前言
现代成像系统己广泛用于工业、医学与消费电子等各个领域。按其技术分类有红外热像系统、超声成像系统及视频成像系统等多个方面。为此本文将对其数字超声成像、视频成像与红外热像的技术与系统的基本架构、特征及应用作一些介绍。
1、超声成像系统技术与系统的基本架构
数字超声成像系统超声应用的医学成像系统-超声成像诊断仪已成为最为常用的一种医疗影像诊断设备。随着电子计算机、现代信号处理技术的不断发展，超声成像系统逐渐向全数字化方向发展。特别是近多年来，超声成像技术得到了很大的发展，超声诊断仪从采用模拟技术发展到采用模拟／数字混合技术，到20世纪90年代出现了全数字式声束技术。由于计算机技术的广泛应用，人们可以根据声束形成的特点，通过计算机来控制每个与图像质量密切相关的参量(如声学透镜、声束孔径、超声基阵旁瓣和发射波形的形状等)，使图像质量有了极大的改善，利用计算机技术提高图像质量。
在分析超声成像技术之前，首先了介相控阵超声系统基础。
1.1基于相控阵超声系统的成像技术
图1所示为典型相控阵医疗超声成像系统的原理框图。所有采用这一相控阵方案的系统都具有64至256个接收通道，同时还具有相同数量的发射通道。为简明起见，图1只绘出了一个发射和接收通道。
图1
*超声发射基础
为了获取超声图像，相控阵超声系统必须产生N个(这里N=发送通道数)具有一定延时的高压发射脉冲。这些脉冲用于激励传感器阵列中的各个元件，产生聚焦的声波发射。
*超声接收机基础
利用人体内部声阻的不连续性，将反射回来的声波能量通过传感器接收，然后分别传递到系统的各个接收通道。这些接收通道首先对来自传感器的信号进行放大，然后再把它们数字化，如图2所示。利用计算得到的时延，在超声系统的数字波束成形器中把数字化后的信号进行延时和求和，可生成聚焦后的接收波束成形信号。所得到的数字信号可用于生成二维(2D)和PW／彩超多普勒信息。
图2
典型的接收机包括低噪声前置放大器（LNA）、可变增益放大器(VGA)、抗混叠滤波器(AAF)和ADC。LNA放大来自传感器的1MHz至15MHz的单端输入信号。LNA具有大约19dB的增益以及50Ω至lkΩ的有源输人阻抗，可以优化选择使其与传感器实现匹配，并保持超低噪声系数。
紧随发射脉冲之后的接收周期开始阶段，LNA输人端的信号幅值可能达到0.5Vp_p。在整个接收过程中，该信号的强度会逐渐衰减，最终下降至接收机的噪底以下。已知人体内声波能量衰减率约为0.7dB／cm-MHz(往返为1.4dB／cm-MHz)，声波在人体内的传播速度为1540m／s(往返为131μs)，因此可计算出衰减值。在整个接收周期内，处理该信号所需的动态范围约为110dB，远远超出了实际ADC转换器的动态范围。因此，在接收周期内采用VGA(下面称为“时间增益控制”)动态增加接收机增益，使该信号能够适应ADC的输入动态范围。如果要使接收信号能够适应12位ADC的70dB动态范围，要求VGA的增益范围大约为40dB。在接收链路中，三极点抗混叠滤波器可避免ADC受到15MHz最大成像频率以上的高频噪声及其它信号的影响。通常采用12位ADC，其工作频率介于40Msps至60Msps之间。
1.2超声成像系统的组成
超声成像系统就是通过发射超声波、检测回波、显示人体组织特性的变化，并由记录仪记录下来，供医生作诊断分析用。所以一个最基本的超声诊断仪由探头(换能器)、基本电路、显示器以及记录器等部分组成，见图3所示。
图3
1.21探头
超声诊断仪用来发射和接收超声的部件，称做探头。由于探头也是进行电一声和声一电信号转换的部件，亦称换能器。它是超声诊断仪不可缺少的部分。仪器的灵敏度、分辨率和伪像干扰的大小都与探头的性能有关。
1.22单通道或脉冲式的超声成像系统基本电路
超声诊断仪有采用连续波的，也有采用脉冲波的。后者除了能对超声回波界面定位外，还消除了很强的发射信号对反射信号的影响，具有较高的灵敏度，所以目前在临床上应用的超声仪大多采用脉冲式的。基本结构亦如图3所示。其主控电路又称同步触发信号发生器，它周期性地产生同步触发脉冲信号，分别去触发发射电路和扫描发生器中的扫描电路。而发射电路在受同步信号触发时，产生高压电脉冲去激励换能器。高频信号放大电路实际上是电子接收设备的一部份，用途是换能器将回波信号转换为高频电信号后，要通过高频信号放大电路放大。为根据不同需要，应在高频信号放大电路中引人时间增益补偿电路和自动增益控制电路等。而视频信号放大器是当回波电信号由高频信号放大器放大后，被检波器检出的视频包络信号要经过视频信号放大和处理(如对数处理、微分处理等)，然后加至显示器的丫轴偏转板(或偏转线圈)上产生与回波强度成正比的偏移量(A型超声仪)，或加至显示器的阴极(或栅极)进行亮度调制(M型和B型超声仪)。扫描发生器产生的扫描电压加至显示器的偏转系统，使电子束按一定的规律扫描，在显示器上显示出曲线的轨迹或切面图像。
1.23聚焦成像技术的实现
何谓聚焦成像技术？即利用一组接收器，一幅高分辨率图像便可通过时移、调节以及回波能量的智能求和来生成。而对接收来自换能器阵列(512个换能器元件)的信号进行时移和调节的原理是提供“聚焦”于扫描区域内某一点的能力。通过相继聚焦于不同的点便可构成一幅完整的图像。则由此实现的现代超声应用-医学成像系统解决方案，见图4所示图。
图4
根据超声波发送器与接收器的基本原理，当启动扫描时，探头(或称超声波发送器)由发送器与压电晶体(选用锆钛酸铅-PZT类压电陶瓷作为换能器材料)组成， 其高频脉冲将由电子束形成器生成，并从8个换能器中的每一个发送至512个换能器元件-换能器阵列。这些脉冲被定时和调节，即通过计算机来控制每个与图像质量密切相关的发射脉冲波形的形状，以便对人体的某个特定区域进行“图示”。
这儿的脉冲被定时和调节是由电子束形成器来控制的，见图4所示。其超声波发送换能器(探头)与超声波接收换能器(探头)可选用锆钛酸铅-PZT类压电陶瓷作为换能器材料，其发送与接收的切换由图4中T/R切换开关控制。
在发送操作之后，换能器元件立即切换至接收模式。根据换能器的压电逆效应， 即超声的发生是在晶体两端加上高频电振荡，形成一个机械振动的声源，然后通过介质发送超声波，故此时已表现为机械能量的脉冲将以高频声波(通常在1至15MHz的范围内) 能量的形式通过人体传播。在传播过程中，信号迅速减弱，其衰减幅度与传播距离的平方成正比。在信号的行进过程中，
波前能量部分被反射。这些反射能量是接收传感器(或称超声波接收器)的电子接收设备(或放大电路)必须予以检测的回波。
1.24超声医学成像应用中多种产品的选用
在超声成像应用中选用了多种产品，包括：运算放大器、单通道、双通道和8通道ADC(均具有快速输入过载恢复和超群的动态性能)；和集成了两极点低通滤波器的8通道可变增益放大器(VCA8613)。还有串行化LVDS接口ADS5720、专为超声市场而开发的先进8通道、12位数据转换器。
1.3现代数字超声成像系统例举
值此以将8信道的放大器电路和A／D转换器集成在1枚芯片上为模拟前端的数字超声成像系统作事例，模拟前端芯片可用ADS5720或AD9222、AD9212或它功能类同的芯片。图5为全数字超声成像系统框图。
图5
1.31芯片特征
图5中该模拟前端芯片采用低功耗8通道ADC系列提供串行LVDS输出和超小封装的AD9222/9212。因先进的超声诊断系统为了达到其精度和质量要求需要数百个图像处理通道。每个图像处理通道的功耗越低并且其尺寸越小，那么在一块PCB板上放置的芯片就越多。相位阵列、多通道雷达系统和便携式数码照相机也同样需要低功耗和小封装的ADC以达到极高分辨率。
AD9222/9212是为超声诊断设备提供了一系列低功耗、8通道ADC。这些高集成度8通道ADC虽然提供多输入通道数，但不折衷动态性能。10bit和12bit分辨率的ADC系列都可提供高达65MSPS的采样速率。采用64引脚LFCSP(9mm×9mm)封装和每通道功耗为100mW的AD9212(10 bit，40 MSPS／65MSPS)和AD9222(12 bit，40 MSPS／65 MSPS)8通道ADC比目前市场上提供的8通道ADC封装尺寸减小了30％并且功耗降低了4％-5％。
具有70.5dB的SNR(在奈奎斯特频率)的AD9212和AD9222 8通道ADC从而满足了图像处理、通信和雷达接收器的动态范围要求。AD9212和AD9222的数据输出采用串行LVDS形式，从而它能够在尺寸很小PCB上实现快速数据传输。这样使占用PCB的面积最小，从而允许增加通道数量，因此提高了图像质量。
它可在医学成像和超声诊断设备、多通道接收器、非破侵入式测试设备及数码照相机图像处理方面应用。
图5中以现场可编程门阵列(FPGA)来实现可配置的DSP嵌入式系统已越来越广泛。应用Spartan-3E FPGA成为实现各种低成本数字消费类系统的理想器件。从系统对上市时间的要求、可编程的特性以及集成度等方面考虑有其独特的优势。即采用90纳米工艺生产FPGA器件之后，FPGA器件进一步降低成本，减少功耗和提高性能，低成本使FPGA成为中小批量生产的应用器件。
1.32方案解析
发射电路产生发射脉冲，通过阵元选通电路激励线阵换能器生成超声波。超声波遇被探查物体所产生的回波信号传至模拟前端芯片。模拟前端芯片AD可独立完成前置放大、抗混叠滤波、高速A／D变换等模拟信号处理过程，替代了传统全数字B超系统中前端IC电路多芯片分立的设计方案。获得的数字信号通过FPGA，完成信号和图像的处理，包括波束形成、动态聚焦、动态滤波、可变增益放大、对数放大、检波和DSC；最后将处理完的图像传人显示器进行显示。
*线阵换能器
系统中可采用80阵元16通道的线阵探头，其内部包含阵元选通电路。阵元选通电路由10片8通道高压模拟开关芯片组成。80通道高压模拟开关一端分别与80个阵元相连，另一端则每5个一组分别与16个输入输出通道相连，由FPGA输入控制码实现换能器阵元的选通。
*发射电路
系统共有16路发射电路，单路发射电路，其是在现有超声诊断仪的发射电路为基础进行适当改进而得到的。FPGA发出的控制脉冲需要首先通过一个功率触发器，将脉冲的幅值提高到12V后，作为激励脉冲送入场效应管的栅极。当无激励脉冲时，作为电子开关的场效应管断开，电源通过限流电阻R1向隔直流电容C充电到VH。当出现激励脉冲时，开关打开。由于电容两端电压不能瞬时改变，因此在电容C的右端在理论上会出现一VH的电压脉冲，通过电缆加到换能器上。两个二极管可以隔离高频振荡，减小噪声干扰。
由此俘得数字超声成像技术将使图像更清晰、更准确，分辨率更高，提高了超声设备的质量。
2、关于视频成像系统
2.1视频电话设计方案
*开发
当今市场需要的视频通话应用是一种紧凑的、一体化的通信设备，使客户能抛开视频会议的复杂性并可实现全球范围的自由的个人可视通话的。而且，人们越来越希望通过宽带IP连接来实现这种通信。这些产品为大、小型企业、政府机构和教育环境提供了合适的工具，使得他们能够提升生产力、改善培训和教育效果并避免承担差旅费方面的负担。随着，IP网络的延伸和不断成长，消费者正在寻求以经济划算的方式来实现功能的增加以及视频流式传输能力的集成。
可视电话市场包括：基于IP的可视电话，会议电视终端／端点，多点控制单元(MCU)和网关。值此对基于IP的可视电话作分析。
由于宽带接入及网络的不断渗透，不管是企业还是私人住宅市场的IP视频电话的需求量都在持续增加。对于企业市场来说，典型的IP视频电话是一个紧凑的、一体化的台式电话，在摒弃了视频通话的复杂性的同时还可通过宽带IP接入到世界的每个角落并自由进行人与人之间的视频呼叫。而对于私人住宅市场来说，更倾向于一种多功能化的IP视频电话，使其在视频呼叫时具有更大的灵活机动性并在家庭流媒体应用方面具有更丰富的集成选项。但总的来说，此产品还是为企业和私人住宅市场提供了一个基于宽带IP接入的更高效及经济的方式，以便于和他人进行沟通。
*基本架构
基于IT高性能、双核心、DaVinci技术的视频电话解决方案（见图6所示）所拥有的总多特点包括了：实时音频／视频同步；呼叫控制、三方视频通话；操作(OS)系统支持、浏览器支持等。如下图4表所示，基于TIDaVinci技术的TMS320DM644x系列的数字媒体处理器拥有更高的集成度、双核心架构及更多的外设，从而使其能提供更优的处理性能以及最大化的电池使用时间已适用于IP视频电话产品。
图6
*高性能数字信号处理器TMS320DM644x应用
图7为以TMS320DM644x为核心的视频化电话系统组成框图。主所以应用TMS320DM644x芯片，其因是：TMS320DM6446／3是TI的DaYinciTM技术，可适应下一代嵌入式器件网络媒体编／解码应用处理的需求。其DSP子系统支持可编程音频／视频多媒体引擎，提供了应用的灵活性并支持未来的编解码器标准。集成基于ARM的应用处理器支持所有必需的呼叫控制、器件驱动器及网络供应服务。视频处理子系统还支持诸如视频恢复、屏幕菜单调节支持{OSD)及全兼容视频I／O能力等功能。
图7
而TMS320DM644x主要特征为：MS320C64x+DSP性能，600MHz；具有ARM926EJ-S性能，300Mhz；带有可配置视频／成像外设的视频处理子系统(VPSS)；具有高度集成的外设，包括视频加速器、4个DACs、硬件化的屏幕菜单调节(OSD)、USB 2．0等；采用了10／100EthernetMAC的高级连通性；有半双工或全双工QoS(联网服务质量)支持；有即用型应用软件，例如H.264、H.263、MPEG4、G.729ab、WVM9等；支持普通视频及音频格式的无黏结接口和实时图像处理、恢复、自动聚焦等性能及支持DDR2及SDRAM；封装模式为361引脚无铅BGA封装。(ZW下下标，0.8mm引脚间距)
TMS320DM644x又可在机顶盒和网络数字媒体中心及家庭安全上应用。
2.2视频会议终端架构
视频会议客户端是可被用来实现点对点通话的终端。它通常包括摄像机和负责执行视频压缩算法的基本单元，以缩减网络带宽并通过IP或ISDN网络进行数据流传输。视频会议客户端解决方案基于高性能DM64x及DM644x数字媒体处理器，这些处理器拥有片上视频端口以用于与各种视频设备的简易连接。DM64x及DM644xDSP系列能够同时处理音频和视频编码／解码以用于基于IP的视频会议的应用。包括H.263和H.264视频编解码器套件等经济的视频算法可通网络获得。包括G.72x算法在内的音频解码器同时可以。
3、红外热像仪的技术特征
*非制冷红外焦平面阵列是关键性的红外探测器及技术
红外热像仪技术是光机电为一体的高科技产品，其技术已成为全世界普遍关注的热门产业技术，由于作为红外热像仪关键性技术的红外探测器及技术(见图8a所示)取得长足进展，特别是非制冷红外焦平面阵列技术取得突破，实现了非制冷红外焦平面阵列热像仪成为小型化低成本应用的主流。
图8（a）
由于红外焦平面阵列技术的日趋成熟，如今国内外非制冷焦平面探测器的热成像仪的种类与规格的产生众多，这些热成像仪无论是热参数、光学/红外、控制、操作、电气与价格等性能指标及功能各有特点，值此以FlUKE Ti30热像仪为例在建筑行业诊断应用上作介绍，值此仅对FlUKE Ti30热像仪的主要参数指标简介如下：
探测器类型是120X160非制冷焦平面；温度显示分辨率为0.1（°F 或 °C）;温度范围为-10 至 250°C（14至482°F）；精度为±2% 或 ±2°C(在-10 ~ 0°C时的精度为±3°C)；重复性为±1% 或 ±1°C（±2°F）； 操作环境温度为 -10 至 50°C；光学分辨率为90:1；图像帧频为20Hz；储存能力为100张图像；热分析软件为InsideIR（内含）；计算机操作系统为MicrosoftWindows 98、Windows 2000 或 Windows XP 。由于这是非制冷焦平面热像仪(见图8(b)为外形与有关部件图)的应用，为此有必要对非制冷型红外焦平面热像仪的工作原理作一简介。
图8(b)
*非制冷焦平面热像仪基本工作框图，可见简化图8(c)所示。
8(c)
在图8(c)所示的桥式电路中，Rl为内置探测器，R2为工作探测器，R3、R4是桥式平衡电路的标准电阻，E是取样电压信号。R1和R2两个探测器的位置摆放很近，R1被屏蔽不露，而作为工作探测器的R2必须暴露在外以接收红外辐射。当工作探测器没有外来辐射照射时，电桥电路保持平衡，则没有电压信号输出，此时E=0；而当红外辐射照射到工作探测器时将使R2的温度变化，从而引起该探测器的电阻阻值随温度变化，把桥式电路的平衡打破，使信号输出电路的两端产生电压差，则有电压信号输出。当然，非制冷焦平面热像仪也应与红外图像处理系统联机使用，这样可增加热像仪的测温精度和分析显示功能。
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