相控阵技术介绍 ppt课件
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相控阵原理 ppt课件
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3 相控阵探头
相控阵技术
武汉中科创新技术股份有限公司
10mm
0.1 0.2 0.3 0.4mm 缺陷自身高度
缺陷之间的距离 = 10 mm
右图可以看出相控阵图像的缺陷大小依 次增大，说明相控阵技术的分辨率高。
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
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3 相控阵探头
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常规探头
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1 技术背景
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研究历史
• 现在逐渐被用于工业检测中，用于航空航天、石油化工、船舶、输油管 道、锅炉压力容器、钢结构及异型对接焊缝等动态图像化检测。
B超
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1 技术背景
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国内外研究现状 ——超声相控阵
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
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2 超声相控阵检测原理
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相控阵技术的优点
相控阵技术相对于X线检测技术优势：
１）耗材成本小，使用成本低； ２）检测结果更全面，各维数据显示全面，判性信息更加齐全； ３）超声检测更加环保，现场使用更加方便； ４）现场操作简单，扫查速度快，检测效率高。
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3 相控阵探头
相控阵技术
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常量
使用相控阵仪器和探头声束角度可以被改变. 单个探头就可以覆盖全部焊缝检测区域
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3 相控阵探头
相控阵技术
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2 1
超声相控阵技术简介课件
其他应用案例详解
超声相控阵技术在其他领 域的应用
除了医疗和无损检测领域，超声相控阵技术 还可以应用于其他领域，如军事、环保等。 例如，在军事领域，超声相控阵技术可以用 于探测潜艇、水雷等目标；在环保领域，可 以用于水质监测、土壤污染调查等。
案例介绍
以水质监测为例，超声相控阵技术可以对水 体中的悬浮物、有机物等进行快速、准确的
相控阵技术基础知识
相控阵技术的定义
相控阵技术是一种利用相位差控制波束指向的技术，通过控制阵列中各个天线元 素的相位差，可以实现波束的动态扫描。
相控阵技术的应用
相控阵技术被广泛应用于雷达、声纳、无线通信等领域，可以实现高性能的定向 传输和信号处理。
03
超声相控阵技术设备与系统
超声相控阵探头及扫描系统
下领域
石油工业：在石油工业中，超 声相控阵技术可以用于检测油 井套管、管道等设备的缺陷。
电力工业：在电力工业中，超 声相控阵技术可以用于检测变 压器、电机等设备的内部缺陷
。
航空航天：在航空航天领域， 超声相控阵技术可以用于检测 飞机、火箭等飞行器的结构完
整性。
05
超声相控阵技术发展趋势与挑 战
超声相控阵技术发展趋势
无损检测案例详解
超声相控阵技术在无损检测领域的应用
超声相控阵技术可以用于材料和结构的无损检测，如航空航天、汽车制造等领域。通过相控阵技术， 可以对材料和结构进行快速、准确的检测，确保产品的质量和安全。
案例介绍
以航空航天领域为例，超声相控阵技术可以对飞机发动机叶片进行无损检测，检测叶片的裂纹、气孔 等缺陷，确保飞机的安全运行。
检测，为环境保护提供科学依据。
THANKS
谢谢您的观看
相控阵 演示文稿
相控阵定义
• 通过软件可以单独控制相控阵探头中每个
晶片的激发时间，从而控制产生波束的角 度、聚焦位置和焦点尺寸。
常见的探头阵列几何外形
线形阵 1维 线形阵 2维 矩形阵
Y=4.4
2 1
3
4
5
67
16 15 14 13 12 11 10 9 8
• 圆形阵
– 1维 环形阵 – 2维 扇形阵
X=-4.4, Y=-4.4 --> X=4.4
标准的相控阵 动态深度聚焦
相控阵三维视图
•
Scan axis VC-TOP(C) VIEW Index axis Index axis Usound axis
Scan axis
VC-END(D) VIEW Index axis
Scan axis
Usound axis VC-SIDE(B) VIEW
•
插管焊缝检测
螺栓检测
•
涡轮燕尾槽/转子检测
螺纹检测
•
完好工件
有缺陷工件
异种金属粗晶材料焊缝检测
•
TRL PA探头
腐蚀检测
•
超声相控阵技术优势
• 实时彩色成像，包括A/B/C/D和S-扫描，便于缺陷判读； • 相控阵技术可以实现线性扫查、扇形扫查和动态深度聚焦，从而同时
具备宽波束和多焦点的特性，因此检测速度可以更快； • 相控阵具有更高的检测灵活性，可以实现其它常规检测技术所不能实 现的功能，如对复杂工件的检测； • 容易检出各种走向、不同位置的缺陷，缺陷检出率高，定量、定位精 度高； • 扫查装置简单，便于操作和维护； • 检测结果受人为因素影响小，数据便于存储，管理和调用 。
对横波而言, 延时参数是 “倾斜的” 如图所示。
相控阵原理 ppt课件
1 技术背景
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规范化的应用情况
ASME CC 2235-8、9明确是可用于替代射线检测的方法之一 ASTM E1961-1998相控阵技术可用于天然气管线焊缝分区聚焦超声检测 DNV-OS-F101允许相控阵技术用于海上石油管线建设焊缝分区聚焦超声
检测 中石油《管道对接环焊缝全自动超声波检测》企业标准
• 2001年，我国首次在国家重点工程——西气东输中应用 了相控阵技术，即PIPEWIZARD全自动超声检测系统。
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1 技术背景
研究历史
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• 相控阵技术广泛应用于各医院的B超检测中，精确测量人体各器官位置及尺寸变化；
B超
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
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1 技术背景
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研究历史
• 现在逐渐被用于工业检测中，用于航空航天、石油化工、船舶、输油管 道、锅炉压力容器、钢结构及异型对接焊缝等动态图像化检测。
B超
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
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国内外研究现状 ——超声相控阵
2 超声相控阵检测原理
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相控阵的功能
➢ 改变声束位移 ➢ 改变声束角度 ➢ 改变聚焦距离和聚焦特性 ➢ 电子扫描 ➢ 电子扫描成像
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2 超声相控阵检测原理
基本概念
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探头阵列 将一个大尺寸的探头按规则分割成许多独立
小单元探头的阵列。
相位控制 独立控制各个阵元的发射和接收的微小延时，
超声波相控阵检测技术及其使用ppt课件
4
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
新一代相控阵技术
经过角度增益 补偿后的成像 显示
5
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
超声波相控阵检测技术及其 应用
1
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
典型应用：叶片检测
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常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
传统工业相控阵成像
传统工业相控阵成像
3
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
■ 然而相控阵技术从医疗领域向工业领域跃进的过程存在着很多技术难题无法 解决，因此最早的工业相控阵设备都是直接把医疗相控阵方法直接照搬到工业机 型上面。这种技术的应用和成像描绘的模式对于工业探伤来说，存在着很多隐患 和需要改进的问题。
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
新一代相控阵技术
经过角度增益 补偿后的成像 显示
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常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
超声波相控阵检测技术及其 应用
1
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
典型应用：叶片检测
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常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
传统工业相控阵成像
传统工业相控阵成像
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常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
■ 然而相控阵技术从医疗领域向工业领域跃进的过程存在着很多技术难题无法 解决，因此最早的工业相控阵设备都是直接把医疗相控阵方法直接照搬到工业机 型上面。这种技术的应用和成像描绘的模式对于工业探伤来说，存在着很多隐患 和需要改进的问题。
相控阵技术介绍演示文稿
对晶片位置）
波束聚焦
非聚焦波束 波束近场区和自然扩散角取决于孔径A和波长λ。 近场区 扩散角（半扩散角θ，在-6dB） 波束尺寸（在深度Z）
波束聚焦
聚焦的波束： 聚焦系数（K）定义为: 此处F=聚焦距离
N＝近场区
指定焦距的波束偏转平面上的波束尺寸 （dst）为：
波束聚焦理论
线性探头晶片间隙1mm，频率5MHz, 声速1480m/s
波前同时撞击到压电晶片。
斜波束－接收一侧
相控阵波束形成
相控阵探头波束偏转（接收）： －在接收过程中施加合适的电子延迟。 －只有信号“满足”延迟法则达到同相位，合并后
才会产生有效信号。
相控阵波形成
相控阵信号处理总图 出于经济考虑，脉冲发生器通常采用多路输出。
Omniscan 16/128是指仪器具有16个脉冲发生 器，通过多路输出得到128个超声通道。
相控阵技术介绍演示文稿
为什么使用相控阵？
不需要移动工件，实现高速电子扫查
通过软件控制波束特征提高检测性能 单个电子控制的相控阵探头实现多角度检
测 多种配置：P/E, T/R, TOFD, 串列扫查 对于复杂几何体的检测更具灵活性 －最佳的聚焦 －最佳的波束角度
相控阵技术能够电子修改超声探头的特征。 探头修改是通过在阵列探头中单个晶片的
信号发射（触发）和接收（回波）注入时 间延时来实现的。 任何用于缺陷检测和测量的UT技术都可用 相控阵探头完成
。
优点
相控阵最显著的特点是 可以灵活、便捷而有效地控制声 束形状和声压分布。 其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸 及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速 平移声束。因此 ,与传统超声检测技术相比 ,相控阵技术 的 ,优势是 ①用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测 速度。②不移动探头或尽量少移动探头可扫 100 % 扫查 厚大工件和形状复杂工件的各个区域 ,是解决可达性差和 空间限制问题的有效手段。③通常不需要复杂的扫查装 置 ,不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角 度多方向扫查 ,因此在核工业设备检测中可减少受辐照时 间。④优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向 ,在分辨 力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。
波束聚焦
非聚焦波束 波束近场区和自然扩散角取决于孔径A和波长λ。 近场区 扩散角（半扩散角θ，在-6dB） 波束尺寸（在深度Z）
波束聚焦
聚焦的波束： 聚焦系数（K）定义为: 此处F=聚焦距离
N＝近场区
指定焦距的波束偏转平面上的波束尺寸 （dst）为：
波束聚焦理论
线性探头晶片间隙1mm，频率5MHz, 声速1480m/s
波前同时撞击到压电晶片。
斜波束－接收一侧
相控阵波束形成
相控阵探头波束偏转（接收）： －在接收过程中施加合适的电子延迟。 －只有信号“满足”延迟法则达到同相位，合并后
才会产生有效信号。
相控阵波形成
相控阵信号处理总图 出于经济考虑，脉冲发生器通常采用多路输出。
Omniscan 16/128是指仪器具有16个脉冲发生 器，通过多路输出得到128个超声通道。
相控阵技术介绍演示文稿
为什么使用相控阵？
不需要移动工件，实现高速电子扫查
通过软件控制波束特征提高检测性能 单个电子控制的相控阵探头实现多角度检
测 多种配置：P/E, T/R, TOFD, 串列扫查 对于复杂几何体的检测更具灵活性 －最佳的聚焦 －最佳的波束角度
相控阵技术能够电子修改超声探头的特征。 探头修改是通过在阵列探头中单个晶片的
信号发射（触发）和接收（回波）注入时 间延时来实现的。 任何用于缺陷检测和测量的UT技术都可用 相控阵探头完成
。
优点
相控阵最显著的特点是 可以灵活、便捷而有效地控制声 束形状和声压分布。 其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸 及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速 平移声束。因此 ,与传统超声检测技术相比 ,相控阵技术 的 ,优势是 ①用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测 速度。②不移动探头或尽量少移动探头可扫 100 % 扫查 厚大工件和形状复杂工件的各个区域 ,是解决可达性差和 空间限制问题的有效手段。③通常不需要复杂的扫查装 置 ,不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角 度多方向扫查 ,因此在核工业设备检测中可减少受辐照时 间。④优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向 ,在分辨 力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。
相控阵教程第二讲
发射机工作原理
03
高频信号源产生高 频载波信号，经调 制器将基带信号调 制到高频载波上。
04
调制后的信号经功 率放大器放大，驱 动天线阵列发射电 磁波。
接收机组成及工作原理
天线阵列
接收空间中的电磁波信号。
低噪声放大器
放大接收到的微弱信号。
接收机组成及工作原理
下变频器
将高频信号转换为中频或基带信号。
系统集成与调试方法
进行系统联调，测试系统整体性能。 系统调试方法
采用分模块调试方法，先对各个模块进行单独调试，再对整个系统进行联调。
系统集成与调试方法
利用仿真软件对系统进行模拟仿真， 以验证系统设计的正确性。
在实际环境中进行系统测试，观察系 统性能并进行必要的调整和优化。
05
相控阵性能指标评价方法
应用领域及发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，相控 阵将实现更加智能化的波束控制 和优化算法，提高系统性能。
集成化
通过采用先进的微纳加工技术和 集成电路设计技术，实现相控阵 的微型化和集成化，降低成本和 功耗。
多功能化
相控阵将实现更多功能集成，如 通信、雷达、电子战等多功能一 体化设计，满足复杂应用场景需 求。
数据处理
对跟踪得到的目标数据进行处理和分析，提取有用信息并应用于雷达 、通信、电子战等领域。
04
相控阵系统组成及工作原理
Chapter
发射机组成及工作原理
高频信号源
产生高频载波信号。
调制器
将基带信号调制到高频载波上。
发射机组成及工作原理
01
功率放大器：放大 调制后的信号，以 驱动天线阵列。
02
THANKS
感谢观看
03
高频信号源产生高 频载波信号，经调 制器将基带信号调 制到高频载波上。
04
调制后的信号经功 率放大器放大，驱 动天线阵列发射电 磁波。
接收机组成及工作原理
天线阵列
接收空间中的电磁波信号。
低噪声放大器
放大接收到的微弱信号。
接收机组成及工作原理
下变频器
将高频信号转换为中频或基带信号。
系统集成与调试方法
进行系统联调，测试系统整体性能。 系统调试方法
采用分模块调试方法，先对各个模块进行单独调试，再对整个系统进行联调。
系统集成与调试方法
利用仿真软件对系统进行模拟仿真， 以验证系统设计的正确性。
在实际环境中进行系统测试，观察系 统性能并进行必要的调整和优化。
05
相控阵性能指标评价方法
应用领域及发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，相控 阵将实现更加智能化的波束控制 和优化算法，提高系统性能。
集成化
通过采用先进的微纳加工技术和 集成电路设计技术，实现相控阵 的微型化和集成化，降低成本和 功耗。
多功能化
相控阵将实现更多功能集成，如 通信、雷达、电子战等多功能一 体化设计，满足复杂应用场景需 求。
数据处理
对跟踪得到的目标数据进行处理和分析，提取有用信息并应用于雷达 、通信、电子战等领域。
04
相控阵系统组成及工作原理
Chapter
发射机组成及工作原理
高频信号源
产生高频载波信号。
调制器
将基带信号调制到高频载波上。
发射机组成及工作原理
01
功率放大器：放大 调制后的信号，以 驱动天线阵列。
02
THANKS
感谢观看
相控阵技术介绍
优点
相控阵最显著的特点是 可以灵活、便捷而有效地控制声 束形状和声压分布。 其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸 及位置在一定范围内连续、动态可调; 及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速 平移声束。因此 ,与传统超声检测技术相比 ,相控阵技术 的 ,优势是 ①用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测 速度。②不移动探头或尽量少移动探头可扫 100 % 扫查 厚大工件和形状复杂工件的各个区域 ,是解决可达性差和 空间限制问题的有效手段。③通常不需要复杂的扫查装 置 ,不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角 度多方向扫查 ,因此在核工业设备检测中可减少受辐照时 间。④优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向 ,在分辨 力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。
缺点
探头制造复杂，国内目前不能制作 探头一般尺寸较大，受现场条件限制 对检测人员要求高 并不能解决所有问题，也不是进行一次扫 查就能发现所有缺陷
相控阵探头
相控阵探头是一种晶片的激发时间可以单 独调节，以控制声束轴线和焦点等参数的 晶片阵列。根据晶片阵列型式不同，主要 有1维线性阵列，2维线性阵列， 1维环形 维线性阵列，2 阵列，2 阵列，2维环形阵列四种形式。
晶片数量 孔径（mm） N 菲涅耳距离 （mm） 聚焦深度（mm） K D(聚焦深度mm) 10 10 84 84 0.99 2.49 16 16 216 84 0.39 1.55 32 32 865 84 0.10 0.78
以上结果基于水尽方法。
波束剖面
动态深度聚焦
DDF是以单脉冲检测深工件的理想方式。光速在 DDF是以单脉冲检测深工件的理想方式。光速在 返回时重新电子聚焦。 不能增加灵敏度，只是增加视觉上的分辨率 在采集数据时使用，不能做为后处理功能
相控阵技术简介
相控阵超声换能器结构与聚焦算法1、相控阵换能器结构相控阵超声的特点是通过软件输入波束参数，如角度、焦距、焦点尺寸等来产生超声波束。
焦点规则指计算机运算法则，定义参数分配给晶片组合，从而提供一个特殊的波束形状。
这些参数包括应用电压的振幅，激发序列和不同晶片激发的延迟时间。
我们采用了由64晶片组成的直线型阵列形式（如图1所示，为了画图清楚图中只画出10晶片），来完成声束的动态扫描和动态聚焦，如图2所示。
图1 直线形阵列图2 相控晶体动态聚焦和动态扫描2、相控阵超声换能器聚焦偏转特性2．1电控偏转特性偏转特性是通过相邻阵元的等时差来实现的，偏转角与两晶片之间时间差的数学关系为:θ=sin-1(c/d*τ)其中:c 为介质的速度;d 为两晶片之间中心距离; τ为两晶片间时间差。
发射偏角、接收偏角是通过发射延时电路和接收延时电路通过等时间差的方法实现了发射偏转和接收偏转。
图3 电控偏转角特性图2．2电控聚焦特性应用相控技术，对线阵探头各阵元提供按二次曲线规律延时的激励，使超声场区合成波阵面呈二次曲线凹面，从而实现波束聚焦。
聚焦特性是表征发射声束在某距离收敛范围的几何尺寸,它直接影响检测缺陷的灵敏度分辨率和检测区域大小的关键,通过研究阵元之间的时间差与焦点位置、焦柱的几何尺寸之间的关系来确定聚焦的特性。
设相邻阵元中心距为d，焦距为F，1、2号阵元距线阵中心距离分别为L1、L2，则1、2号阵元的声程差为ΔS＝(F2+L12)-1/2－(F2+L22)-1/2由此可求得1、2号振元的相差延时量为：τ1＝ΔS/C应用上式，可以求得各阵元间声程差和相差延时量，当给定焦距，只要使各激励脉冲分别经过不同延时量，便可实现定点电控聚焦。
由于超声发射采用电控聚焦，各阵元接收的反射回波亦有相应的相位差，为使这些回波能再接收中同相合成，显然也需要对各阵元所接收到的回波信号给予延时补偿，因此，在接收回路，也要和发射电路一样，设置延时，并使各线的延时与发射延时相等。
相控阵技术的基础原理PPT幻灯片共3文档
contents •相控阵技术概述•相控阵基本原理•相控阵系统组成及功能•相控阵关键技术分析•相控阵性能指标评价方法•相控阵技术应用案例分享目录定义与发展历程定义发展历程应用领域及现状应用领域现状相控阵技术将实现更多功能，如同时实现通信和雷达探测等。
多功能化智能化高集成度拓展应用领域引入人工智能和机器学习等技术，实现自适应波束形成和智能信号处理。
采用先进的微纳加工技术和集成电路设计技术，实现相控阵天线的高集成度和低成本。
探索相控阵技术在5G/6G 通信、智能交通、物联网等新兴领域的应用。
未来发展趋势阵列天线基本原理010203天线阵列概念阵列因子波束指向性波束形成与扫描原理波束形成波束扫描数字波束形成（DBF）信号处理与接收原理信号接收与处理流程包括信号接收、下变频、模数转换（ADC）、数字信号处理（DSP）等步骤，实现对回波信号的提取、分析和目标检测。
多普勒效应与动目标检测利用多普勒效应对运动目标进行检测和测速，通过分析回波信号的多普勒频率实现目标运动参数的提取。
杂波抑制与干扰对抗采用空域滤波、时域滤波等技术抑制杂波干扰，提高雷达系统的抗干扰能力和目标检测性能。
1 2 3发射机移相器发射天线接收机移相器接收天线波控器根据目标位置和速度信息，计算波束指向和波束形状，并生成相应的控制指令。
电源控制器为各子系统提供稳定的电源供应，确保系统正常工作。
故障诊断与处理模块实时监测系统运行状态，对故障进行诊断和处理，确保系统稳定性和可靠性。
通信接口与外部设备进行通信，接收控制指令并发送状态信息。
阵列天线设计技术阵列天线构型设计01阵列单元设计02馈电网络设计03波束形成算法设计技术波束指向控制算法通过改变阵列天线各单元的幅度和相位，实现波束的指向控制。
波束形状优化算法根据应用场景需求，优化波束形状以提高系统性能。
自适应波束形成算法利用现代信号处理技术，实现波束的自适应调整以应对复杂电磁环境。
信号处理技术信号检测与估计对接收信号进行检测、参数估计等处理，为后续信号处理提供基础数据。
超声相控阵技术简介ppt课件
声束聚焦控制
• 沿阵列的排列方向各晶片的 位置到声轴线上某焦点的距 离线性控制其发射和接收的 相位延时，使各晶片波前同 时到达焦点，如同聚焦探头 产生的波前，实现声束的聚 焦控制
合成声束（Synthetic Beam）
• 多个阵元发射、接收
• 控制相位延时
• 各个子声波干涉叠加
• 同频率 • 固定相位
的 投影图像
P扫描 E（End）端视
T（Top）顶视
S（Side）侧视
扇扫（S扫）
电子栅格扫查（E扫）
B型显示(斜探头PE平行扫查)
扫查距离
深 度 B扫图像 当超声斜角入射时，分为平行扫查（B 扫）和非平行扫查（ D扫） 图像中的每个点： 当超声斜角入射时的平行扫查（B扫） 时，声程距离能够在深度和扫查两个方 向投影，扫查方向的投影能叠加在探头 扫查位置上。
TOFD非平行扫查（D扫）
TOFD成像 双探头一发一收，深度距离非线性的 B扫描图像
TOFD平行扫查（B扫）
C型显示
Y 扫 查 方 向
C扫图象
X扫查方向
探头在工件表面两个方向移动覆盖二维检测区域，并显示两个正交扫查方
向的 二维空间的 幅度或其他测量信息
图像中的每个点：
两个坐标位置分别表示探头在两个扫查方向的位移值，通常用编码器等机
械扫查位置传感器测量。
亮度或色度表示一个超声测量量
幅 度
时间 A扫波形
用曲线显示传输延时（声程距离）一维空间上的信号幅度信息的二维 图形。 曲线上的各点： 水平位置表示传输延时或声程、深度、距离等。其中传输延时是直接 测量量。而声程、深度、距离是经声速、角度投影等比例系数传递的 间接测量量。 垂直位置表示信号幅度。通常用占满屏高的百分数表示。代表某个灵 敏度（增益/衰减）下信号的大小。
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相控阵优缺点
为什么使用相控阵？
不需要移动工件，实现高速电子扫查
通过软件控制波束特征提高检测性能 单个电子控制的相控阵探头实现多角度检
测 多种配置：P/E, T/R, TOFD, 串列扫查 对于复杂几何体的检测更具灵活性 －最佳的聚焦 －最佳的波束角度
相控阵技术能够电子修改超声探头的特征。 探头修改是通过在阵列探头中单个晶片的
探头电子控制
电子脉冲延迟（图有错）
斜波束
聚焦波束
线阵探头－线性扫查
线性探头－扇形扫查
连续或环形扫查
波束的形成原理
常规波束形成
常规UT探头角度偏转（发射）： －根据惠更斯原理产生超声波束 －在发射过程中斜楔块引入适当的延迟，产生一
个带角度波束。
斜波束
常规波束形成
常规UT探头控制波束（接收） －根据惠更斯原理楔块内产生波束 －在接收过程中斜楔块引入延迟，使“同相位”的
阵探头中。
波束偏转
偏转能力与阵列中单个晶片的宽度有 关
通过公式计算出最大偏转角（－6dB） 斜楔块可以改变角度偏转范围
波束偏转能力取决于相邻进片产生波 束后的相互干涉。
波前同时撞击到压电晶片。
斜波束－接收一侧
相控阵波束形成
相控阵探头波束偏转（接收）： －在接收过程中施加合适的电子延迟。 －只有信号“满足”延迟法则达到同相位，合并后
才会产生有效信号。
相控阵波形成
相控阵信号处理总图 出于经济考虑，脉冲发生器通常采用多路输出。
Omniscan 16/128是指仪器具有16个脉冲发生 器，通过多路输出得到128个超声通道。
不能增加灵敏度，只是增加视觉上的分辨率 在采集数据时使用，不能做为后处理功能
动态深度聚焦
波束偏转
能够修改阵列探头产生波束的折射角的能 力。
单个探头可以进行多角度检测。 使用不对称的（比如线性）聚焦法则。
扇形扫查图解
扇形扫查
扇形扫查有能力扫查整个工件截面，而无须移动 探头。
用于检测复杂的或检测空间受限的几何工件。 把宽波束和/或多焦点探头的优势集中在一个相控
信号发射（触发）和接收（回波）注入时 间延时来实现的。 任何用于缺陷检测和测量的UT技术都可用 相控阵探头完成
。
优点
相控阵最显著的特点是 可以灵活、便捷而有效地控制声 束形状和声压分布。 其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸 及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速 平移声束。因此 ,与传统超声检测技术相比 ,相控阵技术 的 ,优势是 ①用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测 速度。②不移动探头或尽量少移动探头可扫 100 % 扫查 厚大工件和形状复杂工件的各个区域 ,是解决可达性差和 空间限制问题的有效手段。③通常不需要复杂的扫查装 置 ,不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角 度多方向扫查 ,因此在核工业设备检测中可减少受辐照时 间。④优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向 ,在分辨 力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。
曲线的，圆锥形的，椭圆形的….
普通的探头几何形状
1D线性阵列
2D线性阵列
常用的探头几何形状
1D环形阵列
2D环形阵列
常用的探头几何形状
菊花探头数据
楔块参数
楔块参数 楔块声速（vw） 楔块角度（ω） 第一个晶片高度（h1） 第一个晶片的偏移
（x1） 楔块常用的材料是一
种专利材料Rexolite
晶片数量
10
孔径（mm）
10
N 菲涅耳距离 84 （mm）
聚焦深度（mm） 84
K
0.99
D(聚焦深度mm) 2.49
16 16 216
84 0.39 1.55
32 32 865
84 0.10 0.78
以上结果基于水尽方法。
波束剖面
动态深度聚焦
DDF是以单脉冲检测深工件的理想方式。光速在 返回时重新电子聚焦。
相控阵探头设计参数
超声相控阵探头由一系列独立的晶片构成， 每个晶片都有各自的接头，延时电路和A/D 转换器
晶片之间彼此声绝缘 根据预先计算好的时间延迟触发晶片组中
的每一个晶片，比如“相位”
1D线性阵列
许多线性探头设计 探头可以在次轴上形成聚焦 PA和探头技术允许探头加工成各种形状，平的，
基本阵列设计
线性阵列（1D）基 本上是一个长的常 规探头。
切割成许多可以单 独激发的小晶片。
阵列探头的设计参数
探头参数： 频率（f） 阵列中晶片的数量（n） 控制或激活方向上总的孔径（A） 高度，在机械轴或次轴方向上的孔径（H） 间距，两个相邻晶片的中心间距（p） 单个晶片的宽度（e）
对晶片位置）
波束聚焦
非聚焦波束 波束近场区和自然扩散角取决于孔径A和波长λ。 近场区 扩散角（半扩散角θ，在-6dB） 波束尺寸（在深度Z）
波束聚焦
聚焦的波束： 聚焦系数（K）定义为: 此处F=聚焦距离
N＝近场区
指定焦距的波束偏转平面上的波束尺寸 （dst）为：
波束聚焦理论
线性探头晶片间隙1mm，频率5MHz, 声速1480m/s
缺点
探头制造复杂，国内目前不能制作 探头一般尺寸较大，受现场条件限制 对检测人员要求高 并不能解决所有问题，也不是进行一次扫
查就能发现所有缺陷
相控阵探头
相控阵探头是一种晶片的激发时间可以单 独调节，以控制声束轴线和焦点等参数的 晶片阵列。根据晶片阵列型式不同，主要 有1维线性阵列，2维线性阵列， 1维环形 阵列，2维环形阵列四种形式。
合成探头技术
PA探头基于合成技术， 从合成探头获得的信噪比 比压电陶瓷材料高10-30dB。
压电合成探头使用薄陶瓷棒放在聚合体内而制成。
合成探头技术
一个薄金属层放在压电合成体上。在这个 金属层内设计的晶片确保压电材料统一激 发。
探头制造：外壳
探头的结构与常规探 头相似
声匹配 压电合成体 ຫໍສະໝຸດ 充材料 多达128个共轴电线波束形成
聚焦波束－接收侧
聚焦法则产生
聚焦法则计算器
本机工具 －TomoView －Omniscan “编程探头”
EPRI 工作手册 PASS,CIVA, 等.
相控阵波束的特点
波束聚焦
把超声能量聚集到一个焦点的能力 使用一个探头可以把波束聚焦在不同深度 对称（比如抛物线）聚焦法则（时间延迟
为什么使用相控阵？
不需要移动工件，实现高速电子扫查
通过软件控制波束特征提高检测性能 单个电子控制的相控阵探头实现多角度检
测 多种配置：P/E, T/R, TOFD, 串列扫查 对于复杂几何体的检测更具灵活性 －最佳的聚焦 －最佳的波束角度
相控阵技术能够电子修改超声探头的特征。 探头修改是通过在阵列探头中单个晶片的
探头电子控制
电子脉冲延迟（图有错）
斜波束
聚焦波束
线阵探头－线性扫查
线性探头－扇形扫查
连续或环形扫查
波束的形成原理
常规波束形成
常规UT探头角度偏转（发射）： －根据惠更斯原理产生超声波束 －在发射过程中斜楔块引入适当的延迟，产生一
个带角度波束。
斜波束
常规波束形成
常规UT探头控制波束（接收） －根据惠更斯原理楔块内产生波束 －在接收过程中斜楔块引入延迟，使“同相位”的
阵探头中。
波束偏转
偏转能力与阵列中单个晶片的宽度有 关
通过公式计算出最大偏转角（－6dB） 斜楔块可以改变角度偏转范围
波束偏转能力取决于相邻进片产生波 束后的相互干涉。
波前同时撞击到压电晶片。
斜波束－接收一侧
相控阵波束形成
相控阵探头波束偏转（接收）： －在接收过程中施加合适的电子延迟。 －只有信号“满足”延迟法则达到同相位，合并后
才会产生有效信号。
相控阵波形成
相控阵信号处理总图 出于经济考虑，脉冲发生器通常采用多路输出。
Omniscan 16/128是指仪器具有16个脉冲发生 器，通过多路输出得到128个超声通道。
不能增加灵敏度，只是增加视觉上的分辨率 在采集数据时使用，不能做为后处理功能
动态深度聚焦
波束偏转
能够修改阵列探头产生波束的折射角的能 力。
单个探头可以进行多角度检测。 使用不对称的（比如线性）聚焦法则。
扇形扫查图解
扇形扫查
扇形扫查有能力扫查整个工件截面，而无须移动 探头。
用于检测复杂的或检测空间受限的几何工件。 把宽波束和/或多焦点探头的优势集中在一个相控
信号发射（触发）和接收（回波）注入时 间延时来实现的。 任何用于缺陷检测和测量的UT技术都可用 相控阵探头完成
。
优点
相控阵最显著的特点是 可以灵活、便捷而有效地控制声 束形状和声压分布。 其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸 及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速 平移声束。因此 ,与传统超声检测技术相比 ,相控阵技术 的 ,优势是 ①用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测 速度。②不移动探头或尽量少移动探头可扫 100 % 扫查 厚大工件和形状复杂工件的各个区域 ,是解决可达性差和 空间限制问题的有效手段。③通常不需要复杂的扫查装 置 ,不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角 度多方向扫查 ,因此在核工业设备检测中可减少受辐照时 间。④优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向 ,在分辨 力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。
曲线的，圆锥形的，椭圆形的….
普通的探头几何形状
1D线性阵列
2D线性阵列
常用的探头几何形状
1D环形阵列
2D环形阵列
常用的探头几何形状
菊花探头数据
楔块参数
楔块参数 楔块声速（vw） 楔块角度（ω） 第一个晶片高度（h1） 第一个晶片的偏移
（x1） 楔块常用的材料是一
种专利材料Rexolite
晶片数量
10
孔径（mm）
10
N 菲涅耳距离 84 （mm）
聚焦深度（mm） 84
K
0.99
D(聚焦深度mm) 2.49
16 16 216
84 0.39 1.55
32 32 865
84 0.10 0.78
以上结果基于水尽方法。
波束剖面
动态深度聚焦
DDF是以单脉冲检测深工件的理想方式。光速在 返回时重新电子聚焦。
相控阵探头设计参数
超声相控阵探头由一系列独立的晶片构成， 每个晶片都有各自的接头，延时电路和A/D 转换器
晶片之间彼此声绝缘 根据预先计算好的时间延迟触发晶片组中
的每一个晶片，比如“相位”
1D线性阵列
许多线性探头设计 探头可以在次轴上形成聚焦 PA和探头技术允许探头加工成各种形状，平的，
基本阵列设计
线性阵列（1D）基 本上是一个长的常 规探头。
切割成许多可以单 独激发的小晶片。
阵列探头的设计参数
探头参数： 频率（f） 阵列中晶片的数量（n） 控制或激活方向上总的孔径（A） 高度，在机械轴或次轴方向上的孔径（H） 间距，两个相邻晶片的中心间距（p） 单个晶片的宽度（e）
对晶片位置）
波束聚焦
非聚焦波束 波束近场区和自然扩散角取决于孔径A和波长λ。 近场区 扩散角（半扩散角θ，在-6dB） 波束尺寸（在深度Z）
波束聚焦
聚焦的波束： 聚焦系数（K）定义为: 此处F=聚焦距离
N＝近场区
指定焦距的波束偏转平面上的波束尺寸 （dst）为：
波束聚焦理论
线性探头晶片间隙1mm，频率5MHz, 声速1480m/s
缺点
探头制造复杂，国内目前不能制作 探头一般尺寸较大，受现场条件限制 对检测人员要求高 并不能解决所有问题，也不是进行一次扫
查就能发现所有缺陷
相控阵探头
相控阵探头是一种晶片的激发时间可以单 独调节，以控制声束轴线和焦点等参数的 晶片阵列。根据晶片阵列型式不同，主要 有1维线性阵列，2维线性阵列， 1维环形 阵列，2维环形阵列四种形式。
合成探头技术
PA探头基于合成技术， 从合成探头获得的信噪比 比压电陶瓷材料高10-30dB。
压电合成探头使用薄陶瓷棒放在聚合体内而制成。
合成探头技术
一个薄金属层放在压电合成体上。在这个 金属层内设计的晶片确保压电材料统一激 发。
探头制造：外壳
探头的结构与常规探 头相似
声匹配 压电合成体 ຫໍສະໝຸດ 充材料 多达128个共轴电线波束形成
聚焦波束－接收侧
聚焦法则产生
聚焦法则计算器
本机工具 －TomoView －Omniscan “编程探头”
EPRI 工作手册 PASS,CIVA, 等.
相控阵波束的特点
波束聚焦
把超声能量聚集到一个焦点的能力 使用一个探头可以把波束聚焦在不同深度 对称（比如抛物线）聚焦法则（时间延迟