相控阵技术
相控阵技术基础原理学习教案
信号处理技术
信号检测与估计
信号分离与提取
信号调制与解调
通过对接收信号进行处理，实 现信号的检测、参数估计和目 标识别等功能。常见的信号检 测与估计方法包括匹配滤波器 、最大似然估计、最小二乘估 计等。
在复杂的信号环境中，将目标 信号从干扰和噪声中分离出来 ，并进行提取和处理。常见的 信号分离与提取方法包括主成 分分析（PCA）、独立成分分 析（ICA）等。
阵列单元是构成阵列天线的基本单元，其性能直接影响整个阵列的性能 。设计时需要考虑单元类型、工作频率、辐射方向图、阻抗匹配等因素 。
阵列馈电网络设计
馈电网络用于将信号分配给各个阵列单元，并保证各单元之间的幅度和 相位关系。设计时需要考虑馈电网络的拓扑结构、传输线类型、阻抗匹 配、损耗等因素。
波束形成算法设计技术
03
相控阵系统组成及功能
发射子系统组成及功能
发射机
产生高频信号，为阵列天线提供激励源。
移相器
调整各天线单元信号的相位，实现波束指 向控制。
功率分配器
将发射机输出的功率分配到各个天线单元 。
发射天线
将经过移相处理的信号辐射到空间中。
接收子系统组成及功能
01 接收机
接收来自目标反射的回波 信号。
03 低噪声放大器
相控阵技术基础原理 学习教案
目录
• 相控阵技术概述 • 相控阵基本原理 • 相控阵系统组成及功能 • 相控阵关键技术分析 • 相控阵性能指标评价方法 • 相控阵技术应用实例分析 • 总结与展望
01
相控阵技术概述
定义与发展历程
定义
相控阵技术是一种通过改变阵列中每个天线单元的相位 和幅度，实现波束指向和形状可控的无线通信技术。
相控阵技术简介
相控阵超声换能器结构与聚焦算法1、相控阵换能器结构相控阵超声的特点是通过软件输入波束参数，如角度、焦距、焦点尺寸等来产生超声波束。
焦点规则指计算机运算法则，定义参数分配给晶片组合，从而提供一个特殊的波束形状。
这些参数包括应用电压的振幅，激发序列和不同晶片激发的延迟时间。
我们采用了由64晶片组成的直线型阵列形式（如图1所示，为了画图清楚图中只画出10晶片），来完成声束的动态扫描和动态聚焦，如图2所示。
图1 直线形阵列图2 相控晶体动态聚焦和动态扫描2、相控阵超声换能器聚焦偏转特性2．1电控偏转特性偏转特性是通过相邻阵元的等时差来实现的，偏转角与两晶片之间时间差的数学关系为:θ=sin-1(c/d*τ)其中:c 为介质的速度;d 为两晶片之间中心距离; τ为两晶片间时间差。
发射偏角、接收偏角是通过发射延时电路和接收延时电路通过等时间差的方法实现了发射偏转和接收偏转。
图3 电控偏转角特性图2．2电控聚焦特性应用相控技术，对线阵探头各阵元提供按二次曲线规律延时的激励，使超声场区合成波阵面呈二次曲线凹面，从而实现波束聚焦。
聚焦特性是表征发射声束在某距离收敛范围的几何尺寸,它直接影响检测缺陷的灵敏度分辨率和检测区域大小的关键,通过研究阵元之间的时间差与焦点位置、焦柱的几何尺寸之间的关系来确定聚焦的特性。
设相邻阵元中心距为d，焦距为F，1、2号阵元距线阵中心距离分别为L1、L2，则1、2号阵元的声程差为ΔS＝(F2+L12)-1/2－(F2+L22)-1/2由此可求得1、2号振元的相差延时量为：τ1＝ΔS/C应用上式，可以求得各阵元间声程差和相差延时量，当给定焦距，只要使各激励脉冲分别经过不同延时量，便可实现定点电控聚焦。
由于超声发射采用电控聚焦，各阵元接收的反射回波亦有相应的相位差，为使这些回波能再接收中同相合成，显然也需要对各阵元所接收到的回波信号给予延时补偿，因此，在接收回路，也要和发射电路一样，设置延时，并使各线的延时与发射延时相等。
相控阵波控
相控阵波控
（原创版）
目录
1.相控阵技术简介
2.相控阵波控的原理
3.相控阵波控的应用领域
4.相控阵波控的优势与局限
5.我国在相控阵波控技术方面的发展
正文
相控阵技术是一种先进的雷达技术，它通过控制雷达单元的相位来实现对波束指向和形状的控制。
这种技术具有分辨率高、抗干扰能力强、探测距离远等优点，因此在军事、民用等领域得到了广泛应用。
相控阵波控的原理是通过控制雷达单元的相位来改变波束的指向和形状。
当雷达单元的相位发生变化时，波束的指向会发生相应的变化。
通过控制每个雷达单元的相位，可以实现对波束指向和形状的精确控制。
相控阵波控的应用领域非常广泛，包括军事、民用等领域。
在军事领域，相控阵波控技术被广泛应用于战斗机、舰船、导弹等武器系统中，用于提高武器系统的探测能力、抗干扰能力和打击精度。
在民用领域，相控阵波控技术被应用于气象雷达、航空雷达、海上雷达等领域，用于提高雷达的探测能力和分辨率。
相控阵波控技术虽然具有很多优点，但也存在一些局限。
例如，相控阵波控技术需要大量的计算资源来实现波束的精确控制，因此在实时性要求较高的场合可能不适用。
此外，相控阵波控技术的实现需要大量的雷达单元，因此成本较高。
我国在相控阵波控技术方面的发展非常迅速。
我国已经成功研发出多
种相控阵雷达，包括相控阵波控雷达，并在军事、民用等领域得到了广泛应用。
相控阵相位差
相控阵相位差相控阵相位差是相控阵雷达或超声波成像中的一个重要概念。
相控阵技术是通过调整和控制阵列中各个发射或接收元件的信号相位，以改变波束的指向性。
相位差是指相邻阵列元素之间的相位差异，影响了阵列形成的波束方向和特性。
以下是相控阵相位差的详细介绍：1. 相控阵技术概述：相控阵技术是一种通过动态控制阵列中的每个元素的相位，使得波束方向可以在空间中任意方向调整的技术。
这种技术在雷达、声纳、医学超声波成像等领域得到广泛应用。
2. 相位差的定义：相位差是指相邻阵列元素之间的相位差异。
相控阵系统中，通过调整每个元素的相位，可以形成一个特定方向的波束。
相位差的大小和方向决定了波束的指向。
3. 影响波束形成的因素：相位差的大小：相位差越大，波束的指向性越强，波束越集中；相位差越小，波束越宽泛。
相位差的方向：相位差的方向决定了波束的指向，可以在水平方向、垂直方向或其他方向上调整波束。
4. 调整相位差的方式：硬件调整：通过调整阵列元素的相位控制器，直接改变硬件上的相位差，实现波束调整。
数字信号处理：在数字信号处理中，通过改变每个阵列元素的相位来实现波束的调整，这通常通过复杂的算法实现。
5. 波束调整和目标追踪：相位差的调整可以用于追踪目标。
通过改变波束方向，可以实现对目标的追踪和定位，提高系统的灵活性和响应速度。
6. 应用领域：雷达系统：在雷达系统中，相控阵技术广泛用于目标追踪和空中监视。
声纳系统：在水下声纳系统中，相控阵技术用于定位和跟踪水下目标。
医学超声波成像：在医学领域，相控阵技术用于超声波成像，提高图像分辨率和诊断能力。
相控阵相位差的合理调整对于提高系统性能、实现目标追踪、改善成像质量等方面都至关重要。
在设计和应用中，需要根据具体情况合理调整相位差，以满足特定应用的要求。
相控阵技术的原理及其在通信中的应用
相控阵技术的原理及其在通信中的应用相控阵技术是一种利用阵列天线或阵列麦克风，通过改变各个天线/麦克风的相位和振幅，从而产生一定方向上的波束形成的技术。
它是一种有效的信号处理技术，可以在改善通讯、雷达探测、天文学和医学成像等领域中发挥重要作用。
一、相控阵技术的基本原理相控阵技术的基本原理是利用相位差来实现不同方向上的波束形成。
假设我们有一个阵列天线，其中每个天线的位置均已知，如果我们在每个天线上将信号的相位进行不同的调节，那么在特定方向上产生波束形成的效果就会更好。
而这种利用相位差实现波束形成的原理，可以应用在通信、雷达、航空等各个领域中。
在实际应用中，根据所控制天线数目的不同，可以分为单通道、多通道甚至百通道的相控阵系统。
此外，在相控阵技术的基础上，我们还可以通过对发射、接收天线的振幅进行控制，在设计方向图的同时，进一步优化相控阵系统性能。
二、相控阵技术在通信中的主要应用1. 信号增强在通信中，由于信道传输过程中的干扰、噪声等问题，信号很容易发生衰减和失真。
而通过相控阵技术，可以实现对信号强度的增强。
利用相控阵技术，在接收端采用多个波束方式接收信号，可以从很大程度上抑制多径效应和干扰信号，提高信号的接收质量。
2. 电波形成在无线通信中，由于源与目的地有一定的距离和障碍，导致信号能量的损耗。
而采用相控阵技术可以增加信号的传输距离和可靠性。
例如，通过特定的相控阵和放大器设计，可以实现对无线电波的形成，使数据从发送端传输到接收端，并在接收端重建出原始的数据。
3. 目标检测相控阵技术不仅可以用于信号增强和电波形成，同样可以应用于雷达、航空、目标检测等多种领域中。
如在雷达检测方面，通过阵列天线构成的相控阵系统，可以实现对目标的精准检测和跟踪，对于军事和民用都有着非常重要的应用。
三、相控阵技术的优势和挑战相控阵技术的设计和应用需要考虑多方面的因素，如信噪比、相位控制和天线达到空间平均分布等等因素。
但相控阵技术也有其优势和挑战。
相控阵移相公式
相控阵移相公式相控阵（Phased Array）是一种通过改变信号的相位来调整辐射方向的技术。
它在雷达、通信、声纳等领域有着广泛的应用。
而相控阵移相公式则是相控阵技术中的重要公式，它用于计算相控阵天线阵元的相位移动量。
本文将详细介绍相控阵移相公式及其应用。
一、相控阵基本原理相控阵技术通过调整阵列天线中每个阵元的相位来实现波束的电子扫描。
相位的改变可以使得发射波束或接收波束发生方向变化，从而实现对目标的定位、跟踪或通信等功能。
二、相控阵移相公式的定义相控阵移相公式是用于计算相控阵天线阵元的相位移动量的公式。
它可以根据所需的波束方向和天线阵元之间的空间间隔来计算每个阵元的相位差。
三、相控阵移相公式的推导相控阵移相公式的推导基于波的干涉原理。
当从不同位置发出的波相遇时，它们会发生干涉，干涉结果取决于波的相位差。
因此，通过调整阵元的相位差，可以控制波束的方向。
具体推导过程如下：1. 假设相控阵天线阵元之间的距离为d，波长为λ，所需波束方向与阵元正前方的夹角为θ。
2. 阵元之间的相位差可以表示为Δφ = 2πd/λ * sinθ。
3. 根据上述推导，相控阵移相公式可以表达为：Δφ = 2πd/λ * sinθ。
四、相控阵移相公式的应用相控阵移相公式的应用非常广泛。
以下是一些常见的应用场景：1. 雷达系统中，相控阵技术可以用于实现目标的探测、跟踪和定位。
通过调整相位差，可以控制雷达波束的方向，从而实现对目标的精确探测和定位。
2. 通信系统中，相控阵技术可以用于提高通信质量和容量。
通过调整相位差，可以将通信信号集中在特定方向，减少信号的传播损耗和干扰，从而提高通信质量和容量。
3. 声纳系统中，相控阵技术可以用于定位和识别水下目标。
通过调整相位差，可以实现对水下目标的定位和识别，提高声纳系统的性能和效率。
五、总结相控阵移相公式是相控阵技术中的重要公式，它用于计算相控阵天线阵元的相位移动量。
相控阵技术在雷达、通信、声纳等领域有着广泛的应用，可以实现对目标的定位、跟踪和通信等功能。
相控阵技术的应用领域
相控阵技术的应用领域
相控阵技术的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：
1.通信领域：相控阵技术可以用于实现高速数据传输和无线通信，特别是在5G和6G网络中有很大的应用潜力。
2.雷达和测距领域：相控阵技术可以实现高分辨率成像和精确探测，可以应用于安防、交通、航空航天等领域。
3.医疗领域：相控阵技术可以用于超声成像和磁共振成像等医学影像技术。
4.激光雷达：在激光雷达领域，相控阵技术可以实现高效的信号处理和较高的功率输出。
5.空间光通信：在空间光通信领域，相控阵技术可以用于实现高速、高效的数据传输。
6.高亮度激光产生：在高亮度激光产生领域，相控阵技术可以实现高效、稳定的激光输出。
7.合成孔径探测：在合成孔径探测领域，相控阵技术可以实现高分辨率的成像和探测。
随着科技的不断发展和应用场景的不断扩大，相控阵技术的应用领域将会越来越广泛。
相控阵等pfd-概述说明以及解释
相控阵等pfd-概述说明以及解释1.引言1.1 概述相控阵技术是一种通过多个发射和接收单元之间的相位差来实现波束的控制和定向的技术。
它可以实现对电磁波的发射和接收方向的精确控制，具有高速、高精度和灵活性等优点。
在军事、通信、雷达和天文等领域广泛应用。
本文将介绍相控阵技术的基本原理、应用领域及优势。
文章结构部分的内容应包括论文的整体框架和组成部分的简要介绍。
在这篇关于相控阵的文章中，可以简要描述文章的总体结构如下:文章结构:引言- 1.1 概述:介绍相控阵的基本概念和背景- 1.2 文章结构: 简要介绍文章的组成部分- 1.3 目的:阐明文章的目的和意义正文- 2.1 什么是相控阵:详细介绍相控阵的定义和原理- 2.2 相控阵的应用:探讨相控阵在不同领域的实际应用- 2.3 相控阵的优势:分析相控阵相比传统技术的优势和价值结论- 3.1 总结:总结相控阵的重要性和潜力- 3.2 展望:展望相控阵在未来的发展趋势和应用领域- 3.3 结论: 总结全文，并强调相控阵的重要性和前景以上是文章结构的简要介绍，每个部分会在正文中进一步展开和详细阐述。
1.3 目的本文的目的是探讨相控阵技术在现代通信和雷达系统中的应用和优势。
我们将介绍相控阵的基本概念，探讨其在通信和雷达领域的广泛应用，并分析相控阵技术相对于传统天线系统的优势所在。
通过本文的阐述，读者将对相控阵技术有更深入的了解，并认识到其在提高通信和雷达系统性能方面的重要作用。
希望本文能够使读者对相控阵这一先进技术有更全面的认识，促进其在实际应用中的推广和发展。
2.正文2.1 什么是相控阵：相控阵是一种利用多个天线元件实现波束的控制和调制的技术。
在传统的天线系统中，只能通过改变整个天线的朝向来调整波束的方向。
而相控阵技术可以通过控制各个天线元件的相位和幅度，实现对波束的精确调控，可以将信号集中在特定方向，达到更加精准的信号传输和接收效果。
相控阵由许多天线元件组成，这些天线元件可以通过复杂的信号处理算法和控制系统来实现协同工作。
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中国特种设备检测研究院 全国特种设备无损考委会 郑晖
一 相控阵定义
超声相控阵技术是利用电子方式控制相控阵探 头合成的声束来实现超声波发射、接收的方法 相控阵探头有多个小晶片，其每一个晶片被独 相控阵探头有多个小晶片 其每 个晶片被独 立的激发, 并施加不同的时间延迟, 以实现声束 的角度和聚焦可在很大的范围内变化 超声相 的角度和聚焦可在很大的范围内变化。超声相 控阵技术可以产生和常规超声波相同的声束和 角度, 但它与常规超声检测不同的是能精确的以 电子方式控制声束的角度和焦点尺寸。
Source: NDT On-line
三 超声成像
显示方式：A型显示和超声成像方法 A型显示
波形显示，超声信号的幅度与传播时间的关系 波形显示 超声信号的幅度与传播时间的关系 直角坐标 示波管的电子束是振幅调制
超声成像
B C D S P型显示等 B、C、D、S、P型显示等
用超声波获得物体可见图像的方法，主要采用扫描 接收信号 再进行图像重构的方式 因此又称为超声 接收信号、再进行图像重构的方式，因此又称为超声 扫描成像技术。 超声图像可提供直观和大量的信息，直接显示物体 内部情况，且可靠性、复现性高，可以对缺陷进行定 量动态监控
线形、扇形、深度聚焦扫描
扇形扫查和线形扫查结合
将两种扫查结 合起来可以得 到独特的视图
八 相控阵的优点和局限性
与传统的手工超声检测和射线检测相比，优点： 检测灵活性高、速度快，现场检测时只需对环焊缝进 行一次简单的线性扫查而无需来回移动即可完成全焊 缝的检测。 超声成像，检测结果直观、重复性好，可实时显示。 超声成像 检测结果直观 重复性好 可实时显示 在扫查的同时可对焊缝进行分析、评判。也可打印、 存盘，实现检测结果的永久性保存 存盘，实现检测结果的永久性保存。 可检测复杂形面或难以接近的部位。 缺陷定位准确，检测灵敏度高。 作业强度小，无辐射无污物。
应用之二：叶片根部的扇形扫查
应用之三：涡轮叶的根部检测 应用之三：
应用之四：扇形扫查
N 2 ...... 1
应用之五：焊缝检测
示例：单探头相控阵检测
应用之六、管道环焊缝相控阵检测
其基本方法是将焊缝沿厚度方向分成若干个分区，每 个分区用两个通道检测，检测系统必须具有足够多的 通道。每个分区用一对或两队聚焦探头检测熔合线上 的缺欠，体积型缺欠采用非聚焦探头检测。检测结果 以图像形式显示，分为A、B、TOFD三种显示方式。扫 查器在管道环向自动扫查，扫查一次即可对整个焊缝 厚度方向的分区进行全面检测，自动将检测结果和声 耦合显示在图像上。 从原理上看，管道环焊缝相控阵全自动超声检测综合 采用脉冲反射法和衍射时差法（TOFD）； 采用脉冲反射法和衍射时差法（TOFD） 从探头接触方式看，采用直接接触法。 ASTM E1961 E1961-1998 1998 DNV－OS-F101 DNV OS F101 中石油“管道对接环焊缝全自动超声波检测” 标准
X=-4.4, Y=-4.4 --> X=4.4
38 58 57
五 相控阵仪器
基本要求： 多通道 对多晶片探头的精确激发 高速大容量数据采集和传输 软件方面
常用算法和计算能力；
仪器举例
六 相控阵基本原理
常规超声检测多用声束扩散的单晶探头，超声场沿声 束轴线分布。而相控阵探头阵列是许多相同的小晶片 ，由于每个小晶片均可视为辐射柱面波的线状波源， 当采用 个有序的时间间隔（即相位）激发探头阵列 当采用一个有序的时间间隔（即相位）激发探头阵列 小晶片时，这些线状波源的波阵面就会产生波的干涉 所需 体波阵 声 传播到 件中 ，形成所需的整体波阵面；超声能量传播到工件中， 反射的能量会被探头阵列接收，并按照一定的信号相 位规则合成为一个超声信号。 相控阵技术的关键之 在于探头阵列晶片激发的相位 相控阵技术的关键之一在于探头阵列晶片激发的相位 关系，即相控阵探头中每个晶片激发的延迟量，称为 延迟法则，不同的延迟法则具有不同的声束特点。
七 相控阵扫描方式
在超声检测中, 往往要进行声束扫描。常用的扫 描方式有机械扫描和电子扫描。 机械扫描又有线扫描、扇形扫描、弧形扫描和 圆周扫描等几种形式，比如大家在检测焊缝时 经常使用的锯齿形扫描； 电子扫描则是在探头不移动的情况下依靠电子 系统激励换能器形成的扫描方式（晶片的时间 多路传输技术） 线形扫描、扇形扫描、深度聚焦 动态深度聚焦
相控阵的局限性
对工件表面光滑度要求较高、对温度有 对工件表面光滑度要求较高 对温度有
一定的敏感性。 仪器调节过程复杂，调节准确性对检测 结果影响大。 对手工电弧焊的检测效果低于自动焊。 检测对象有局限性。 检测对象有 限性 设备价格较高。
应用之一：涡轮焊接转子检测
相控阵检测: 相控阵探头:5 MHz, 16晶片, 相控阵探头 晶片 16 mm x 16 mm，55度斜楔 扇形扫查 •30-60度的横波做 横 •步进为1度 探头机械扫查 沿圆周轴向 探头机械扫查：沿圆周轴向 试块:EDM槽2 mm x 0.5 0 5 mm
物体内部的声波传播演示. .pho . \ phot oel as at i c. ai avi
A/ B/ C/ D 扫描显示
将示波管的电子束作强度调制，即用荧光屏上 将示波管的电子束作强度调制 即用荧光屏上 的每一点代表被测工件某个截面上的一个点， 而用该点的亮度大小表示从工件内对应点测得 的回波振幅的大小，就得到B、 C、D显示
2 1
3
Hale Waihona Puke 457 6
16 15 14 13 12 11 10 9 8
环形
圆形
51 52
30 49 50 31 17 32 18 8 3
33
19
9
6
14
26
42
34
20
10
4 11 22
5 12 23
13
25
41
61
53
35
21 36
24 39
40
60
54
59
37 55 56 X=-6.5, Y=-6.5 --> X=6.5
四 相控阵探头
相控阵探头的特点是压电晶片不再是一
个整体，而是由多个相互独立的小晶片 组成的阵列 每个小晶片称为 个单元 组成的阵列，每个小晶片称为一个单元 ，每个晶片都有各自的接头、延时电路 和A / D 转换器且晶片之间彼此声绝缘。
常见的探头阵列 常 头阵列
Y=8.0
Y=1.9
线形
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
矩形
4
8
12
16
20
24
28
32
3
7
11
15
19
23
27
31
2
6
10
14
18
22
26
30
1
5
9
13
17
21
25
29
X=-3.9, Y=-1.9 --> X=3.9
X=-7.9, Y=-8.0 --> X=7.9
Y=6.5 47 48
Y=4.4
46 45 29 28 44 43 16 7 2 1 15 27