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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

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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。

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（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