相控阵声束聚焦及偏转原理解析

1.相控阵发射

相控阵是以多个换能器阵元按一定形状、间隔尺寸排列，构成超声波阵列换能器。对换能器阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟分别加以控制，使各阵元发射的超声（子）波束在空间叠加而成，从而形成发射声束聚焦和偏转等效果。

以相控阵换能器的一列阵元为例，图3.4-23给出了它的聚焦效应。换能器阵列中各阵元，激励的时序是两端阵元先激励，逐渐向中间阵元增加延迟，使得形成的波阵面为中凹的曲线（两维阵列形成中凹的曲面），指向一个曲率中心，从而形成发射相控聚焦。

图3.4-23 一维阵列相控阵声束聚焦原理

倘若换能器中各阵元的激励时序是单向间隔延迟的，使得合成的波阵面具有一个指向角，这就形成了发射声束的相控偏转效果，如图3.4-24所示。

图3.4-24 一维阵列相控阵声束偏转聚焦原理(www.xing528.com)

2.相控阵接收

换能器阵元发射的超声波遇到目标产生回波信号。回波信号到达接收阵元（通常接收与发射为同一阵元）的时间存在差异。按照回波到达各阵元接收信号时间进行相位延迟补偿，然后相加合成，就能将特定的回波信号叠加增强，而其他方向的回波信号减弱甚至抵消。同时，通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方法产生聚焦、变孔径、变迹等多种相控效果。相控阵的接收原理如图3.4-25所示。

图3.4-25 接收聚焦控制原理

将每个阵元接收的超声回波信号，经过各自的模拟量数字（A/D）转换器转换成数字信号，可实施数字波束合成。但是，如果A/D转换器的采样频率不是很高，因而数字延迟的聚焦的精度并不高。为了提高系统的聚焦精度，在延迟叠加之前，加上插值环节，细化了每个数据所代表的时间（或空间）间隔。但是，插值会对原始信号的频谱产生一定的影响，所以在叠加聚焦之前，设计了滤波器FIR1对插值后的数据做一定的处理。经过叠加聚焦后的信号，在显示整体图像之前，必须进行抽象，为了尽可能保持原始信号的信息，后续设计了滤波器FIR2，如图3.4-26所示。

图3.4-26 直接数字波束合成原理