形成操作，所述平行光束形成器(40)對(duì)Φ=0并且θ = θη的平面上的所有點(diǎn)執(zhí)行動(dòng)態(tài)深度聚焦，然后對(duì)其施加一系列延遲法則，產(chǎn)生連續(xù)的多角度聲束偏轉(zhuǎn)或不同深度焦深，所述平行波形成器(40)在平行波形成過(guò)程中執(zhí)行衍射控相法從而減少旁瓣電平； 圖像信號(hào)處理器(50)，接收所有在平行光束形成器(40)中產(chǎn)生的掃描線信號(hào)并針對(duì)所接收的信號(hào)執(zhí)行超聲相控陣成像處理程序，從而產(chǎn)生不同形式的圖像信號(hào)； 顯示器(60)，顯示所述圖像信號(hào)； 控制器(70)，控制上述操作從而獲得期望形式的三維圖像； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分(180)，接收器(130)的輸出同時(shí)輸入到平行光束形成器(40)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分(180)以及 三維圖像信號(hào)處理器(190)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用正交陣列進(jìn)行無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像形成的裝置，其特征在于:構(gòu)成每個(gè)相控陣列(11，12)的傳感器部件數(shù)量?jī)?yōu)選為64或者128。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用正交陣列進(jìn)行無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像形成的裝置，其特征在于:所述X軸和Y軸構(gòu)成一個(gè)正方形區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)放置發(fā)送線性相控陣列(11)以及接收線性相控陣列(12)的傳感器單元。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用正交陣列進(jìn)行無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像形成的裝置，其特征在于:所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分(180)由大量半導(dǎo)體芯片或者高速大容量硬盤組成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用正交陣列進(jìn)行無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像形成的裝置，其特征在于:所述三維圖像信號(hào)處理器(190)由一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理器或者一個(gè)用于專用計(jì)算或者程序的大容量高速ASIC組成，或者由外部連接的計(jì)算機(jī)構(gòu)成。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用正交陣列進(jìn)行無(wú)人船監(jiān)控區(qū)域超聲波三維圖像形成的裝置，其特征在于:所述發(fā)送器(20)，所述接收器(30)，所述平行光束形成器(40)以及所述圖像信號(hào)處理器(50)與通用二維圖像裝置的相應(yīng)結(jié)構(gòu)是相同的。
【文檔編號(hào)】H04N13/02GK106028021SQ201610458086
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月22日
【發(fā)明人】楊越
【申請(qǐng)人】楊越