相控阵阵列性能指标解析

清华大学的杨平在其博士学位论文中分析了阵元设计与性能关系，对声场进行了仿真计算，并用试验进行了验证。

1.空间分辨力

一个具体的相控阵超声波成像系统，究竟能达到什么分辨力，从声学角度来讲，主要取决于发射换能器阵列和接收换能器阵列的声束特性。而声束特性又是由系统设计的换能器阵列几何参数及激励参数等所决定的。

空间分辨力主要包括横向分辨力和纵向分辨力。横向分辨力也称侧向分辨力，它是波束扫查平面内沿着与波束轴线垂直的方向上，可区分的两个目标的最小距离。当波束的扫查平面处在其焦柱扫查所形成的区域内时，横向分辨力无疑最高。这正是超声波聚焦扫查检测所要求的，也是相控成像扫查的目标。因此，接下来分析的横向分辨力，它们的扫查面都是处在焦柱区内的。

图3.4-17是32阵元的一维换能器阵列在40mm、0°时的波束图。该阵元的中心频率f₀=4MHz，阵元中心距d=0.5λ₀（λ₀是阵元的中心频率所对应的波长），介质声速c=6000m/s。图3.4-27a是阵列脉冲场声压分布图。图3.4-27b是阵列的空间脉冲回波响应图，它是综合了发射换能器和接收换能器的声场特性的，因此常用来评价相控阵超声波成像系统的声学指标。空间分辨力中的横向分辨力由脉冲回波响应得到的波束主瓣宽度决定。

图3.4-27 一维阵列聚焦在40mm、0°时的波束图

纵向分辨力又称轴向分辨力，它是指沿着超声波束轴线方向上可区分两个目标的最小距离。在脉冲波的条件下，可以大大改善纵向分辨力。当脉冲时间很短时，纵向分辨力主要由脉冲持续时间τ和声速c决定

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总之，从声学角度讲，提高相控阵超声波成像系统的横向分辨力，主要是优化设计发射换能器阵列和接收器阵列的参数，使其有良好的声学特性，即波束宽度尽量窄。而提高纵向分辨力，则主要是缩短脉冲持续时间，在同样频率下，尽量减少脉冲个数，最好能做到单波脉冲（即高阻尼换能器）。在杨平的博士论文中，超声波发射环节采用的就是单脉冲发射方式，使得系统具有了很高的纵向分辨力。

2.对比度分辨力

换能器阵列发射的能量主要集中在主瓣的声束内，但在其他方向的旁瓣也分布有相当的能量。其中，尤以第一旁瓣的能量最大。当主瓣扫查工件时，旁瓣也同样在进行扫查，但旁瓣的扫查方向与主瓣声束方向不一致，如图3.4-28所示。

图3.4-28 声束偏转时的主旁瓣示意图

接收换能器阵列收到的回波信号就完全归到主瓣声束的回波信号上，换能器阵列无法区分主瓣、旁瓣的回波信号，而成像系统又不能分别显示不同方向的主、旁瓣图像。因此，任何方向上的回波信号，均被假定为沿换能器主声束轴向方向的回波信号。这样，旁瓣声轴的回波信号就在显示的图像上产生干扰图像。

为了保证旁瓣回波的回波信号不至于严重影响主瓣回波所形成的图像，在设计阵列换能器时，要求必须将旁瓣抑制在规定的范围内。而在评价阵列换能器的对比度分辨力时，就是通过计算换能器阵列在不同偏转角度时的最高旁瓣来进行评价的。显然目前对旁瓣的抑制技术还没有达到高精度的机械式聚焦换能器的水平。这是当前相控阵研究的重要方向之一。