EMPLEO DE SECUENCIAS PSEUDO-ORTOGONALES EN SISTEMAS PHASED ARRAY PARA EXPLORACIÓN SIMULTÁNEA EN MÚLTIPLES DIRECCIONES.

Se propone el uso de las técnicas phased array con una excitación codificada a partir de un conjunto de secuencias pseudo-ortogonales,

como por ejemplo las derivadas de secuencias pseudoaleatorias o de CSS (Complementary Sets of Sequences), así como su posterior etapa de proceso, todo lo cual permite obtener imágenes del entorno con elevada resolución a partir de una única emisión que simultáneamente abarca múltiples direcciones diferenciadas del entorno, a diferencia de los sistemas phased array clásicos que precisan de una emisión por cada sector a inspeccionar. Esta invención introduce un nuevo método de excitación de los elementos del array y post-procesamiento de los ecos recibidos que incrementa la velocidad de generación de imágenes, así como la distancia máxima a inspeccionar manteniendo la calidad de la imagen.

Empleo de secuencias pseudo-ortogonales en sistemas phased array para exploración simultánea en múltiples direcciones

Sector de la técnica La invención pertenece al área técnica de la tecnología electrónica y dentro de esta área, y atendiendo a su aplicación, se encuadra en el campo de los sistemas sensoriales que usan la técnica phased array para exploración (por ejemplo escáneres ultrasónicos, radar, o de tipo similar) .

Estado de la técnica La tecnología phased array (pa) convencional está muy extendida en el campo de la imagen médica y ensayos no destructivos (end) para obtener imágenes con elevada resolución [kisslo, j.; vonramm, o.; & thurstone, f., "cardiac imaging using a phased array ultrasound system", ii. Clinical technique and application. Circulation, vol.53 (2) , pp.262267, febrero 1976.] [m. Parrilla, p. Nevado, a. Ibañez, j. Camacho, j. Brizuela, and c. Fritsch, "ultrasonic imaging of solid railway wheels", in proceedings of the ieee ultrasonics symposium, pp.414-417. Beijing, china, noviembre 2008.]. Esta técnica permite obtener imágenes con resolución milimétrica, pero con profundidad de penetración de pocos centímetros. Sin embargo, el desarrollo de sistemas de imágenes en 3d, así como la necesidad de representar sistemas con movimiento como el latido del corazón, genera la necesidad de incrementar la tasa de generación de imágenes.

Con el objetivo de mejorar la tasa de imagen se han desarrollado los sistemas de apertura sintética (sa) [lockwood, g.r.; talman, j.r.; brunke, s.s.; "real-time 3-d ultrasound imaging using sparse synthetic aperture beamforming, " ieee t ultrason ferr, vol.45, no.4, pp.980-988, julio 1998]. A pesar del notable aumento de velocidad en comparación con técnicas pa convencionales, todavía es necesaria más de una emisión para generar la imagen. Por otra parte, la relación señal a ruido y por tanto la profundidad de penetración obtenida con las técnicas de sa, se ve deteriorada ya que cada emisión se realiza con un único elemento.

Esta invención propone incrementar la tasa de imagen y la profundidad de penetración en los sistemas de imagen ultrasónica, u otros que usen pa, combinando la tecnología pa con secuencias pseudo-ortogonales utilizadas en sistemas cdma (code division for multiple access) . La codificación de la señal emitida cdma ha sido un recurso muy efectivo, junto con la multiplexación en frecuencia fdma (frequency division for multiple access) , para trabajar en entornos multiusuario permitiendo que todos emitan en el mismo instante de tiempo. [m. Peca, "ultrasonic localization of mobile robot using active beacons and code correlation, " eurobot, vol.82, pp.63-70, 2009.] [jörg, k. w., & berg, m., " mobile robot sonar sensing with pseudo-random codes", in proceedings of the ieee internationalconference on robotics and automation leuven, bélgica 1998.] [pérez, m. Del c., j. Ureña, á. Hernández, f. J. Álvarez,

a. Jiménez, and c. De marziani, "efficient correlator for ls codes generated from orthogonal css", ieee communications letters, vol.12 (10) , pp.764-766, octubre 2008.] [hernández, á., j. Ureña, m. Mazo, j. J. García, a.Jiménez, j. A. Jiménez, m. Del c. Pérez, f. J. Álvarez, c. De marziani, j. P. Derutin, et al., "advanced adaptive sonar for mapping applications", journal of intelligent & robotic systems., vol.55, pp.81-106, octubre 2009.]. Como demuestran los trabajos anteriores, para conseguir emisión y recepción simultánea de los distintos elementos que forman la estructura sensorial, se asigna a cada uno de ellos una secuencia pseudo-ortogonal que lo identifique unívocamente. Por lo tanto las secuencias utilizadas deben cumplir unas propiedades de pseudo-ortogonalidad como es el caso de los códigos kasami, los conjuntos de secuencias complementarias (css) y códigos derivados. Se entiende por pseudo-ortogonalidad cuando la auto-correlación (ac) de cualquiera de las secuencias consideradas presenta un máximo muy marcado para desplazamiento nulo en relación al resto de valores, y la correlación cruzada (cc) presenta valores muy bajos para cualquier desplazamiento en relación al máximo de auto-correlación.

En sistemas destinados a imágenes médicas también se han utilizado secuencias codificadas junto con sistemas phased array, pero con el objetivo de mejorar la relación señal a ruido snr sin aumentar la potencia emitida al paciente. [m. O’donnell, "coded excitation system for improving the penetration of real-time phased array imaging systems", ieee t ultrason ferr, vol.39, pp.341–351, mayo 1992] [t. Toosi and h. Behnam, "combined pulse compression and adaptive beamforming in coded excitation ultrasound medical imaging", in proceedings of the international conference on signal processing systems, pp.210-214, mayo 2009]. Además, en [y. Avrithis, a. Delopoulos y g. Papageorgiou, "ultrasonic array imaging using cdma techniques", in proceedings of the ix european signal processing conference (eusipco '98) , pp.681-684, grecia, septiembre 1998] se propone un sistema pa combinado con secuencias-m para adquirir en paralelo señales de varias direcciones. Sin embargo en este trabajo no es posible inspeccionar todas las direcciones con una única emisión, sino que requiere varias emisiones al no disponer de suficientes secuencias pseudo-ortogonales con baja correlación cruzada entre sí. Así, la técnica utilizada para finalmente inspeccionar las distintas direcciones del entorno es tdma (time division for multiple access) .

Esta invención reduce al mínimo el número de emisiones secuenciales necesarias para generar la imagen, bastando una única emisión para el escaneado de todo el sector angular deseado manteniendo el número de líneas de escaneado de la imagen. Se describe la posibilidad de dirigir o deflectar el haz en múltiples ángulos simultáneamente gracias a las propiedades de pseudo-ortogonalidad de las secuencias emitidas. Así, se permite inspeccionar el entorno y obtener una imagen del mismo con una única emisión, mejorando la relación señal a ruido del sistema snr y la tasa de generación de imágenes; a la vez que se mantiene el número de líneas de escaneado.

Explicación Los sistemas phased arrays permiten deflectar el haz o cambiar la dirección del lóbulo principal del sistema sensorial modificando los retardos de activación de cada uno de los elementos que constituye el array. El cálculo de los retardos para la deflexión queda definido por la ecuación (1) [smith, s.; pavy, h.g.jr.; von ramm, o.t., "high-speed ultrasound volumetric imaging system. I. Transducer design and beam steering", ieee t ultrason ferr, vol.38, no.2, pp.100 –108, marzo 1991]. Siendo c la velocidad del sonido, ot (n, 8i) el retardo en la emisión, que es función de la distancia entre los elementos o pitch (d) y del ángulo de deflexión 8i, donde i=[1, ..., l] representan las distintas direcciones o sectores angulares del entorno que se van a escanear. La variable n toma valores n=[0, ±1, ±2, …, ±n/2] para los elementos del array equi-espaciados en ambas direcciones al elemento central. En la ecuación (1) se incluye un retardo inicial t0 para evitar retardos negativos.

Lt (n, 8i) =n· d ·Sin 8i+T0

c

(1)

En los sistemas convencionales cada uno de los elementos es excitado por un pulso con el retardo ot (n, 8i) correspondiente al ángulo de deflexión (8i) y al elemento (n) , consiguiendo un frente de onda cuya dirección de propagación es 8i. Este proceso se lleva a cabo por cada una de las direcciones que se desee escanear 8i y que dan lugar a l líneas (a-scan) que conforman la imagen del entorno (b-scan) . Por cada línea de la imagen es necesario realizar una emisión con todos los elementos del array, por tanto el tiempo necesario para obtener una imagen con l líneas viene dado por (2) . Donde rmax es la distancia máxima de inspección, l el número de líneas que forman la imagen, tpulso el tiempo necesario para emitir el pulso usado para la excitación de los elementos y c la velocidad de propagación de la señal emitida (sonido, radiofrecuencia, …) .

rmax

Timagen=l· (tpulso+2· )

C (2)

En el sistema propuesto, en lugar de pulsos, se utilizan k secuencias pseudo-ortogonales distintas para excitar los elementos del array. La codificación de la señal (ultrasónica u otra) permite que con una única emisión se inspeccione todo el entorno, deflectando el haz en los l ángulos simultáneamente. Para ello se asigna una secuencia pseudo-ortogonal a cada uno de los sectores angulares (l=k) . Gracias a sus propiedades de auto-correlación (ac) y correlación cruzada (cc) es posible discernir el sector angular del que provienen los ecos tras un proceso de correlación que se lleva a cabo...

1. Un método de generación de imágenes B-Scan con L líneas del entorno, usando un array de N emisores y otro de NRX receptores a partir de una única emisión de señal sin necesidad de multiplexar en el tiempo o frecuencia.

2. El método según la primera reivindicación, caracterizado porque se utilizan N emisores y un solo receptor, combinando la deflexión del haz propia de las técnicas PA en el array de emisores con una codificación con K secuencias pseudo-ortogonales derivadas de secuencias pseudoaleatorias o de conjuntos complementarios de secuencias o códigos derivados.

3. El método descrito en las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por el procesado de la recepción en un único elemento con un banco de K filtros correladores, capaz de dar L=K sectores o líneas del entorno.

4. El método descrito en las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado por la combinación de la técnica de codificación y procesado descrita con otras basadas en multiplexación en tiempo o en frecuencia.

5. El método descrito en las reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, caracterizado por la utilización de otros tipos de secuencias ortogonales o pseudo-ortogonales, así como por modulaciones de la señal enviada en fase o frecuencia, que permitan discriminar entre los distintos sectores analizados.

6. El método descrito en la primera reivindicación caracterizado por el empleo de N emisores y NRX receptores, ampliado a una codificación con K secuencias pseudo-ortogonales, repetidas por cada uno de los P sectores en que se divide después la señal en recepción a partir del array de NRX elementos de recepción.

7. El método descrito en las reivindicaciones 1 y 6 caracterizado por el procesado en recepción con K correladores en cada uno de los P sectores de recepción, obteniendo un total de L=K·P sectores o líneas del entorno sin necesidad de multiplexar en el tiempo o frecuencia.

8. El método descrito en las reivindicaciones 1, 6, y 7, caracterizado por la combinación de la técnica de codificación y procesado descrita con otras basadas en multiplexación en tiempo o en frecuencia.

9. El método descrito en las reivindicaciones 1, 6, 7 y 8, caracterizado por la utilización de otros tipos de secuencias ortogonales o pseudo-ortogonales, así como por modulaciones de la señal enviada en fase o frecuencia, que permitan discriminar entre los distintos sectores analizados.

Figura 1 Figura 2