Тенденции развития современных ультразвукових сканеров (стр. 2 из 2)

Наиболее сложна часть цифрового тракта, заменившая аналоговые узлы, выполнявшие функции фокусировки луча при приеме, детектирование и логарифмическое преобразование эхо-сигналов от многоэлементных датчиков. Структурная схема этой части показана на рис.6.

Рисунок 6. Цифровое преобразование параметров эхо-сигнала

Выходные сигналы аналоговых трактов апертуры уже в цифровой форме направляются в свои каналы цифровой задержки и затем суммируются цифровым сумматором. Результирующий цифровой эхо-сигнал подвергается цифровому детектированию, а затем – логарифмированию. Отметим, что в полностью аналоговых трактах эти процедуры протекали в другой последовательности.

Цифровая задержка эхо-сигналов основана на сдвиге во времени результатов АЦ-преобразования каждого канала по отношению к моменту окончания преобразования. Структурная схема одного канала цифровой задержки показана на рис. 7.

Рисунок 7. Канал цифровой задержки эхо-сигналов

Поступающие с АЦП данные записываются в двухпортовое ОЗУ по адресам AWR, выставляемым счетчиком СТА, а считываются эти данные по адресам ARD. Они представляют собой сумму адреса AWR и данных, которые устанавливаются в ОЗУ задержек. Сразу после записи данных АЦП происходит переключение в режим чтения, и данные из ОЗУ задержек начинают суммироваться с адресом AWR. Через некоторое число тактов fT наступает равенство ARD и AWR, по которому была произведена запись данных АЦП. Это число тактов и величина fT и определяют время задержки. В этом же канале производят апподизацию – умножение выходного сигнала на некоторый коэффициент, который записывается в то же ОЗУ, что и задержки. Апподизация предназначена для формирования желаемой характеристики направленности антенной решетки при приеме (например, для исключения боковых лепестков).

Раньше было показано, что различие в задержках соседних каналов апертуры составляет десятки нс. Поэтому для точной установки задержек тактовая частота должна быть очень высокой – 50 – 100 МГц. Очевидно, что такой же должна быть и частота преобразования АЦП. Она намного выше той, которая была рассчитана в начале раздела 2.6. Конечно, в проектировании таких АЦП возникают определенные сложности (экранирование блока и др.). Однако при такой высокой скорости преобразования появляется возможность формировать точку фокуса на каждом дискретном отсчете вдоль луча, т.е. получается фокус, следящий за движением фронта отраженного сигнала. Естественно, это дает повышение четкости изображения.

На рис.8 приведена структурная схема блока цифрового детектора и логарифмического преобразователя. Здесь завершается подготовка сигналов перед их записью в буферное ОЗУ. Еще раз подчеркнем, что все в этом блоке – цифровое!

Данные с выхода сумматора (см. рис.8) перемножаются с квадратурными сигналами sinf0 и cosf0 гетеродина, после чего фильтруются фильтрами НЧ. Эта часть схемы напоминает квадратурный детектор сигналов доплеровского смещения. И это не случайно – квадратурные составляющие отфильтрованного сигнала Im(D) и Re(D) используются как в доплеровских каналах, так и в черно-белом.

Рисунок 8. Цифровой детектор и логарифмический преобразователь

Для обеспечения хорошей избирательности фильтры должны обладать прямоугольностью характеристики. Как правило, используются фильтры высокого порядка с характеристиками Чебышева или Бесселя. Процедуры возведения в квадрат, суммирования и извлечение корня соответствуют нахождению амплитуды сигнала (амплитудное детектирование). Извлечение корня и логарифмирование могут быть выполнены с помощью ПЗУ. На выходе сигнал умножается на некоторый коэффициент, регулирующий контрастность.

Частота гетеродина может перестраиваться в зависимости от режима – черно-белый или доплеровский. При этом перестраивается и полоса пропускания фильтров. После фильтров частота сигналов понижается до 2 – 3 МГц в черно-белом режиме.

Масштабно-координатные преобразования в конверторе изображения в целом осуществляются посредством выше описанных алгоритмов и устройств. Устройства цифровой обработки реализуются на специализированных заказных БИС или на программируемых пользователем вентильных матрицах (FPGA – Field Programmable Gate Array), например, фирм Xilinx, Altera и др. У нас эти матрицы называются ПЛИС – программируемые логические интегральные схемы.

В ранних поколениях цифровых сканеров использовались управляющие ЭВМ собственной разработки. Сейчас рынок предлагает широкий ассортимент ПЭВМ, которые по всем параметрам – требуемому быстродействию, интерфейсу, программному обеспечению и отображению информации – удовлетворяют разработчиков. Они теперь просто препарируют какой-либо компьютер высокого класса, изымая из него и приспосабливая для своих нужд материнскую плату и периферийные блоки. Для отображения информации используют его же «родной» монитор. И это обходится дешевле, чем разработка и изготовление собственной микроЭВМ.

В качестве операционной системы производящие фирмы используют самые различные базы: от Linux до Win 7 и Win NT. Использование стандартных аппаратных и программных средств естественным образом дополняет УЗ сканер возможностями архивации, обработки и коммуникации.

Сюда можно также отнести фирму Hewlett-Packard, которая выпускает УЗ аппараты типа HP Sonos 500 и 1000. Эти аппараты имеют динамическую регулируемую фокусировку. Фирма Philips поставляет системы среднего класса с широкой номенклатурой специализированных датчиков. Помимо ведущих фирм относительно простую и дешевую УЗ диагностическую аппаратуру на рынок поставляют много других фирм. И она находит своих потребителей.

Большая научная и практическая работа в области создания УЗ диагностической аппаратуры ведется и в Украине. В частности, НИИ радиоизмерений (г. Харьков) разработал и выпускает малыми сериями УЗ сканер типа ТИ-628 и готовится к серийному производству аппарата высокого класса, проводит работу по созданию механических датчиков новой конструкции, разрабатывает новые конфигурации системы управления УЗ сканером. Весьма перспективной считается разработка и выпуск портативных УЗ сканеров с небольшим комплектом (1 – 2 ) секторных датчиков.