延时分辨率对超声相控阵检测性能的影响

一、前言

超声相控阵检测方法是一种先进的无损检测技术，超声相控阵可以通过电子延时的方法对声波进行聚焦，从而提高检测分辨率、信噪比和灵敏度等性能，检测图像更加清晰，检测速度也更快，超声相控阵技术的发展受到各国的广泛重视。超声相控阵检测系统是通过不同阵元间发射声波的延时来实现聚焦的，所以延时分辨率（阵元间发射声波的最小延时）对超声相控阵的聚焦效果有着根本的影响，从而影响到相控阵系统的检测性能。通过研究延时分辨率对相控阵系统性能参数的影响规律，可以在已知相控阵系统性能参数的情况下得到系统的最小延时分辨率，为超声相控阵系统的研发提供标准。

二、延时分辨率对相控阵声束偏转角度的影响

若超声相控阵阵元间的最小延时为无穷小，那么超声相控阵声束的偏转角度是连续的，但是由于电路的限制，系统延时分辨率是有限值，那么偏转角度就不可能连续，而是存在一系列的间隔。设延时分辨率（即最小延时时间）为τd，所有阵元间的延迟时间间隔均为τd的整数倍，即：

偏转角度并不连续，而是存在一系列的间隔，即存在一个偏转聚焦的控制精度问题。偏转角的间隔值越大，精度越低；反之，则精度越高。偏转角的间隔值为：

阵元间距d及延时分辨率 取不同值时，偏转角的间隔值 与整数m的关系如图1所示，图中d1，d2，d3为阵元间距，单位为m；td1，td2，td3为延时分辨率，单位为s。

三、延时分辨率对误差旁瓣的影响

D.K.Peterson等人的研究表明，系统的时间延迟控制误差将会产生相位控制误差，而相位误差将导致声束产生误差旁瓣，从而影响系统的对比度分辨率[1]。该误差旁瓣与声束主瓣幅值之比可以用式（7）描述：

式中：N为阵元数目；μ为频率所对应一个周期与最小延时之比。

图2是实际检测阵元数为8、16、32、64、128时，误差旁瓣与延时分辨率的关系图。从图中可以看出：延时分辨率越高，误差旁瓣越小。在延时分辨率相同的情况下，随着N增加，误差旁瓣逐渐减小；在N相同的情况下，随着延时分辨率的提高，误差旁瓣逐渐降低。因此在实际系统设计中，必须保证系统的时间延迟控制误差产生的误差旁瓣级低于系统要求的旁瓣级。

四、延时分辨率对系统空间分辨率的影响

系统时间延迟控制精度还与系统的空间分辨率密切相关，因为时间延迟控制精度直接影响声束的聚焦和偏转控制。空间分辨率是指在一定的条件下，区分两个相邻反射体的能力[2]。系统的时间延迟控制精度会影响系统焦点在纵向上的控制分辨率。焦点在纵向上的控制分辨率是指在声束方向上两个相邻焦点间的最小距离。如图3所示，在有效聚焦区域内，由于系统时间延迟控制精度限制，系统只能在焦点1，2，3处聚焦，而无法在焦点之间的位置进行聚焦，所以在焦点之间会出现聚焦盲区，从而影响该区域的检测效果。从系统的角度看，影响了系统的空间分辨率。当聚焦于最远处的两个邻近焦点时（n=(N-1)/2），要求离换能器中心最远的两个相邻阵元相对于换能器中心的时间差的差值等于时间延迟控制精度，已知阵元的延迟时间为[3]: