【优质文档】超声相控阵检测教材超声相控阵技术.pdf

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1、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

2、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-

3、阵元数目； -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、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：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；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） =8 时，旁瓣随N 变化曲线（ b） =16 时，旁瓣随变化曲线 图 3-2 旁

4、瓣与 N、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

5、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-

6、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

7、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

8、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

9、 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。 图 3-6 可变孔径原理示意图 （4）动态变迹 动态变迹 （

10、dynamic apodization ） ，技术是一种改变主瓣和旁瓣的相对大小及各波瓣夹角 的技术，它的作用主要是为了抑制旁瓣，提高分辨率。 当换能器各阵元采用幅度相同的电脉冲激励时，其波瓣图中除了主瓣之外还有旁瓣。相 位延迟的量化误差也会造成旁瓣。对于32 阵元相控阵系统，相位延迟量化误差对于旁瓣的 影响如图3-7 所示。 （a）无相位量化误差（b）存在相位量化误差 图 3-7 相位量化误差对波瓣的影响 用变迹技术可以有效降低旁瓣电平，使波瓣图中的旁瓣明显减小。变迹处理可分为孔径 尺寸变迹，幅度加权变迹和幅度加权动态变迹等几种，其中最常用的是幅度加权变迹。 幅度加权变迹的做法是：对换能器阵

11、中心阵元赋予较大的加权系数，向两端加权系数逐渐减 小。发射或接收状态都可以实现幅度变迹，在发射状态就是中心阵元激励弱、两端阵元激励 增强，在接收状态就是叠加时中心阵元权重、两端阵元权轻。对于图3-7（b）所示相位量 化误差产生的旁瓣，当采用图3-8（a）所示线性下降幅度变迹处理后，波瓣图如图3-8（ b） 所示。可见，由相位延迟量化误差产生了较大的旁瓣消失。 除了幅度变迹之外，还可以采用孔径变迹等技术来抑制旁瓣。动态变迹技术与动态聚焦 技术、动态孔径技术相结合，可以获得最窄的主波束宽度和最小的旁瓣幅度。 （a）线性下降变迹函数（b）变迹处理后波瓣图 3-8 线性幅度变迹处理 （5）编码发射 在

12、超声检测中，窄脉冲激励的频带宽度（范围）宽，因而检测分辨率高；宽脉冲激励带 宽窄， 分辨率低。如果对宽脉冲进行频率调制，采用编码发射的形式，则可显著增加频带宽 度，从而提高检测分辨率。同时由于宽脉冲激励的发射强度大，所以检测灵敏度高，可以增 加检测距离。为此目的，实现激励脉冲频率调制的一种方案，如图3-9 所示。 图 3-9 线性调频激励信号波形 图 3-9 中，激励信号是5 个周期的线性调频信号，频率逐渐增大。发射多个脉冲使激励 信号的强度增大，检测灵敏度增加。但是发射多个激励脉冲也使回波信号长度增加，从而降 低纵向分辨率。 如果能采取措施将回波信号在时域上进行压缩，就能得到幅度增强、宽度相

13、 当于单脉冲激励的接收信号，这就是脉冲压缩的思路。 比如， 让调频信号经过接收延时网络，对于不同频率的接收信号，延时时间不同。 频率 为 f1的信号延时量最大，频率为f2的信号延时量次之 频率为 f5的信号延时量最小。通 过这样的延时网络处理，各频率分量的信号在调频发射时具有的时差得到补偿，在延时网络 的输出端同时抵达，叠加成为幅度增强的窄脉冲。 实际上超声成像中可采用的编码激励方案不止是线性调频信号，还可以用非线性调频、 相位编码等。 超声编码激励的设想来源于雷达信号脉冲压缩理论。与常规的脉冲激励方式相比，超声 编码激励可使信噪比（SNR）得到改善，其改善因子等于相关接收时的时间带宽积。当时

14、 间 带宽积为30 时， SNR 可改善15dB。但是编码激励方式会带来距离旁瓣的副作用，需 要采取措施加以避免或抑制。 在相控阵超声中，所采用的编码序列的时间带宽积通常较小，一般在30 到 50 以内。 用线性调频发射超声波进行发射，在接收中使用匹配滤波等技术，可使距离旁瓣电平降到 -50dB 左右。还有文献研究证明了随机调相连续信号具有最优的模糊函数特性，可以克服速 度模糊和距离模糊，提高图像质量和分辨率。 （6）数字声束形成 在相控阵超声系统中，采用电子聚焦、 变迹及方向控制等技术来形成指向性良好的声束 特性，这就是数字声束形成技术。 早期声束形成技术采用模拟方式，其信号流程为： 各阵元

15、接收信号 延迟相加 幅度检 波 A/D 转换。其中延迟环节使用较多的模拟延迟线构成，这影响了声束形成性能的提高。 数字声束形成技术采用数字延时环节，大大改善了声束形成质量，其信号流程是： 各阵 元接收信号 A/D 转换 延迟相加 正交分解。 图 3-10 是相控接收的数字声束形成示意图。 图 3-10 数字声束形成原理框图 与模拟声束形成过程相比，数字声束形成中的A/D 转换环节移到了延迟相加环节之前， 直接对各接收通道放大后的信号进行A/D 采样，然后在计算机或逻辑器件（FPGA）的控制 下对 A/D 转换的结果用数字方法进行延迟，能够大大提高延迟的精度、分辨率、稳定性， 再加上其他一些技术

16、的应用，数字声束形成方式的性能指标明显提高。 多声束形成技术是指发射一次超声脉冲后，从接收信号中形成多条接收声束的技术。这 时发射采用弱聚焦，发射的超声束宽度比较均匀、焦深大，在声束“照射”区域内声场分布 均匀。对各阵元接收的回波信号采用几组不同的延时序列处理，即可得到声场中几个不同方 向上的接收声束。 多声束形成需要并行处理技术，对同一个阵元接收的信号要经过N 套不同的延时、变 迹等参数处理，以形成N 条接收声束。这在模拟声束形成方式里会大大增加硬件的复杂程 度；对于数字声束形成技术而言，由于数字电路的高集成度和可靠性，可以较方便地实现多 声束形成。 数字多声束技术具有重要的应用价值：数字多

17、声束形成时可以将相邻两声束的间隔减 小到 1/4 阵元间距以上，从而可以提高图像的横向分辨率，也可以提高纵向和对比分辨率， 因而能实现高密度高分辨率成像；一次可以采集多条接收声束的数据，从而大大提高成像 速度，数字多声束形成加上高速数字信号处理技术使得实时超声成像和三维超声成像成为现 实。 在数字相控阵超声成像系统中，采用多种方式相结合的超声波束处理技术，将动态聚焦、 动态孔径、 动态变迹、 编码发射和数字声束形成等技术结合起来，由数字系统与软件控制来 实现精密的波束时空控制。与阵列换能器相结合，可形成综合优化的声束特性，几乎适用于 所有深度和声束扫查位置。系统具有精细的主波束，很低的旁瓣和很

18、大的动态范围，为获得 分辨性能好、噪声干扰小、动态范围大的高质量超声图像奠定了基础。 3.2.3 相控阵超声波束的时空控制 超声检测时往往需要对物体内某一个区域进行成像，为此， 必须进行声束的扫描。目前 最为先进的扫描方式是相控阵法。相控阵成像检测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，完成声成像的技术。由于发射声束的控制与 回波信号的处理原理是相同的，聚焦偏转效果的计算是可逆的，本节重点讨论发射声束的时 空控制。 3.2.3.1 声束的偏转 图 3-11 是一维线阵换能器

19、通过时延控制而实现声束偏转的示意图。该阵列换能器是由 N 个阵元构成的线阵换能器，阵元中心间距为d，换能器孔径为D。 （a）不偏转（ b）偏转 图 3-11 相控阵声束偏转原理 如图 3-11（a）所示，如果各阵元同时受同一激励源激励，则其合成波束垂直于换能器 表面，主瓣与阵列的对称轴重合。若相邻阵元按一定时间被激励源激励，则各阵元所产生 的声脉冲亦将相应延迟，这样合成的波不再与阵列平行，即合成波束方向不垂直于阵列， 而是与阵列轴线成一夹角，从而实现了声束偏转，如图3-11（b）所示。 根据波合成理论可知，相邻两阵元的时间延迟为 （式 3-4） 也被称为发射偏转延迟。因此，可以通过改变发射偏转

20、延迟来改变超声波束的偏转 角度。 3.2.3.2 声束的聚焦 图 3-12 是一维线阵换能器通过时延控制而实现声束聚焦的示意图。聚焦点P 离换能器 表面距离，即聚焦焦距为F，传播介质中的声速为。 在发射聚焦时， 采用延时顺序激励阵元的方法，使各阵元按设计的延时依次先后发射声 波，在介质内合成波波阵面为凹球面（对于线阵来说则是弧面），在 P 点因同相叠加而增强， 而在P 点以外则因异相叠加而减弱，甚至抵消。以阵列中心作为参考点，基于几何光学原 理，使各个阵元发射声波在焦距为F 的焦点P 聚焦，所要求的各阵元的激励延迟时间关系 为 （式 3-5） 式中，是一个足够大的常数，以避免出现负的延迟时间；

21、第i 个阵元到阵列中心的距离 ，i=1,2，N。 为发射聚焦延迟，因此通过改变发射聚焦延迟来改变焦距F。 图 3-12 相控阵声束聚焦原理 3.2.3.3 聚焦声束的偏转 图 3-13 是一维线阵换能器通过时延控制而实现聚焦声束偏转的示意图。为了使聚焦后 的声束偏转，阵元激励延迟时间应由发射聚焦延迟和发射偏转延迟组成。用发射偏转 的等时差延迟来确定聚焦声束的偏转方向，用来确定聚焦距离。 图 3-13 相控阵聚焦声束偏转原理 也可以直接利用以下算法来确定各阵元激励信号的延迟时间。根据几何声程差，可以计 算出为使各阵元发射声波在P点聚焦，阵元激励信号的延迟时间应为 （式 3-6） 式中，为第 i

22、个阵元到焦点P的距离，是一个足够大的常数，以避免出现负的延迟时 间。 相应的相移为 （式 3-7） 3.3.3.4 二维阵列换能器的声束控制 二维阵列换能器是在线阵的基础上发展起来的，通过控制各个阵元激励信号的延迟，可 以实现声束的三维聚焦和偏转，即对声束实现三维控制。 如图 3-14 所示，采用右手笛卡尔坐标系统来确定二维面阵换能器各个阵元的相控延迟 时间，此延迟时间使得阵列换能器在横向和侧向两个方向上实现声束的二维聚焦偏转，声束 焦点位于F，则。 图 3-14 二维阵列换能器的声束三维控制 那么从阵列换能器中位于的阵元 ij 到焦点的声波传输时间为 （式 3-8） 因此， 为了使换能器各个

23、阵元发射的声波同时到达焦点，即实现几何聚焦，各个阵元的 相控延迟时间为 （式 3-9） 其中为一个常数，并且，保证相控延迟的物理可实现性。则相应的相移为 （式 3-10） 由于二维面阵能够实现声束的三维控制，因此它不仅具有良好的声学性能，而且在面阵 声束偏转能及的范围内，无需移动面阵探头就可以实现三维数据的实时采集，这为实时三维 超声成像的实现提供了坚实的物理基础。 3.2.4 相控阵超声成像检测的声学性能 本节是从总体角度来论述声成像的共性问题，提供他们的物理依据。 3.2.4.1 空间分辨率问题 一个超声成像系统，究竟能达到什么样的分辨率，从声学角度来讲，主要取决于发射换 能器和接收换能器

24、的声束特性。而声束特性又是由系统设计中换能器的几何参数及激励情况 等因素所决定的。 空间分辨率主要包括横向分辨率和纵向分辨率。横向分辨率， 也称侧向分辨率，它是超 声扫描平面内沿着与超声波束轴线垂直的方向上课区分的两个点目标的最小距离，如图 3-14 所示。 横向分辨率与超声波束的有效宽度相关，有效宽度窄横向分辨率高，因此它是通过系 统的空间脉冲回波响应来评估的；在换能器的远场或声束的聚焦区域内，该响应也可以由发 射换能器连续波声压响应和接收换能器连续波声压响应的乘积（即连续波声场的双向响应） 来近似。通常，横向分辨率是通过系统的脉冲回波响应主瓣的-6dB 宽度来评估的，但是它 仅仅给出了超声

25、成像系统真实分辨率的粗略估计。在成像系统中， 来自于工件内部的回波信 号具有较大的动态范围，而且微小结构常常由于附近强反射体和复杂干扰现象（声噪声） 的 存在而检测不到， 因此，在实际应用中也常常将-20dB 波束宽度作为横向分辨率的评价标准。 综上所述，本节将系统脉冲回波响应主瓣的-6dB 波束宽度和 -20dB 波束宽度综合考虑作为系 统横向分辨率的评价标准。 图 3-15 是一维线阵换能器通过时延控制而实现声束聚焦偏转的示意图。该阵列换能器 是由 N （假设 N 为偶数）个阵元构成的线阵换能器，阵元中心间距为d。 声束聚焦于 （F，） ， 其中 F 是焦距，是声束的偏转角度。 图 3-1

26、5 一维线阵换能器声束的聚焦偏转 （a）连续波声场声压分布（b）连续波声场双向相应 （c）脉冲场声压分布（d）空间脉冲回波响应 图 3-16 32 阵元（ d=0.5）线阵换能器聚焦在（40mm，0）时的波束图 图 3-16 是 32 阵元换能器聚焦在（40mm，0）时的波束图。该阵列的中心频率为 =4MHz ，阵元间距d=0.5，是阵元的中心频率所对应的波在此处键入公式。长。上述 的四个波束图是在半径为R=F=40mm 的半圆上以角度的横坐标绘制的。图 3-16（a）是阵 列的连续波声场声压分布图，焦点位于（40mm，0） ，只考虑了阵列的辐射声场特性，因 此有时也称之为连续波声场单向响应。

27、图3-16（b）是阵列的连续波声场双向响应图，它综 合考虑了发射阵列换能器的辐射声场特性和接收换能器的声场特性，因此常用来评价相控阵 成像检测系统的声学指标，这里发射阵列和接收阵列式相同的。图3-16（c）是阵列的脉冲 场声压分布图，从图中可以看出，它和连续波声场声压分布图3-16（a）相似。图3-16（ d） 是阵列的空间脉冲回波响应图，同样它和阵列的连续波声场双向相应相似。因此， 在换能器 的远场或声束的聚焦区域内，阵列的脉冲回波响应可以由连续波声场的双向相应来近似，而 系统的横向分辨率就是以该响应主瓣的-6dB 波束宽度和 -20dB 波束宽度来评估的。 纵向分辨 率，又叫轴向分辨率，它

28、是指沿着超声波束轴线方向上可区分的两个点目标的最小距离，如 图 3-15 所示。在脉冲波的条件下，可以大大改善纵向分辨率。当脉冲持续时间很短，其纵 向分辨率主要由脉冲持续时间和声速 c 来决定 （式 3-11） 总之，从声学角度讲， 提高成像系统的横向分辨率，主要是优化设计发射换能器（或阵） 和接收换能器（或阵）的参数，使其具有良好的声学性能，即波束宽度尽量窄。而提高纵向 分辨率，则主要靠减少脉冲发射持续时间，在同样的频率下，应尽量减少脉冲个数，最好能 做到单波脉冲发射。 3.2.4.2 伪像问题 超声图像的伪像是一个颇为复杂而必须面对的问题，正确认识伪像及其产生的原因、条 件，有助于正确评价

29、得到的超声图像，得出正确的诊断结果，而且有助于设计人员优化系统 的设计， 从而从根本上抑制伪像的产生。所谓伪像是指任一回波信号被超声成像检测系统所 显示的位置与被检体内回波界面的实际位置不符，或者显示的信号振幅、灰度变化不与被显 示的回波界面特性变化相关。伪像的存在是普遍的、绝对的，而接近理想声图像（丝毫没有 伪像的图像）则是相对的。本节重点讨论由于声束特性不理想而造成的伪像。 （1）分辨性伪像 由于系统空间分辨率的限制，凡距离小于分辨率判据的两点或多点物体，在图像上只能 显示为一个较大的物体。一般来讲， 纵向分辨率比横向分辨率好些，纵向分辨率低下使声场 中层面结构的层次不清，结构粘连， 横向

30、分辨率低下使图像模糊、颗粒粗大， 横向结构粘连。 另外， 若在视野的不同深度上分辨率相差较大，处于不同位置相同大小的物体，产生不 同大小的像。 （2）旁瓣效应伪像 换能器 （或换能阵） 发射的能量主要集中在主瓣声束内，而在其他方向的旁瓣也分布有 相当能量， 其中尤以第一旁瓣最大。当主瓣声束扫描物体时，旁瓣也同样在进行扫查，但它 们的扫查方向与主瓣声束不一致，而它所接收到的回波信号则被完全归属在主瓣声束的回波 信号上， 同时被检测成像系统显示在同一声图像上。换能器无法区分主、旁瓣声轴的回波信 号，成像系统又不能分别显示不同方向的注旁瓣声像，因此任何方向上的回波源，均被假定 为沿换能器声束的轴向方

31、向，从而形成了旁瓣效应伪像。实际上在所有各种大界面均可产生 这种伪像， 只是旁瓣回声与主瓣回声相比较小，使得旁瓣回声图掩盖与主瓣回声图之间，可 被忽略。但在旁瓣声束遇到强反射结构，而主瓣声束处于低回声区时，就明显分辨出来。由 于旁瓣的存在， 还降低了对低回声信号的对比度分辨率，使图像质量变差。通常决定图像组 织质地微弱回波位于-40dB-60dB（0dB 回波为最亮最强的回波），系统的空间脉冲回波响 应的 -50dB 波束宽度则提供合理而客观评价对比清晰度的测量标准，如图3-16（d）所示。 （3）栅瓣效应伪像 当阵列换能器设计不合理，主要是阵元间距过大，且扫描角度较大时，由于声波干涉， 其声

32、场中不仅存在主瓣、旁瓣， 而且还存在栅瓣。 图 3-17是 32阵元线阵换能器聚焦在 （40mm， 45）时的波束图，该线阵换能器是由32 个阵元组成的，阵元的中心频率=4MHz ，相邻 阵元中心间距，是阵元的中心频率所对应的波长。图3-17（a）为连续波声场双向 响应，表示单一频率的情况，主波束选在处时，在 -18处出现了一个强的栅瓣。图 3-17（b）表示阵列的脉冲回波响应，同样，主波束选在处时，在 -18处出现了一个 强的栅瓣，但栅瓣变宽，而且栅瓣级比单频连续波是有所下降。 （a）连续波声场双向响应（b）空间脉冲回波响应 图 3-17 32 阵元（）线阵换能器聚焦在（40mm，45）时的

33、波束图 栅瓣产生伪像的原理同旁瓣效应伪像的产生的原理相同，但通常由于栅瓣中含有较多的 能量，有时甚至高于主瓣的能量，因此在相控阵超声成像检测中栅瓣是必须要消除的。 总之， 了解产生这些伪像的声学原因，有利于改进声学设计，采取措施，消除或者减弱 伪像的影响，如优化阵列的设计使其具有良好的声学特性（最小化主瓣宽度、消除栅瓣、抑 制旁瓣）；采用多段动态聚焦的方法使其在远场轴向较大范围内具有一致的横向分辨率，采 用动态孔径的方法使其在近场和远场具有一致的横向分辨率；用动态变迹的方法来抑制旁瓣 等。 3.3 相控阵扫描类型 在相控阵检测中，通过不同相位的声波之间的干涉影响来控制和形成超声波。根据波束 合

34、成的情况， 可以进行线形扫描、扇形扫描和体扫描成像。由于线形扫描的波束合成是平行 的，所以成像侧向分辨率均匀一致；扇形扫描的波束合成方向呈发射状，所以侧向分辨率在 不同距离有所变化。在声输入口受到限制的场合（就是在某些情况下，超声阵列换能器能够 接触工件表面的空间不够大），为了能够得到较大的探测范围，就应用扇形扫描。体扫描是 在二维相控阵列换能器的基础上，进行空间波束合成形成空间扫描线，实现三维成像。 在相控阵检测中，通过不同相位的声波之间的干涉影响来控制和形成超声波。每个晶片 以不同的延迟各自激发或者多组晶片以不同的延迟激发将会合成一束以特定角度传播的波 阵面。这类似于常规楔块产生的机械延迟

35、，但是相控阵可以改变延时的模式。通过相长干涉， 合成后的波束幅度比任何一个独立波源产生的波幅都要强。同样的， 改变阵列里每个晶片的 延迟变化产生一个角度或者将所有声束聚焦在同一个位置。此外，改变初始波阵面的方向， 声束就可以在近场区的任何位置进行聚焦。 通常， 一个相控阵系统是利用声波的相位转换物理原理，在晶片阵列中， 通过每个晶片产生 的独立的波阵面与其它晶片的波阵面相叠加来改变一系列超声脉冲的输出时间，从而可以来 有效的控制和形成声波。这些都是通过改变探头中每个晶片的脉冲产生时间来完成的。通常 4-32 晶片被作为一组进行激发，这样可以增加阵列孔径的大小从而提高检测的灵敏度，从 而减少了声

36、束的扩散，实现聚焦。软件中有聚焦法则计算器用来确定每组晶片的触发延迟， 通过改变延迟时间产生所需要的声束，当然也要结合探头和楔块的特性及被检测材料的几何 和声学性能。在仪器软件中选择控制脉冲的频率从而在被检测材料中发射若干独立的波阵 面。这些波阵面依次叠加产生一束新的子波阵面在工件中进行传播，裂纹、材料的不连续性、 底波及材料的其他几何回波都会产生反射，从而被探头接收。 一个探头通过改变不同的角度、 聚焦距离、 及焦点尺寸就可以实现声束的动态偏转，这样就可以对被检材料进行不同面的检 测成像。 声束偏转的过程非常快，多角度或者不同聚焦深度的一次扫描在非常小的一瞬间就 可以完成。 返回的回波被所有

37、晶片或者成组的晶片所接受，并且按时间顺序进行接收用于补 偿不同的楔块延迟差，最后将所有晶片接收到的信息进行汇总。和传统的超声单晶传感器不 同的是，相控阵传感器可以根据每个晶片接收到的信号的到达时间及幅度在空间上对返回的 波阵面进行分类， 这样可以有效的融合在这个区域内产生的所有的声束的检测效果。当通过 仪器的软件进行处理时，每个反回的聚焦法则代表着一个独立的声束的反射、沿着线性路径 的一个独立的点，以及/或者一个聚焦深度的反射。回波信息可以任何多种形式显示。 图 3-18 平面探头通过改变延时产生角度示例 图 3-19 线性扫描声束聚焦示例 3.3.1 相控阵线性扫描 相控阵系统可以不用移动探

38、头就可以实现沿着线性相控阵探头晶片排列方向（长度方 向）的电子扫描，并创建一个横截面图像。随着聚焦法则按顺序排列，其相应的A 扫描被 数字化并成像。阵列孔径的连续变化创建了一个实时的横截面图像。 实际扫查中， 因为电子声束的变化是实时的，从而在探头移动时可以实时的产生连续的 横截面扫描图像。图3-20、图 3-21 所示的是一个64 晶片线性相控阵探头扫查的实时图像。 每个聚焦法则采用16 个晶片的阵列孔径，产生脉冲的开始晶片以1 进行递增， 每 16 晶片产 生一个脉冲。这样就产生了49 个独立的波形，这些波形一起产生了沿着探头晶片排列方向 （长度方向）的实时的横截面成像。 图 3-20 图

39、 3-21 64 晶片线性扫描 同样，相控阵传感器也可以产生有角度的声束。采用64 晶片线性传感器及斜楔块，可 以产生有角度的横波，角度可以由用户自己定义。此时在某一固定探头位置就可以检测整个 焊缝位置，不需要像常规超声检测一样锯齿形地移动探头进行检测。 3.3.2 相控阵扇形扫描 扇形扫描是相控阵设备独有的扫描方式。在线性扫描中， 所有的聚焦法则都是按顺序形 成某个固定角度的阵列孔径。而扇形扫描则是通过一序列角度产生固定的阵列孔径和偏转。 相控阵通常采用以下这两种扇形扫描形式。 第一种，和医用成像技术非常相似，通过一个0的直楔块产生纵波偏转，从而创建一 个饼状的图像。这种扫描方式主要用于发现

40、层间缺陷及有微小角度的缺陷。如图3-22、图 3-23 所示。 图 3-22 图 3-23 -30+30扇形扫描 第二种， 通过一个有角度的有机玻璃楔块用于增大入射角度从而产生横波，产生横波的 角度通常为35 -80。这种技术与常规超声的斜入射检测类似，区别就在于相控阵所产生 的是一系列角度的偏转，而常规超声检测只能产生某个固定角度的声束。和线性扫描相同， 扇形扫描的成像是被检测工件所检测区域的横截面图像。如图3-24、图 3-25 所示。 图 3-24 图 3-25 +38+70扇形扫描 和线性扫描一样，扇形扫描真实图像也是将一系列A 扫描数据数字化并进行成像产生 的。用户根据检测需要定义起始角度，终止角度及角度步进，这样就可以形成扇形图像。在 扇形扫描中， 定义范围内的每个角度根据孔径、频率、 阻抗等产生一个具有定义特征的相应 的声束。每个角度（聚焦法则）所产生的相应的波形被数字化并进行成像，所有成像将共同 创建一个横截面图像。图像中的颜色代表不同的幅度值或深度值。 事实上， 扇形扫描是实时产生的，所以随着探头的移动将持续产生动态的图像。这在很大程 度上提高了缺陷的检出率，同时实现了缺陷可视化。一次检测使用多个检测角度尤其可以提 高随机的不同方向的缺陷的检出率。