Brevet FR2761781A1 — publié le 19981009

SYSTEME D'IMAGERIE ACOUSTIQUE La présente invention se rapporte aux systèmes d'imagerie acoustique qui permettent d'obtenir des images par traitement des échos reçus des objets dont on souhaite faire l'image. Ces échos sont obtenus à partir d'un signal acoustique, généralement ultrasonore, émis par le système vers ces objets. Cette technique de base peut être appliquée dans différentes utilisations, notamment dans des sonars, qui sont à l'origine de cette branche de la technique, et dans les échographes médicaux, qui représentent une évolution particulièrement importante de cette technique initialement limitée au sonar. La technique sonar, qui est partie à l'origine de l'écoute omnidirectionnelle des échos d'un signal lui-même émis de manière grossièrement omnidirectionnelle, a évolué vers d'une part une émission concentrée dans un secteur donné, et d'autre part un traitement fin des échos reçus pour former un nombre important de voies, de préférence juxtaposées en gisement et en site. Les informations portant sur les positions temporelles des échos dans chacune des voies permettent ainsi de définir des cases spatio-temporelles, identifiées par une distance un site et un azimut, correspondant à un fragment de l'espace insonifié. En répertoriant toutes les cases associées à un écho continu, on peut reconstituer une image tridimensionnelle de l'espace insonifié. Dans cette image les phénomènes à l'origine des échos correspondent généralement à des objets solides immergés dans le milieu marin et dont on détermine ainsi la dimension, la forme et la localisation. Ce traitement s'effectue actuellement de manière numérique, ce qui nécessite une capacité de traitement importante, en particulier pour constituer les voies définies ci-dessus. En effet, en prenant par exemple le cas d'une caméra acoustique destinée à l'exploration sous-marine comportant par exemple une antenne de réception bi-dimensionnelle formée de capteurs jointifs constituant une rétine, et un projecteur acoustique situé par exemple au milieu de cette rétine, on est amené à former à partir des signaux reçus sur la rétine un ensemble de voies juxtaposées qui permettent d'obtenir pour chaque émission du projecteur acoustique une image du milieu insonifié par ce projecteur. En se limitant au cas d'une image bidimensionnelle, à chaque voie correspond un point image. Le nombre de voies qu'il est nécessaire de former à partir des signaux de réception des capteurs de la rétine est égal au rapport entre le champ angulaire insonifié et la définition angulaire souhaitée. On sait que pour former une voie dans une direction donnée on doit effectuer l'opération définie par la formule: où N est le nombre de transducteurs s, (t) est le signal reçu par le transducteur i à l'instant t aj est un coefficient de pondération T est le retard à appliquer pour remettre en phase les signaux dans la direction de la voie à former. Bien entendu ce traitement doit être réalisé sur les échos provenant d'une émission unique avant l'arrivée des échos correspondant à l'émission suivante. La durée du traitement est donc déterminée par l'intervalle entre deux émissions successives du signal d'insonification. En outre, cette cadence d'émission, correspondant à la cadence image, dépend en grande partie de la vitesse du véhicule porteur sur laquelle est monté le système d'imagerie. En effet, en considérant, à titre d'exemple un système d'imagerie monté sur véhicule sous-marin remorqué ou autonome naviguant à une vitesse de 5 noeuds à 5 m au dessus du fond de la mer avec une ouverture de 30 x 30 , il est nécessaire d'obtenir une image par seconde pour ne pas avoir de trou de couverture. Dans un tel système, I'antenne de réception par exemple circulaire citée plus haut est formée de 800 capteurs carrés de 4mm de côté, I'émetteur fonctionnant à 500 kHz. Dans ces conditions, la distance de Fresnel est de 0,55 m, et compte tenu de la hauteur au dessus du fond il n'est pas nécessaire de focaliser les voies, ce qui simplifie dans une certaine mesure le traitement et en diminue le volume. Avec ces caractéristiques, pour obtenir une résolution angulaire de 1,5 x 1,5 on doit former 400 voies par seconde. Pour cela, il est nécessaire de numériser les signaux des 800 capteurs avec une fréquence d'échantillonnage au moins égale à 8 fois la fréquence porteuse, afin d'obtenir une précision sur les retards d'au moins A18 pour de pouvoir former correctement les voies sans interpolation. Compte tenu de ce que les échantillons des signaux de voies doivent être obtenus à une cadence égale à au moins deux fois la fréquence de réception, pour respecter le théorème de Shannon, la puissance de calcul nécessaire pour respecter toutes ces conditions est donc sensiblement égale à 320 Gigaops par seconde. On sait qu'aujourd'hui une carte électronique au format connu dit double Europe permet d'obtenir une puissance de calcul d'environ 1 Gigaops par seconde. Dans ces conditions, il faut plusieurs centaines de cartes de type double Europe > pour obtenir la puissance de calcul nécessaire à la formation des voies, sans compter la puissance de calcul nécessaire pour traiter ensuite les signaux de voies afin d'obtenir l'image proprement dite, et éventuellement celle nécessaire pour traiter de manière automatique cette image. Le volume, et donc le coût, du matériel électronique nécessaire pour effectuer ces opérations est dans ces conditions particulièrement important. En outre, comme tout le traitement se fait de manière numérique, il est nécessaire de numériser les signaux reçus directement au niveau de chaque transducteur, ce qui implique d'avoir un codeur analogique/ numérique par transducteur. Le nombre de ces codeurs est alors considérable, 800 dans l'exemple ci-dessus par exemple, ce qui entraîne, outre des problèmes d'encombrement et de coût, des problèmes de dissipation thermique importants. Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose un système d'imagerie acoustique, du type comprenant un ensemble de capteurs 201 destinés à recevoir des signaux acoustiques réfléchis par l'objet destiné à être imagé pour délivrer en réponse des signaux électriques correspondant à ces signaux acoustiques, des moyens de traitement pour appliquer à ces signaux électriques des retards déterminés pour former un ensemble de voies de réception, principalement caractérisé en ce que ces moyens de traitement comprennent pour chaque capteur un convertisseur tension/courant 202 permettant de convertir en intensité lesdits signaux électriques , un ensemble 203 de cellules 207 à mémoire de courant connectées en parallèle en entrée et en sortie pour recevoir lesdits signaux en intensité, un registre d'écriture 204 et un registre de lecture 205 commandés par une horloge de période TH et dont les étages sont reliés respectivement aux entrées de commande d'écriture et de lecture desdites cellules, et des moyens 206 pour injecter respectivement dans chacun de ces deux registres un bit unique qui circule dans les registres et qui commande l'écriture et la lecture des cellules; les deux bits uniques étant séparés d'un nombre n d'étages entre les 2 registres, pour établir un retard du signal de sortie égal à une valeur n TH. Selon une autre caractéristique, pour additionner les signaux de sortie Si- S4 des ensembles 203 afin d'obtenir des signaux de voies successifs, on connecte ensemble ces sorties deux par deux selon une dichotomie arborescente. Selon une autre caractéristique, les capteurs 201 sont disposés selon une rétine à deux dimensions de manière à former le système de réception d'une caméra acoustique sous-marine qui permet d'obtenir une image à partir de l'ensemble des voies formées par lesdits moyens de traitement. Selon une autre caractéristique, les capteurs sont des transducteurs 402 d'une sonde d'échographe 401 destinée à fonctionner selon une série de tirs obtenus par la sélection d'une série de sousensembles 405 des transducteurs qui sont décalés à chaque tir d'au moins un capteur pour permettre de balayer une zone 404 sectorielle décrite par la succession des tirs, et en ce que pour chaque tir on effectue une focalisation 403 dynamique à l'émission et à la réception; cette focalisation étant obtenue par retards. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, le schéma d'une cellule mémoire à courant commuté; - la figure 2, le schéma d'un dispositif selon l'invention permettant d'obtenir les retards de manière analogique; - les figures 3 et 4, des schémas partiels détaillés du dispositif de la figure 2; - la figure 5, le schéma d'un dispositif permettant d'additionner les signaux de sortie des dispositifs de la figure 2; et - la figure 6, le schéma en coupe d'une sonde d'échographie médicale permettant de mettre en oeuvre l'invention. Les cellules à mémoire à courant commuté sont des dispositifs connus dont on a représenté sur la figure 1 le schéma le plus simple. Un noeud 101 est alimenté par un courant de polarisation J par une source de courant 102. Sur ce noeud sont connectés des interrupteurs 103 et 104 qui fonctionnent sous la commande de signaux dits de phase cpi et (p2 pour amener au noeud le courant d'entrée i et en faire sortir le courant de sortie - i. Un transistor à effet de champ 105 réuni ce noeud à la masse. La grille de ce transistor est elle-même connectéed'une part à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur de stockage 107 et d'autre part au noeud 101 par l'intermédiaire d'un interrupteur 106 commandé par le signal (pi. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant: Dans une première étape le transistor 105 est bloqué et les interrupteurs 103 et 106 sont fermés. La somme des courants i et J vient alors charger le condensateur 107. Ce condensateur se charge jusqu'à un potentiel V qui dépend des caractéristiques des éléments utilisés et qui est tel qu'il polarise le transistor 105 de manière à ce qu'il devienne passant et conduise la totalité du courant i + J. Dans une deuxième étape, les interrupteurs 103 et 106 sont ouverts et l'interrupteur 104 est fermé. A ce moment le condensateur 107, restant chargé, continu à imposer le passage par le transistor 105 d'un courant égal à i+J. Comme l'interrupteur 103 est ouvert, le complément de courant pour obtenir cette somme, puisque J, fourni par la source de courant 102, est constant, arrive par l'interrupteur 104, qui fait donc débiter sur la connexion de sortie un courant égal à -i. Cette cellule permet donc de mémoriser la valeur du courant en entrée et de le restituer en sortie avec un changement de signe. Selon l'invention, on utilise un ensemble de cellules de ce type selon les schémas représentés sur les figures 2 à 4 pour obtenir les retards nécessaires à la formation des voies d'un système d'imagerie acoustique. La figure 2 représente le schéma d'ensemble, la figure 3 les connexions de commande, et la figure 4 les connexions d'entrée et de sortie des signaux en courant à mémoriser. On relie ainsi chacun des transducteurs 201 à un dispositif connu 202 qui permet de convertir le signal de sortie de ce transducteur, qui est essentiellement en tension, en un signal en courant. Ce signal est alors appliqué à l'entrée d'un ensemble 203 composé de N cellules à mémoire de courant 207, de type semblable à celui décrit par rapport à la figure 1, et qui sont mises en parallèle en entrée et en sortie. Les signaux cpi de commande d'entrée de chaque cellule sont obtenus à partir d'un registre à décalage 204, de type numérique, formé par exemple de N bascules 209 connectées en série. Les sorties de ces N bascules sont en outre reliées respectivement aux entrées de commande de mémorisation des N cellules de l'ensemble 203. Un registre 205, identique au registre 204, permet d'obtenir les signaux (p 2 de commande de sortie des cellules de l'ensemble 203. Les registres 204 et 205 fonctionnent en mémoire circulante en faisant circuler au rythme d'une horloge H des bits 1 introduits dans ces registres par une unité logique 206. Lorsqu'un bit 1 arrive dans l'une des bascules 208, il lance la mémorisation dans la cellule 207 correspondante du signal en courant fourni par le dispositif 202. Lorsqu'un bit 1 arrive dans l'une des bascules 209, il restitue le courant mémorisé dans la cellule 207 correspondante sur la sortie S. Cette unité logique introduit à des instants adéquats un bit 1 unique dans chacun des registres 204 et 205 de telle manière que en défilant dans les registres, ils provoquent l'échantillonnage et la mémorisation du signal du capteur puis sa lecture aux instants nécessaires pour obtenir le retard voulu. Pour cela, le bit contenu dans le registre d'écriture et le bit contenu dans le registre de lecture sont séparés d'une distance égale à n étages. Si alors la période de l'horloge H est égale à TH, le retard T apporté au signal à la sortie S est égal à: r=nTH (2) On obtient donc sur la sortie S un ensemble de signaux S analogiques en courant, échantillonnés à la fréquence d'horloge correspondant à des signaux d'entrée retardés les uns par rapport aux autres d'une valeur déterminée par les positions des bits à 1 commandées par l'unité logique 206. Pour modifier ces retards, il suffit de modifier les positions des bits d'écriture et de lecture de manière à obtenir les écarts entre ces bits correspondant aux retards souhaités. Cette modification s'obtient au niveau de l'unité logique, qui fonctionne à partir des signaux de commande qui lui sont adressés par un processeur central. Cette modification peut donc être obtenue à la fois aussi facilement et aussi rapidement que dans un traitement en numérique, tout en ne nécessitant qu' une charge de calcul beaucoup plus faible, puisque ces calculs ne concernent que la détermination des retards à obtenir et non pas la formation proprement dit de ceux-ci sur les signaux eux-mêmes. Pour obtenir le signal de voie, il faut alors sommer ces différents signaux selon la formule 1. Comme ces signaux sont représentés par des courants, la sommation peut s'effectuer de manière très simple en additionnant tous les courants par simple connexion des sorties des ensembles 203 entre elles. Afin d'éviter de diminuer la bande passante, en raison des capacités parasites existant au niveau de chaque fil, I'invention propose, comme représenté sur la figure 5, d'additionner ces signaux selon un système de dichotomie arborescente où ceux-ci sont pris successivement deux par deux. Comme représenté sur la figure 5, limitée à quatre signaux Si à 54, on additionne tout d'abord les signaux Si et S2 et S3 et S4, puis on additionne les deux signaux ainsi obtenus pour obtenir le signal de voie Sv. Pour obtenir la pondération déterminée par les coefficients aj,on utilisera par exemple des résistances, ou de préférence des cellules à miroir de courant de type connu. Le nombre d'étages des ensembles 203 est déterminé par l'angle maximal que doivent former les voies les plus dépointées avec la normale au réseau de réception. En se reportant à l'exemple numérique décrit plus haut, cet angle est égal à 15 ", ce qui correspond pour les valeurs décrites à un retard maximal égal à 22 Ps pour les transducteurs situés aux extrémités du réseau de réception. La fréquence d'horloge, quant à elle, correspond à la fréquence d'échantillonnage nécessaire pour obtenir une bonne formation de voie c'est à dire 8 fois la porteuse. Elle est donc égale pour les valeurs décrites cidessus à 4 MHz. Dans ces conditions, le nombre d'étages nécessaires pour obtenir ce retard avec cette fréquence est égal à 88. Compte tenu de la technologie existant actuellement, cette valeur est suffisamment petite pour que l'on puisse réaliser un ensemble unique comportant ces 88 étages de cellules et ses organes annexes, tels que les registres d'écriture et de lecture et l'unité logique d'adressage, dans une structure monolithique. Comme il y a dans cet exemple 800 transducteurs, il faut donc 800 ensembles munis de leurs circuits annexes. La technologie existant actuellement permet de grouper ces ensembles par 16 dans un circuit de type ASIC qui peut être contenu dans un boîtier de type CERQUAD 100 dont la surface est de l'ordre de 4 cm2. Pour programmer les retards, on utilisera alors des circuits de type microcontrôleur, qui sont susceptibles de commander 8 ASIC indépendants de ce type. Ces 8 ASIC, le microcontrôleur de commande et les circuits annexes, occupent alors une surface environ 100 cm2. La totalité des circuits nécessaires pour obtenir l'ensemble des retards en utilisant le dispositif selon l'invention pourra alors être regroupée sur un maximum de 4 cartes au format double Europe . Ce chiffre est à comparer à celui de 320 cartes pour une solution entièrement numérique et souligne bien l'intérêt de l'invention. L'invention n'est pas limitée aux systèmes d'imagerie sonar, mais elle s'étend également à tous les systèmes d'imagerie acoustique, en particulier aux systèmes d'imagerie utilisés dans les échographes médicaux. Ces systèmes servent à obtenir une image en trois dimensions du corps humain à partir d'une sonde comportant une antenne acoustique fonctionnant à une fréquence de quelques mégahertz. Contrairement à la caméra décrite plus haut, on effectue, comme représenté sur la figure 6, un balayage de l'espace en effectuant une série d'émissions-réceptions focalisées successives appelées chacune TIR . La sonde représentée en coupe sur cette figure comprend un corps 401 dont la partie émissive avant est courbe et comporte sur sa face interne un ensemble de transducteurs 402 d'émission alignés, au nombre de 128 par exemple. A chaque tir, on sélectionne un sous-ensemble 405 de transducteurs contigus permettant d'effectuer l'émission et la réception, 32 transducteurs par exemple. On effectue à partir des transducteurs du sousensemble une focalisation dynamique à l'émission et à la réception. Ainsi on focalise sur plusieurs zones 403 pendant un tir. Au tir suivant, on décale de 1 transducteur le sous-ensemble de transducteurs, de manière à obtenir un décalage du rayon balayé pendant le tir dans une direction BT perpendiculaire à BR. Avec les chiffres cités plus haut, on effectue donc en 96 tirs un balayage total de la zone 404 à explorer. Pour obtenir par exemple une profondeur de 20 cm pour le champ 404 à explorer, il faut que les tirs soient espacés d'au moins 0,13 millisecondes . Dans ces conditions, pour obtenir le balayage radial avec une résolution en distance égale par exemple à 2 millimètres, on est conduit à changer 200 fois de suite les retards apportés aux signaux reçus par les transducteurs pendant la durée de réception des échos correspondants au tir. Ces changements de retard doivent donc s'effectuer en 0,65 Ps ce que l'invention permet d'effectuer sans aucun problème. Si l'on effectuait ce traitement de manière numérique, on serait conduit, comme dans le cas de la caméra, à utiliser un volume d'électronique très important, qui serait nécessairement situé en dehors de la sonde et exigerait en outre un nombre très important de fils de liaison entre les transducteurs et cette électronique de traitement. En utilisant l'invention, on est amené à utiliser 128 ensembles à retards dont le nombre de cellules est fonction de la distance minimale à laquelle on veut focaliser la voie de réception. En utilisant par exemple une fréquence courante de 3MHz, des transducteurs au pas de la longueur d'onde, soit 0,5 mm, et une focalisation à une distance minimale de 20 mm, le retard maximal est égale à 1,78 microsecondes. Ce retard nécessite d'utiliser, si l'on échantillonne là aussi à 8 fois la porteuse, 43 cellules par ensemble. En utilisant alors la même technologie que celle décrite plus haut, on est conduit à prendre 8 ASIC comportant 16 lignes à retard, ce qui correspond à une surface d'électronique d'environ 65 centimètres carrés pour l'ensemble. Cette électronique est donc facilement intégrable dans le corps de la sonde, ce qui permet notamment de limiter le nombre de fils de liaison et le débit d'information vers l'échographe auquel est relié cette sonde. REVENDICATIONS 1 - Système d'imagerie acoustique, du type comprenant un ensemble de capteurs (201) destinés à recevoir des signaux acoustiques réfléchis par l'objet destiné à être imagé pour délivrer en réponse des signaux électriques correspondant à ces signaux acoustiques, des moyens de traitement pour appliquer à ces signaux électriques des retards déterminés pour former un ensemble de voies de réception, caractérisé en ce que ces moyens de traitement comprennent pour chaque capteur un convertisseur tension/courant (202) permettant de convertir en intensité lesdits signaux électriques, un ensemble (203) de cellules (207) à mémoire de courant connectées en parallèle en entrée et en sortie pour recevoir lesdits signaux en intensité, un registre d'écriture (204) et un registre de lecture (205) commandés par une horloge de période TH et dont les étages sont reliés respectivement aux entrées de commande d'écriture et de lecture desdites cellules, et des moyens (206) pour injecter respectivement dans chacun de ces deux registres un bit unique qui circule dans les registres et qui commande l'écriture et la lecture des cellules; les deux bits uniques étant séparés d'un nombre n d'étages entre les 2 registres, pour établir un retard du signal de sortie égal à une valeur n TH. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour additionner les signaux de sortie (S,- S4) des ensembles (203) afin d'obtenir des signaux de voies successifs, on connecte ensemble ces sorties deux par deux selon une dichotomie arborescente. 3 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les capteurs (201) sont disposés selon une rétine à deux dimensions de manière à former le système de réception d'une caméra acoustique sous-marine qui permet d'obtenir une image à partir de l'ensemble des voies formées par lesdits moyens de traitement. 4 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les capteurs sont des transducteurs (402) d'une sonde d'échographe (401) destinée à fonctionner selon une série de tirs obtenus par la sélection d'une série de sous-ensembles (405) des transducteurs qui sont décalés à chaque tir d'au moins un capteur pour permettre de balayer une zone (404) sectorielle décrite par la succession des tirs, et en ce que pour chaque tir on effectue une focalisation (403) dynamique à l'émission et à la réception; cette focalisation étant obtenue par retards.