CHƢƠNG 2 : Beamforming sử dụng phƣơng pháp lấy mẫunén
2.1 Beamforming trong ảnh Sonar
Trong phần này, chúng ta miêu tả một chu kì hình ảnh ở chế độ B, tập trung vào xử lý BF, thực hiện trong các giai đoạn tiếp nhận. Sau đó tạo thành một khối quan trọng trong hình ảnh Sonar, và đóng một vai trò quan trọng trong đề xuất FRI Xampling.
Hình 2.1: thiết lập hình ảnh
M thu đƣợc liên kết dọc theo trục x. Trạm gốc đƣợc đặt ở vị trí của bộ thu chuẩn, ký hiệu là M0. biểu thị δmkhoảng cách đo từ bộ thu chuẩn đếnbộ thu mth. Cácchu kỳ hình ảnh bắt đầu khi một xung âm đƣợc truyền ở hƣớng θ.Âm dội sau đó đƣợc phản hồi từ các ánh xạ nhiễu trong môi trƣờng bức xạ.
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh80
Xem xét mảng đƣợc mô tả trong hình 2.1, gồm có M thành phần đầu dò, liên kết dọc theo trục x. Ký hiệu là khoảng cách từ phần tử thứ m đến bộ thu tham chiếu mo, coi là gốc tham chiếu, có nghĩa là: Chu kì chụp ảnh bắt đầu khi ở thời điểm t=0 Mảng truyền năng lƣợng âm thanh vào các tế bào. Sau đó, các thành phần phát hiện tiếng vang, bắt nguồn từ mật độ và nhiễu loạn vận tốc lan truyền, đặc trƣng cho bức xạ trung bình. Ký hiệu là tín hiệu thu đƣợc tại bộ thu thứ m. Định lý âm thanh tƣơng hỗ cho thấy rằng ta có thể dử dụng các tín hiệu thu đƣợc bởi nhiều thành phần đầu dò, để thăm dò tùy ý tọa độ năng lƣợng phản xạ.
Trong thực tế, mảng không thể phủ hiệu quả toàn bộ một ách đồng thời. Thay vào đó, một xung năng lƣợng đƣợc thực hiện cùng một chùm tia tƣơng đối hẹp, có trục trung tâm tạo thành một góc với trục ̂. Tập trung năng lƣợng xung dọc theo nhƣ một chùm là có thể làm đƣợc bằng cách áp dụng thời gian trễ thích hợp để điều chế các xung âm thanh, truyền từ nhiều phần tử mảng. Thay vì tự ý khảo sát các phần tử bức xạ, bây giờ chúng ta buộc phải điều chỉnh tọa độ khảo sát theo thời gian, phối hợp với sự lan truyền của sự truyền năng lƣợng. Điều này thực tế có nghĩa là, kết hợp các tím hiệu thu nhận đƣợc với thời gian trễ khác nhau thích hợp, ta có thể thu đƣợc một tín hiệu trong đó mô tả cƣờng độ của năng lƣợng phản xạ từ mỗi điểm dọc theo trục truyền trung tâm. Trong xuyên suốt phần này, ta lấy một ví dụ điển hình nhất cho việc tạo những tín hiệuđiều hƣớng này.Giả sử rằng các xung năng lƣợng, truyền tại thời điểm t=0, lan truyền với vận tốc c theo hƣớng . Ở thời điểm , xung đi qua tọa độ
.Xét đến sự phản xạ có khả năng, Xuất phát từ tọa độ này, và đến phần tử thứ m. Khoảng cách này đƣợc tính:
√ (1)
Thời gian từ khi phản xạ đến đến phần tử thứ m là , do đó nó đến thành phần thu ở thời điểm:
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh81
Một điểm dễ thấy là ̂ . Do đó để sắp xếp phản xạ nhận đƣợc ở phần tử thứ mvới mộtphản xạ nhận đƣợc ở bộ thu tham chiếu, ta cần áp dụng độ trễ ̂ , nhƣ vậy mà các tín hiệu kết quả, ̂ , thỏa mãn ̂ ̂ . Có nghĩa là: ̂ ̂ , và sử dụng (1), ta thu đƣợc tín hiệu méo sau đây với
:
̂
√
Với . Các tín hiệu đƣợc sắp xếp có thể lấy trung bình, kết quả trong tín hiệu beamformed:
∑ ̂ (4)
Mà SNR đƣợc cải thiện so sánh với{ ̂ } . Ngoài ra, bằng việc xây dựng này,
miêu tả, với mỗi , cƣờng độ đƣợc đo khi tập trung các mảng để . Bởi vậy, nó có thể chuyển sang một mô hình cƣờng độ, vẽ dọc theo tia tƣơng ứng.Mặc dù đƣợc xác định theo thời gian liên tục, các hệ thống siêu âm thực hiện quá trình xây dựng ở (3)-(4) trong miền số, đòi hỏi các tín hiệu tƣơng tự
phải đƣợc lấy mẫu trƣớc tiên. Giới hạn cổ điển theo định lý lấy mẫu Nyquist- Shannon, các hệ thống này lấy mẫu các tín hiệu ở hai lần băng thông, để tránh rang cƣa. Các tín hiệu thu đƣợc thƣờng chỉ chiếm một phần băng thông. Khai thác điều này, một số hệ thống dung để giảm số lƣợng mẫu truyền từ lỗi vào, bằng down-sampling dữ liệu, sau khi giải điều chế và lọc thống thấp. Mặc dù thế, kể từ khi các hệ thống thực hiện bằng số, tỷ lệ lấy mẫu vẫn không thay đổi.
Kết thúc phần này, ta đánh giá số lƣợng lý thuyết của các mẫu cần phải đƣợc lấy từ mỗi phần tử thu nhận chủ động để thu đƣợc một thể đơn sử dụng tiêu chuẩn kĩ thuật hình ảnh. Xét một hệ thống siêu âm mà hình ảnh với độ sâu trên lý thuyết r=16cm. Vận
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh82
tốc xung lan tuyền, c, giá trị trong khoảng 1446m/s đến 1566 m/s. Giá trị trung bình 1540 m/s đƣợc giả định bằng máy quétcho mục đích xử lý, do vậy mà trong suốt thời gian thu nhận tín hiệu là . Các tín hiệu bằng thông cơ sở đòi hỏi một tỷ lệ lấy mẫu lý thuyết , kết quả là một số lƣợng tổng thể của
mẫu giá trị thực. Giả định rằng băng thông cơ sở của tín hiệu chỉ là 4 MHz, dữ liệu đƣợc lấy mẫu ở tỷ lệ Nyquist có thể cuối cùng đƣợc giảm xuống 1680 mẫu giá trị thực. Những mẫu này, đƣợc lấy từ tất cả các bộ thu chủ động, bây giờ chúng đƣợc xử lý, theo (3), (4), để xây dựng tín hiệu beamformed. Từ khi thiết bị hình ảnh tiêu chuẩn sử dụng beamforming bằng cách áp dụng trễ và tổng hợp hệ thống các dữ liệu đƣợc lấy mẫu, số lƣợng các hoạt động cần thiết để tạo ra một thể duy nhất liên quan trực tiếp đến tốc độ lấy mẫu.
Bất kể khả năng tính toán thế nào, những hạn chế vật lý bắt buộc ta phải có thời gian cần thiết cho việc xây dựng một thể đơn ít nhất là T. Điều này sẽ đƣợc tính đến cho khoảng thời gian cần thiết cho việc truyền xung để xâm nhập toàn bộ chiều sau hình ảnh, và cho kết quả tiếng vọng để vƣợt qua một khoảng cách tƣơng tự trở lại mảng. Tuy nhiên, đủ khả năng tính toán có thể cho phép xây dựng một số thể, cùng với khoảng thời gian tƣơng tự, ta có thể tăng tỉ lệ hình ảnh tổng thể. Bằng cách sử dụngcompressed beamforming, ta có thể thu đƣợc thông tin đáng kể trong mặt phẳng hình ảnh, trong khi giảm tốc độ lấy mẫu và kéo theo giảm tốc độ tính toán. Điều này có thể cải thiện giúp cân bằng tốc độ giữa các hình ảnh và cả kích thƣớc máy móc, điện năng tiêu thụ.