超聲相控陣檢測教材超聲相控陣技術(shù)

1、第三章超聲相控陣技術(shù)3.1 相控陣的概念3.1.1 相控陣超聲成像超聲檢測時(shí)， 如需要對物體內(nèi)某一區(qū)域進(jìn)行成像， 必須進(jìn)行聲束掃描。 相控陣成像是通 過控制陣列換能器中各個(gè)陣元激勵(lì) （或接收） 脈沖的時(shí)間延遲， 改變由各陣元發(fā)射 （或接收） 聲波到達(dá)（或來自） 物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而完成相 控陣波束合成，形成成像掃描線的技術(shù)，如圖 3-1 所示。圖 3-1 相控陣超聲聚焦和偏轉(zhuǎn)3.2 相控陣工作原理相控陣超聲成像系統(tǒng)中的數(shù)字控制技術(shù)主要是指波束的時(shí)空控制， 采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技 術(shù)，對發(fā)射 /接收狀態(tài)的相控波束進(jìn)行精確的相位控制，以獲得最佳的波束特性。這些關(guān)鍵

2、數(shù)字技術(shù)有相控延時(shí)、動(dòng)態(tài)聚焦、動(dòng)態(tài)孔徑、動(dòng)態(tài)變跡、編碼發(fā)射、聲束形成等。3.2.1 相位延時(shí)相控陣超聲成像系統(tǒng)使用陣列換能器，并通過調(diào)整各陣元發(fā)射 /接收信號的相位延遲 （ phase delay），可以控制合成波陣面的曲率、指向、孔徑等，達(dá)到波束聚焦、偏轉(zhuǎn)、波束 形成等多種相控效果，形成清晰的成像。可以說，相位延時(shí)（又稱相控延時(shí)）是相控陣技術(shù) 的核心，是多種相控效果的基礎(chǔ)。RMS）延相位延時(shí)的精度和分辨率對波束特性的影響很大。 就波束的旁瓣聲壓而言， 文獻(xiàn)研究表明，延時(shí)量化誤差產(chǎn)生離散的誤差旁瓣，從而降低圖像的動(dòng)態(tài)范圍。其均方根（式中， ；（式 3-1）N 陣元數(shù)目；中心頻率所對應(yīng)一個(gè)周期與

3、最小量化延時(shí)之比。圖 3-2 示出了延時(shí)量化誤差引起的旁瓣隨 N、 變化的關(guān)系曲線。早期的超聲成像設(shè)備 如醫(yī)用 B 超中， 由 LC 網(wǎng)絡(luò)組成多抽頭延遲線直接對模擬信號進(jìn)行延遲，用電子開關(guān)來分段切換以獲得不同的延遲量。 這種延遲方式有兩大缺點(diǎn)： 延遲量不能精細(xì)可調(diào)， 只能實(shí)現(xiàn)分 段聚焦，當(dāng)聚焦點(diǎn)很多時(shí)需要龐大的 LC 網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)矩陣；由于是模擬延遲方式，電 氣參數(shù)難以未定，延時(shí)量會(huì)發(fā)生溫漂、時(shí)漂、波形容易被噪聲干擾。（a）=8 時(shí)，旁瓣隨 N 變化曲線（ b）=16 時(shí)，旁瓣隨 變化曲線圖 3-2 旁瓣與 N、 關(guān)系圖近來采用數(shù)字延時(shí)來代替原來的模擬延時(shí)。數(shù)字延時(shí)精度高、 控制方便、穩(wěn)定性

4、好，可 以大大提高相控陣超聲成像質(zhì)量。 數(shù)字延時(shí)的實(shí)現(xiàn)可以分成粗延時(shí)和細(xì)延時(shí)， 粗延時(shí)一般基 于采樣時(shí)鐘計(jì)數(shù)， 延時(shí)值為采樣周期的整數(shù)倍， 而采樣周期通常為幾十納秒以上。 細(xì)延時(shí)量 為采樣周期的小數(shù)倍，一般能達(dá)到 10ns 以內(nèi)的延時(shí)分辨率。實(shí)現(xiàn)數(shù)字粗延時(shí)比較簡單， 但是實(shí)現(xiàn)細(xì)延時(shí)比較困難。 目前有幾種方法實(shí)現(xiàn)細(xì)延時(shí)： 一 種是流水線式采樣延遲聚焦，其延時(shí)分辨率一般大于10ns。另一種方法是采用數(shù)據(jù)做時(shí)域內(nèi)插，獲得 N 倍密集的輸出序列從而減小量化延時(shí)，這需要很高的運(yùn)算量和存儲器支持。 即便如此，延時(shí)量化誤差仍然不夠小。有人采用坐標(biāo)變換的 CORDIC 算法實(shí)現(xiàn)采樣序列的 相位旋轉(zhuǎn)。 也有人提

5、出基于多種速率數(shù)字信號處理技術(shù)的多相濾波方法， 可以實(shí)現(xiàn) 5ns 級精 細(xì)延時(shí)，并且可以把動(dòng)態(tài)變跡技術(shù)等一起考慮。還有人提出基于 FIR 濾波的延時(shí)方法，延 時(shí)精度可達(dá)到 5ns。3.2.2 動(dòng)態(tài)聚焦（1）相控聚焦原理相控發(fā)射聚焦原理如圖 3-3（a）。設(shè)陣元中心距為 d，陣列換能器孔徑為 D，聚焦點(diǎn)為 P， 焦距為 f，媒質(zhì)聲速為 c。根據(jù)幾何聲程差，可以計(jì)算出為使各陣元發(fā)射波在P 點(diǎn)聚焦，激勵(lì)信號延遲時(shí)間應(yīng)為式中， n 陣元序號； 為一個(gè)足夠大的時(shí)間常數(shù)，目的是為了避免 出現(xiàn)負(fù)的延遲時(shí)間。接收聚焦如圖 3-3（ b）所示，它是一個(gè)和發(fā)射聚焦互逆的過程，同樣遵守幾何聚焦延遲規(guī)律。各陣元接收回

6、波信號，按設(shè)計(jì)的聚焦延遲量進(jìn)行延遲，然后相加。a）發(fā)射聚焦（ b）接收聚焦圖 3-3 相控聚焦原理示意圖（2）動(dòng)態(tài)聚焦聲束特性在聲場中， 聚焦點(diǎn)區(qū)域的聲束寬度最小， 即在焦點(diǎn)附近的有限區(qū)域內(nèi)， 聚焦聲束寬度小于各 陣元同時(shí)激勵(lì)（即不聚焦）時(shí)的聲束寬度；但在此區(qū)域之外，聚焦聲束寬度反而擴(kuò)散開來， 大于不聚焦聲束寬度，如圖 3-4 所示。圖 3-4 聚焦深度和焦點(diǎn)直徑對于強(qiáng)聚焦方式，在聚焦深度內(nèi)聚焦聲束變細(xì)，可獲得優(yōu)良的側(cè)向分辨率；但聚焦深 度很短， 焦區(qū)以外的聲束比未聚焦時(shí)發(fā)散得更快。 為了使相控聲束掃描的整個(gè)聲場范圍內(nèi)都 能得到均勻清晰的成像， 就要對聲場中每一點(diǎn)進(jìn)行聚焦發(fā)射和接收， 以便在各

7、點(diǎn)都有連續(xù)一 致的側(cè)向分辨率。 這就要求相控聲束能沿掃描線跟蹤目標(biāo)， 以形成一個(gè)滑動(dòng)的焦點(diǎn)， 并同步 改變陣列孔徑。在早期的分段動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)中，使發(fā)射和接收聲束分別在近距離、中距離和遠(yuǎn)距離聚 焦，進(jìn)行幾次成像。 在幾幅成像中， 都只是在各自的焦點(diǎn)附近能得到清晰成像，而在其他區(qū) 域，由于偏離了焦點(diǎn)使圖像模糊。 將幾幅圖像拼合起來， 就能得到從近距離到遠(yuǎn)距離比較均 勻、分辨特性較好的成像。 這種分段聚焦方式合成一幅清晰圖像需要轉(zhuǎn)換幾次焦點(diǎn)， 因而實(shí) 時(shí)性較差。在改進(jìn)的實(shí)時(shí)分段動(dòng)態(tài)聚焦方式中， 在一次聲束發(fā)射 /接收過程中，同步地改變焦點(diǎn)深 度。焦點(diǎn)分段更加細(xì)密、平滑，常采用 8、16 段等動(dòng)態(tài)聚焦

8、方式。由于發(fā)射波形一般是短脈 沖，發(fā)射出去就不能控制， 因此不能在一次發(fā)射過程中改變焦點(diǎn)； 而接收信號則具有一定持 續(xù)時(shí)間， 可以由淺漸深的改變焦距， 即動(dòng)態(tài)地改變聚焦延遲， 使來自各深度的接收聲束多處 于聚焦?fàn)顟B(tài)，如圖 3-5 所示。圖 3-5 實(shí)時(shí)分段動(dòng)態(tài)聚焦示意圖（3）動(dòng)態(tài)孔徑（ dynamic aperture ）當(dāng)需要在不同深度下側(cè)向分辨力一致時(shí)，就要求隨掃查深度（焦距F）增加，陣列換能器的孔徑 D 也同步增加。在聚焦點(diǎn)處，聲束寬度可表示為（式 3-3）由式（ 3-2 ）可見，最大延遲時(shí)間隨焦距減小而增大，與孔徑 D=nd 大致呈正比。所以當(dāng)焦點(diǎn)較近時(shí)，如果不見效孔徑D，過大的將使相

9、控電子聚焦難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在離換能器很近的區(qū)域內(nèi)， 由于超聲波束的衍射效應(yīng)使波束變得很寬， 甚至與換能器孔徑相當(dāng)， 這會(huì)使側(cè)向分辨率變得很差。減小孔徑可改善近場側(cè)向分辨率。 而在中、 遠(yuǎn)場， 聚焦聲束寬度有隨著焦距增加而增大 的趨勢，因此要求增大孔徑，力圖保持恒定的聲束寬度。動(dòng)態(tài)孔徑的實(shí)現(xiàn)原理如圖 3-6 所示。 動(dòng)態(tài)孔徑和動(dòng)態(tài)聚焦配合使用， 克服了只能在某一 區(qū)域聚焦的現(xiàn)象， 使得在整個(gè)視場中獲得均勻的分辨率， 保證了圖像中的每一點(diǎn)總是在最佳 聚焦?fàn)顟B(tài)，從而大大改善圖像質(zhì)量。圖 3-6 可變孔徑原理示意圖（4）動(dòng)態(tài)變跡動(dòng)態(tài)變跡 （ dynamic apodization ），技術(shù)是一種改變主瓣

10、和旁瓣的相對大小及各波瓣夾角 的技術(shù)，它的作用主要是為了抑制旁瓣，提高分辨率。當(dāng)換能器各陣元采用幅度相同的電脈沖激勵(lì)時(shí)， 其波瓣圖中除了主瓣之外還有旁瓣。 相 位延遲的量化誤差也會(huì)造成旁瓣。對于 32 陣元相控陣系統(tǒng)，相位延遲量化誤差對于旁瓣的 影響如圖 3-7 所示。a）無相位量化誤差（ b ）存在相位量化誤差圖 3-7 相位量化誤差對波瓣的影響 用變跡技術(shù)可以有效降低旁瓣電平， 使波瓣圖中的旁瓣明顯減小。 變跡處理可分為孔徑 尺寸變跡，幅度加權(quán)變跡和幅度加權(quán)動(dòng)態(tài)變跡等幾種，其中最常用的是幅度加權(quán)變跡。 幅度加權(quán)變跡的做法是： 對換能器陣中心陣元賦予較大的加權(quán)系數(shù)， 向兩端加權(quán)系數(shù)逐漸減 小

11、。發(fā)射或接收狀態(tài)都可以實(shí)現(xiàn)幅度變跡， 在發(fā)射狀態(tài)就是中心陣元激勵(lì)弱、 兩端陣元激勵(lì) 增強(qiáng)，在接收狀態(tài)就是疊加時(shí)中心陣元權(quán)重、兩端陣元權(quán)輕。對于圖3-7（ b）所示相位量化誤差產(chǎn)生的旁瓣，當(dāng)采用圖 3-8（a）所示線性下降幅度變跡處理后，波瓣圖如圖3-8（ b）所示?？梢?，由相位延遲量化誤差產(chǎn)生了較大的旁瓣消失。除了幅度變跡之外， 還可以采用孔徑變跡等技術(shù)來抑制旁瓣。 動(dòng)態(tài)變跡技術(shù)與動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)、動(dòng)態(tài)孔徑技術(shù)相結(jié)合，可以獲得最窄的主波束寬度和最小的旁瓣幅度。（ a）線性下降變跡函數(shù)（ b）變跡處理后波瓣圖3-8 線性幅度變跡處理（5）編碼發(fā)射 在超聲檢測中，窄脈沖激勵(lì)的頻帶寬度（范圍）寬，因而檢

12、測分辨率高；寬脈沖激勵(lì)帶 寬窄， 分辨率低。如果對寬脈沖進(jìn)行頻率調(diào)制，采用編碼發(fā)射的形式，則可顯著增加頻帶寬度，從而提高檢測分辨率。同時(shí)由于寬脈沖激勵(lì)的發(fā)射強(qiáng)度大，所以檢測靈敏度高，可以增 加檢測距離。為此目的，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)脈沖頻率調(diào)制的一種方案，如圖 3-9 所示。圖 3-9 線性調(diào)頻激勵(lì)信號波形圖 3-9 中，激勵(lì)信號是 5 個(gè)周期的線性調(diào)頻信號，頻率逐漸增大。發(fā)射多個(gè)脈沖使激勵(lì) 信號的強(qiáng)度增大， 檢測靈敏度增加。 但是發(fā)射多個(gè)激勵(lì)脈沖也使回波信號長度增加， 從而降 低縱向分辨率。 如果能采取措施將回波信號在時(shí)域上進(jìn)行壓縮， 就能得到幅度增強(qiáng)、 寬度相 當(dāng)于單脈沖激勵(lì)的接收信號，這就是脈沖壓縮

13、的思路。比如， 讓調(diào)頻信號經(jīng)過接收延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，對于不同頻率的接收信號， 延時(shí)時(shí)間不同。 頻率 為 f1 的信號延時(shí)量最大，頻率為 f2 的信號延時(shí)量次之 頻率為 f 5的信號延時(shí)量最小。通 過這樣的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)處理， 各頻率分量的信號在調(diào)頻發(fā)射時(shí)具有的時(shí)差得到補(bǔ)償， 在延時(shí)網(wǎng)絡(luò) 的輸出端同時(shí)抵達(dá)，疊加成為幅度增強(qiáng)的窄脈沖。實(shí)際上超聲成像中可采用的編碼激勵(lì)方案不止是線性調(diào)頻信號，還可以用非線性調(diào)頻、 相位編碼等。超聲編碼激勵(lì)的設(shè)想來源于雷達(dá)信號脈沖壓縮理論。 與常規(guī)的脈沖激勵(lì)方式相比， 超聲編碼激勵(lì)可使信噪比（ SNR）得到改善，其改善因子等于相關(guān)接收時(shí)的時(shí)間 帶寬積。當(dāng)時(shí)間帶寬積為 30時(shí)， SNR

14、 可改善 15dB。但是編碼激勵(lì)方式會(huì)帶來距離旁瓣的副作用，需要采取措施加以避免或抑制。在相控陣超聲中，所采用的編碼序列的時(shí)間 帶寬積通常較小，一般在 30到 50以內(nèi)。 用線性調(diào)頻發(fā)射超聲波進(jìn)行發(fā)射，在接收中使用匹配濾波等技術(shù)，可使距離旁瓣電平降到 -50dB 左右。還有文獻(xiàn)研究證明了隨機(jī)調(diào)相連續(xù)信號具有最優(yōu)的模糊函數(shù)特性，可以克服速 度模糊和距離模糊，提高圖像質(zhì)量和分辨率。（6）數(shù)字聲束形成在相控陣超聲系統(tǒng)中， 采用電子聚焦、 變跡及方向控制等技術(shù)來形成指向性良好的聲束 特性，這就是數(shù)字聲束形成技術(shù)。早期聲束形成技術(shù)采用模擬方式， 其信號流程為： 各陣元接收信號 延遲相加 幅度檢 波 A/

15、D 轉(zhuǎn)換。其中延遲環(huán)節(jié)使用較多的模擬延遲線構(gòu)成，這影響了聲束形成性能的提高。數(shù)字聲束形成技術(shù)采用數(shù)字延時(shí)環(huán)節(jié)， 大大改善了聲束形成質(zhì)量， 其信號流程是： 各陣 元接收信號 A/D 轉(zhuǎn)換延遲相加 正交分解。圖 3-10是相控接收的數(shù)字聲束形成示意圖。圖 3-10 數(shù)字聲束形成原理框圖與模擬聲束形成過程相比， 數(shù)字聲束形成中的 A/D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)移到了延遲相加環(huán)節(jié)之前， 直接對各接收通道放大后的信號進(jìn)行 A/D 采樣，然后在計(jì)算機(jī)或邏輯器件（ FPGA ）的控制 下對 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果用數(shù)字方法進(jìn)行延遲，能夠大大提高延遲的精度、分辨率、穩(wěn)定性， 再加上其他一些技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)字聲束形成方式的性能指標(biāo)

16、明顯提高。多聲束形成技術(shù)是指發(fā)射一次超聲脈沖后， 從接收信號中形成多條接收聲束的技術(shù)。 這 時(shí)發(fā)射采用弱聚焦，發(fā)射的超聲束寬度比較均勻、焦深大，在聲束“照射”區(qū)域內(nèi)聲場分布 均勻。對各陣元接收的回波信號采用幾組不同的延時(shí)序列處理， 即可得到聲場中幾個(gè)不同方向上的接收聲束。多聲束形成需要并行處理技術(shù)，對同一個(gè)陣元接收的信號要經(jīng)過 N 套不同的延時(shí)、變 跡等參數(shù)處理，以形成 N 條接收聲束。這在模擬聲束形成方式里會(huì)大大增加硬件的復(fù)雜程 度；對于數(shù)字聲束形成技術(shù)而言， 由于數(shù)字電路的高集成度和可靠性， 可以較方便地實(shí)現(xiàn)多 聲束形成。數(shù)字多聲束技術(shù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值： 數(shù)字多聲束形成時(shí)可以將相鄰兩聲束

17、的間隔減 小到 1/4 陣元間距以上，從而可以提高圖像的橫向分辨率，也可以提高縱向和對比分辨率， 因而能實(shí)現(xiàn)高密度高分辨率成像； 一次可以采集多條接收聲束的數(shù)據(jù)， 從而大大提高成像 速度，數(shù)字多聲束形成加上高速數(shù)字信號處理技術(shù)使得實(shí)時(shí)超聲成像和三維超聲成像成為現(xiàn) 實(shí)。在數(shù)字相控陣超聲成像系統(tǒng)中， 采用多種方式相結(jié)合的超聲波束處理技術(shù)， 將動(dòng)態(tài)聚焦、 動(dòng)態(tài)孔徑、 動(dòng)態(tài)變跡、 編碼發(fā)射和數(shù)字聲束形成等技術(shù)結(jié)合起來， 由數(shù)字系統(tǒng)與軟件控制來 實(shí)現(xiàn)精密的波束時(shí)空控制。 與陣列換能器相結(jié)合， 可形成綜合優(yōu)化的聲束特性， 幾乎適用于 所有深度和聲束掃查位置。 系統(tǒng)具有精細(xì)的主波束， 很低的旁瓣和很大的動(dòng)態(tài)

18、范圍， 為獲得 分辨性能好、噪聲干擾小、動(dòng)態(tài)范圍大的高質(zhì)量超聲圖像奠定了基礎(chǔ)。3.2.3 相控陣超聲波束的時(shí)空控制超聲檢測時(shí)往往需要對物體內(nèi)某一個(gè)區(qū)域進(jìn)行成像，為此， 必須進(jìn)行聲束的掃描。 目前最為先進(jìn)的掃描方式是相控陣法。相控陣成像檢測是通過控制陣列換能器中各個(gè)陣元激勵(lì) （或接收）脈沖的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達(dá)（或來自）物體內(nèi)某點(diǎn) 時(shí)的相位關(guān)系， 實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化， 完成聲成像的技術(shù)。 由于發(fā)射聲束的控制與 回波信號的處理原理是相同的， 聚焦偏轉(zhuǎn)效果的計(jì)算是可逆的， 本節(jié)重點(diǎn)討論發(fā)射聲束的時(shí) 空控制。3.2.3.1 聲束的偏轉(zhuǎn)圖 3-11 是一維線陣換能器通過時(shí)

19、延控制而實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)的示意圖。該陣列換能器是由 N 個(gè)陣元構(gòu)成的線陣換能器，陣元中心間距為d，換能器孔徑為 D 。a）不偏轉(zhuǎn)（ b）偏轉(zhuǎn)圖 3-11 相控陣聲束偏轉(zhuǎn)原理如圖 3-11（ a）所示，如果各陣元同時(shí)受同一激勵(lì)源激勵(lì)，則其合成波束垂直于換能器被激勵(lì)源激勵(lì)，則各陣元所產(chǎn)生即合成波束方向不垂直于陣列，而是與陣列軸線成一夾角，從而實(shí)現(xiàn)了聲束偏轉(zhuǎn)，如圖3-11（b）所示。表面，主瓣與陣列的對稱軸重合。若相鄰陣元按一定時(shí)間 的聲脈沖亦將相應(yīng)延遲 ，這樣合成的波不再與陣列平行，根據(jù)波合成理論可知，相鄰兩陣元的時(shí)間延遲為（式 3-4）也被稱為發(fā)射偏轉(zhuǎn)延遲。因此，可以通過改變發(fā)射偏轉(zhuǎn)延遲 來改變超聲

20、波束的偏轉(zhuǎn) 角度 。3.2.3.2 聲束的聚焦P 離換能器圖 3-12 是一維線陣換能器通過時(shí)延控制而實(shí)現(xiàn)聲束聚焦的示意圖。聚焦點(diǎn) 表面距離，即聚焦焦距為 F，傳播介質(zhì)中的聲速為在發(fā)射聚焦時(shí)， 采用延時(shí)順序激勵(lì)陣元的方法， 使各陣元按設(shè)計(jì)的延時(shí)依次先后發(fā)射聲波，在介質(zhì)內(nèi)合成波波陣面為凹球面對于線陣來說則是弧面） ，在 P 點(diǎn)因同相疊加而增強(qiáng)，而在 P 點(diǎn)以外則因異相疊加而減弱，甚至抵消。以陣列中心作為參考點(diǎn)，基于幾何光學(xué)原理，使各個(gè)陣元發(fā)射聲波在焦距為F 的焦點(diǎn) P 聚焦，所要求的各陣元的激勵(lì)延遲時(shí)間關(guān)系（式 3-5）式中， 是個(gè)足夠大的常數(shù)，以避免 出現(xiàn)負(fù)的延遲時(shí)間；第 i 個(gè)陣元到陣列中心

21、的距離，i=1,2 ， ，N。為發(fā)射聚焦延遲，因此通過改變發(fā)射聚焦延遲 來改變焦距 F。圖 3-12 相控陣聲束聚焦原理3.2.3.3 聚焦聲束的偏轉(zhuǎn)圖 3-13 是一維線陣換能器通過時(shí)延控制而實(shí)現(xiàn)聚焦聲束偏轉(zhuǎn)的示意圖。為了使聚焦后的聲束偏轉(zhuǎn)，陣元激勵(lì)延遲時(shí)間 應(yīng)由發(fā)射聚焦延遲 和發(fā)射偏轉(zhuǎn)延遲 組成。用發(fā)射偏轉(zhuǎn)的等時(shí)差延遲 來確定聚焦聲束的偏轉(zhuǎn)方向，用 來確定聚焦距離。圖 3-13 相控陣聚焦聲束偏轉(zhuǎn)原理也可以直接利用以下算法來確定各陣元激勵(lì)信號的延遲時(shí)間。 根據(jù)幾何聲程差， 可以計(jì) 算出為使各陣元發(fā)射聲波在 P 點(diǎn)聚焦，陣元激勵(lì)信號的延遲時(shí)間 應(yīng)為（式 3-6 ）式中， 為第 i 個(gè)陣元到焦

22、點(diǎn) P 的距離， 是一個(gè)足夠大的常數(shù)，以避免 出現(xiàn)負(fù)的延遲時(shí) 間。相應(yīng)的相移為（式 3-7）3.3.3.4 二維陣列換能器的聲束控制二維陣列換能器是在線陣的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 通過控制各個(gè)陣元激勵(lì)信號的延遲， 可 以實(shí)現(xiàn)聲束的三維聚焦和偏轉(zhuǎn)，即對聲束實(shí)現(xiàn)三維控制。如圖 3-14 所示，采用右手笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)來確定二維面陣換能器各個(gè)陣元的相控延遲時(shí)間，此延遲時(shí)間使得陣列換能器在橫向和側(cè)向兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)聲束的二維聚焦偏轉(zhuǎn)， 聲束圖 3-14 二維陣列換能器的聲束三維控制那么從陣列換能器中位于 的陣元 ij 到焦點(diǎn)的聲波傳輸時(shí)間 為（式 3-8 ）因此， 為了使換能器各個(gè)陣元發(fā)射的聲波同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)，

23、 即實(shí)現(xiàn)幾何聚焦， 各個(gè)陣元的 相控延遲時(shí)間為（式 3-9）其中 為一個(gè)常數(shù)，并且 ，保證相控延遲的物理可實(shí)現(xiàn)性。則相應(yīng)的相移為（式 3-10）由于二維面陣能夠?qū)崿F(xiàn)聲束的三維控制， 因此它不僅具有良好的聲學(xué)性能， 而且在面陣聲束偏轉(zhuǎn)能及的范圍內(nèi)， 無需移動(dòng)面陣探頭就可以實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集， 這為實(shí)時(shí)三維 超聲成像的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。3.2.4 相控陣超聲成像檢測的聲學(xué)性能本節(jié)是從總體角度來論述聲成像的共性問題，提供他們的物理依據(jù)。3.2.4.1 空間分辨率問題一個(gè)超聲成像系統(tǒng)， 究竟能達(dá)到什么樣的分辨率， 從聲學(xué)角度來講， 主要取決于發(fā)射換 能器和接收換能器的聲束特性。 而聲束特性

24、又是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)中換能器的幾何參數(shù)及激勵(lì)情況 等因素所決定的。空間分辨率主要包括橫向分辨率和縱向分辨率。 橫向分辨率， 也稱側(cè)向分辨率， 它是超 聲掃描平面內(nèi)沿著與超聲波束軸線垂直的方向上課區(qū)分的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的最小距離， 如圖 3-14 所示。 橫向分辨率與超聲波束的有效寬度相關(guān)， 有效寬度窄橫向分辨率高， 因此它是通過系 統(tǒng)的空間脈沖回波響應(yīng)來評估的； 在換能器的遠(yuǎn)場或聲束的聚焦區(qū)域內(nèi)， 該響應(yīng)也可以由發(fā) 射換能器連續(xù)波聲壓響應(yīng)和接收換能器連續(xù)波聲壓響應(yīng)的乘積（即連續(xù)波聲場的雙向響應(yīng)） 來近似。通常，橫向分辨率是通過系統(tǒng)的脈沖回波響應(yīng)主瓣的 -6dB 寬度來評估的，但是它 僅僅給出了超聲成像系統(tǒng)

25、真實(shí)分辨率的粗略估計(jì)。 在成像系統(tǒng)中， 來自于工件內(nèi)部的回波信 號具有較大的動(dòng)態(tài)范圍， 而且微小結(jié)構(gòu)常常由于附近強(qiáng)反射體和復(fù)雜干擾現(xiàn)象 （聲噪聲） 的 存在而檢測不到， 因此，在實(shí)際應(yīng)用中也常常將 -20dB 波束寬度作為橫向分辨率的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 綜上所述，本節(jié)將系統(tǒng)脈沖回波響應(yīng)主瓣的 -6dB 波束寬度和 -20dB 波束寬度綜合考慮作為系 統(tǒng)橫向分辨率的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。圖 3-15 是一維線陣換能器通過時(shí)延控制而實(shí)現(xiàn)聲束聚焦偏轉(zhuǎn)的示意圖。該陣列換能器 是由 N（假設(shè) N 為偶數(shù)）個(gè)陣元構(gòu)成的線陣換能器， 陣元中心間距為 d。聲束聚焦于 （F， ）， 其中 F 是焦距， 是聲束的偏轉(zhuǎn)角度。圖 3-1

26、5 一維線陣換能器聲束的聚焦偏轉(zhuǎn)a）連續(xù)波聲場聲壓分布（ b ）連續(xù)波聲場雙向相應(yīng)c）脈沖場聲壓分布（ d）空間脈沖回波響應(yīng)圖 3-16 32 陣元（ d=0.5 ）線陣換能器聚焦在（ 40mm， 0）時(shí)的波束圖圖 3-16 是 32 陣元換能器聚焦在（ 40mm， 0）時(shí)的波束圖。該陣列的中心頻率為=4MHz ，陣元間距 d=0.5 ， 是陣元的中心頻率所對應(yīng)的波 在此處鍵入公式。 長。上述 的四個(gè)波束圖是在半徑為 R=F=40mm 的半圓上以角度 的橫坐標(biāo)繪制的。 圖 3-16（a）是陣 列的連續(xù)波聲場聲壓分布圖，焦點(diǎn)位于（40mm， 0），只考慮了陣列的輻射聲場特性，因此有時(shí)也稱之為連續(xù)

27、波聲場單向響應(yīng)。圖3-16（ b）是陣列的連續(xù)波聲場雙向響應(yīng)圖，它綜合考慮了發(fā)射陣列換能器的輻射聲場特性和接收換能器的聲場特性，因此常用來評價(jià)相控陣成像檢測系統(tǒng)的聲學(xué)指標(biāo)，這里發(fā)射陣列和接收陣列式相同的。圖3-16（ c）是陣列的脈沖場聲壓分布圖，從圖中可以看出，它和連續(xù)波聲場聲壓分布圖3-16（ a）相似。圖 3-16（ d）是陣列的空間脈沖回波響應(yīng)圖， 同樣它和陣列的連續(xù)波聲場雙向相應(yīng)相似。因此， 在換能器的遠(yuǎn)場或聲束的聚焦區(qū)域內(nèi)， 陣列的脈沖回波響應(yīng)可以由連續(xù)波聲場的雙向相應(yīng)來近似，而系統(tǒng)的橫向分辨率就是以該響應(yīng)主瓣的 -6dB 波束寬度和 -20dB 波束寬度來評估的。 縱向分辨 率，

28、又叫軸向分辨率， 它是指沿著超聲波束軸線方向上可區(qū)分的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的最小距離，如 圖 3-15 所示。在脈沖波的條件下，可以大大改善縱向分辨率。當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間很短，其縱 向分辨率 主要由脈沖持續(xù)時(shí)間 和聲速 c 來決定（式 3-11）總之， 從聲學(xué)角度講， 提高成像系統(tǒng)的橫向分辨率， 主要是優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)射換能器 （或陣） 和接收換能器（或陣）的參數(shù)，使其具有良好的聲學(xué)性能，即波束寬度盡量窄。而提高縱向 分辨率，則主要靠減少脈沖發(fā)射持續(xù)時(shí)間，在同樣的頻率下， 應(yīng)盡量減少脈沖個(gè)數(shù)，最好能 做到單波脈沖發(fā)射。3.2.4.2 偽像問題超聲圖像的偽像是一個(gè)頗為復(fù)雜而必須面對的問題， 正確認(rèn)識偽像及其產(chǎn)生的原

29、因、 條 件，有助于正確評價(jià)得到的超聲圖像， 得出正確的診斷結(jié)果， 而且有助于設(shè)計(jì)人員優(yōu)化系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)， 從而從根本上抑制偽像的產(chǎn)生。 所謂偽像是指任一回波信號被超聲成像檢測系統(tǒng)所 顯示的位置與被檢體內(nèi)回波界面的實(shí)際位置不符， 或者顯示的信號振幅、 灰度變化不與被顯 示的回波界面特性變化相關(guān)。偽像的存在是普遍的、絕對的， 而接近理想聲圖像（絲毫沒有 偽像的圖像）則是相對的。本節(jié)重點(diǎn)討論由于聲束特性不理想而造成的偽像。（1）分辨性偽像由于系統(tǒng)空間分辨率的限制， 凡距離小于分辨率判據(jù)的兩點(diǎn)或多點(diǎn)物體， 在圖像上只能 顯示為一個(gè)較大的物體。 一般來講， 縱向分辨率比橫向分辨率好些， 縱向分辨率低下使

30、聲場 中層面結(jié)構(gòu)的層次不清， 結(jié)構(gòu)粘連， 橫向分辨率低下使圖像模糊、 顆粒粗大， 橫向結(jié)構(gòu)粘連。另外， 若在視野的不同深度上分辨率相差較大， 處于不同位置相同大小的物體， 產(chǎn)生不 同大小的像。（2）旁瓣效應(yīng)偽像換能器 （或換能陣） 發(fā)射的能量主要集中在主瓣聲束內(nèi)， 而在其他方向的旁瓣也分布有 相當(dāng)能量， 其中尤以第一旁瓣最大。 當(dāng)主瓣聲束掃描物體時(shí)， 旁瓣也同樣在進(jìn)行掃查， 但它 們的掃查方向與主瓣聲束不一致， 而它所接收到的回波信號則被完全歸屬在主瓣聲束的回波 信號上， 同時(shí)被檢測成像系統(tǒng)顯示在同一聲圖像上。 換能器無法區(qū)分主、 旁瓣聲軸的回波信 號，成像系統(tǒng)又不能分別顯示不同方向的注旁瓣聲

31、像， 因此任何方向上的回波源， 均被假定 為沿?fù)Q能器聲束的軸向方向， 從而形成了旁瓣效應(yīng)偽像。 實(shí)際上在所有各種大界面均可產(chǎn)生 這種偽像， 只是旁瓣回聲與主瓣回聲相比較小， 使得旁瓣回聲圖掩蓋與主瓣回聲圖之間， 可被忽略。但在旁瓣聲束遇到強(qiáng)反射結(jié)構(gòu)， 而主瓣聲束處于低回聲區(qū)時(shí)， 就明顯分辨出來。由 于旁瓣的存在， 還降低了對低回聲信號的對比度分辨率， 使圖像質(zhì)量變差。 通常決定圖像組 織質(zhì)地微弱回波位于 -40dB-60dB （0dB 回波為最亮最強(qiáng)的回波） ，系統(tǒng)的空間脈沖回波響 應(yīng)的-50dB 波束寬度則提供合理而客觀評價(jià)對比清晰度的測量標(biāo)準(zhǔn)，如圖3-16（d）所示。（3）柵瓣效應(yīng)偽像當(dāng)陣

32、列換能器設(shè)計(jì)不合理，主要是陣元間距過大，且掃描角度較大時(shí)，由于聲波干涉， 其聲場中不僅存在主瓣、 旁瓣，而且還存在柵瓣。 圖3-17是 32陣元線陣換能器聚焦在 （40mm， 45）時(shí)的波束圖，該線陣換能器是由32 個(gè)陣元組成的，陣元的中心頻率 =4MHz ，相鄰陣元中心間距 ， 是陣元的中心頻率所對應(yīng)的波長。圖3-17（ a）為連續(xù)波聲場雙向響應(yīng)，表示單一頻率的情況，主波束選在處時(shí)，在 -18 處出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)的柵瓣。圖3-17（ b）表示陣列的脈沖回波響應(yīng)，同樣，主波束選在處時(shí)，在 -18處出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)的柵瓣，但柵瓣變寬，而且柵瓣級比單頻連續(xù)波是有所下降。（ a）連續(xù)波聲場雙向響應(yīng)（ b）空

33、間脈沖回波響應(yīng)圖 3-17 32 陣元（ ）線陣換能器聚焦在（ 40mm， 45）時(shí)的波束圖柵瓣產(chǎn)生偽像的原理同旁瓣效應(yīng)偽像的產(chǎn)生的原理相同， 但通常由于柵瓣中含有較多的 能量，有時(shí)甚至高于主瓣的能量，因此在相控陣超聲成像檢測中柵瓣是必須要消除的?？傊?， 了解產(chǎn)生這些偽像的聲學(xué)原因，有利于改進(jìn)聲學(xué)設(shè)計(jì)，采取措施，消除或者減弱偽像的影響，如優(yōu)化陣列的設(shè)計(jì)使其具有良好的聲學(xué)特性 （最小化主瓣寬度、消除柵瓣、抑 制旁瓣）；采用多段動(dòng)態(tài)聚焦的方法使其在遠(yuǎn)場軸向較大范圍內(nèi)具有一致的橫向分辨率，采 用動(dòng)態(tài)孔徑的方法使其在近場和遠(yuǎn)場具有一致的橫向分辨率； 用動(dòng)態(tài)變跡的方法來抑制旁瓣3.3 相控陣掃描類型在相

34、控陣檢測中， 通過不同相位的聲波之間的干涉影響來控制和形成超聲波。 根據(jù)波束 合成的情況， 可以進(jìn)行線形掃描、 扇形掃描和體掃描成像。 由于線形掃描的波束合成是平行 的，所以成像側(cè)向分辨率均勻一致； 扇形掃描的波束合成方向呈發(fā)射狀， 所以側(cè)向分辨率在 不同距離有所變化。 在聲輸入口受到限制的場合 （就是在某些情況下， 超聲陣列換能器能夠 接觸工件表面的空間不夠大） ，為了能夠得到較大的探測范圍，就應(yīng)用扇形掃描。體掃描是 在二維相控陣列換能器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行空間波束合成形成空間掃描線，實(shí)現(xiàn)三維成像。在相控陣檢測中， 通過不同相位的聲波之間的干涉影響來控制和形成超聲波。 每個(gè)晶片 以不同的延遲各自激

35、發(fā)或者多組晶片以不同的延遲激發(fā)將會(huì)合成一束以特定角度傳播的波 陣面。這類似于常規(guī)楔塊產(chǎn)生的機(jī)械延遲， 但是相控陣可以改變延時(shí)的模式。 通過相長干涉， 合成后的波束幅度比任何一個(gè)獨(dú)立波源產(chǎn)生的波幅都要強(qiáng)。同樣的， 改變陣列里每個(gè)晶片的延遲變化產(chǎn)生一個(gè)角度或者將所有聲束聚焦在同一個(gè)位置。此外，改變初始波陣面的方向， 聲束就可以在近場區(qū)的任何位置進(jìn)行聚焦。通常， 一個(gè)相控陣系統(tǒng)是利用聲波的相位轉(zhuǎn)換物理原理， 在晶片陣列中， 通過每個(gè)晶片產(chǎn)生 的獨(dú)立的波陣面與其它晶片的波陣面相疊加來改變一系列超聲脈沖的輸出時(shí)間， 從而可以來 有效的控制和形成聲波。 這些都是通過改變探頭中每個(gè)晶片的脈沖產(chǎn)生時(shí)間來完成的

36、。 通常 4-32 晶片被作為一組進(jìn)行激發(fā)，這樣可以增加陣列孔徑的大小從而提高檢測的靈敏度，從 而減少了聲束的擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)聚焦。軟件中有聚焦法則計(jì)算器用來確定每組晶片的觸發(fā)延遲， 通過改變延遲時(shí)間產(chǎn)生所需要的聲束， 當(dāng)然也要結(jié)合探頭和楔塊的特性及被檢測材料的幾何 和聲學(xué)性能。在儀器軟件中選擇控制脈沖的頻率從而在被檢測材料中發(fā)射若干獨(dú)立的波陣 面。這些波陣面依次疊加產(chǎn)生一束新的子波陣面在工件中進(jìn)行傳播， 裂紋、材料的不連續(xù)性、 底波及材料的其他幾何回波都會(huì)產(chǎn)生反射， 從而被探頭接收。 一個(gè)探頭通過改變不同的角度、 聚焦距離、 及焦點(diǎn)尺寸就可以實(shí)現(xiàn)聲束的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)， 這樣就可以對被檢材料進(jìn)行不同面的檢 測成像。 聲束偏轉(zhuǎn)的過程非常快， 多角度或者不同聚焦深度的一次掃描在非常小的一瞬間就 可以完成。 返回的回波被所有晶片或者成組的晶片所接受， 并且按時(shí)間順序進(jìn)行接收用于補(bǔ) 償不同的楔塊延遲差， 最后將所有晶片接收到的信息進(jìn)行匯總。 和傳統(tǒng)的超聲單晶傳感器不 同的是，相控陣傳感器可以根據(jù)每個(gè)晶片接收到的信號的到達(dá)時(shí)間及幅度在空間上對返回的 波陣面進(jìn)行分類， 這樣可以有效的融合在這個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的所有的聲束的檢測效果。 當(dāng)通過 儀器的軟件進(jìn)行處理時(shí)， 每個(gè)反回的聚焦法則代表著一個(gè)獨(dú)立的聲束的反射、 沿著線性路徑 的一個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)，以及 /或者一個(gè)聚焦深