超声相控阵系统中高精度相控发射的实现

　　超声相控阵技术的核心是对换能器各阵元发射/接收的相位进行精确控制,以得到指向性良好、焦点尺寸细小的聚焦声束,从而获得被检物体的清晰成像。过去的超声检测系统中一般使用模拟延迟线(比如LC网络)来实现相位延迟,用电子开关来分段切换以获得不同的延迟量[1,2]。这种延迟方式的缺点是:延迟量不能精细可调,需要庞大的LC网络和电子开关矩阵,而且电气参数难以稳定,容易发生漂移以及被噪声干扰。

　　数字式发射延时由于精度高、控制方便、稳定性好而成为近年来的研究方向。本文探讨了一种数字化超声相控发射电路,阐明了其电路结构和工作原理,并借鉴当今相控阵雷达研究领域中的热点技术DDS(direct digital synthesis)[3,4],将其应用到超声相控阵中来,可以实现很高的发射相位分辨率。

　　1　超声相控发射的实现原理

　　超声相控发射是通过分别调整阵列换能器中各阵元的发射相位(延时),使得各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成,形成所需的声束聚焦和(或)偏转效果,如图1所示[5]。

　　图1a中,阵列换能器各阵元的激励时序是两端阵元先激励,逐渐向中间阵元加大延迟,使得合成的波阵面指向一个曲率中心P,这就是发射相控聚焦。图1b中,阵列换能器各阵元的激励时序是等间隔增加发射延迟,使得合成波阵面具有一个指向角,就形成了发射声束相控偏转。

　　对于波束的旁瓣声压,文[6]表明,延时量化误差产生离散的误差旁瓣,从而降低超声成像的动态范围。其均方根(RMS)延时量化误差与主瓣幅值之比为中心频率所对应一个周期与最小延时量之比。

　　式中:;N表示阵元数目;μ表示中心频率所对应一个周期与最小延时量之比。

　　由式(1)可知,在系统阵元数目一定的条件下,合成声束的旁瓣声压与相控延时分辨率成反比,即延时分辨率越高、旁瓣越小,因此采取各种措施努力提高相控延时分辨率就具有重要意义。

　　本系统中相控发射(一个通道)的原理如图2所示[7]。

　　有别于传统超声仪器中采用高压电脉冲激励方式,本系统采用了波形发射方式驱动各阵元,其原理是:先将计算或编辑好的波形数据存入波形SRAM中,然后在一个同步信号的触发下,由发射控制CPLD(复杂可编程逻辑器件)内的地址发生器计数,产生顺序地址访问波形SRAM,将其中的数字波形数据读出,由D/A转换器变为模拟波形信号,经后级电路放大驱动后去激励压电晶片发射超声。波形发射的优点是:激励信号的频率、幅度、相位、波形等参数均可调,可以获得任意复杂形状的发射波形。这就给系统的相控发射带来了极大的灵活性,有利于在空间合成各种声场。