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。
相控阵技术的基础原理学习教案
解决方案
采用先进的制造工艺和封装测试技术，提高生产效 率和产品良率，降低成本；同时，加强元器件的可 靠性和稳定性研究，提高系统的整体性能和可靠性。
解决方案
采用先进的系统仿真和调试技术，对系统进行全面 的仿真和调试，确保系统的性能和稳定性；同时， 加强系统的可维护性和可升级性研究，提高系统的 使用寿命和扩展性。
01
学习目标
02
04
了解相控阵系统的基本组成和工作原理；
05
能够分析相控阵系统的性能并进行优化设计；
掌握相控阵技术的基础概念和原理；
03
06
了解相控阵技术在雷达、通信等领域的应 用和发展趋势。
02 相控阵技术基础
阵列天线基础
阵列天线定义
由多个辐射单元按照一定规律排列和激励所形成的天线系统。
阵列天线分类
02
03
调试与优化
将发射/接收模块、波束形成网 络、控制与信号处理模系统进行全面的测试， 包括功能测试、性能测试、稳定 性测试等。
根据测试结果，对系统进行调试 和优化，提高系统的性能和稳定 性。
04 相控阵技术应用 领域
雷达探测与成像领域
地面雷达系统
学员们认为相控阵技术具有广阔的应用前景，期待未来能够在更多领 域看到相控阵技术的身影。
建议加强相控阵技术的研发和创新
学员们建议加强相控阵技术的研发和创新，推动相关技术的不断发展 和进步。
希望有更多的实践机会和平台
学员们表示希望能够有更多的实践机会和平台，让他们能够将所学知 识应用到实际中去，更好地理解和掌握相控阵技术。
03 相控阵系统组成 与功能
发射/接收模块
发射器
产生射频信号，并将其传输到波束形成网络。
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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导读
任何无损检验方法(NDT)的可信度很大程度上取决于人员因素。
进行相控阵超声检验的人员应经过培训并取得相应的资格。
通过检验人员的技能、教育经历、培训经历，NDT检验人员来证明自己能够根据工艺和设备（相控阵超声设备，扫描仪，探头，软件，分析分布图和报告）的特殊要求进行操作。
检验人员应熟悉应用于特殊零件的相控阵技术的基本特性。
应客户要求，关于R/D技术原理的第一本书出版了：相控阵技术应用简介：R/D技术指南。
该指南用大幅篇章介绍了基本的超声测试，数据评定和扫查方式，相控阵探头以及应用，适合广大读者使用，该指南包含大量实用信息堪称为实用手册。
该指南可通过登陆我们的网站使用e-mail订购。
相控阵技术指南手册可视为NDT从业人员使用基本相控阵超声技术的备忘录。
它面向日常的操作，针对技术秘诀，介绍操作方法（工艺规范，标定，特征描述，重新启动，解决检验的问题）。
关于其大小，该手册设计为口袋书籍。
为使该手册能适应现场条件，我们采用防水抗扯的合成纸印刷该书，且封面和装订都十分牢固。
相控阵技术指南手册包括：
·第一章“相控阵超声技术——基本特性“
详述了PAUT（相控阵超神探伤的缩写）原理，介绍了主要硬件设备和相控阵声束组成类型和运动形式（线性，方位角型，深度型，平面型和3-D型）。
·第二章“相控阵探头——基本特性“
详述了用于日常检验的PA（相控阵的缩写）探头及其主要特性。
范例介绍时使用的是大多数场合最常用的探头类型，即1-D平面线性阵探头。
·第三章“聚焦法则“——常用范例
介绍了线性阵探头如Tomoscan ⅢTM PA探头（TomoView TM 2.2R9）和OmniScan○R PA探头定义聚焦法则的基本步骤。
·第四章“扫查方式，观察，和分布图”
介绍了Tomoscan ⅢTM PA探头（TomoView TM 2.2R9）和OmniScan○R PA探头评定（A-扫查法，S-扫查法，B-扫查法，C-扫查法和D-扫查法）的主要数据，基本分布以及扫查方式。
特殊场合下推荐的分布图也进行了说明。
·第五章“超声束设置，标定和定期检查”
介绍了关于超声束设定调节，设备标定和现场定期检查的基本范例。
·第六章“使用表格，图表和公式”
该章是实用公式的总结，如：斯涅尔定律，近场长度，波长，声束宽度，半角声束传播速度。
书中特别强调了实用不同方法测量缺陷尺寸。
表格，公式，图表都可以作为一些参数的速查工具：折射角，等效延迟和反射体尺寸。
·附录A：“单位转化”
提供了本手册所使用到的单位与公-英制单位的转化。
·附录B：“支持和培训”
通过R/D技术网站，你可以寻找或提供关于本手册的相关附加信息。
·“参考文献”
列出了支持和扩充本手册构想的基本资料。
本手册编制成一本开放式的对话式手册。
对于特殊操作，我们增加了提示，重要标注，注意事项和警告标志等。
正如R/D技术的CEO（首席执行官）和主席在扉页中提到的，我们欢迎您参与进来，提出意见，进行评论，提出设想，从而促进本书第二版的进一步完善。
请使用网站链接， ，进行实时对话。
我们的销售团队在此先感谢您的参与，并会在您提出问题后与您联系。
我们希望本书对进行相控阵超声检验有显著的帮助。
R/D 技术商务发展部副主席
1. 相控阵超声技术——基本特性
相控阵超声技术有以下基本特性：
a) 用多路技术将大量同样的晶体整合成一体的探头
b) 焦深控制
c) 导向角控制
d) 声束宽度控制
e) 虚拟探头孔(VPA)程序[见图1-1]
f) 大幅A-扫查方式扫查
g) 普通观察S-扫查的数据显示
图1-1 多晶探头在不同深度和不同角度时的聚焦。
注意扫查范围可为正也可为负。
不同数量的晶体元件聚集可形成一个虚拟探头孔（VPA ）。
相控阵技术的特性如下：
a) 探头设计因产品而异。
b) 多晶探头的每个活性晶片由单独的脉冲发生器激活（见图1-2）。
c) 激活时间由电脑控制，并且根据费马原理激活时间将被延迟，使柱面（球面）波波前将同时（在相位上）到达指空间定点。
探头2 探头1
扫查范围1
扫查范围2
d) 声束为柱面或球面聚焦（详情见第2章）。
e) 缺陷反射的波前到达接收器，传播时间的延迟由焦点、折射角度和活性晶片的数量决定。
f) 将由每个活性晶片获得的单个波幅进行汇总（波幅和筒相位）。
g) 聚焦法则计算器根据单个晶片在不同深度和角度导向和聚焦声束决定延迟时间。
图1-3为延迟值的一个范例（在十亿分之一秒[10-9s]内）。
详情见第3章。
h) 模拟信号经过整流，平滑整流，平均整流，并压缩为8位或12位信号（见图1-4）。
i) 声束传导沿扫描仪直线和零件几何外形。
在单个平面上或通过测量指针在参考面上的投影可以观察到数据（详情见第5章）。
j) S-扫查的聚焦方式可以变化（见图1-5）。
k) 检查数据在复合窗口上显示；缺陷波幅为基于特殊调色板（五彩，灰，未调整，特殊定制）的彩色编码；每个窗口的数据被划分为2-D 样本（详情见第4章）。
l) 使用常用缺陷表和A-扫查进行数据分析通常是可靠而且高效的（详情见第5章）。
图1-2 使用多晶探头进行相控阵发射和接收的原理
采用相控阵技术的主要优点概括如下：
1. 更快速。
采用线性扫描的相控阵检验速度比传统的采用光栅式扫描的单探头检验速度呈级数倍增长。
这将显著的缩短工厂停工待检时间，节约人工成本。
2. 灵活性强。
通过使用电子启动文档，采用不同的检查方式，单阵即可检验各种不同的零件。
3. 检验多样性。
相控阵可轻松检验几何形状复杂的零件，如自动焊的焊缝、管接头。
相控阵也可进行特殊扫查，如串联式，多角度式，和区域鉴别式。
4. 阵形尺寸小。
阵型尺寸小使它们在各种特殊场合表现完美，如受空间限制的蜗轮和圆盘类零件。
5. 机械可靠性。
较少的搬动零件使得检测系统更稳定可靠。
采用电子式替代机械式，可以减少检验过程中的磨损和拉扯，同时能显著提供系统的可靠性。
6. 提高对定向不当的缺陷的探测能力。
聚焦声束提高了信噪比(SNR)。
多样的A-扫查方式组成的带角分辨率的扇区提高了侦测概率。
发射 触发
脉冲 探头
捕获单元
相控阵单元 缺陷
接收 回波信号
入射波波前 反射波波前
缺陷
捕获单元 相控阵单元
图1-3 RF 单个波幅汇总（见图1-2）后信号接收链块型图
图1-4 -30°用于到+30°的纵波导向声束的单晶片延迟值示例
图1-5 不同的聚焦方式产生不同的S-扫查视图：
(a) 投影S-扫查对于窄口焊缝的检查非常有效；(b) 实际深度对于侦测和测量一定深度（如内壁疲劳裂纹）的缺陷尺寸非常有效；(c)半程S-扫查是运用最广泛的S-扫查；(d) 焦平面S-扫查对于沿焊缝的未融合的侦测非常有效。
图1-6到1-8为样式识别示例。
滤波器
模拟整流器 平滑整流
模/数 平均整流 压缩
左：检查开始；右：超声显示-扇形扫查。
上图：扫查方式；下图：超声显示——侧(B)视图。
图1-8 针对裂缝侦测UT范围选择和扫查范围范例
上图：UT范围设定及原理下图：8mm高疲劳裂缝的Omni扫查结果提示：
·要
图1-9 侦测裂缝的UT扫查范围，两角差值应>10度
左图：差值38.5°右图：差值60°。
注意裂缝刻面，通过扫查，也在60°位置上
将UT数据划分为2-D和3-D样本，将使数据分析和缺陷特征（高度，方向，位置）更加可靠（见图1-10）。
图1-10 将涡轮组件的缺陷分割成等容积的若干数据小块。