WO2001094976A1 - Active ultrasound scanner - Google Patents

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WO2001094976A1
WO2001094976A1 PCT/EP2001/004917 EP0104917W WO0194976A1 WO 2001094976 A1 WO2001094976 A1 WO 2001094976A1 EP 0104917 W EP0104917 W EP 0104917W WO 0194976 A1 WO0194976 A1 WO 0194976A1
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WO
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viewing device
processor
signal
active
signal processing
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Application number
PCT/EP2001/004917
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Inventor
Eckard Glaser
Janet Grassmann
Original Assignee
Sonem Gmbh
Wrobel, Miroslaw
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Publication date
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    • G01S15/87Combinations of sonar systems
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    • G01S15/08Systems for measuring distance only
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    • G01S7/62Cathode-ray tube displays
    • G01S7/6245Stereoscopic displays; Three-dimensional displays; Pseudo-three dimensional displays

Definitions

  • the invention relates to an active ultrasonic viewing device which makes objects recognizable in a medium, which are enveloped in darkness, are not visible through a curtain of smoke or fog, or e.g. in cloudy water (harbor basin, river water).
  • infrared cameras in particular with low light intensification for the visualization of warm objects such as animals or people, have found widespread use.
  • Modern infrared sensors can detect temperature differences of up to 0.5 ° C.
  • Suitable electronics which are connected downstream of these infrared cameras, can significantly increase the sensitivity of such devices, and even possible lighting in the visible range is of little or no interference. Extensive training is required to be able to evaluate the images exactly.
  • these devices are only conditionally or unusable for use in the event of a fire, since the fire can completely shield the objects of interest.
  • Another known device is equipped with a bolometer.
  • the environment in which a warm object is suspected is scanned with a bolometer and a thermal image is recorded in the mid-infrared (2-5 ⁇ m). This picture shows temperature differences up to 0.1 ° C.
  • This device can also make objects in fog, smoke or other gases visible, but not objects in a fire or under water.
  • Another method of making objects visible uses ultrasound.
  • An ultrasound signal is emitted and from the runtime until the response pulse is received
  • the ultrasound propagates in air at approx. 340 m / s, so an object at a distance of 300 m is recognized after approx. 2 s. Please note that only the closest object is recognized.
  • Another method sends signals that are similar to those of the bat.
  • the signals called chirp contain a pattern of frequencies.
  • the response signals are then compared with the transmission signals and the so-called “beat frequencies” are filtered out.
  • the human brain is also in demand in ultrasound spectroscopy as it is used for non-destructive material testing.
  • the spectra of the echo signals are displayed on the screen, and the viewer can see from his experience whether there is, for example, a crack or a corrosion site or the like in the sonicated material.
  • the transit times of the individual frequencies are evaluated in the case of the former, the frequency shifts of the signal pattern are detected in the latter, which can be found in the response signal when reflected on an object.
  • the frequency shift is proportional to the delay between the transmitted and the received signal.
  • the distance of the objects can also be determined in this way.
  • each object has a specific reaction to the signal.
  • the characteristics of the object should then be determined from the differences in sound or the differences in frequency patterns of the response signals.
  • a complex learning system is required to “hear” the objects or to recognize them from typical patterns.
  • the device should have a compact structure and be usable for fire fighting, underwater use or as a night vision device.
  • Another task is to propose an active ultrasonic viewing device that provides a 3D representation of objects in real time.
  • the active ultrasonic viewing device consists of at least one transmitter for transmitting a transmission signal with any known modulation function and a medium-dependent bandwidth of the signal, at least one receiver arranged in a known position, to each of which a first signal processing unit for n-channel spectral Decomposing the response signals received by the receivers from the medium and a memory shift register is arranged downstream of a second
  • Signal processing unit for determining the spatial coordinates, and a display.
  • the necessary bandwidth is submerged about 1 kHz up to 10 MHz, in 'air 20-500 kHz. In solid materials, it must be set so that the signals can penetrate the medium and are reflected or absorbed by any embedded structures.
  • the receivers are arranged symmetrically to the transmitter.
  • the receiver or receivers is followed in a known manner by signal conditioning, which can consist, for example, of an amplifier and a filter bank.
  • the display device also has a time control in a known manner.
  • a mixer for generating the beat frequency between the transmission signal and the response signals can be arranged downstream of the receivers. This makes it possible to reduce the frequencies to be processed.
  • the response signals can be processed both analog and digital.
  • an A / D converter is provided in front of the first signal processing units for spectral decomposition.
  • the classification unit can consist of a preprocessing unit, the actual classifier and an analysis unit. The preprocessing unit has the task of summarizing the data to be classified in advance, normalizing, selecting, or the like.
  • the classifier consists of a processor which converts the data coming in from the preprocessing unit on the basis of a calculation rule, that is to say a mathematical model.
  • the calculation result indicates, for example, a probability that the data received belong to a structure of a certain class.
  • the underlying calculation rule i.e. the mathematical model
  • the analysis unit now has the task of collecting the received data (e.g. the n variables) to sort out according to their importance for the optimal class allocation.
  • the properties of the reflection points can be evaluated and classified, or only the reflection points with the same spectra can be summarized and displayed.
  • the first signal processing unit for spectral decomposition can be an acousto-optical processor, a holographic wavelet processor or a similar analog processor for spectral decomposition.
  • the first signal processing unit for spectral decomposition can use a Fast Fourier
  • the classification unit can represent a statistical classifier, such as a neural network, a support vector machine or the like.
  • the second signal processing unit for determining the spatial coordinates consists of an adaptive grid reconstruction processor, which is also the subject of the present invention.
  • the adaptive grid reconstruction processor consists of a raster generator, a unit for determining the paths of the signals from the transmitter to the raster points and from the raster points to the individual receivers for each raster point, a memory line for the sums of all amplitude values belonging to the receiver the channels of the n-channel spectral decomposition, a sampling address generator for determining the address of the amplitude values within the memory line belonging to the receiver, and a unit for mathematical combination of the amplitude values taken from the memory lines.
  • a known triangulation or ellipsoidal back projection can also be used to determine the spatial coordinates. If only one receiver is used, the coordinates of the reflection points are immediately known.
  • the adaptive grid reconstruction processor is also the subject of the present invention.
  • the adaptive grid reconstruction processor consists of a raster generator, a unit for determining the paths of the signals from the transmitter to the raster points and from the raster points to the individual receivers for each raster point, a memory line for the sum of all belonging to the receiver Amplitude values along the channels of the spectral decomposition, a sampling address generator for determining the address of the amplitude values within the memory line belonging to the respective receiver, a unit for mathematically linking the amplitude values taken from the memory lines.
  • a signal that is modulated with any known modulation function that guarantees a corresponding bandwidth of the signal (preferably FM and / or binary-phase-coded, but no pulse (AM modulation)) is generated in Direction sent to the object and at the same time saved as a reference signal.
  • At least one receiver receives the signals reflected on the object simultaneously.
  • the Reflected signals are then optionally mixed with the transmission signal stored as a reference signal and the beat signal obtained is spectrally broken down in the n-channel. If there is no mixer, the response signal is directly spectrally broken down into the n-channel.
  • an acousto-optical processor can be used for real-time spectral decomposition.
  • a digitized signal it is also possible to use a Fast Fourier processor or another processor, e.g. to use a digital wavelet processor, with the aid of which a rapid spectral decomposition of the signals can be carried out.
  • the results of the spectral decomposition are first stored in a parallel memory shift register for each reflection point.
  • the sum of the amplitude values of each shift register can be formed and stored in a memory line of the adaptive grid reconstruction processor, if this is used.
  • This processor is also part of the present invention.
  • Intersection of these ellipsoids results in a coordinate system that is not metric.
  • special additional optics e.g. special correction lens
  • the space given by the points of intersection of the ellipsoids can also be clearly converted into a metric space that is favorable for visualization by means of a transformation. However, there is no uniform distribution of the points to be displayed in space.
  • a Euclidean grid is first placed over the sound volume, ie a grid with advantageously, but not necessarily, uniform distances (favorable in sampling distance) between the points in the horizontal and vertical directions. From the x, y, z coordinates of the grid points, the paths from the transmitter to the grid point (R0) and the paths from the grid point to the respective receiver (Rl, R2, R3 with 3 receivers) can now be derived using the Pythagorean theorem , The sums of these calculated paths R0 + R1, R0 + R2 and R0 + R3 do not necessarily correspond to a sampling point in the response signal.
  • the sampling points of the response signals form each channel a separate space that cannot be mapped linearly to the space of the sampling points of another channel (see FIG. 6).
  • This effect can also be described as a mask effect, with each receiver seeing the sonicated structure through a mask, which is clearly defined by the sampling frequency and the position of the receiver. As a result, the masks of the individual receivers cannot be covered by a linear image.
  • a £ environment ( ⁇ > grid spacing) is therefore defined for each grid point.
  • the amplitude values that were stored in the memory register of the adaptive grid reconstruction processor are averaged for all sampling points that lie within this ⁇ environment. If ⁇ is large
  • the grid can be chosen coarser from the outset. Then only the paths R0 + R1, R0 + R2 and R0 + R3 is calculated. Depending on the grid size and the determination of ⁇ , a correspondingly higher number of sampling points is then averaged. Analogously, one can proceed if a higher level of detail is to be achieved. Assuming that the sampling frequency is lower than the Nyquist frequency of the received signal. Then According to the sampling theorem, aliasing effects occur. However, if the filtering is skillful and the grid spacing is selected, this should not be regarded as a disruptive factor. Then the grid size is limited by this sampling spacing. If the sampling frequency is higher, eg by Oversampling, then an even greater level of detail can be achieved here, since the corresponding smaller grid section (voxel) still contains sampling points that contain information.
  • the choice of the grid spacing can also be done locally differently, thus also the determination of ⁇ , which should be adapted to the grid spacing. This enables local zooming (such as bird's eye). You can e.g. show the near area in more detail than the far area or show the far area in detail. The actual detailed information is always contained in the data, only the display becomes particularly user-friendly, and computing time is saved.
  • the spectra are read out in parallel from the memory shift register and a statistical classification method, e.g. nearest neighbors, neural network, support vector machine and the same applied to it.
  • a statistical classification method e.g. nearest neighbors, neural network, support vector machine and the same applied to it.
  • the selection of the statistical classification method essentially depends on the ability to generalize and the speed of the computing technology.
  • the ability to generalize means the ability to correctly classify a point of reflection whose class membership is not known beforehand.
  • the method can be expanded in such a way that exactly the frequency ranges in the signal are selected with the aid of which a "best" classification is possible for the given structure.
  • a transmit signal can then be transmitted again, but this time with a non-constant modulation function, but with a modulation function that mainly contains the frequency ranges that are required for an optimal classification ("color assignment") of the reflection points.
  • These "optimal" frequency ranges can be selected, for example, with the aid of the analysis unit which is connected to the classifier. It is precisely these ranges which are then generated and transmitted by the generator in the next run.
  • Reflection of the transmission signals is caused.
  • An acoustic impedance, by which the surface of an object is characterized, can thus be set “sharply” or its “acoustic color” can be determined more precisely. Transitions of the same "acoustic color” have the same properties and are determined as the same objects. All reflection points with the same properties can be represented in a closed manner. Since the resulting spectrum is a property ("color") of the surface of an object on which the reflection the experience of a viewer now plays a subordinate role.
  • FIGS. 1A and 1B show block diagrams of an active ultrasonic viewing device according to the present invention for 1D and 3D space, respectively;
  • Fig. 2 shows a graphical representation to explain the
  • Fig. 4 shows a memory shift register as used in the invention
  • FIG. 5 shows the basic structure of an adaptive grid reconstruction processor
  • Fig. 6 is an illustration of the different spaces formed by the sampling points of different receivers.
  • Figure 7 is an illustration of the grid formed by the adaptive grid reconstruction processor.
  • FIG 1A shows a block diagram of an active ultrasound display device in accordance with the present invention for one-dimensional use.
  • the active ultrasonic viewing device consists of a transmitter 1, which has a modulator 4, a generator 5 and a device for
  • Signal conditioning 3 is coupled, and a receiver 2 with a device for signal conditioning 3.
  • the active ultrasonic viewing device also consists of a time control 10, the signal processing from the start of the transmission signal to the display of a Timed ultrasound image.
  • the device for signal conditioning 3 is followed by a mixer 6 which mixes the response signals with the transmission signal in order to obtain the beat frequencies which indicate the reflections.
  • a mixer for spectral decomposition 9 follows the mixer 6
  • Beat frequencies e.g. an acousto-optical processor.
  • the unit for spectral decomposition 9 can also be carried out by a holographic wavelet processor or another unit for fast analog spectral decomposition.
  • a signal is generated which contains the information about the path of the signal from the transmitter via the reflection point to the receiver and the spectrum of the reflection point and which is stored in a memory shift register 12.
  • the memory shift register 12 is followed by two circuits which select or evaluate the information contained in the signals, a circuit for determining the coordinate 15 of the reflection point and a circuit for classifying 14 the reflection point, which are shown on a display 16.
  • the active ultrasound viewing device consists of a transmitter 1 and three receivers 2.
  • the active ultrasound viewing device also consists of a time control 10, which controls the signal processing starting with the start of the transmission signal until the display of an ultrasound image.
  • the Device for signal conditioning 3 is arranged after each receiver 2.
  • the signal conditioning 3 balances the non-uniformities of the reflection signals that are received by the receivers 2.
  • the device for signal conditioning 3 is followed by a mixer 6, which is the Reflection signals each mixed with the transmission signal to obtain the beat signals that indicate the reflections.
  • the mixer 6 is followed in each case by an A / D converter 7 and a unit for spectral decomposition 9, which spectrally decompose the beat signals.
  • the units for spectral decomposition 9 can in this case be carried out by a digital wavelet processor, a Fast Fourier Transform (FFT) or another unit for fast digital spectral decomposition.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • Each channel of the spectral decomposition contains the information about the path of the signal from the transmitter 1 via all reflection points on the ellipsoid, which is determined by this channel, to the receiver 2 and the superimposed spectrum of these reflection points.
  • These signals are stored in a shift register 12.
  • the sums of the cells of the shift register 12 are stored in a memory register 13, which is part of the adaptive grid reconstruction processor.
  • the memory shift register 12, 13 is followed by two circuits which select and evaluate the information contained in the signals, a circuit for determining the coordinate 15 of the reflection points and a circuit for classifying 14 the reflection points, which are shown on a display 16.
  • 2 and 3 serve to explain the detection of the reflection signals.
  • 2 shows the time on the x-axis and the frequency on the y-axis.
  • the transmission signal has the frequency f s
  • the reflection signal has the frequency f E and the frequency shift is ⁇ f.
  • f s has a duration of T M.
  • M f max - f min is the deviation of the
  • the reflection signal with the frequencies f E comes back after a time ⁇ t.
  • ⁇ f is constant over time. If ⁇ f can be measured, the path d from the transmitter via the reflection point to the receiver can be calculated using the known variables T M , M, c and ⁇ f
  • AWeg can be processed separately.
  • the straight line ⁇ t - results
  • response signal arrives from different depths of the structure at different times at the receiver.
  • a 1024-channel spectral decomposition eg FFT
  • all 1024 channels are stored in parallel in the memory, ie 1024 values are read in with each time step that is controlled by the time control. Since the reflection signals come back from deeper areas later, the shifting ⁇ t increasing from left to right is obtained. Signals are transferred from the memory shift register 12, 13 to the reconstruction unit 15, each of which contains the path covered for each individual response signal and the superimposed spectrum of all of the reflection points which lie on the surface of the ellipsoid corresponding to this path.
  • Reconstruction algorithms such as ellipsoid back projection or triangulation can be used.
  • using an adaptive grid reconstruction processor offers one decisive time advantage over the other methods mentioned.
  • the adaptive grid reconstruction processor consists of a raster generator 19, a unit 18 for determining the paths of the signals from the transmitter 1 to the raster points and units 17 for determining the paths of the signals from the raster points to the individual receivers 2 for each raster point , the already mentioned memory register 13 for the sum of the amplitude values of the reflection points belonging to the receiver 2, a sampling address generator 21 for determining the address of the memory register 13 belonging to the respective receiver 2 and a unit for mathematical linking 22 of the memory registers 13 withdrawn values, and a unit 23 for transferring the ⁇ environment and the sampling frequency to the sampling address generator 21.
  • the adaptive grid reconstruction processor first creates a virtual Euclidean grid over the
  • PA volume laid out, whereby a grid with uniform distances (optimally in the sampling distance) between the points in the horizontal and vertical direction is advantageous.
  • transmitter 1 and receiver 2 are coupled to a raster generator 19. 7 shows such a raster for the sake of simplicity in 2D.
  • the paths from transmitter 1 to grid point (R0) and the paths from grid point to the respective receiver 2 (Rl, R2, R3 with 3 receivers) can be derived using the Pythagorean theorem .
  • the sums of these calculated paths R0 + R1, R0 + R2 and R0 + R3 do not necessarily correspond to a sampling point in the response signal.
  • the Sampling points of the response signals of each channel have their own space, which cannot be mapped linearly to the space of the sampling points of another channel.
  • FIG. 6 serves to illustrate this effect. Therefore, a unit for determining a ⁇ environment is provided for each raster point 23. For all sampling points that lie within this ⁇ environment, the amplitude values are averaged with the aid of the mathematical link 22. If ⁇ is large, smoothing is obtained. If ⁇ is smaller
  • the classification unit 14 is coupled to the reconstruction circuit 15 and evaluates the spectra of the individual reflection points, which are stored in the memory shift register 12, 13 according to FIG. 4. Depending on the properties of the reflection points, changes occur in the reflection signals. If these changes and thus the character of the reflection points are already known, the properties for the visualization can be marked accordingly. The coordinates of the individual reflection points and their properties are then brought together on a display 16.
  • stereoscopic visualization e.g. for people or robots
  • direct three-dimensional representation e.g. for cartography
  • a transmission signal can be transmitted again, but this time it is modulated with a non-constant modulation function, which mainly contains only the frequency ranges that are required for an optimal classification ("color assignment") of the reflection points.

Abstract

The invention relates to an active ultrasound scanner, which renders objects in a medium recognisable, which are obscure, not visible through a curtain of smoke or mist, or are, for example, in dirty water (harbour basin, river water). The active ultrasound scanner comprises at least one transmitter for the broadcasting of a transmission signal with a known modulation function and a signal bandwidth dependent on the medium, at least one corresponding receiver in a known position, with a first signal processing unit for spectral analysis of the response signal received by the receiver from the medium and a memory shift register in series, a second signal processing unit for determining spatial co-ordinates of the reflection points and a display.

Description

Aktives Ultraschall-SichtgerätActive ultrasonic viewing device
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein aktives Ultraschall-Sichtgerät, das Objekte in einem Medium erkennbar macht, die in Dunkelheit gehüllt sind, durch einen Rauch- oder Nebelvorhang nicht sichtbar sind oder sich z.B. in trübem Wasser (Hafenbecken, Flusswasser) befinden.The invention relates to an active ultrasonic viewing device which makes objects recognizable in a medium, which are enveloped in darkness, are not visible through a curtain of smoke or fog, or e.g. in cloudy water (harbor basin, river water).
In der Technik ist es auf unterschiedlichen Einsatzgebieten immer wieder erforderlich, ein Sichtgerät zur Verfügung zu haben, mit dem für den Menschen unsichtbare Objekte sichtbar gemacht werden können. Diese Objekte können z.B. in Dunkelheit, Nebel, Rauch, im trüben Wasser oder hinter einem Temperaturvorhang für das menschliche Auge nicht erkennbar sein. In vielen Fällen kommt hinzu, dass trotz der Sichtbarkeit eines Objektes, seine Entfernung nicht abschätzbar ist. Zum Beispiel bei der Bekämpfung eines Brandes kann das zu zusätzlichen Problemen führen.In technology, it is always necessary in different areas of application to have a viewing device available with which objects that are invisible to humans can be made visible. These objects can e.g. not be visible to the human eye in darkness, fog, smoke, in cloudy water or behind a temperature curtain. In many cases there is also the fact that despite the visibility of an object, its distance cannot be estimated. For example, when fighting a fire, this can lead to additional problems.
In der Vergangenheit haben Infrarotkamera, insbesondere mit Restlichtverstärkung zur Sichtbarmachung warmer Objekte, wie Tiere oder Menschen, breite Anwendung gefunden. Moderne Infrarotsensoren können Temperaturunterschiede bis zu 0,5°C erkennen. Durch eine geeignete Elektronik, die diesen Infrarotkameras nachgeschaltet ist, kann die Empfindlichkeit solcher Geräte wesentlich erhöht werden, wobei sogar eine eventuelle Beleuchtung im sichtbaren Bereich wenig oder nicht stört. Um die Bilder exakt bewerten zu können, ist jedoch ein ausgiebiges Training erforderlich. Für den Einsatz bei einem Brand sind diese Geräte jedoch nur bedingt oder nicht brauchbar, da das Feuer die interessierenden Objekte vollständig abschirmen kann.In the past, infrared cameras, in particular with low light intensification for the visualization of warm objects such as animals or people, have found widespread use. Modern infrared sensors can detect temperature differences of up to 0.5 ° C. Suitable electronics, which are connected downstream of these infrared cameras, can significantly increase the sensitivity of such devices, and even possible lighting in the visible range is of little or no interference. Extensive training is required to be able to evaluate the images exactly. However, these devices are only conditionally or unusable for use in the event of a fire, since the fire can completely shield the objects of interest.
Eine weitere bekannte Vorrichtung ist mit einem Bolometer ausgerüstet. Die Umgebung, in der ein warmes Objekt vermutet wird, wird mit einem Bolometer abgetastet und ein thermisches Bild im mittleren Infrarot (2-5μm) aufgezeichnet. Dieses Bild weist Temperaturunterschiede bis zu 0,1°C auf. Mit diesem Gerät können auch Objekte in Nebel, Rauch oder anderen Gasen sichtbar gemacht werden, jedoch keine Objekte in einem Feuer oder unter Wasser.Another known device is equipped with a bolometer. The environment in which a warm object is suspected is scanned with a bolometer and a thermal image is recorded in the mid-infrared (2-5μm). This picture shows temperature differences up to 0.1 ° C. This device can also make objects in fog, smoke or other gases visible, but not objects in a fire or under water.
Ein anderes Verfahren zur Sichtbarmachung von Objekten nutzt den Ultraschall aus. Es wird ein Ultraschallsignal ausgesendet und aus der Laufzeit bis zum Empfang des Antwortimpulses dieAnother method of making objects visible uses ultrasound. An ultrasound signal is emitted and from the runtime until the response pulse is received
Entfernung zu einem Objekt ermittelt. In Luft breitet sich der Ultraschall bekanntlich mit ca. 340 m/s aus, ein Objekt in 300 m Entfernung wird also nach etwa 2 s erkannt. Dabei ist zu beachten, dass nur das jeweils am nächsten liegende Objekt erkannt wird.Distance to an object determined. As is known, the ultrasound propagates in air at approx. 340 m / s, so an object at a distance of 300 m is recognized after approx. 2 s. Please note that only the closest object is recognized.
Bei einem anderen Verfahren werden Signale ausgesendet, die denen der Fledermaus ähnlich sind. Die als Chirp bezeichneten Signale enthalten ein Muster von Frequenzen. Die Antwort- signale werden dann mit den Sendesignalen verglichen, und die sogenannten „beat-frequencies" heraus gefiltert. Es können mit diesen Geräten alle Objekte im Blickfeld erkannt werden. Diese Geräte wurden vorzugsweise für Blinde entwickelt, die durch ein intensives Training auf das „Hören" von Hindernissen sensibilisiert werden.Another method sends signals that are similar to those of the bat. The signals called chirp contain a pattern of frequencies. The response signals are then compared with the transmission signals and the so-called “beat frequencies” are filtered out. With these devices, all objects in the field of vision can be recognized. These devices were preferably developed for blind people who, through intensive training on the “ Hearing "of obstacles.
Das menschliche Gehirn ist auch gefragt bei der Ultraschall- Spektroskopie, wie sie für die zerstörungsfreie Materialprüfung verwendet wird. Hier werden die Spektren der Echosignale auf dem Bildschirm angezeigt, und der Betrachter kann aufgrund seiner Erfahrung erkennen, ob sich in dem beschallten Material z.B. ein Riss oder eine Korrosionsstelle oder ähnliches befindet. Während bei den erstgenannten Geräten die Laufzeiten der einzelnen Frequenzen zur Auswertung gelangen, werden bei den zweitgenannten die Frequenzverschiebungen des Signalmusters erfasst, das sich bei Reflexion an einem Objekt in dem Antwortsignal wiederfindet. Die Frequenzverschiebung ist proportional der Verzögerung zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Signal. Dadurch kann auch die Entfernung der Objekte ermittelt werden.The human brain is also in demand in ultrasound spectroscopy as it is used for non-destructive material testing. Here the spectra of the echo signals are displayed on the screen, and the viewer can see from his experience whether there is, for example, a crack or a corrosion site or the like in the sonicated material. While the transit times of the individual frequencies are evaluated in the case of the former, the frequency shifts of the signal pattern are detected in the latter, which can be found in the response signal when reflected on an object. The frequency shift is proportional to the delay between the transmitted and the received signal. The distance of the objects can also be determined in this way.
Um mit diesem Verfahren den Charakter und die Form einesIn order to use this procedure the character and form of a
Objektes zu ermitteln, versucht man die Tatsache auszunutzen, dass jedes Objekt eine spezifische Reaktion auf das Signal besitzt. Aus den Klangunterschieden bzw. den Unterschieden von Frequenzmustern der Antwortsignale soll dann ermittelt werden, welche Eigenschaften das Objekt besitzt. Auch hier ist ein aufwendiges Lernsystem erforderlich, um die Objekte zu „hören" bzw. aus typischen Mustern zu erkennen.To determine the object, one tries to take advantage of the fact that each object has a specific reaction to the signal. The characteristics of the object should then be determined from the differences in sound or the differences in frequency patterns of the response signals. Here, too, a complex learning system is required to “hear” the objects or to recognize them from typical patterns.
Es sind auch Lösungen bekannt, bei denen versucht wird, aus den Reflexionen an einem unbekannten Objekt das Objekt zu klassifizieren. Allerdings ist die Klassifizierung der Objekte mit einer sehr großen Unsicherheit verbunden, die zur Zeit noch mit 30-40 % angegeben wird. Diese Geräte sollen Blinden zur Orientierung helfen. Für den Einsatz zur Brandbekämpfung oder unter Wasser sind auch diese Geräte ungeeignet, da mindestens eine räumliche Vorstellung des Objektes geliefert werden muss.Solutions are also known in which an attempt is made to classify the object from the reflections on an unknown object. However, the classification of the objects is associated with a very high level of uncertainty, which is currently still given as 30-40%. These devices are intended to help blind people find their way. These devices are also unsuitable for fire fighting or underwater use, since at least one spatial presentation of the object must be provided.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung vorzuschlagen, die auch in einem undurchsichtigen Medium ein dimensionsgetreues Bild in 1D, 2D oder 3D liefert. Die Vorrichtung soll kompakt aufgebaut sein und bei einer Brandbekämpfung, im Einsatz unter Wasser oder als Nachtsichtgerät verwendbar sein. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein aktives Ultraschall- Sichtgerät vorzuschlagen, das eine 3D-Darstellung von Objekten in Echtzeit liefert.It is therefore the object of the present invention to propose a device which delivers a dimensionally accurate image in 1D, 2D or 3D even in an opaque medium. The device should have a compact structure and be usable for fire fighting, underwater use or as a night vision device. Another task is to propose an active ultrasonic viewing device that provides a 3D representation of objects in real time.
Die Aufgabe wird durch die anhängenden Ansprüche gelöst.The object is solved by the appended claims.
Das Aktive Ultraschall-Sichtgerät entsprechend der vorliegenden Erfindung besteht aus mindestens einem Sender zum Aussenden eines Sendesignal mit einer beliebigen bekannten Modulationsfunktion und einer mediumabhängigen Bandbreite des Signals, mindestens einem in einer bekannten Position dazu angeordneten Empfänger, denen jeweils eine erste Signalverarbeitungseinheit zur n-kanaligen spektralen Zerlegung der von den Empfängern aufgenommenen Antwortsignale aus dem Medium und ein Speicher-Schieberegister nachgeordnet ist, einer zweitenThe active ultrasonic viewing device according to the present invention consists of at least one transmitter for transmitting a transmission signal with any known modulation function and a medium-dependent bandwidth of the signal, at least one receiver arranged in a known position, to each of which a first signal processing unit for n-channel spectral Decomposing the response signals received by the receivers from the medium and a memory shift register is arranged downstream of a second
Signalverarbeitungseinheit zur Bestimmung der Raumkoordinaten, und einem Display. Die erforderliche Bandbreite beträgt unter Wasser etwa 1 kHz bis maximal 10 MHz, in ' Luft 20-500 kHz. In festen Materialien muss sie so eingestellt werden, dass die Signale in das Medium eindringen können und an eventuell eingebetteten Strukturen reflektiert oder absorbiert werden. Die Anzahl n der Kanäle muss vorher festgelegt werden. Mit dieser Zahl «(z.B. n = 1024) wird eine obere Grenze für dieSignal processing unit for determining the spatial coordinates, and a display. The necessary bandwidth is submerged about 1 kHz up to 10 MHz, in 'air 20-500 kHz. In solid materials, it must be set so that the signals can penetrate the medium and are reflected or absorbed by any embedded structures. The number n of channels must be determined beforehand. With this number «(eg n = 1024) there is an upper limit for the
Auflösung des Bildes gegeben.Given the resolution of the image.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Empfänger symmetrisch zum Sender angeordnet.In an advantageous embodiment, the receivers are arranged symmetrically to the transmitter.
Dem oder den Empfängern ist in bekannter Weise eine Signalkonditionierung nachgeschaltet, die z.B. aus einem Verstärker und einer Filterbank bestehen kann. Außerdem besitzt das Sichtgerät in ebenfalls bekannter Weise eine Zeitsteuerung. Den Empfängern kann jeweils ein Mischer zur Erzeugung der Schwebungsfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem Antwortsignalen nachgeordnet werden. Dadurch ist es möglich, die zu verarbeitende Frequenzen herabzusetzen.The receiver or receivers is followed in a known manner by signal conditioning, which can consist, for example, of an amplifier and a filter bank. In addition, the display device also has a time control in a known manner. A mixer for generating the beat frequency between the transmission signal and the response signals can be arranged downstream of the receivers. This makes it possible to reduce the frequencies to be processed.
Die Antwortsignale können sowohl analog als auch digital verarbeitet werden. Zur digitalen Verarbeitung ist jeweils vor den ersten Signalverarbeitungseinheiten zur spektralen Zerlegung ein A/D-Wandler vorgesehen.The response signals can be processed both analog and digital. For digital processing, an A / D converter is provided in front of the first signal processing units for spectral decomposition.
Nach der Bestimmung der Raumkoordinaten der Reflexionspunkte in der zweiten Signalverarbeitungseinheit können diese direkt einem Display zugeleitet, und die Grauwerte der Reflexionspunkte können angezeigt werden. Es ist aber auch möglich, dem Speicher-Schieberegister eine Klassifikationseinheit nachzuordnen. Diese Klassifikationseinheit ist ein Prozessor (z.B. ein neuronales Netz) , der zunächst die Spektren der einzelnen Kanäle parallel aus dem Speicherschieberegister aufnimmt. Damit werden der Klassifikationseinheit mit jedem Zeitschritt n (z.B. n=1024) Werte zugeführt. Die Klassifikationseinheit kann aus einer Vorverarbeitungseinheit, dem eigentlichen Klas- sifikator und einer Analyseeinheit bestehen. Die Vorverarbeitungseinheit hat die Aufgabe, die zu klassifizierenden Daten schon einmal vorab zusammenzufassen, zu normieren, zu selek- tieren o.a.. Der Klassifikator besteht aus einem Prozessor, der die aus der Vorverarbeitungseinheit eingehenden Daten anhand einer Berechnungsvorschrift, also eines mathematischen Modells, umwandelt. Das Berechnungsergebnis gibt z.B. eine Wahrscheinlichkeit an, mit der die eingegangenen Daten zu einer Struktur einer bestimmten Klasse gehören. Die zugrundeliegende Berechnungsvorschrift (also das mathematische Modell) wird im Laufe einer sogenannten Trainingsphase so optimiert, dass eine bestmögliche automatische Zuordnung der Daten zu vorgegebenen Klassen erreicht wird. Die Analyseeinheit hat nun die Aufgabe, die eingegangenen Daten (z.B. der n Variablen) nach ihrer Wichtigkeit für die optimale Klassenzuordnung auszusortieren.After determining the spatial coordinates of the reflection points in the second signal processing unit, they can be sent directly to a display and the gray values of the reflection points can be displayed. However, it is also possible to assign a classification unit to the memory shift register. This classification unit is a processor (for example a neural network), which first records the spectra of the individual channels in parallel from the memory shift register. The classification unit is thus supplied with n (for example n = 1024) values with each time step. The classification unit can consist of a preprocessing unit, the actual classifier and an analysis unit. The preprocessing unit has the task of summarizing the data to be classified in advance, normalizing, selecting, or the like. The classifier consists of a processor which converts the data coming in from the preprocessing unit on the basis of a calculation rule, that is to say a mathematical model. The calculation result indicates, for example, a probability that the data received belong to a structure of a certain class. The underlying calculation rule (i.e. the mathematical model) is optimized in the course of a so-called training phase so that the best possible automatic assignment of the data to specified classes is achieved. The analysis unit now has the task of collecting the received data (e.g. the n variables) to sort out according to their importance for the optimal class allocation.
In dieser Klassifikationseinheit können die Eigenschaften der Reflexionspunkte bewertet und klassifiziert werden oder es werden nur die Reflexionspunkte mit gleichen Spektren zusammengefasst und angezeigt.In this classification unit, the properties of the reflection points can be evaluated and classified, or only the reflection points with the same spectra can be summarized and displayed.
Für die analoge Verarbeitung kann die erste Signalverarbei- tungseinheit zur spektralen Zerlegung ein akusto-optischer Prozessor, ein holographischer Wavelet-Prozessor oder ein ähnlicher analoger Prozessor zur Spektralzerlegung darstellen.For analog processing, the first signal processing unit for spectral decomposition can be an acousto-optical processor, a holographic wavelet processor or a similar analog processor for spectral decomposition.
Für die digitale Verarbeitung kann die erste Signalverar- beitungseinheit zur spektralen Zerlegung ein Fast-Fourier-For digital processing, the first signal processing unit for spectral decomposition can use a Fast Fourier
Prozessor, ein digitaler Wavelet-Prozessor oder ein ähnlicher digitaler Prozessor zur Spektralzerlegung darstellen.Processor, a digital wavelet processor or a similar digital processor for spectral decomposition.
Die Klassifikationseinheit kann ein statistischer Klassi- fikator, wie ein neuronales Netz, eine Support-Vector-Machine oder dergleichen darstellen.The classification unit can represent a statistical classifier, such as a neural network, a support vector machine or the like.
Die zweite Signalverarbeitungseinheit zur Bestimmung der Raumkoordinaten besteht insbesondere für die digitale Verarbeitung aus einem Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessor, der ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Der Ädaptive-Grid-Reconstruction-Prozessor besteht aus einem Rastergenerator, einer Einheit zur Bestimmung der Wege der Signale von dem Sender zu den Rasterpunkten und von den Rasterpunkten zu den einzelnen Empfängern für jeden Rasterpunkt, einer Speicherzeile für die zum Empfänger gehörenden Summen aller Amplitudenwerte über die Kanäle der n-kanaligen spektralen Zerlegung, einem Sampling-Address-Generator zur Bestimmung der Adresse der Amplitudenwerte innerhalb der zum Empfänger gehörenden Speicherzeile, und einer Einheit zur mathematischen Verknüpfung der aus den Speicherzeilen entnommenen Amplitudenwerte.The second signal processing unit for determining the spatial coordinates, in particular for digital processing, consists of an adaptive grid reconstruction processor, which is also the subject of the present invention. The adaptive grid reconstruction processor consists of a raster generator, a unit for determining the paths of the signals from the transmitter to the raster points and from the raster points to the individual receivers for each raster point, a memory line for the sums of all amplitude values belonging to the receiver the channels of the n-channel spectral decomposition, a sampling address generator for determining the address of the amplitude values within the memory line belonging to the receiver, and a unit for mathematical combination of the amplitude values taken from the memory lines.
Bei der analogen Verarbeitung kann auch eine bekannte Trian- gulation oder ellipsoidale Backprojektion zur Bestimmung der Raumkoordinaten verwendet werden. Wird nur ein Empfänger eingesetzt sind die Koordinaten der Reflexionspunkte unmittelbar bekannt.In analog processing, a known triangulation or ellipsoidal back projection can also be used to determine the spatial coordinates. If only one receiver is used, the coordinates of the reflection points are immediately known.
Der Einsatz eines Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessors ist also erst von Vorteil, wenn mindestens zwei Empfänger vorhanden sind.The use of an adaptive grid reconstruction processor is therefore only advantageous if at least two receivers are available.
Der Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessor ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Der Adaptive-Grid- Reconstruction-Prozessor besteht aus einem Rastergenerator, einer Einheit zur Bestimmung der Wege der Signale von dem Sender zu den Rasterpunkten und von den Rasterpunkten zu den einzelnen Empfängern für jeden Rasterpunkt, einer Speicher- zeile für die zum Empfänger gehörenden Summe aller Amplitudenwerte entlang der Kanäle der spektralen Zerlegung, einem Sampling-Address-Generator zur Bestimmung der Adresse der Amplitudenwerte innerhalb der zum jeweiligen Empfänger gehörenden Speicherzeile, eine Einheit zur mathematischen Verknüpfung der aus den Speicherzeilen entnommenen Amplitudenwerte .The adaptive grid reconstruction processor is also the subject of the present invention. The adaptive grid reconstruction processor consists of a raster generator, a unit for determining the paths of the signals from the transmitter to the raster points and from the raster points to the individual receivers for each raster point, a memory line for the sum of all belonging to the receiver Amplitude values along the channels of the spectral decomposition, a sampling address generator for determining the address of the amplitude values within the memory line belonging to the respective receiver, a unit for mathematically linking the amplitude values taken from the memory lines.
Zur Erzeugung einer Darstellung eines unsichtbaren Objektes wird ein Signal, das mit einer beliebigen bekannten Modula- tionsfunktion, die eine entsprechende Bandbreite des Signals garantiert, moduliert ist (vorzugsweise FM und/oder binär phasenkodiertes, jedoch keine Impuls (AM-Modulation) ) , in Richtung auf das Objekt ausgesendet und gleichzeitig als Referenzsignal gespeichert. Mindestens ein Empfänger empfängt simultan die an dem Objekt reflektierten Signale. Die reflektierten Signale werden dann gegebenenfalls mit dem als Referenzsignal gespeicherten Sendesignal gemischt und das erhaltene Schwebungssignal n-kanalig spektral zerlegt. Wenn kein Mischer vorhanden ist, wird das Antwortsignal direkt n- kanalig spektral zerlegt.To generate an illustration of an invisible object, a signal that is modulated with any known modulation function that guarantees a corresponding bandwidth of the signal (preferably FM and / or binary-phase-coded, but no pulse (AM modulation)) is generated in Direction sent to the object and at the same time saved as a reference signal. At least one receiver receives the signals reflected on the object simultaneously. The Reflected signals are then optionally mixed with the transmission signal stored as a reference signal and the beat signal obtained is spectrally broken down in the n-channel. If there is no mixer, the response signal is directly spectrally broken down into the n-channel.
Zur spektralen Zerlegung in Echtzeit kann zum Beispiel ein akusto-optischer Prozessor verwendet werden. Es ist aber auch möglich, wenn ein digitalisiertes Signal vorliegt, einen Fast- Fourier-Prozessor oder einen anderen Prozessor, z.B. einen digitalen Wavelet-Prozessor, zu verwenden, mit dessen Hilfe eine schnelle Spektralzerlegung der Signale durchgeführt werden kann.For example, an acousto-optical processor can be used for real-time spectral decomposition. However, if a digitized signal is present, it is also possible to use a Fast Fourier processor or another processor, e.g. to use a digital wavelet processor, with the aid of which a rapid spectral decomposition of the signals can be carried out.
Die Ergebnisse der Spektralzerlegung werden zunächst für jeden Reflexionspunkt in einem parallelen Speicher-Schieberegister abgelegt. Gleichzeitig kann die Summe der Amplitudenwerte jedes Schieberegisters gebildet werden und in einer Speicherzeile des Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessors abgelegt werden, falls dieser zum Einsatz kommt.The results of the spectral decomposition are first stored in a parallel memory shift register for each reflection point. At the same time, the sum of the amplitude values of each shift register can be formed and stored in a memory line of the adaptive grid reconstruction processor, if this is used.
Um die Koordinaten der Reflexionspunkte zu ermitteln, können wie bereits erwähnt, bekannte Verfahren, wie die ellipsoidale Backprojection und Triangulationsverfahren oder dergleichen eingesetzt werden. Die Grundlage dafür bildet, dass die Punkte gleicher Entfernung vom Sender zu den Reflexionspunkten und zum Empfänger auf einem Ellipsoiden liegen. Eine schnellere Lösung, die bei Sichtgeräten mit mehr als einem Empfänger und digitaler Signalverarbeitung wesentliche Vorteile liefert und diese erst in Echtzeit funktionsfähig macht, bietet einAs already mentioned, known methods such as the ellipsoidal back projection and triangulation methods or the like can be used to determine the coordinates of the reflection points. The basis for this is that the points of the same distance from the transmitter to the reflection points and to the receiver lie on an ellipsoid. A faster solution that offers significant advantages for display units with more than one receiver and digital signal processing and only makes them functional in real time offers one
Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessor. Dieser Prozessor ist ebenfalls Bestandteil der vorliegenden Erfindung.Adaptive Grid Reconstruction processor. This processor is also part of the present invention.
Wie bereits angedeutet wurde, ist es möglich, die Signalwege d, über die Messung der Schwebungsfrequenzen Δ^. mit Hilfe der Formel d. ~ — '——— (wobei c die Schallgeschwindigkeit, TM die MAs has already been indicated, it is possible to measure the signal paths d by measuring the beat frequencies Δ ^. with the help of Formula d. ~ - ' ——— (where c is the speed of sound, T M is the M
Zeitdauer des Sendesignals und M die Deviation des Sendesignals ist) bestimmen. Der Zeitverlauf der Schwebungsfrequenzen ist nach der spektralen Zerlegung des Schwebungs- signals im parallelen Speicher-Schieberegister abgelegt worden. D.h., für jedes Δ (also jeden Ellipsoiden) erhält man ein Spektrum, welches die spektralen Anteile aller Reflexionspunkte auf diesem Ellipsoiden enthält. Die Anzahl n der Kanäle bei der Spektralzerlegung gibt entsprechend der obigen Formel eine obere Schranke für die Auflösung des Bildes. Aus denDetermine the duration of the transmission signal and M is the deviation of the transmission signal). The time course of the beat frequencies has been stored in the parallel memory shift register after the spectral decomposition of the beat signal. This means that for every Δ (i.e. every ellipsoid) a spectrum is obtained which contains the spectral components of all reflection points on this ellipsoid. The number n of channels in the spectral decomposition gives an upper limit for the resolution of the image according to the above formula. From the
Schnittpunkten dieser Ellipsoiden ergibt sich ein Koordinatensystem, das nicht metrisch ist. Um diese Schnittpunkte trotzdem in einem metrischen Raum sichtbar zu machen, kann hier eine spezielle Zusatzoptik (z.B. spezielle Korrektur- linse) vor den Bildschirm oder das HDM (Head Mounted Device) eingesetzt werden. Der durch die Schnittpunkte der Ellipsoiden gegebene Raum kann auch in einen metrischen Raum, der für die Visualisierung günstig ist, eindeutig durch eine Transformation umgewandelt werden. Jedoch erhält man hierbei keine gleichmäßige Verteilung der darzustellenden Punkte im Raum.Intersection of these ellipsoids results in a coordinate system that is not metric. In order to make these intersection points visible in a metric space, special additional optics (e.g. special correction lens) can be used in front of the screen or the HDM (Head Mounted Device). The space given by the points of intersection of the ellipsoids can also be clearly converted into a metric space that is favorable for visualization by means of a transformation. However, there is no uniform distribution of the points to be displayed in space.
Bei der Anwendung des Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessor im digitalen Verfahren wird zuerst ein euklidisches Raster im über das Beschallungsvolumen gelegt, d.h. ein Raster mit vorteilhafterweise, aber nicht notwendigerweise gleichmäßigen Abständen (günstig im Samplingabstand) zwischen den Punkten in horizontaler und vertikaler Richtung. Aus den x, y, z-Koordi- naten der Rasterpunkte können nun die Wege vom Sender zum Rasterpunkt (R0) sowie die Wege vom Rasterpunkt zum jeweiligen Empfänger (Rl, R2, R3 bei 3 Empfängern) mit Hilfe des Satzes des Pythagoras abgeleitet werden. Die Summen dieser errechneten Wege R0+R1, R0+R2 und R0+R3 entsprechen aber nicht notwendig einem Samplingpunkt im Antwortsignal. Außerdem bilden die Samplingpunkte der Antwortsignale jedes Kanals einen eigenen Raum, der nicht linear auf den Raum der Samplingpunkte eines anderen Kanals abgebildet werden kann (siehe Fig. 6). D.h., die Empfänger sehen unterschiedliche Teilräume der beschallten Struktur (ähnlich der RGB-Maske beim Farb-TV) . Man kann diesen Effekt auch als Maskeneffekt beschreiben, wobei jeder Empfänger die beschallte Struktur durch eine Maske sieht, welche durch die Samplingfrequenz sowie die Lage des Empfängers eindeutig definiert ist. Demzufolge können die Masken der einzelnen Empfänger nicht durch eine lineare Abbildung zur Deckung gebracht werden.When using the adaptive grid reconstruction processor in the digital process, a Euclidean grid is first placed over the sound volume, ie a grid with advantageously, but not necessarily, uniform distances (favorable in sampling distance) between the points in the horizontal and vertical directions. From the x, y, z coordinates of the grid points, the paths from the transmitter to the grid point (R0) and the paths from the grid point to the respective receiver (Rl, R2, R3 with 3 receivers) can now be derived using the Pythagorean theorem , The sums of these calculated paths R0 + R1, R0 + R2 and R0 + R3 do not necessarily correspond to a sampling point in the response signal. In addition, the sampling points of the response signals form each channel a separate space that cannot be mapped linearly to the space of the sampling points of another channel (see FIG. 6). This means that the receivers see different parts of the sound structure (similar to the RGB mask on color TV). This effect can also be described as a mask effect, with each receiver seeing the sonicated structure through a mask, which is clearly defined by the sampling frequency and the position of the receiver. As a result, the masks of the individual receivers cannot be covered by a linear image.
Deshalb wird für jeden Rasterpunkt eine £ -Umgebung ( δ > Rasterabstand) festgelegt. Für alle Samplingpunkte, die innerhalb dieser δ -Umgebung liegen, werden die Amplituden- werte, die im Speicherregister des Adaptive-Grid-Recon- struction-Prozessors abgelegt wurden, gemittelt. Wenn δ großA £ environment (δ> grid spacing) is therefore defined for each grid point. The amplitude values that were stored in the memory register of the adaptive grid reconstruction processor are averaged for all sampling points that lie within this δ environment. If δ is large
Ϊ3 ist, erhält man eine Glättung. Wenn δ kleiner ist als ,/— malIs Ϊ3, you get smoothing. If δ is less than, / - times
V2V2
dem Rasterabstand im 3D-Raster ( mal dem Rasterabstand im
Figure imgf000012_0001
the grid spacing in the 3D grid (times the grid spacing in
Figure imgf000012_0001
2D-Raster) , geht Information verloren. Hieraus ergibt sich ein einfacher Weg für das „Zoom-out", mit dem Speicherplatz und Rechenzeit gespart werden kann. Hierfür kann das Raster von vornherein grober gewählt werden. Dann werden nur die zu diesen Rasterpunkten gehörigen Wege R0+R1, R0+R2 und R0+R3 berechnet. Je nach Rastergröße und der Festlegung von δ wird dann über eine entsprechend höhere Anzahl von Samplingpunkten gemittelt. Analog kann man vorgehen, wenn eine höhere Detailgenauigkeit erreicht werden soll. Angenommen, die Samplingfrequenz ist kleiner als die Nyquistfrequenz des Empfangssignals. Dann treten laut dem Abtasttheorem Aliasing-Effekte auf. Bei einer geschickten Filterung und der Wahl des Rasterabstandes ist dieses jedoch nicht als Störfaktor anzusehen. Dann ist die Rastergröße durch diesen Samplingabstand nach unten beschränkt. Ist die Samplingfrequenz größer, z.B. durch Oversampling, dann kann hier eine noch größere Detailgenauigkeit erreicht werden, da dann in dem entsprechend kleineren Rasterausschnitt (Voxel) immer noch Samplingpunkte enthalten sind, die Information beinhalten.2D grid), information is lost. This results in a simple way for the "zoom-out", with which storage space and computing time can be saved. For this purpose, the grid can be chosen coarser from the outset. Then only the paths R0 + R1, R0 + R2 and R0 + R3 is calculated. Depending on the grid size and the determination of δ, a correspondingly higher number of sampling points is then averaged. Analogously, one can proceed if a higher level of detail is to be achieved. Assuming that the sampling frequency is lower than the Nyquist frequency of the received signal. Then According to the sampling theorem, aliasing effects occur. However, if the filtering is skillful and the grid spacing is selected, this should not be regarded as a disruptive factor. Then the grid size is limited by this sampling spacing. If the sampling frequency is higher, eg by Oversampling, then an even greater level of detail can be achieved here, since the corresponding smaller grid section (voxel) still contains sampling points that contain information.
Da auch hier, genau wie im analogen Fall, die Spektren aller Punkte, die auf einem Ellipsoiden liegen, überlagert sind, müssen auch hier wie bei der Computer-Tomographie für jeden Kanal des Spektrums Rückprojektionen durchgeführt werden, die das Spektrum jedes einzelnen darzustellenden Punktes liefern.As here, as in the analog case, the spectra of all points lying on an ellipsoid are superimposed, backprojections must be carried out for each channel of the spectrum, as in computer tomography, which provide the spectrum of each individual point to be displayed ,
Die Wahl des Rasterabstandes kann auch lokal unterschiedlich erfolgen, somit auch die Festlegung von δ , welches dem Rasterabstand angepasst werden sollte. Dies ermöglicht ein lokales Zooming (wie z.B. beim Vogelauge). Man kann z.B. den Nahbereich detaillierter darstellen als den Fernbereich bzw. den Fernbereich ausschnittsweise detailliert darstellen. Die eigentliche Detail-Information bleibt dabei grundsätzlich in den Daten enthalten, es wird nur die Darstellung besonders nutzerfreundlich, und Rechenzeit wird gespart.The choice of the grid spacing can also be done locally differently, thus also the determination of δ, which should be adapted to the grid spacing. This enables local zooming (such as bird's eye). You can e.g. show the near area in more detail than the far area or show the far area in detail. The actual detailed information is always contained in the data, only the display becomes particularly user-friendly, and computing time is saved.
Um jeden Raumpunkt in 1D, 2D oder 3D mit nun gegebenem Spektrum klassifizieren zu können, werden die Spektren aus dem Speicherschieberegister parallel ausgelesen und es wird ein statistisches Klassifikationsverfahren, z.B. nächste Nachbarn, neuronales Netz, Support-Vector-Machine und der gleichen darauf angewendet.In order to be able to classify each spatial point in 1D, 2D or 3D with a given spectrum, the spectra are read out in parallel from the memory shift register and a statistical classification method, e.g. nearest neighbors, neural network, support vector machine and the same applied to it.
Die Auswahl des statistischen Klassifikationsverfahrens hängt im wesentlichen von der Fähigkeit zur Verallgemeinerung und der Geschwindigkeit der Rechentechnik ab. Die Fähigkeit zur Verallgemeinerung bedeutet die Fähigkeit, einen Reflexionspunkt korrekt zu klassifizieren, dessen Klassenzugehörigkeit vorher nicht bekannt ist. Das Verfahren kann dahingehend erweitert werden, dass genau die Frequenzbereiche im Signal ausgewählt werden, mit deren Hilfe eine für die gegebene Struktur „beste" Klassifikation möglich ist. Dafür kann dann erneut ein Sendesignal ausgesendet werden, aber diesmal mit einer nicht konstanten Modulationsfunktion, sondern mit einer Modulationsfunktion, die hauptsächlich die Frequenzbereiche enthält, die für eine optimale Klassifikation („Farbzuordnung") der Reflexionspunkte benötigt werden. Diese „optimalen" Frequenzbereiche können z.B. mit Hilfe der Analyseeinheit, die mit dem Klassifikator verbunden ist, selektiert werden. Genau diese Bereiche werden dann im nächsten Durchlauf vom Generator erzeugt und gesendet.The selection of the statistical classification method essentially depends on the ability to generalize and the speed of the computing technology. The ability to generalize means the ability to correctly classify a point of reflection whose class membership is not known beforehand. The method can be expanded in such a way that exactly the frequency ranges in the signal are selected with the aid of which a "best" classification is possible for the given structure. A transmit signal can then be transmitted again, but this time with a non-constant modulation function, but with a modulation function that mainly contains the frequency ranges that are required for an optimal classification ("color assignment") of the reflection points. These "optimal" frequency ranges can be selected, for example, with the aid of the analysis unit which is connected to the classifier. It is precisely these ranges which are then generated and transmitted by the generator in the next run.
Mit diesem Gerät kann deshalb genau der Frequenzbereich, d.h. das Spektrogra m, ermittelt werden, in dem eine maximaleWith this device, therefore, exactly the frequency range, i.e. the Spectrogra m, are determined in which a maximum
Reflexion der Sendesignale hervorgerufen wird. Es kann damit eine akustische Impedanz, durch die die Oberfläche eines Gegenstandes charakterisiert ist, „scharf" eingestellt werden bzw. seine „akustische Farbe" genauer bestimmt werden. Über- gänge gleicher „akustischer Farbe" besitzen gleiche Eigenschaften und werden als gleiche Gegenstände ermittelt. Alle Reflexionspunkte mit gleichen Eigenschaften können geschlossen dargestellt werden. Da das sich ergebende Spektrum eine Eigenschaft ("Farbe") der Oberfläche eines Gegenstandes ist, an dem die Reflexion erfolgte, spielen die Erfahrungen eines Betrachters jetzt eine untergeordnete Rolle.Reflection of the transmission signals is caused. An acoustic impedance, by which the surface of an object is characterized, can thus be set “sharply” or its “acoustic color” can be determined more precisely. Transitions of the same "acoustic color" have the same properties and are determined as the same objects. All reflection points with the same properties can be represented in a closed manner. Since the resulting spectrum is a property ("color") of the surface of an object on which the reflection the experience of a viewer now plays a subordinate role.
Mit diesem Verfahren ist es also möglich, Objekte wahrzunehmen, die für das menschliche Auge durch Rauch, Nebel, Dunkelheit, einen Temperaturvorhang, durch trübes Wasser oder dergleichen verdeckt sind. Mit dieser Vorrichtung werden alle Informationen, die über die Objektoberfläche in den Reflexionen des beliebig modulierten Ultraschalls enthalten sind, ausgenutzt. Werden gleichzeitig mehrere Sichtgeräte eingesetzt, können z.B. bei jedem Gerät andere Modulationen der Sendesignale vorgenommen werden, um die Signale zu unterscheiden .With this method it is therefore possible to perceive objects which are hidden from the human eye by smoke, fog, darkness, a temperature curtain, by cloudy water or the like. With this device, all information contained in the reflections of the arbitrarily modulated ultrasound about the object surface is used. If several display devices are used at the same time, different modulations can be used for each device of the transmission signals are made to distinguish the signals.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungs- beispiels näher erläutert werden. In den Zeichnungen bedeuten gleiche Bezugszahlen gleiche oder ähnliche Teile.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the drawings, the same reference numerals mean the same or similar parts.
Fig. 1A und Fig. 1B zeigen Blockschaltbilder eines aktiven Ultraschall-Sichtgerätes entsprechend der vorliegenden Erfindung für den 1D- bzw. 3D-Raum;1A and 1B show block diagrams of an active ultrasonic viewing device according to the present invention for 1D and 3D space, respectively;
Fig. 2 zeigt eine grafische Darstellung zur Erläuterung derFig. 2 shows a graphical representation to explain the
Frequenzverschiebung zwischen dem Sendesignal und demFrequency shift between the transmission signal and the
Antwortsignal;Response signal;
Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung der spektralzerlegten Reflexionssignale;3 shows a graphical representation of the spectrally decomposed reflection signals;
Fig. 4 zeigt ein Speicher-Schieberegister, wie er in der Erfindung eingesetzt wird;Fig. 4 shows a memory shift register as used in the invention;
Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Adaptive-Grid- Reconstruction-Prozessor; Fig. 6 ist eine Darstellung der unterschiedlichen Räume, die von den Samplingpunkten verschiedener Empfänger gebildet werden; und5 shows the basic structure of an adaptive grid reconstruction processor; Fig. 6 is an illustration of the different spaces formed by the sampling points of different receivers; and
Fig. 7 ist eine Darstellung des durch den Adaptive-Grid- Reconstruction-Prozessor gebildeten Rasters.Figure 7 is an illustration of the grid formed by the adaptive grid reconstruction processor.
Fig. 1A zeigt ein Blockschaltbild eines aktiven Ultraschall- Sichtgerätes entsprechend der vorliegenden Erfindung für eine eindimensionale Anwendung. Das aktive Ultraschall-Sichtgerät besteht in diesem Fall aus einem Sender 1, der mit einem Modulator 4, einem Generator 5 und einer Einrichtung zurFigure 1A shows a block diagram of an active ultrasound display device in accordance with the present invention for one-dimensional use. In this case, the active ultrasonic viewing device consists of a transmitter 1, which has a modulator 4, a generator 5 and a device for
Signalkonditionierung 3 gekoppelt ist, und einem Empfängern 2 mit einer Einrichtung zur Signalkonditionierung 3. Das aktive Ultraschall-Sichtgerät besteht weiterhin aus einer Zeitsteuerung 10, die die Signalverarbeitung beginnend mit dem Start des Sendesignals bis zur Darstellung eines Ultraschallbildes zeitlich steuert. Empfängerseitig folgt der Einrichtung zur Signalkonditionierung 3 ein Mischer 6, der die Antwortsignale mit dem Sendesignal mischt, um die Schwebungsfrequenzen zu erhalten, die die Reflexionen anzeigen. Auf den Mischer 6 folgt eine Einheit zur spektralen Zerlegung 9 derSignal conditioning 3 is coupled, and a receiver 2 with a device for signal conditioning 3. The active ultrasonic viewing device also consists of a time control 10, the signal processing from the start of the transmission signal to the display of a Timed ultrasound image. On the receiver side, the device for signal conditioning 3 is followed by a mixer 6 which mixes the response signals with the transmission signal in order to obtain the beat frequencies which indicate the reflections. A mixer for spectral decomposition 9 follows the mixer 6
Schwebungsfrequenzen, z.B. ein akusto-optischer Prozessor. Die Einheit zur spektralen Zerlegung 9 kann in diesem Fall auch von einem holographischen Wavelet-Prozessor oder einer anderen Einheit zur schnellen analogen Spektralzerlegung durchgeführt werden. Für jeden Reflexionspunkt wird ein Signal erzeugt, das die Information über den Weg des Signals vom Sender über den Reflexionspunkt zum Empfänger und das Spektrum des Reflexionspunktes enthält und das in einem Speicher-Schieberegister 12 abgelegt wird. Dem Speicher-Schieberegister 12 folgen zwei Schaltungen, die die in den Signalen enthaltenen Informationen selektieren bzw. bewerten, eine Schaltung zur Bestimmung der Koordinate 15 des Reflexionspunktes und eine Schaltung zur Klassifizierung 14 des Reflexionspunktes, die zur Darstellung auf einem Display 16 geführt werden.Beat frequencies, e.g. an acousto-optical processor. In this case, the unit for spectral decomposition 9 can also be carried out by a holographic wavelet processor or another unit for fast analog spectral decomposition. For each reflection point, a signal is generated which contains the information about the path of the signal from the transmitter via the reflection point to the receiver and the spectrum of the reflection point and which is stored in a memory shift register 12. The memory shift register 12 is followed by two circuits which select or evaluate the information contained in the signals, a circuit for determining the coordinate 15 of the reflection point and a circuit for classifying 14 the reflection point, which are shown on a display 16.
In Fig. 1B ist ein Blockschaltbild eines aktiven Ultraschall- Sichtgerätes entsprechend der vorliegenden Erfindung für den 3D-Raum und mit einer digitalen Signalverarbeitung dargestellt. Es kann hier also eine dreidimensionale Darstellung von Ultraschallbildern erfolgen. Das aktive Ultraschall- Sichtgerät besteht in diesem Fall aus einem Sender 1 und drei Empfängern 2. Das aktive Ultraschall-Sichtgerät besteht weiterhin aus einer Zeitsteuerung 10, die die Signalverarbeitung beginnend mit dem Start des Sendesignals bis zur Darstellung eines Ultraschallbildes steuert. Je eine1B shows a block diagram of an active ultrasound viewing device according to the present invention for 3D space and with digital signal processing. A three-dimensional representation of ultrasound images can thus take place here. In this case, the active ultrasound viewing device consists of a transmitter 1 and three receivers 2. The active ultrasound viewing device also consists of a time control 10, which controls the signal processing starting with the start of the transmission signal until the display of an ultrasound image. One per
Einrichtung zur Signalkonditionierung 3 ist nach jedem Empfänger 2 angeordnet. Die Signalkonditionierung 3 balanciert die Ungleichmäßigkeiten der Reflexionssignale aus, die von den Empfängern 2 empfangen werden. Der Einrichtung zur Signal- konditionierung 3 folgt je ein Mischer 6, der die Reflexionssignale jeweils mit dem Sendesignal mischt, um die Schwebungssignale zu erhalten, die die Reflexionen anzeigen. Auf den Mischer 6 folgt je ein A/D-Wandler 7 und eine Einheit zur spektralen Zerlegung 9, die die Schwebungssignale spektral zerlegen. Die Einheiten zur spektralen Zerlegung 9 können in diesem Fall durch einen digitalen Wavelet-Prozessor, eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder eine andere Einheit zur schnellen digitalen Spektralzerlegung erfolgen.Device for signal conditioning 3 is arranged after each receiver 2. The signal conditioning 3 balances the non-uniformities of the reflection signals that are received by the receivers 2. The device for signal conditioning 3 is followed by a mixer 6, which is the Reflection signals each mixed with the transmission signal to obtain the beat signals that indicate the reflections. The mixer 6 is followed in each case by an A / D converter 7 and a unit for spectral decomposition 9, which spectrally decompose the beat signals. The units for spectral decomposition 9 can in this case be carried out by a digital wavelet processor, a Fast Fourier Transform (FFT) or another unit for fast digital spectral decomposition.
Jeder Kanal der Spektralzerlegung enthält die Information über den Weg des Signals vom Sender 1 über alle Reflexionspunkte auf dem Ellipsoiden, der durch diesen Kanal bestimmt ist, zum Empfänger 2 und das übereinander gelagerte Spektrum dieser Reflexionspunkte. Diese Signale werden in einem Schieberegister 12 abgelegt. Die Summen der Zellen der Schieberegister 12 werden in einem Speicherregister 13 abgelegt, das Bestandteil des Adaptive-Grid-Reconstruction- Prozessors ist. Dem Speicher-Schieberegister 12, 13 folgen zwei Schaltungen, die die in den Signalen enthaltenen Informationen selektieren und bewerten, eine Schaltung zur Bestimmung der Koordinate 15 der Reflexionspunkte und eine Schaltung zur Klassifizierung 14 der Reflexionspunkte, die zur Darstellung auf einem Display 16 geführt werden.Each channel of the spectral decomposition contains the information about the path of the signal from the transmitter 1 via all reflection points on the ellipsoid, which is determined by this channel, to the receiver 2 and the superimposed spectrum of these reflection points. These signals are stored in a shift register 12. The sums of the cells of the shift register 12 are stored in a memory register 13, which is part of the adaptive grid reconstruction processor. The memory shift register 12, 13 is followed by two circuits which select and evaluate the information contained in the signals, a circuit for determining the coordinate 15 of the reflection points and a circuit for classifying 14 the reflection points, which are shown on a display 16.
Die Fig. 2 und Fig. 3 dienen der Erläuterung der Erfassung der Reflexionssignale. In Fig. 2 ist auf der x-Achse die Zeit, auf der y-Achse die Frequenz aufgetragen. Das Sendesignal besitzt die Frequenz fs , das Reflexionssignal die Frequenz fE und die Frequenzverschiebung beträgt Δf . fs besitzt eine Zeitdauer von TM . M = fmax - fmin ist die Deviation des2 and 3 serve to explain the detection of the reflection signals. 2 shows the time on the x-axis and the frequency on the y-axis. The transmission signal has the frequency f s , the reflection signal has the frequency f E and the frequency shift is Δf. f s has a duration of T M. M = f max - f min is the deviation of the
Signals. Das Reflexionssignal mit den Frequenzen fE kommt nach einer Zeit Δt zurück. Es gilt: ΔtSignal. The reflection signal with the frequencies f E comes back after a time Δt. The following applies: .delta.t
MM
d c =d c =
Δt.delta.t
d Δ τM -c d Δ τ M - c
MM
Wird eine konstante Schallgeschwindigkeit, wie sie in einem homogenen Medium vorkommen würde, angenommen, so ist Δf konstant über die Zeit. Kann Δf gemessen werden, dann kann der Weg d vom Sender über den Reflexionspunkt zum Empfänger mit Hilfe der bekannten Größen TM, M, c und Δf berechnetIf a constant speed of sound, as would occur in a homogeneous medium, is assumed, then Δf is constant over time. If Δf can be measured, the path d from the transmitter via the reflection point to the receiver can be calculated using the known variables T M , M, c and Δf
TM dt werden. Im allgemeinen Fall kann die obige Formel durch -J - =—T M dt. In general, the above formula can be represented by - J - = -
M df ersetzt werden.M df to be replaced.
Wird nun das Schwebungssignal spektral zerlegt, so erhält man Fig. 3. Es sind dieses die Signale, die in jedem Empfänger- KanalIf the beat signal is now spectrally broken down, one obtains FIG. 3. These are the signals that are in each receiver channel
AWeg getrennt verarbeitet werden. Die Gerade Δt = — ergibt sichAWeg can be processed separately. The straight line Δt = - results
getrennt dadurch, dass das Antwortsignal aus verschiedenen Tiefen der Struktur zu verschiedenen Zeiten am Empfänger eintrifft.separated in that the response signal arrives from different depths of the structure at different times at the receiver.
Bevor jedoch eine FFT oder eine andere schnelle Spektralzerlegung des Schwebungssignals vorgenommen wird, muss die Anzahl n der Kanäle festgelegt werden. Mit dieser Zahl «(z.B. n = 1024) wird eine obere Grenze für die Auflösung des Bildes gegeben. Für jede Schwebungsfrequenz Af. , / = (!,...,«), bekommt man nun eine Reihe von Amplituden über die Länge des Signals bzw. vom Zeitpunkt des Aussendens bis zum Empfang des letzten Signals vom am weitesten entfernten Reflektor. Im Kanal Af, erhält man eine Superposition von Anteilen dieser Schwebungsfrequenz Af. in allen Antwortsignalen mit einerHowever, before performing an FFT or other fast spectral decomposition of the beat signal, the number n of channels must be determined. With this number «(e.g. n = 1024) there is an upper limit for the resolution of the image. For every beat frequency Af. , / = (!, ..., «), you now get a series of amplitudes over the length of the signal or from the time of transmission until the reception of the last signal from the most distant reflector. In channel Af, you get a superposition of parts of this beat frequency Af. in all response signals with a
Laufzeit Δt;. , d.h. von allen Reflektoren, die auf einem gedachten Ellipsoiden liegen, der Sender und Empfänger als Brennpunkte hat. Bei einer 1024-kanaligen Spektralzerlegung (z.B. FFT) werden alle 1024 Kanäle parallel in den Speicher geführt, d.h. mit jedem Zeitschritt, der durch die Zeitsteuerung gesteuert wird, werden 1024 Werte eingelesen. Da die Reflexionssignale aus tieferliegenden Bereichen später zurückkommen, erhält man die von links nach rechts zunehmende Verschiebung Δt . Aus dem Speicher-Schieberegister 12, 13 werden Signale an die Rekonstruktionseinheit 15 übergeben, die jeweils den zurückgelegten Weg jedes einzelnen Antwortsignals sowie das überlagerte Spektrum aller der Reflexionspunkte enthält, die auf der Oberfläche des diesem Weg entsprechenden Ellipsoiden liegen.Running time Δt ; , , ie of all reflectors that lie on an imaginary ellipsoid with the transmitter and receiver as focal points. With a 1024-channel spectral decomposition (eg FFT), all 1024 channels are stored in parallel in the memory, ie 1024 values are read in with each time step that is controlled by the time control. Since the reflection signals come back from deeper areas later, the shifting Δt increasing from left to right is obtained. Signals are transferred from the memory shift register 12, 13 to the reconstruction unit 15, each of which contains the path covered for each individual response signal and the superimposed spectrum of all of the reflection points which lie on the surface of the ellipsoid corresponding to this path.
Im Speicherregister des Adaptive-Grid-Reconstruction- Prozessors befinden sich nach der spektralen Zerlegung 9 dann z.B. n=1024 (n = Anzahl der Kanäle bei der Spektralzerlegung 9) Werte, die sich wiederum aus der Summe derselben über die Zeit ergeben, d.h. n=1024 Amplitudenwerte (Attribute) .After the spectral decomposition 9, the memory register of the adaptive grid reconstruction processor contains e.g. n = 1024 (n = number of channels in spectral decomposition 9) values which in turn result from the sum of these over time, i.e. n = 1024 amplitude values (attributes).
Für die Bestimmung der genauen 3D-Positionen, d.h. der Raumkoordianten der Reflexionspunkte, können bekannteFor the determination of the exact 3D positions, i.e. the spatial coordinates of the reflection points can be known
Rekonstruktionsalgorithmen, wie z.B. Ellipsoide Backprojection oder Triangulation verwendet werden. Die Verwendung eines Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessors bietet jedoch einen entscheidenden Zeitvorteil gegenüber den anderen genannten Verfahren.Reconstruction algorithms such as ellipsoid back projection or triangulation can be used. However, using an adaptive grid reconstruction processor offers one decisive time advantage over the other methods mentioned.
In Fig. 5 ist der Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessor dargestellt. Der Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessor besteht aus einem Rastergenerator 19, einer Einheit 18 zur Bestimmung der Wege der Signale von dem Sender 1 zu den Rasterpunkten und Einheiten 17 zur Bestimmung der Wege der Signale von den Rasterpunkten zu den einzelnen Empfängern 2 für jeden Rasterpunkt, dem bereits erwähnten Speicherregister 13 für die zum Empfänger 2 gehörenden Summe der Amplitudenwerte der Reflexionspunkte, einem Sampling-Address-Generator 21 zur Bestimmung der Adresse des zu dem jeweiligen Empfänger 2 gehörenden Speicherregisters 13 und einer Einheit zur mathematischen Verknüpfung 22 der aus den Speicherregistern 13 entnommenen Werte, sowie einer Einheit 23 zur Übergabe der δ - Umgebung und der Samplingfrequenz an den Sampling-Address- Generator 21.5 shows the adaptive grid reconstruction processor. The adaptive grid reconstruction processor consists of a raster generator 19, a unit 18 for determining the paths of the signals from the transmitter 1 to the raster points and units 17 for determining the paths of the signals from the raster points to the individual receivers 2 for each raster point , the already mentioned memory register 13 for the sum of the amplitude values of the reflection points belonging to the receiver 2, a sampling address generator 21 for determining the address of the memory register 13 belonging to the respective receiver 2 and a unit for mathematical linking 22 of the memory registers 13 withdrawn values, and a unit 23 for transferring the δ environment and the sampling frequency to the sampling address generator 21.
Durch den Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessor wird zuerst ein virtuelles euklidisches Raster über dasThe adaptive grid reconstruction processor first creates a virtual Euclidean grid over the
Beschallungsvolumen—gelegt, wobei ein Raster mit gleichmäßigen Abständen (optimal im Samplingabstand) zwischen den Punkten in horizontaler und vertikaler Richtung vorteilhaft ist. Dazu sind Sender 1 und Empfänger 2 mit einem Rastergenerator 19 gekoppelt. Fig. 7 zeigt ein solches Raster der einfacheren Darstellung wegen hier in 2D.PA volume — laid out, whereby a grid with uniform distances (optimally in the sampling distance) between the points in the horizontal and vertical direction is advantageous. For this purpose, transmitter 1 and receiver 2 are coupled to a raster generator 19. 7 shows such a raster for the sake of simplicity in 2D.
Aus den x, y, z - Koordinaten der Rasterpunkte können dann die Wege vom Sender 1 zum Rasterpunkt (R0) sowie die Wege vom Rasterpunkt zum jeweiligen Empfänger 2 (Rl, R2, R3 bei 3 Empfängern) mit Hilfe des Satzes des Pythagoras abgeleitet werden. Die Summen dieser errechneten Wege R0+R1, R0+R2 und R0+R3 entsprechen aber nicht notwendig einem Samplingpunkt im Antwortsignal. Wie bereits beschrieben bilden die Samplingpunkte der Antwortsignale jedes Kanals einen eigenen Raum, der nicht linear auf den Raum der Samplingpunkte eines anderen Kanals abgebildet werden kann. Zur Veranschaulichung dieses Effektes dient die Fig. 6. Deshalb ist eine Einheit zur Festlegung einer δ-Umgebung für jeden Rasterpunkt 23 vorgesehen. Für alle Samplingpunkte, die innerhalb dieser δ - Umgebung liegen, werden mit Hilfe der Einheit zur mathematischen Verknüpfung 22 die Amplitudenwerte gemittelt. Wenn δ groß ist, erhält man eine Glättung. Wenn δ kleiner istFrom the x, y, z coordinates of the grid points, the paths from transmitter 1 to grid point (R0) and the paths from grid point to the respective receiver 2 (Rl, R2, R3 with 3 receivers) can be derived using the Pythagorean theorem , The sums of these calculated paths R0 + R1, R0 + R2 and R0 + R3 do not necessarily correspond to a sampling point in the response signal. As already described, the Sampling points of the response signals of each channel have their own space, which cannot be mapped linearly to the space of the sampling points of another channel. FIG. 6 serves to illustrate this effect. Therefore, a unit for determining a δ environment is provided for each raster point 23. For all sampling points that lie within this δ environment, the amplitude values are averaged with the aid of the mathematical link 22. If δ is large, smoothing is obtained. If δ is smaller
[3 1 als — mal dem Rasterabstand im 3D-Raster ( —==• mal dem V2[3 1 as - times the grid spacing in the 3D grid (- == • times the V2
Rasterabstand im 2D-Raster, gehen Informationen verloren.Grid spacing in the 2D grid, information is lost.
Hieraus ergibt sich ein einfacher Weg für das „Zoom-out", bei dem Speicherplatz gespart werden kann. Hierfür kann das Raster von vornherein grober gewählt werden. Dann werden nur die zu diesen Rasterpunkten gehörigen Wege RO+Rl, R0+R2 und R0+R3 berechnet. Je nach Rastergröße wird dann über eine entsprechend höhere Anzahl von Samplingpunkten gemittelt.This results in a simple way for the "zoom-out", in which storage space can be saved. For this, the grid can be chosen coarser from the outset. Then only the paths RO + Rl, R0 + R2 and R0 + belonging to these grid points R3 is calculated and then averaged over a correspondingly higher number of sampling points, depending on the grid size.
Analog kann man vorgehen, wenn eine höhere Detailgenauigkeit erreicht werden soll. Angenommen, die Samplingfrequenz ist kleiner als die Nyquistfrequenz des Empfangssignals. Dann treten laut dem Abtasttheorem Aliasing-Effekte auf. Bei einer geschickten Filterung und der Wahl des Rasterabstandes ist dieses jedoch nicht als Störfaktor anzusehen. Dann ist die Rastergröße durch diesen Samplingabstand nach unten beschränkt. Ist die Samplingfrequenz größer, z.B. durch Oversa pling, dann kann hier eine noch größere Detailgenauigkeit erreicht werden, da dann in dem entsprechend kleineren Rasterausschnitt (Voxel) immer noch Samplingpunkte enthalten sind, die Information beinhalten.One can proceed analogously if a higher level of detail is to be achieved. Assume that the sampling frequency is lower than the Nyquist frequency of the received signal. Then aliasing effects occur according to the sampling theorem. With clever filtering and the choice of the grid spacing, however, this should not be regarded as a disruptive factor. Then the grid size is limited downwards by this sampling distance. If the sampling frequency is higher, e.g. by oversa pling, an even greater level of detail can be achieved here, since the correspondingly smaller grid section (voxel) still contains sampling points that contain information.
Da auch hier genau wie im analogen Fall die Spektren aller Punkte überlagert sind, die auf einem Ellipsoiden liegen, müssen auch hier wie bei der Computer-Tomographie für jeden Kanal des Spektrums Rückprojektionen durchgeführt werden, die das Spektrum jedes einzelnen darzustellenden Punktes liefern.Since the spectra of all points lying on an ellipsoid are superimposed here, just as in the analog case, here too, as with computer tomography, for everyone Channel of the spectrum back projections are carried out, which provide the spectrum of each individual point to be displayed.
Die Klassifikationseinheit 14 ist mit der Rekonstruktions- schaltung 15 gekoppelt und bewertet die Spektren der einzelnen Reflexionspunkte, die gemäß Fig. 4 im Speicher-Schieberegister 12, 13 gespeichert sind. Abhängig von den Eigenschaften der Reflexionspunkte treten in den Reflexionssignalen Veränderungen auf. Falls diese Veränderungen und damit der Charakter der Reflexionspunkte bereits bekannt ist, können die Eigenschaften für die Visualisierung entsprechend gekennzeichnet werden. Die Koordinaten der einzelnen Reflexionspunkte und deren Eigenschaften werden danach auf einem Display 16 zusammengeführt.The classification unit 14 is coupled to the reconstruction circuit 15 and evaluates the spectra of the individual reflection points, which are stored in the memory shift register 12, 13 according to FIG. 4. Depending on the properties of the reflection points, changes occur in the reflection signals. If these changes and thus the character of the reflection points are already known, the properties for the visualization can be marked accordingly. The coordinates of the individual reflection points and their properties are then brought together on a display 16.
Für die Visualisierung kommen hauptsächlich zwei Möglichkeiten in Frage, zum einen die stereoskopische Visualisierung (z.B. für Personen oder Roboter) oder die direkte dreidimensionale Darstellung (z.B. für die Kartographie), die zweidimensional erfolgt.There are two main options for visualization: first, stereoscopic visualization (e.g. for people or robots) or direct three-dimensional representation (e.g. for cartography), which is two-dimensional.
Um die ausgesendete Energie zu verringern, kann erneut ein Sendesignal ausgesendet werden, das aber diesmal mit einer nicht konstanten Modulationsfunktion moduliert ist, bei der hauptsächlich nur die Frequenzbereiche enthalten sind, die für eine optimale Klassifikation („Farbzuordnung") der Reflexionspunkte benötigt werden. In order to reduce the energy transmitted, a transmission signal can be transmitted again, but this time it is modulated with a non-constant modulation function, which mainly contains only the frequency ranges that are required for an optimal classification ("color assignment") of the reflection points.
Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of the reference symbols used
1 Sender1 transmitter
2 Empfänger2 receivers
3 Signalkonditionierung3 Signal conditioning
4 Modulator4 modulator
5 Generator5 generator
6 Mischer6 mixers
7 A/D-Wandler 8 9 spektrale Zerlegung7 A / D converter 8 9 spectral decomposition
10 Zeitsteuerung10 time control
1111
12 Schieberegister12 shift registers
13 Speicherregister13 memory registers
14 Schaltung zur Klassifizierung14 Classification circuit
15 Schaltung zur Bestimmung der Koordinaten15 Circuit for determining the coordinates
16 Display 16 display

Claims

Aktives Ultraschall-SichtgerätPatentansprüche Active ultrasonic viewing device
1. Aktives Ultraschall-Sichtgerät mit mindestens einem Sender zum Aussenden eines Sendesignals mit einer beliebigen bekannten Modulationsfunktion und einer mediumabhängigen Bandbreite des Signals, mindestens einem in einer bekannten Position dazu angeordneten Empfänger, denen jeweils eine erste Signalverarbeitungseinheit zur n-kanaligen spektralen Zerlegung der von den Empfängern aufgenommenen Antwortsignale aus dem Medium und einem Speicher-Schieberegister nachgeordnet ist, einer zweiten Signalverarbeitungseinheit zur Bestimmung der Raumkoordinaten der Reflexionspunkte und einem Display.1. Active ultrasound viewing device with at least one transmitter for transmitting a transmission signal with any known modulation function and a medium-dependent bandwidth of the signal, at least one receiver arranged in a known position thereto, each of which has a first signal processing unit for n-channel spectral decomposition of the Received response signals received from the medium and a memory shift register is arranged downstream, a second signal processing unit for determining the spatial coordinates of the reflection points and a display.
2. Aktives Ultraschall-Sichtgerät nach Anspruch 1, bei dem die Empfänger symmetrisch zum Sender angeordnet sind.2. Active ultrasonic viewing device according to claim 1, wherein the receivers are arranged symmetrically to the transmitter.
3. Aktives Ultraschall-Sichtgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem den Empfängern jeweils ein Mischer zur Erzeugung der Schwebungsfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem Antwortsignalen nachgeordnet ist. 3. Active ultrasonic viewing device according to claim 1 or 2, in which the receivers are each followed by a mixer for generating the beat frequency between the transmission signal and the response signals.
4. Aktives Ultraschall-Sichtgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jeweils vor den ersten4. Active ultrasonic viewing device according to one of claims 1 to 3, in each case in front of the first
Signalverarbeitungseinheiten zur n-kanaligen spektralen Zerlegung ein A/D-Wandler vorgesehen ist. A / D converter is provided for signal processing units for n-channel spectral decomposition.
5. Aktives Ultraschall-Sichtgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem dem Speicher-Schieberegister ein Klassifikator nachgeordnet ist.5. Active ultrasonic viewing device according to one of claims 1 to 4, in which the memory shift register is followed by a classifier.
6. Aktives Ultraschall-Sichtgerät nach Anspruch 5, bei dem dem Klassifikator eine Vorverarbeitungseinheit vorgeschaltet ist.6. Active ultrasound viewing device according to claim 5, in which the classifier is preceded by a preprocessing unit.
7. Aktives Ultraschall-Sichtgerät nach Anspruch 5 oder 6, bei dem dem Klassifikator eine Analyseeinheit nachgeschaltet ist.7. Active ultrasonic viewing device according to claim 5 or 6, wherein the classifier is followed by an analysis unit.
8. Aktives Ultraschall-Sichtgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der Klassifikator ein statistischer8. Active ultrasound viewing device according to one of claims 5 to 7, wherein the classifier is a statistical
Klassifikator, wie ein neuronales Netz, eine Support- Vector-Machine oder dergleichen darstellt.Classifier, such as a neural network, a support vector machine or the like.
9. Aktives Ultraschall-Sichtgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Signalverarbeitungseinheit zur n-kanaligen spektralen Zerlegung ein akusto-optischer9. Active ultrasonic viewing device according to one of claims 1 to 3, in which the first signal processing unit for n-channel spectral decomposition is an acousto-optical
Prozessor, ein holographischer Wavelet-Prozessor oder ein ähnlicher analoger Prozessor zur Spektralzerlegung darstellt .Processor, a holographic wavelet processor or a similar analog processor for spectral decomposition.
10. Aktives Ultraschall-Sichtgerät nach Anspruch 4, bei dem die erste Signalverarbeitungseinheit zur spektralen10. Active ultrasound viewing device according to claim 4, wherein the first signal processing unit for spectral
Zerlegung ein Fast-Fourier-Prozessor, ein digitaler Wavelet-Prozessor oder ein ähnlicher digitaler Prozessor zur Spektralzerlegung darstellt.Decomposes a Fast Fourier processor, a digital wavelet processor or a similar digital processor for spectral decomposition.
11. Aktives Ultraschall-Sichtgerät nach Anspruch 4, bei dem die zweite Signalverarbeitungseinheit zur Bestimmung der11. An active ultrasonic viewing device according to claim 4, wherein the second signal processing unit for determining the
Raumkoordinaten aus einem Adaptive-Grid-Reconstruction- Prozessor besteht.Space coordinates consists of an adaptive grid reconstruction processor.
12. Adaptive-Grid-Reconstruction-Prozessor bestehend aus einem Rastergenerator, einer Einheit zur Bestimmung der Wege der Signale von dem Sender zu den Rasterpunkten und von den Rasterpunkten zu den einzelnen Empfängern für jeden Rasterpunkt, einer Speicherzeile für die zum Empfänger gehörenden Summen aller Amplitudenwerte über die Kanäle der n-kanaligen spektralen Zerlegung, einem Sampling-Address-Generator zur Bestimmung der Adresse der Amplitudenwerte innerhalb der zum Empfänger gehörenden Speicherzeile, und einer Einheit zur mathematischen Verknüpfung der aus den Speicherzeilen entnommenen Amplitudenwerte . 12. Adaptive grid reconstruction processor consisting of a raster generator, a unit for determining the paths of the signals from the transmitter to the raster points and from the halftone dots to the individual receivers for each halftone dot, a memory line for the sums of all amplitude values belonging to the receiver via the channels of the n-channel spectral decomposition, a sampling address generator for determining the address of the amplitude values within the memory line belonging to the receiver, and a unit for mathematically linking the amplitude values taken from the memory lines.
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