相控阵技术介绍PPT课件
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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
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
9
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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10
1 技术背景
武汉中科创新技术股份有限公司
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。
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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；
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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。
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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
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
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典型应用：叶片检测
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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。
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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超声波相控阵检测技术及其 应用
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典型应用：叶片检测
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传统工业相控阵成像
传统工业相控阵成像
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■ 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。
超声相控阵技术简介ppt课件
二维阵列
矩阵
lo-theta阵列
阵元数大。 阵元小。 二维控制。
准二维阵列
矩阵
周向环阵
阵元数不大。 阵元不小。 二维控制。
声束位置控制
• 控制阵列探头各晶片的开 关，使开启的晶片组合的 中心位置改变，从而改变 产生和接收的超声波轴线 位置，实现声束位置的控 制。
声束角度控制
• 沿阵列的排列方向各晶片的 位置线性控制其发射和接收 的相位延时，使各晶片波前 叠加后如同平面探头转动了 一个方向后产生的波前，实 现声束的角度控制
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）
• 横向分辨率高，能实现较长距离的一维电子扫查 • 线扫的探头一般在扫描方向较大
扇扫（S-Scan）
• 相控阵扇扫一般指固定声束位置，连续偏转合成声束的角度， 记录每个声束的A扫波形数据，以声束扫描角度和回波传输延 时确定像素的位置，回波幅度确定像素的亮度或彩色，显示所 有回波记录的过程。形成的图像外形像一个扇面叫扇扫图像。
相控阵超声技术应用介绍（一） 简介
相控阵超声
• 相位控制的探头阵列 • 控制检测声束的特性
• 位置 • 偏角 • 聚焦
技术特征
• 单晶探头检测声场特性
• 整体辐射 • 单一指向性 • 单一声束特性
• 相控阵探头检测声场特性
• 可控部分辐射 • 可控偏角指向 • 可控聚焦
一维阵列
线阵
径向环阵
阵元数少。 阵元大。 功能单一。
• 合成声束
• 发射整体波阵面合成 • 接收信号延时合成
合成孔径（ Synthetic Aperture）
2024版相控阵技术的基础原理PPT幻灯片共3文档
发展历程
从20世纪60年代开始，相控阵技 术经历了从机械扫描到电子扫描的 发展历程，逐渐应用于雷达、通信、 电子对抗等领域。
应用领域及现状
应用领域
相控阵技术广泛应用于雷达、通信、 电子对抗、医学成像等领域，具有波 束指向灵活、抗干扰能力强、分辨率 高等优点。
现状
目前，相控阵技术已经成为现代无线 通信领域的重要技术之一，随着技术 的不断发展，其应用领域也在不断扩 展。
气象观测
相控阵雷达可用于气象观测，通过探测大气中的降水 粒子、风场等信息，为天气预报和气候研究提供数据 支持。
航空管制
相控阵技术可用于航空管制雷达，通过实时监 测飞机位置和速度等信息，确保航空安全。
科研领域应用案例分享
天文观测
相控阵技术可用于射电望远镜阵列，通过改变波束指向和 接收灵敏度，实现对宇宙深处天体的观测和研究。
地球物理学研究
相控阵技术可用于地震监测、资源勘探等地球物理学研究 领域，通过探测地下结构和物质分布等信息，为地质研究 和资源开发提供支持。
生物医学成像
相控阵技术可用于生物医学成像领域，如超声成像、核磁 共振成像等，通过改变波束指向和发射功率，实现对人体 内部组织和器官的精确成像。
THANKS
感谢观看
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。
从20世纪60年代开始，相控阵技 术经历了从机械扫描到电子扫描的 发展历程，逐渐应用于雷达、通信、 电子对抗等领域。
应用领域及现状
应用领域
相控阵技术广泛应用于雷达、通信、 电子对抗、医学成像等领域，具有波 束指向灵活、抗干扰能力强、分辨率 高等优点。
现状
目前，相控阵技术已经成为现代无线 通信领域的重要技术之一，随着技术 的不断发展，其应用领域也在不断扩 展。
气象观测
相控阵雷达可用于气象观测，通过探测大气中的降水 粒子、风场等信息，为天气预报和气候研究提供数据 支持。
航空管制
相控阵技术可用于航空管制雷达，通过实时监 测飞机位置和速度等信息，确保航空安全。
科研领域应用案例分享
天文观测
相控阵技术可用于射电望远镜阵列，通过改变波束指向和 接收灵敏度，实现对宇宙深处天体的观测和研究。
地球物理学研究
相控阵技术可用于地震监测、资源勘探等地球物理学研究 领域，通过探测地下结构和物质分布等信息，为地质研究 和资源开发提供支持。
生物医学成像
相控阵技术可用于生物医学成像领域，如超声成像、核磁 共振成像等，通过改变波束指向和发射功率，实现对人体 内部组织和器官的精确成像。
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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。
超声波相控阵检测技术及其使用ppt课件
使用楔块
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使用楔块
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角度增益补偿
因素 3: 探头中的信号衰减能量损失随入射角度而变化(楔块中声程 随角度加大而加大)
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Sina1 Sinb S1
VL1
VS 2
a a1 a0
b b a 第一种情况 S 1S0 0 M i0 gr
没有声束偏转
b b a 第二种情况
S 1S0 0 M i0 gr
入射点向楔块前端漂移; 楔块延迟增加
b b a Case 2 S 1S0 0 M i0 gr
入射点向楔块后端漂移; 楔块延迟减小
2. 有效阵列孔径保持不变
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线性波形模式
19ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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使用楔块
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角度增益补偿
因素 3: 探头中的信号衰减能量损失随入射角度而变化(楔块中声程 随角度加大而加大)
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Sina1 Sinb S1
VL1
VS 2
a a1 a0
b b a 第一种情况 S 1S0 0 M i0 gr
没有声束偏转
b b a 第二种情况
S 1S0 0 M i0 gr
入射点向楔块前端漂移; 楔块延迟增加
b b a Case 2 S 1S0 0 M i0 gr
入射点向楔块后端漂移; 楔块延迟减小
2. 有效阵列孔径保持不变
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线性波形模式
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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PPT课件
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
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
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。
相控阵工作原理 PPT课件
扫查宽度局限于: – 阵列中晶片的数量 – 采集系统支持的通道数 量
波束偏转
对横波而言, 延时参数是 “倾斜的” 如图所示。
波束偏转和聚焦
图中有阵列里的各 个晶片; 加在每个 晶片上的延时; 产 生的波束在早期、 中期和焦点处的形 状。
为了聚焦和倾斜, 我们采用复合曲线 和抛物线。
相控阵波束形成原理
Mechanical Displacement
c = velocity in material
FOCUS DEPTH (PULSER) DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER)
动态深度聚焦
DDF 在扫查时 不断为接收信号 重新载入聚焦法 则。 这一操作 靠硬件完成, 所 以很快。 现在
3
7
11 15 19 23 27 31
2
6
10 14 18 22 26 30
1
5
9
13 17 21 25 29
X =-3 .9 , Y = -1.9 --> X = 3.9
Y=6 .5
47 48
30 49 31
17
50 32 18 8
46 45
29 28 44
16
15 27 43 7
51 33 19 9 52 34 20 10
常规超声波束形成
Excitation pulse
Crystal
A
B
Wedge
C
Material
Wave front
Delay
A
B
C Location
常规超声探头波束角度偏转 (发射) – 根据惠更斯原理产生超声波束 – 通过带角度楔块的延时使波束角度产生偏 转
波束偏转
对横波而言, 延时参数是 “倾斜的” 如图所示。
波束偏转和聚焦
图中有阵列里的各 个晶片; 加在每个 晶片上的延时; 产 生的波束在早期、 中期和焦点处的形 状。
为了聚焦和倾斜, 我们采用复合曲线 和抛物线。
相控阵波束形成原理
Mechanical Displacement
c = velocity in material
FOCUS DEPTH (PULSER) DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER)
动态深度聚焦
DDF 在扫查时 不断为接收信号 重新载入聚焦法 则。 这一操作 靠硬件完成, 所 以很快。 现在
3
7
11 15 19 23 27 31
2
6
10 14 18 22 26 30
1
5
9
13 17 21 25 29
X =-3 .9 , Y = -1.9 --> X = 3.9
Y=6 .5
47 48
30 49 31
17
50 32 18 8
46 45
29 28 44
16
15 27 43 7
51 33 19 9 52 34 20 10
常规超声波束形成
Excitation pulse
Crystal
A
B
Wedge
C
Material
Wave front
Delay
A
B
C Location
常规超声探头波束角度偏转 (发射) – 根据惠更斯原理产生超声波束 – 通过带角度楔块的延时使波束角度产生偏 转
超声相控阵检测技术课件
• B扫能直观显示缺陷在纵截面上的二维特性，获得 截面直观图。
PPT学习交流
15
超声波的扫描和显示
• C型显示：又称C扫。以反射回波作为辉度调制信 号，用亮点或者暗点显示接收信号，缺陷回波在 荧光屏上显示的亮点构成被检测对象中缺陷的平 面投影图；
• 这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不 能确定缺陷的深度；
标准的相控阵
动态深度聚焦
PPT学习交流
31
精确延时控制验证方法
• 用FPGA实现精度为2ns的延时控制，对于发射来说， 调试与验证比较容易，只需要一个多通道 500MHz的 示波器就可以。从FPGA发射一个方波同步脉冲和一个 方波激励脉冲，一级一级的往后测试，直至相控 阵 探头。通过示波器可以观察从FPGA到探头整个电路的 系统延时以及激励脉冲相对于同步脉冲的延时间隔， 该间隔由FPGA内部参数决定，并且可以修改。
• 探头更少 • 机械部分少
PPT学习交流
6
实验室的相控阵仪器： OminiScan
PPT学习交流
7
相控阵探头
PPT学习交流
8
OminiScan的主要性能
• 有两个模块，超声相控阵，电涡流的模块； • 全功能S扫描，A，B，C扫描，图形直观，快捷，方便； • USB接口，RS-232接口，视频输出和以太网接口； • 数据存储卡，接近计算机的人机界面； • 完整的报告设置；
• 理论分析显示，只有尽力提高相位延时的精度、分 辨率和稳定性，才能显著地抑制旁瓣，提高声束的 横向和纵向分辨力，改善成像清晰度。
PPT学习交流
26
相控阵相位延迟的方法
• 模拟延迟方法： 过去的医用B超中，模拟延迟线，如LC网络直接 对模拟信号延迟，用电子开关分段切换获得不同 的延迟量； 缺点：1.体积庞大，结构复杂； 2.不便实现动态聚焦和信号处理； 3.电气参数难以确定；
PPT学习交流
15
超声波的扫描和显示
• C型显示：又称C扫。以反射回波作为辉度调制信 号，用亮点或者暗点显示接收信号，缺陷回波在 荧光屏上显示的亮点构成被检测对象中缺陷的平 面投影图；
• 这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不 能确定缺陷的深度；
标准的相控阵
动态深度聚焦
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31
精确延时控制验证方法
• 用FPGA实现精度为2ns的延时控制，对于发射来说， 调试与验证比较容易，只需要一个多通道 500MHz的 示波器就可以。从FPGA发射一个方波同步脉冲和一个 方波激励脉冲，一级一级的往后测试，直至相控 阵 探头。通过示波器可以观察从FPGA到探头整个电路的 系统延时以及激励脉冲相对于同步脉冲的延时间隔， 该间隔由FPGA内部参数决定，并且可以修改。
• 探头更少 • 机械部分少
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6
实验室的相控阵仪器： OminiScan
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7
相控阵探头
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8
OminiScan的主要性能
• 有两个模块，超声相控阵，电涡流的模块； • 全功能S扫描，A，B，C扫描，图形直观，快捷，方便； • USB接口，RS-232接口，视频输出和以太网接口； • 数据存储卡，接近计算机的人机界面； • 完整的报告设置；
• 理论分析显示，只有尽力提高相位延时的精度、分 辨率和稳定性，才能显著地抑制旁瓣，提高声束的 横向和纵向分辨力，改善成像清晰度。
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26
相控阵相位延迟的方法
• 模拟延迟方法： 过去的医用B超中，模拟延迟线，如LC网络直接 对模拟信号延迟，用电子开关分段切换获得不同 的延迟量； 缺点：1.体积庞大，结构复杂； 2.不便实现动态聚焦和信号处理； 3.电气参数难以确定；
相控阵雷达概要PPT课件
4.压缩比D
D T TB 1/ B
5.脉冲压缩的优点：
•时宽带宽互相基本独立，可选择较宽的脉冲宽度 ，有较大的作 用距离。
•有 较 高 的 距 离 分 辨 率 。
•有 较 好 的 抗 干 扰 能 力 。
脉冲压缩的缺点：
•由 于 加 大 了 “ T ” ， 最 小 作 用 距 离 增 加 了 。
•信 号 处 理 复 杂 。
0
2
d
sin
0
主瓣方向
θ0
dsin(θ0)
波阵面
dd ej0 e-jψ0 e-j2ψ0
d e-j(N-1)ψ0
图5.3阵列天线扫描示意图
第16页/共37页
• 此时，天线方向图为。
• 无栅瓣的条件：
Fa
sin
Nd
sin
sin
0
N
sin
d
sin
sin
0
d 1 1 sin 0
第17页/共37页
铁氧体移相器结构如图5.7。其中，铁氧体上的线圈未画出 。利用线圈对每段铁氧体独立充磁，改变各段磁化状态，从而 改变波导中的相位移。 第22页/共37页
波束形成网络
波束形成分发射波束形成、接收波束形成， 一般指接收波束形成。
射频波束形成 中频波束形成 数字波束形成 多波束形成
第23页/共37页
§5.5有源相控阵雷达
3． 天线扫描时，θ0增大，波束要展宽。 4． 天线扫描时，θ0增大，天线增益要下降。
可以采用非均匀分布的阵列天线，见P156 表5－1。
以上分析的是相控阵一维阵列天线分析，二维天线的分析方 法相同。
第18页/共37页
§5.3相控阵雷达的组成
D T TB 1/ B
5.脉冲压缩的优点：
•时宽带宽互相基本独立，可选择较宽的脉冲宽度 ，有较大的作 用距离。
•有 较 高 的 距 离 分 辨 率 。
•有 较 好 的 抗 干 扰 能 力 。
脉冲压缩的缺点：
•由 于 加 大 了 “ T ” ， 最 小 作 用 距 离 增 加 了 。
•信 号 处 理 复 杂 。
0
2
d
sin
0
主瓣方向
θ0
dsin(θ0)
波阵面
dd ej0 e-jψ0 e-j2ψ0
d e-j(N-1)ψ0
图5.3阵列天线扫描示意图
第16页/共37页
• 此时，天线方向图为。
• 无栅瓣的条件：
Fa
sin
Nd
sin
sin
0
N
sin
d
sin
sin
0
d 1 1 sin 0
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铁氧体移相器结构如图5.7。其中，铁氧体上的线圈未画出 。利用线圈对每段铁氧体独立充磁，改变各段磁化状态，从而 改变波导中的相位移。 第22页/共37页
波束形成网络
波束形成分发射波束形成、接收波束形成， 一般指接收波束形成。
射频波束形成 中频波束形成 数字波束形成 多波束形成
第23页/共37页
§5.5有源相控阵雷达
3． 天线扫描时，θ0增大，波束要展宽。 4． 天线扫描时，θ0增大，天线增益要下降。
可以采用非均匀分布的阵列天线，见P156 表5－1。
以上分析的是相控阵一维阵列天线分析，二维天线的分析方 法相同。
第18页/共37页
§5.3相控阵雷达的组成
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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，
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。
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 填充材料 多达128个共轴电线
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。
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
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
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
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
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）
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。
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
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。
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。