超声相控阵检测教材 第三章 超声相控阵技术(2)

数字声束形成技术采用数字延时环节，大大改善了声束形成质量，其信号流程是：各阵元接收信号—A/D转换—延迟相加—正交分解。图3-10是相控接收的数字声束形成示意图。

图3-10数字声束形成原理框图

与模拟声束形成过程相比，数字声束形成中的A/D转换环节移到了延迟相加环节之前，直接对各接收通道放大后的信号进行A/D采样，然后在计算机或逻辑器件（FPGA）的控制下对A/D转换的结果用数字方法进行延迟，能够大大提高延迟的精度、分辨率、稳定性，再加上其他一些技术的应用，数字声束形成方式的性能指标明显提高。

多声束形成技术是指发射一次超声脉冲后，从接收信号中形成多条接收声束的技术。这时发射采用弱聚焦，发射的超声束宽度比较均匀、焦深大，在声束“照射”区域内声场分布均匀。对各阵元接收的回波信号采用几组不同的延时序列处理，即可得到声场中几个不同方

向上的接收声束。

多声束形成需要并行处理技术，对同一个阵元接收的信号要经过N套不同的延时、变迹等参数处理，以形成N条接收声束。这在模拟声束形成方式里会大大增加硬件的复杂程度；对于数字声束形成技术而言，由于数字电路的高集成度和可靠性，可以较方便地实现多声束形成。

数字多声束技术具有重要的应用价值：①数字多声束形成时可以将相邻两声束的间隔减小到1/4阵元间距以上，从而可以提高图像的横向分辨率，也可以提高纵向和对比分辨率，因而能实现高密度高分辨率成像；②一次可以采集多条接收声束的数据，从而大大提高成像速度，数字多声束形成加上高速数字信号处理技术使得实时超声成像和三维超声成像成为现实。

在数字相控阵超声成像系统中，采用多种方式相结合的超声波束处理技术，将动态聚焦、动态孔径、动态变迹、编码发射和数字声束形成等技术结合起来，由数字系统与软件控制来实现精密的波束时空控制。与阵列换能器相结合，可形成综合优化的声束特性，几乎适用于所有深度和声束扫查位置。系统具有精细的主波束，很低的旁瓣和很大的动态范围，为获得分辨性能好、噪声干扰小、动态范围大的高质量超声图像奠定了基础。

3.2.3 相控阵超声波束的时空控制

超声检测时往往需要对物体内某一个区域进行成像，为此，必须进行声束的扫描。目前最为先进的扫描方式是相控阵法。相控阵成像检测是通过控制阵列换能器中各个阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，完成声成像的技术。由于发射声束的控制与回波信号的处理原理是相同的，聚焦偏转效果的计算是可逆的，本节重点讨论发射声束的时空控制。

3.2.3.1 声束的偏转

图3-11是一维线阵换能器通过时延控制而实现声束偏转的示意图。该阵列换能器是由

N个阵元构成的线阵换能器，阵元中心间距为d，换能器孔径为D。

（a）不偏转（b）偏转

图3-11相控阵声束偏转原理

如图3-11（a）所示，如果各阵元同时受同一激励源激励，则其合成波束垂直于换能器表面，主瓣与阵列的对称轴重合。若相邻阵元按一定时间被激励源激励，则各阵元所产生的声脉冲亦将相应延迟，这样合成的波不再与阵列平行，即合成波束方向不垂直于阵列，而是与阵列轴线成一夹角，从而实现了声束偏转，如图3-11（b）所示。

根据波合成理论可知，相邻两阵元的时间延迟为

（式3-4）

也被称为发射偏转延迟。因此，可以通过改变发射偏转延迟来改变超声波束的偏转角度。

3.2.3.2 声束的聚焦

图3-12是一维线阵换能器通过时延控制而实现声束聚焦的示意图。聚焦点P离换能器表面距离，即聚焦焦距为F，传播介质中的声速为。

在发射聚焦时，采用延时顺序激励阵元的方法，使各阵元按设计的延时依次先后发射声波，在介质内合成波波阵面为凹球面（对于线阵来说则是弧面），在P点因同相叠加而增强，而在P点以外则因异相叠加而减弱，甚至抵消。以阵列中心作为参考点，基于几何光学原理，使各个阵元发射声波在焦距为F的焦点P聚焦，所要求的各阵元的激励延迟时间关系为

（式3-5） 式中，是一个足够大的常数，以避免出现负的延迟时间；第i个阵元到阵列中心的距离

，i=1,2，，N。

为发射聚焦延迟，因此通过改变发射聚焦延迟来改变焦距F。

图3-12相控阵声束聚焦原理

3.2.3.3 聚焦声束的偏转

图3-13是一维线阵换能器通过时延控制而实现聚焦声束偏转的示意图。为了使聚焦后的声束偏转，阵元激励延迟时间应由发射聚焦延迟的等时差延迟来确定聚焦声束的偏转方向，用和发射偏转延迟组成。用发射偏转来确定聚焦距离。

图3-13相控阵聚焦声束偏转原理

也可以直接利用以下算法来确定各阵元激励信号的延迟时间。根据几何声程差，可以计算出为使各阵元发射声波在P点聚焦，阵元激励信号的延迟时间应为

（式3-6） 式中，为第i个阵元到焦点P的距离，是一个足够大的常数，以避免

间。 出现负的延迟时

相应的相移为

（式3-7）

3.3.3.4 二维阵列换能器的声束控制

二维阵列换能器是在线阵的基础上发展起来的，通过控制各个阵元激励信号的延迟，可以实现声束的三维聚焦和偏转，即对声束实现三维控制。

如图3-14所示，采用右手笛卡尔坐标系统来确定二维面阵换能器各个阵元的相控延迟时间，此延迟时间使得阵列换能器在横向和侧向两个方向上实现声束的二维聚焦偏转，声束焦点位于F，则。

图3-14二维阵列换能器的声束三维控制 那么从阵列换能器中位于的阵元ij到焦点的声波传输时间为

（式3-8）

因此，为了使换能器各个阵元发射的声波同时到达焦点，即实现几何聚焦，各个阵元的相控延迟时间为

（式3-9） 其中为一个常数，并且，保证相控延迟的物理可实现性。则相应的相移为

（式3-10）

由于二维面阵能够实现声束的三维控制，因此它不仅具有良好的声学性能，而且在面阵

声束偏转能及的范围内，无需移动面阵探头就可以实现三维数据的实时采集，这为实时三维超声成像的实现提供了坚实的物理基础。

3.2.4 相控阵超声成像检测的声学性能

本节是从总体角度来论述声成像的共性问题，提供他们的物理依据。

3.2.4.1 空间分辨率问题

一个超声成像系统，究竟能达到什么样的分辨率，从声学角度来讲，主要取决于发射换能器和接收换能器的声束特性。而声束特性又是由系统设计中换能器的几何参数及激励情况等因素所决定的。

空间分辨率主要包括横向分辨率和纵向分辨率。横向分辨率，也称侧向分辨率，它是超声扫描平面内沿着与超声波束轴线垂直的方向上课区分的两个点目标的最小距离，如图3-14所示。横向分辨率与超声波束的有效宽度相关，有效宽度窄横向分辨率高，因此它是通过系统的空间脉冲回波响应来评估的；在换能器的远场或声束的聚焦区域内，该响应也可以由发射换能器连续波声压响应和接收换能器连续波声压响应的乘积（即连续波声场的双向响应）来近似。通常，横向分辨率是通过系统的脉冲回波响应主瓣的-6dB宽度来评估的，但是它仅仅给出了超声成像系统真实分辨率的粗略估计。在成像系统中，来自于工件内部的回波信号具有较大的动态范围，而且微小结构常常由于附近强反射体和复杂干扰现象（声噪声）的存在而检测 …… 此处隐藏：2962字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……