超声相控阵检测教材超声相控阵技术

第三章超声相控阵技术

3.1 相控阵的概念

3.1.1相控阵超声成像

超声检测时，如需要对物体内某一区域进行成像，必须进行声束扫描。相控阵成像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，从而完成相控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，如图3-1所示。

图3-1 相控阵超声聚焦和偏转

3.2 相控阵工作原理

相控阵超声成像系统中的数字控制技术主要是指波束的时空控制，采用先进的计算机技术，对发射/接收状态的相控波束进行精确的相位控制，以获得最佳的波束特性。这些关键数字技术有相控延时、动态聚焦、动态孔径、动态变迹、编码发射、声束形成等。

3.2.1相位延时

相控阵超声成像系统使用阵列换能器，并通过调整各阵元发射/接收信号的相位延迟（phase delay），可以控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到波束聚焦、偏转、波束形成等多种相控效果，形成清晰的成像。可以说，相位延时（又称相控延时）是相控阵技术的核心，是多种相控效果的基础。

相位延时的精度和分辨率对波束特性的影响很大。就波束的旁瓣声压而言，文献研究表明，延时量化误差产生离散的误差旁瓣，从而降低图像的动态范围。其均方根（RMS）延时量化误差与旁瓣幅值之比为

（式3-1）

式中，；

N-----阵元数目；

μ----中心频率所对应一个周期与最小量化延时之比。

图3-2示出了延时量化误差引起的旁瓣随N、μ变化的关系曲线。早期的超声成像设备如医用B超中，由LC网络组成多抽头延迟线直接对模拟信号进行延迟，用电子开关来分段切换以获得不同的延迟量。这种延迟方式有两大缺点：①延迟量不能精细可调，只能实现分段聚焦，当聚焦点很多时需要庞大的LC网络和电子开关矩阵；②由于是模拟延迟方式，电气参数难以未定，延时量会发生温漂、时漂、波形容易被噪声干扰。

（a）μ=8时，旁瓣随N变化曲线（b）μ=16时，旁瓣随μ变化曲线

图3-2旁瓣与N、μ关系图

近来采用数字延时来代替原来的模拟延时。数字延时精度高、控制方便、稳定性好，可以大大提高相控阵超声成像质量。数字延时的实现可以分成粗延时和细延时，粗延时一般基于采样时钟计数，延时值为采样周期的整数倍，而采样周期通常为几十纳秒以上。细延时量为采样周期的小数倍，一般能达到10ns以内的延时分辨率。

实现数字粗延时比较简单，但是实现细延时比较困难。目前有几种方法实现细延时：一种是流水线式采样延迟聚焦，其延时分辨率一般大于10ns。另一种方法是采用数据做时域内插，获得N倍密集的输出序列从而减小量化延时，这需要很高的运算量和存储器支持。即便如此，延时量化误差仍然不够小。有人采用坐标变换的CORDIC算法实现采样序列的相位旋转。也有人提出基于多种速率数字信号处理技术的多相滤波方法，可以实现5ns级精细延时，并且可以把动态变迹技术等一起考虑。还有人提出基于FIR滤波的延时方法，延时精度可达到5ns。

3.2.2 动态聚焦

（1）相控聚焦原理

相控发射聚焦原理如图3-3（a）。设阵元中心距为d，阵列换能器孔径为D，聚焦点为P，焦距为f，媒质声速为c。根据几何声程差，可以计算出为使各阵元发射波在P点聚焦，激励信号延迟时间应为

（式3-2）

式中，n----阵元序号；

----为一个足够大的时间常数，目的是为了避免出现负的延迟时间。

接收聚焦如图3-3（b）所示，它是一个和发射聚焦互逆的过程，同样遵守几何聚焦延迟规律。各阵元接收回波信号，按设计的聚焦延迟量进行延迟，然后相加。

（a）发射聚焦（b）接收聚焦

图3-3相控聚焦原理示意图

（2）动态聚焦声束特性

在声场中，聚焦点区域的声束宽度最小，即在焦点附近的有限区域内，聚焦声束宽度小于各阵元同时激励（即不聚焦）时的声束宽度；但在此区域之外，聚焦声束宽度反而扩散开来，大于不聚焦声束宽度，如图3-4所示。

图3-4聚焦深度和焦点直径

对于强聚焦方式，在聚焦深度内聚焦声束变细，可获得优良的侧向分辨率；但聚焦深度很短，焦区以外的声束比未聚焦时发散得更快。为了使相控声束扫描的整个声场范围内都能得到均匀清晰的成像，就要对声场中每一点进行聚焦发射和接收，以便在各点都有连续一致的侧向分辨率。这就要求相控声束能沿扫描线跟踪目标，以形成一个滑动的焦点，并同步改变阵列孔径。

在早期的分段动态聚焦系统中，使发射和接收声束分别在近距离、中距离和远距离聚焦，进行几次成像。在几幅成像中，都只是在各自的焦点附近能得到清晰成像，而在其他区域，由于偏离了焦点使图像模糊。将几幅图像拼合起来，就能得到从近距离到远距离比较均匀、分辨特性较好的成像。这种分段聚焦方式合成一幅清晰图像需要转换几次焦点，因而实

时性较差。

在改进的实时分段动态聚焦方式中，在一次声束发射/接收过程中，同步地改变焦点深度。焦点分段更加细密、平滑，常采用8、16段等动态聚焦方式。由于发射波形一般是短脉冲，发射出去就不能控制，因此不能在一次发射过程中改变焦点；而接收信号则具有一定持续时间，可以由浅渐深的改变焦距，即动态地改变聚焦延迟，使来自各深度的接收声束多处于聚焦状态，如图3-5所示。

图3-5实时分段动态聚焦示意图

（3）动态孔径（dynamic aperture）

当需要在不同深度下侧向分辨力一致时，就要求随扫查深度（焦距F）增加，阵列换能器的孔径D也同步增加。在聚焦点处，声束宽度可表示为

（式3-3）

由式（3-2）可见，最大延迟时间随焦距减小而增大，与孔径D=nd大致呈正比。所以当焦点较近时，如果不见效孔径D，过大的将使相控电子聚焦难以实现。同时在离换能器很近的区域内，由于超声波束的衍射效应使波束变得很宽，甚至与换能器孔径相当，这会使侧向分辨率变得很差。

减小孔径可改善近场侧向分辨率。而在中、远场，聚焦声束宽度有随着焦距增加而增大的趋势，因此要求增大孔径，力图保持恒定的声束宽度。

动态孔径的实现原理如图3-6所示。动态孔径和动态聚焦配合使用，克服了只能在某一区域聚焦的现象，使得在整个视场中获得均匀的分辨率，保证了图像中的每一点总是在最佳聚焦状态，从而大大改善图像质量。