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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。这些关键数字技术有相控延时、动态聚焦、动态孔径
2、、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S=1-sinc(1)Nsinc(1)(6N)1/21（式3-1）式中，sincx=sin
3、xx；N-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
4、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
5、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tfn=FC1-1+ndF2+t0（式3-2）式中，n-阵元序号；t0-为一个足够大的时间常数，目的是为了避免tfn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，
6、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
7、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
8、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Wf=2.44F/nd（式3-3）由式（3-2）可见，最大延迟时间tfnmax随焦距减小而增大，与孔径D=nd大致呈正比。所以当焦点较近时，如果不见效孔径D，过大的tfnmax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
9、，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（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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
