專利名稱：多相位并行處理的數字射束形成器的制作方法
名稱為“局部射束形成”的美國申請US 93 7417已轉讓給本申請的受讓人，該申請的主題與本申請的主題是相同的。
本發明涉及時域接收射束形成器，它使用了數字信號處理技術，即模數轉換器、數字存儲器、加法器、乘法器、濾波器等等，更具體地涉及到在醫用超聲波診斷系統中的數字接收射束形成的方法和裝置。
系統中射束形成的目的是形成一個窄的射束，在存在來自其它位置的噪聲和干擾的情況下，以改善從所需位置來的信號接收。射束形成可在能量發射或接收進程中進行。本發明涉及的是在接收過程中形成的射束。
射束形成在許多應用場合都有用，例如；雷達、聲納、通信、地球物理學、天文物理學等等。本發明是關于超聲波成像中的射束形成。使用醫用超聲波成像裝置，病人體中的剖析結構可被顯示和分析。該裝置發射非常高的頻率(一般為2MHz到10MHz)的聲波到病人體中，然后對被測體內結構的反射的回波進行處理。該裝置的目的是要顯示和/或分析該返回的回波。有許多種顯示可用于醫用超聲波診斷裝置，但一種可能是最有用的是被檢測剖析結構的、選擇的剖面的兩維圖象。該重要的操作模式稱為回波或B模式。使用該操作模式，許多病人體內的剖析缺陷都可被檢測。另外，這些缺陷的尺寸可或多或少地精確確定。在該操作模式中，從所選擇剖面來的回波被處理和顯示。在該操作模式中對于其性能而言，最苛刻的操作參數是分辨單元的尺寸。該分辨單元的尺寸可由動態聚集和動態(匹配的)濾波來減小(由此增加分辨率)。這些技術用數字射束形成器比用模擬射束形成器容易實施。
在某些臨床應用中，剖析缺陷會相當小并被大回波覆蓋。可是，通過將血管中的血液的流速進行相當大的改變，就可使血管中或附近的剖析缺陷自身變明顯。已知有一種多普勒移位回波處理技術可用于確定運動物體的速度。用于血流的多普勒移位顯示能更容易地檢測相當小的解剖學上的異常。該操作模式，現在一般稱為彩色流，比如授予給金(Kim)的US專利4800891所描述的，它允許從剖析結構的大選擇剖面聚集有關血速的多普勒信息。可是，困難的是需要足夠的超聲波數據來產生足夠高的幀速率的、精確高分辨血流圖像。為了從小的剖面區域得到有關血流速度更精確的多普勒信息，例如要使用在1986年6月公開的Hewlett-Packard雜志的第35-40頁上的、由Halberg和Thiele撰寫的文章中所公知的多普勒處理技術。用該技術，可將更多時間用于所選擇的小區域。該多普勒數據通常由FFT技術處理并由頻譜顯示。該多普勒數據也可表示為聲頻信號。
射束形成的質量對超聲波成像裝置的前述操作模式的精確性、分辨率和其它參數有很大影響。常規射束形成器提供電子時延，以匹配超聲波壓力場的信號傳播的延遲，它是從某個方向出現在超聲波射束形成器上的。該時延(或空間處理)加大了與背景噪聲和方向性干擾有關的相關波前振幅。在模擬射束形成器中，這由模擬延遲線和求和網絡來完成。這些模擬部件在許多不同方面限制了現代超聲波診斷設備(因此是不希望的)。它們是相當貴的、不穩定的、且容易受環境和年代的影響。模擬部件也需要仔細的制造和安裝。模擬延遲線的使用也限制了現代超聲波裝置所需的靈活性。為了支持前述的主要操作模式，在模擬射束形成器中必須作出許多妥協。另外，如果用模擬處理技術來實施射束形成器的話，為增加實時超聲波設備的幀速率而必需的并行處理花費很大。
數字部件的性能和可靠性的增強以及成本的減少使得數字射束形成更可能替代傳統的模擬射束形成。精確性、穩定性和靈活性是數字信號處理技術的主要優點。當前的標準數字電路可工作在超過30MHz的尼奎斯特速率上。對于RF取樣和現代超聲波信號處理時間來說，這些取樣頻率是足夠高的。可是，為適當地匹配數字射束形成器中的傳播延遲而需要的取樣速率比精確的信號結構的尼奎斯特速率大幾倍，即高于100MHz。與所需精度關聯的這些處理速度仍然高于目前可獲得的模擬-數據轉換器(ADCS)的性能。通過使用標準的數字成分的并行處理可用這些速度來完成其它的數字功能(比如不是ADCS)。
在Proceeding of the IEEE Vol.67，No.6，pp.904-919，June 1979公開的文章中，由Pridham和Mucci建議的方法，即通過使用數字內插可以簡化數字射束形成中對ADC的高速取樣要求。接收的回波只需要以滿足或超過尼奎斯特頻率fo的時間間隔進行取樣。用于ADC取樣速率的該減少的代價是相應增加數字處理的需要。射束形成所需的精確延遲增值用數字內插產生。如眾所周知的，在數字內插之前，數據應該調整到零(比如零分散在數據中)，因此增加了數據速率。Pridham和Mucci建議了兩個可取的方法。在第一個中，即預射束形成內插方法，用于每個接收信道的內插濾波器被放置在ADC和零調整電路之后，但在射束形成電路之前。在第二個中，即后射束形成內插方法中，內插濾波器被放置在射束形成之后。在射束形成之后的濾波是可能的，因為射束形成是線性工作的。在第一個方法中，信號處理的條件不是最佳的，因為每個接收信道都需要內插濾波器。在第二個方法中，內插濾波所需的數字處理比第一個方法所需的少，因為只做一次而不是對每個信道都做濾波。通過將該內插濾波器與數字射束形成器之后的接收電路的數字濾波器結合，可進一步減少數字處理的需要。可是，該射束形成信號處理還不是最佳的，因為該射束形成信號處理的速率(即產生所需時延的那些)遠高于信號的尼奎斯特速率。
本發明的目的是要提供一種數字射束形成的方法和裝置，它將信號處理速率最小化，以便系統可由工作在信號尼奎斯特速率上的數字電路構成。在超聲波診斷系統中實施這樣的方法或裝置將提供數字射束形成的所有優點，即各個操作模式的靈活性、并行信道射束形成、動態聚集、匹配的濾波等等，它們都使信號處理的數據速率減至最小。
按照本發明的原理，發明人取得的優點基于如下事實，即數字射束形成器中的數字硬件的操作速度是通過提供信號數據的多相位并然后在并行的求和通道中處理該多相位數據來減少的。按照該技術，用于形成所需射束形成延遲的單個數字電路的操作速度與常規的后射束形成內插方案相比沒有增加，因此，有效數據速率增加了N倍并導致延遲量化誤差減少N倍。
按照本發明的另一方面，在并行求和通道中的多相位數據被順序地相加，以簡化射束形成電路的數據求和、數據通道和測試。
按照本發明的再一個方面，并行處理的通常補償即操作的復雜性可用并行求和通道中的冗余來避免。數據求和所需的電路通過對所有并行求和通道多次使用同一相加電路來減少。
從下面的優選實施例和權利要求的描述中，本發明這些和其它特征將變得更清楚。
至于對本發明更全面的理解，下面將參考本發明的優選實施例和附圖進行詳細的描述。
圖1是以功能性方框圖形式圖示了按照現有技術的一個超聲波成像裝置，它具有一個數字射束形成器和來自每個接收信道的順序數據取樣求和；圖2是以功能性方框圖形式圖示了圖1中的數字射束形成器中的數據取樣的順序求和，其改變是包含了機內測試電路；圖3是以功能性方框圖形式圖示了按照本發明原理所構成的數字射束形成器的多相位處理方案，與圖1的實施例比較時，該裝置加倍了射束形成器的精確性；圖4是以方框圖形式圖示了如圖3所示的按照本發明原理構成的數字射束形成器的動態延時控制器的細節，并具有四相位數據和四并行求和通道；圖5圖示了將三個鄰近接收信道的順序數據取樣分配到圖4所示四個相位的各個中，以完成按照本發明的射束形成；圖6是以方框圖形式圖示了用于圖4所示數字射束形成器的數據取樣的對齊、內插和抽選的FIR濾波器的細節；
圖7是以功能性方框圖形式圖示了按照本發明另一方面構成的數字射束形成器，它由局部射束形成器和來自每個局部射束形成器的順序信號取樣求和組成。
現代醫學超聲波系統使用具有多個變換器(transducer)單元的探頭(probes)，因此其射束形成器具有多個信號處理信道。信道數可以是64、128，甚至可高到256。通常，將所有射束信號處理信道在單一電路板上實現是不實際的。因此，接收射束形成器通常被分配到幾個組。每組為包括一些接收信道的(比如8或16個信道)部分射束形成器。來自目標的回波信號由探頭的變換單元接收。每個單元連接到不同的接收信道。在每個接收信道中來自變換器單元的信號被放大然后以統一的速率fo數字化。
具有射束形成器的電子掃描超聲波診斷裝置包括一系列數據求和通道，如圖1所示。超聲波探頭1由變換器單元T1到TM的陣列組成。為了簡化描述，假設上述的M＝4，但它也可更大些。眾所周知，四個脈沖發生器10至13借助于觸發信號產生常規的驅動脈沖，以使單元T1到T4發射超聲波信號到測試的機體組織。從受測試的機體組織中反射回來的超聲波回波信號由相同的變換器T1到T4接收。在并行接收信道2至5中，按照由每個單元提取的回波信號分別由放大器14至17中的一個放大，然后分別由ADC 20至23中的一個以統一速率進行數字化。從并行接收信道接收的數字數據被分別存貯在存貯器24至27中。從自存貯器24至27讀出的數據由包括加法器30至33的順序求和通道順序地加到來自前面的并行接收信道的數據上，該加法器輸出端的和在發送到下一信道之前被臨時存貯在鎖存器34和37中。為了考慮并補償由加法器30-33對數據順序求和引起的信號處理時間延遲，通過對存貯器24至27的讀出或寫入來產生時間延遲。該順序求和簡化了信號處理數據通道。在最后一個加法器33的輸出端產生的成形射束信號由檢測器6檢測。為了在顯示器9上顯示數據，如熟知的，必須用數字掃描轉換器(DSC)7將數字數據信號轉換為視頻信號。系統所有的控制都由控制器8產生的控制信號來執行。
如圖2所示，給每個并行接收信道組提供內設測試裝置。在數據求和通道開始處連接一個數據發射器44，而在數據求和通道的結束處連接一個數據接收器45。控制器8為數據發射器44設置一個數字測試數據的預定模式，然后它被數據求和通道處理并由數據接收器45接收。控制器8然后分析接收的數據，以看它在數據求和后是否與期望的數據重合。在射束形成模式中，由數據發射器44產生零，以使來自存貯器24-27的數據序列求和不受干擾。
為取得較小的動態聚集延遲量化誤差，按照本發明的一方面，提供了一個新的射束器內插裝置。常規的射束形成內插中，如上所述，如果數據速率增加N倍，那么加法器的處理速度和時鐘頻率也將增加相同的倍數。為了避免使用高頻時鐘和高速加法器，新的射束形成內插裝置使用一個多相位存貯讀出方案，1)它減少了量化誤差，2)它允許在射束形成器處理的整個過程中使用相同的時鐘頻率fo。用該裝置接收信道組可用單個內插抽選濾波器來組合，因此用每個接收信道來形成局部束流。
具有多個相位存貯器讀出裝置的新的射束形成器被示于圖3中。寫入到存貯器24至27的數據時鐘頻率與取樣速率是一樣的，即fo。讀出時鐘也是fo，但并不是統一的。如需要附加延時時，在其些時鐘處要停止讀出。這給出了延時的調整1/fo，這兒稱作為粗略延時單位。為進一步減少延時的量化誤差，讀出的數據被分為N個并行的求和通道P1和P2(圖3中N＝2)，以精確地調整延時為粗略延時單元的(n-1)/N，n＝1、…N。每個并行求和通道代表讀出數據的不同相位。因此，通過移動讀出的數據到一個相位，延遲調整將為1/(Nfo)，這兒稱作為精確延遲單元。通過使用該多相位讀出，可用精確延遲單元來調整動態的接收聚集。從所給信道的每個數據取樣僅指向相位P1和P2中的一個。可是，在將數據指引到選擇的并行求和通道之前，必須將它加到從鄰近信道來的數據取樣上。選擇器70至77、50至53、加法器30至33以及鎖存器60至67對提供到并行求和通道的數據取樣執行指引和序列求和。例如，如果從存貯器25來的數據被指引到相位P1，則相位P1從鎖存器60來的數據通過選擇器51被加到加法器31。與此同時，選擇器75將來自相位P2、從鎖存器64輸出的數據加到鎖存器65。下一步，選擇器71選擇來自加法器31的數據并將該數據指引到鎖存器61。控制器80-83決定來自存貯器25至27的數據應被指引到N相位中的哪一個，并因此控制互相關聯的選擇器和鎖存器。內插抽選濾波器90組合該多相位數據，然后以系統時鐘速率fo將該組合的數據輸出到超聲系統的保持器。
圖4是一個優選實施例，其中射束形成器具有四個相位數據(P1-P4)，因此有用于回波數據的四個并行求和通道和動態延時控制器80。該動態延時控制器80通過存貯器讀出控制信號R和選擇器控制信號S1-S4輸出每個信道在每個時鐘所需要的相位信息。例如，在給定的時間，所給接收信道的存貯器讀出相位假設為相位P2，則在P2求和信道(其數據是從原先信道產生的)的數據將直接通過選擇器50并通過加法器30加到來自信道i(當它從FIFO存貯器28中讀出時)的新數據上。來自加法器30的和然后將直通選擇器171回到P2求和信道，準備用于下一個并行求和通道(i+1)。剩余的并行求和通道(P1、P3和P4)通過選擇器170、172和173直接連接到鎖存器160、162和163，這等于將在這些其它相位中的第i個信道回波數據調整為零。因此，延時控制器80控制每個信道存貯器的每個數據取樣讀出的相位。包括用于對射束形成器中所有信道存貯聚集延遲數據分類的查尋表86、交叉點開關87和移位寄存器88(一個接收信道一個移位寄存器)的延遲數據存貯器85給每個信道輸出1比特的數據流。來自延遲數據存貯器85的“1”，叫做相移脈沖，它表示需要一個附加的精確延時單元，并將導致相移。一個5比特的移位寄存器89(每個接收信道一個寄存器)產生相位信息選擇器控制信號S1-S4，存貯器讀出禁止信號R通過或門91和由fo定時的與門92產生。在5比特寄存器89中每一時刻只有一個比特被設置到“1”，因此指明了來自第i個信道的數據被指引到四個相位中哪個。只要當移位寄存器接收到這樣一個相移脈沖，該“1”右移，因此將選擇的相位從P1改為P2，或從相位P2改為P3、或從相位P3改為P4。在移位寄存器的輸出端P4與其移位輸入端之間還連接所示的或門93和與門94。因此，如果沒有來自延遲數據存貯器85的相移，選擇器控制信號(S1-S4)將保持不變。移位寄存器中的狀態0是臨時狀態。當選擇相位P4時，“1”的增值將移位寄存器 臨時地從狀態4移位到狀態0。下一個時鐘將改變輸入的狀態以將移位寄存器89從狀態0移到狀態1。在下一個相位脈沖“1”到來之前，移位寄存器89將保持在狀態1。在狀態為0的時鐘周期中，不從存貯器28中讀出數據，因此從存貯器28來的數據的延遲的長度將增加1。因此，通過該機構，四個精確延遲單元被調整到一個粗調延遲單元。
在圖4中四個并行求和通道中由此而來的求和數據(相加的數字數據)被并行地提供到內插抽選濾波器90。濾波器90完成輸入數據的對齊、內插和抽選功能。由于并行輸入的多相位特性，濾波器90的有效輸入數據速率為輸出或任一并行求和通道輸入數據的數據速率的四倍。
為了舉例，圖5圖示了在三個順序時間期間t1、t2和t3，將三個鄰近接收信道(1-3)的三個順序數據取樣分配到圖4所示四個相位P1-P4的各個中。在圖5中實際的數據取樣由X表示(以1/fo速率出現)，用于完成零調整的零值取樣由0表示(以1/4 fo速率等份地分散出現在實際數據取樣中)，水平方向代表時間。對于三個圖示的并行接收信道，為達到射束成形器動態聚集而在每個時期中需要的延時由垂直升起的曲線所示，如眾所周知的。從該定時圖中可明顯看出在信道1的t1時期只有一個實際取樣(信道1中的第二取樣)最接近時間延遲曲線，即緊跟在P4相位后面的那個，因此P4求和通道是最可能接收該取樣的。對于所有其它相位(P1至P3)，在數據通道中都加上零(由圖4的選擇器和鎖存電路)。在t1-t2的時期中，來自所有四個并行求和通道的數據從頻道1直通到信道2(由圖4中選擇器和鎖存電路)。在時刻t2，從接收信道2的存貯器中讀出實際的數據取樣并將它指引到并行的求和通道代表相位P1，因此實際的取樣最接近需要的時延曲線。在此時(t2)，信道1沒有最接近時延曲線的實際取樣。注意實際取樣(第三個取樣)事實上較接近t3時期的相位P1。因此，在信道1的t2時期中的所有四個相位都被調零。該“沒有數據提供”對應著上述的移位寄存器89的狀態“0”。然后，在時間t2和t3之間，取樣數據從接收信道2直通到接收信道3，并從接收信道1到接收信道2。在時刻t3，從信道1的存貯器中讀出的第三個取樣被放置到并行求和通道代表相位P1中(如前所述)，從信道2的存貯器讀出的第二個取樣被放置到并行求和通道代表相位P1中，而從信道3的存貯器讀出的第二個取樣被放置到并行求和通道代表相位P4中。
在本發明的優選實施例中，較方便的是使用有限脈沖響應(FIR)濾波器作為內插抽選濾波器90，因為它的瞬時響應時間短并有固有線性相位。圖6所示的FIR濾波器包括(對于四個相位系統)一個8端低通濾波器并有效地使用對稱的脈沖加權系數(a1、a2、a3、a4；a4、a3、a2、a1)以節省需要的乘法器201、202、203和204的數量。來自求和通道代表相位P1、P2、P3和P4的“當前”相位數據被分別存貯在鎖存器205、206、207和208中。以形成“舊”相位數據。然后，該“舊”數據通過加法器213、212、211和210被加到到達求和通道代表相位P4、P3、P2和P1的“當前”數據上，最后通過在求和器214中組合乘法器201、202、203和204的輸出來產生射束形成器的輸出取樣。
Pridham和Mucci建議內插和抽選濾波器可在射束形成前或后放置。在射束形成之前實施該濾波器需要每個信道具有自己的內插抽選濾波。而在射束形成之后實施則解決了該問題，但它需要射束在非常高的取樣頻率下完成。按照本發明的原理，該濾波器是在射束形成中實施的，而不是在射束形成之前或之后。該方法替代了該濾波器，其中它對作為整體的射束形成器的成本是最有效的。在局部形成幾個該并行接收信道的組之后，進行濾波和減少數據速率。例如，并行接收信道可被組合到兩組、四組、八組或更多。該濾波器本身可被放置在用于局部形成分組信道的電路板或集成電路(IC)上。該技術減少了分組信道、電路板和IC之間所需要的連接和/或數據速率。那么，以該系統的取樣速率并只用一個數據通道就可進行分組信道(即局部形成的射束)的最后相加。
圖7是該接收射束形成器的整體圖，它更清楚地圖示了本發明局部射束形成體系。在每個信道中，從目標來的回波信號由探頭的變換器單元接收。每個變換器單元都連接到常規設計的脈沖接收器102。由每個變換器單元產生的信號由ADC 103以統一速率fo例如36MHz進行數字化。鄰近的并行接收信道組(比如8)被組合，以形成一個局部射束形成器113。與現有技術方法相反，本發明給每個局部射束形成器113提供一個內插抽選濾波器。盡管對整個射束形成器系統可以只使用一個內插抽選濾波器，該圖示的方案是每個接收信道一個內插抽選濾波器，這減少了局部射束形成后的數據速率，達到取樣速率fo。即在射束形成之前和之后都使用了信號處理速率fo，但在射束形成中，有效速率為四倍fo。從硬件的觀點看，這是一個非常好的實施例，因為高效信號速率保證了單個電路板甚至單個集成電路，因此減少了系統的連接和復雜度。來自每個局部射束形成器113的信號然后順序地被加法器114(以fo操作)相加以形成最后的射束。為了考慮由于順序加法器114產生的數據延遲，在存貯器24-27輸出端建立的延遲值具有一個附加的延遲，以進行補償。從最后一個加法器114來的射束信號然后被送到檢測器107。一個D.S.C.108，將該信號進行數字掃描轉換為視頻信號以在顯示器109上重現。
已經顯示并描述了一個新穎的射束形成方法和裝置，它滿足了所有目的和想到的優點。在考慮了揭示優選實施例的該說明書和附圖之后，普通技術人員對本發明作出的許多改變、變形、變化和其它使用和應用將變得更明顯。例如，可以使用多于四個或少于四個的數據求和通道，延時控制器80也可用不同技術來完成。另外，每個數字信號取樣可從兩個或多個變換單元中產生，而不是從一個單元中產生。所有的這些改變、變形、變化和其它使用和應用都不脫離本發明的精神和范圍，本發明所要求覆蓋的范圍由后面的權利要求來限定。
權利要求
1.一種用于產生數字射束形成器信號的方法，它使用由變換器單元陣列按照波形的接收而產生的輸出信號，該輸出信號以多個并行接收信道處理，供電子掃描機體，該方法包括步驟轉換每個并行接收信道中的輸出信號為由數字取樣組成的數字信號；對于每個數字信號的每個數字取樣，確定將所說數字取樣加到多個并行求和通道中的哪一個上，所說的確定基于在所說并行接收信道的鄰近信道數字取樣之間獲得的時延；通過從所說確定的并行求和通道恢復數字數據取樣并將所說數字取樣加到它之上以形成相加的數字數據取樣，將每個數字取樣加到在前步驟中為它確定的所說一個并行求和通道中，然后將所說相加的數字數據取樣提供給所說并行求和通道；以及將每個所說并行求和通道的已相加的數字數據取樣濾波和組合，以形成數字射束形成器信號。
2.按照權利要求1的方法，其中所說確定步驟的確定基于每個接收信道的數字取樣之間所需的時延，當它們與其它接收信道的數字取樣組合時，因此代表從所說機體信號點來的反射波的輸出信號在所說并行求和通道中被相加到一起，以形成所說數字射束形成器信號。
3.按照權利要求1的方法，其中所說變換器陣列的單元的次序由其空間位置相互確定，所說確定步驟的確定，部分基于產生所說數字取樣的變換器單元的次序。
4.按照權利要求1的方法，其中每個并行求和通道包括一個輸入、一系列加法器的連接和一個輸出，每個接收信道與每個并行求和通道連接以使在所說接收信道的鄰近信道之間具有所說求和通道的加法器，所說相加步驟包括從所說一個并行求和通道中的給定加法器中恢復數字數據取樣以及將所說數字取樣加到它之上以形成相加的數字數據取樣，然后將所說相加的數字數據取樣提供到跟隨所說給定加法器的所說一個并行求和通道中的一個位置上。
5.按照權利要求1方法，其中所說確定和相加步驟被一起控制，以獲得恰當的聚集和/或射束控制延遲，當所說數字取樣被加到所說并行求和通道中時。
6.按照權利要求1的方法，其中所說轉換步驟包括按照所說多個接收信道中的每個中的數字取樣，控制數字存貯裝置的寫入或讀出中的一個或兩個，以在所說并行接收信道的數字取樣信號中建立粗略的時延。
7.按照權利要求6的方法，其中所說確定步驟按照每個所說數字取樣被加到所說多個并行求和通道中的哪個上來確定在所說并行接收信道的數字取樣中的精確時延，所說精確時延被量化為所說粗略時延單元的1/N的時間單元，其中N等于并行求和通道數。
8.按照權利要求6的方法，其中所說并行求和通道包括一系列加法器連接并導致一個增加的延遲給相加的數字數據取樣，當它們由此處理時，所說的轉換步驟控制所說的數字存貯裝置，以在所說并行接收信道的數字取樣信號中建立一個時延，它補償由所說并行求和通道中所說加法器的序列連接引起的增加的時延。
9.按照權利要求1的方法，其中當所說數字取樣被加到所說一個并行求和通道時，所說相加步驟被控制以將從每個所說并行接收信道來的零數字取樣值加到所有那些并行求和通道，而不是加到所說一個并行求和通道。
10.按照權利要求9的方法，還包括步驟產生多個控制信號，它們被用于控制所說相加步驟；以及旋轉所說控制信號的應用次序，以使控制信號以旋轉方式應用于所說并行接收信道的每個順序信道中。
11.按照權利要求1的方法，其中所說濾波和組合步驟包括用線性相位FIR數字濾波器將所說相加的數字數據取樣進行內插和抽選。
12.按照權利要求1方法，其中所說濾波和組合步驟由從多個所說多個并行接收信道的子組中用數字取樣形成的相加的數字數據取樣實現，以形成多個局部射束形成信號，每個子組一個；以及將所說局部射束形成器信號相加在一起以形成最終的射束形成器信號。
13.一種用于產生數字射束形成器信號的裝置，它使用由變換器單元陣列按照波形的接收而產生的輸出信號，供電子掃描機體，包括多個并行接收信道，用于處理所說輸出信號，每個接收信道包括用于將每個并行接收信道中的輸出信號轉換成由數字取樣組成的數字信號；多個并行求和通道，每個并行求和通道由一序列數字數據相加級連接組成并有一個輸出；延遲確定裝置，用于對每個數字信號的每個數字取樣確定所說的數字取樣被加到所說并行求和通道的哪個中，所說的確定基于在所說并行接收信道的鄰近信道數字取樣之間的時延；選擇性的相加裝置，響應于所說延遲確定裝置，用于導致所說多個接收信道的每個信道中的每個數字取樣被控制地加到所說一個為它確定的一并行求和通道中，以在所說并行求和通道中形成相加的數字數據取樣；以及組合裝置，響應于從所說多個并行求和通道輸出的所說多個相加的數字數據取樣，用于組合每個所說并行求和通道的已相加的數字數據取樣，以形成所說的數字射束形成器信號。
14.按照權利要求13的裝置，其中所說延遲確定裝置包括計算裝置，用于計算在每個接收信道的數字取樣之間所需的時延，以使當它們與其它接收信道的數字取樣組合時，代表來自所說機體單個點來的波反射輸出信號在所說并行求和通道中相應地相加在一起，以形成所說的數字射束形成器信號。
15.按照權利要求13的裝置，其中所說變換器陣列的單元的次序由其空間位置相互確定；由所說延遲確定裝置進行的確定部分基于產生所說數字取樣的變換器單元的次序。
16.按照權利要求13的裝置；其中所說選擇性相加裝置包括用于所說多個并行接收信道中每個的單一加法器，該加法器通過多路復用裝置和鎖存裝置連接到多個所說并行求和通道中每個通道，用于選擇性地形成所說并行求和通道的數字數據相加級；以及所說選擇性相加裝置控制所說多路復用裝置，以導致從所說一個并行求和通道中的給定加法器中恢復數字數據取樣，將來自一個所說多個接收信道的數字取樣加到所說恢復的數字數據取樣，以形成相加的數字數據取樣，然后將所說相加的數字數據取樣提供到跟隨所說給定加法器的所說并行求和通道中一位置。
17.按照權利要求14的裝置，其中所說計算裝置確定所說時延，以獲得適當的聚集和/或射束操縱的延遲，當所說數字取樣從所說多個并行接收信道加到所說多個并行求和通道時。
18.按照權利要求13的裝置，其中所說并行接收信道每個包括一個響應于其信道中數字取樣的數字存貯裝置，該存貯裝置有一個或兩個數字取樣的寫入或讀出被控制，以在所說并行接收信道的數字取樣信號中建立粗略時延。
19.按照權利要求18的裝置，其中所說延遲確定裝置在所說并行接收信道中按照每個所說數字取樣被加到所說多個并行求和通道的哪個中來確定精確的時延，所說精確時延被量化成所說粗略時延單元的1/N的時間單元，其中N等于并行求和通道數。
20.按照權利要求16的裝置，還包括產生多個控制信號的裝置，它們被用于控制所說選擇性相加步驟，以及旋轉所說控制信號的應用次序，以使控制信號以旋轉方式應用于所說多個并行接收信道的每個順序信道中。
21.按照權利要求13的裝置，其中所說組合裝置包括用線性相位FIR數字濾波器將所說相加的數字數據取樣進行內插和抽選的裝置。
22.按照權利要求13的裝置，其中所說組合裝置使用從所說多個并行接收信道的多個子組中用數字取樣形成的相加的數字數據取樣，以形成多個局部射束形成器信號，每個子組一個；以及附加的組合裝置，將所說局部射束形成器信號相加在一起以形成最終的射束形成器信號。
23.按照權利要求13的裝置，還包括處理器控制裝置，用于提供控制信號，它控制所說延遲確定裝置和所說選擇性相加裝置，因此在所說并行求和通道中控制所說相加數字數據取樣的相加；以及數據發射裝置，響應于所說處理器控制裝置，用于提供預定的數字取樣，按照由所說選擇性相加裝置的控制，它被加到所說并行求和通道中所選擇的通道上，以在所說并行求和通道中產生相加的數字數據取樣；所說處理控制裝置響應于所說并行求和通道中的所說相加的數字數據取樣，以分析所說相加的數字數據取樣并將它們與期望在所說并行求和通道中按照由所說數據發射裝置提供到所說并行求和通道預定數字取樣產生的相加的數字數據取樣進行比較，以形成所說射束形成器的機內測試裝置。
24.按照權利要求13的裝置，還包括處理控制裝置，用于提供控制信號，它控制所說延遲確定裝置和所說選擇性相加裝置，因此，在所說并行求和通道中控制所說相加數字數據取樣的相加；以及數據發射裝置，響應于所說處理控制裝置，用于提供預定的數字取樣，按照由所說選擇性相加裝置的控制，它被加到所說并行求和通道中所選擇的一個上，以在所說并行求和通道中產生相加的數字數據取樣；所說處理控制裝置響應于所說并行求和通道中的所說相加的數字數據取樣，以分析所說相加的數字數據取樣并將它們與期望在所說并行求和通道中按照由所說數據發射裝置提供到所說并行求和通道預定數字取樣產生的相加的數字數據取樣進行比較，因此形成所說對并行接收信道的每個子組射束形成器的機內測試裝置。
25.按照權利要求22的裝置，其中多個并行接收信道的每個子組，與所說多個并行求和通道的局部相關，由此與所說多個選擇性相加裝置相關，以及對應于由所說并行求和通道的所說相關局部提供的相加的數字數據取樣的所說組合裝置的局部，全部具有其在單個集成電路上形成的信號處理通道。
26.按照權利要求25的裝置，還包括處理控制裝置，用于提供控制信號，它控制所說延遲確定裝置和所說選擇性相加裝置，因此在所說并行求和通道中控制所說相加數字數據取樣的相加；以及數據發射裝置，響應于所說處理控制裝置，用于提供預定的數字取樣，按照由所說選擇性相加裝置的控制，它被加到所說并行求和通道中所選擇的一個上，以在所說并行求和通道中產生相加的數字數據取樣；所說處理控制裝置響應于所說并行求和通道中的所說相加的數字數據取樣，以分析所說相加的數字數據取樣并將它們與期望在所說并行求和通道中按照由所說數據發射裝置提供到所說并行求和通道預定數字取樣產生的相加的數字數據取樣進行比較，因此為每個單一集成電路形成機內測試裝置。
全文摘要
按照本發明的原理，發明人取得的優點基于如下事實，即在具有多個并行接收信道的數字射束形成器中的數字硬件的操作速度可以通過對由每個接收信道具有的信號數據提供多相位并然后在N個并行的求和通道中處理該多相位數據來減少。一個內插抽選濾波器從N個并行求和通道接收的該多相位數據并在其輸出端提供具有減少的數據速率(1/N)的信號。按照該技術，用于形成所需射束形成延遲的專門數字電路的操作速度與常規的反射束形成內插方案相比沒增加。因此，有效數據速率增加了N倍并導致延遲量化誤差減少N倍。
文檔編號G10K11/00GK1119893SQ94191605
公開日1996年4月3日 申請日期1994年3月16日 優先權日1994年3月16日
發明者金晉, 姚林新, 佐蘭·班杰寧, 福喜多博, 荻原尚, 川淵正已 申請人:西門子醫療系統公司, 松下電器產業株式會社