超声相控阵检测教材超声相控阵技术.doc

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（phasedelay），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