超声相控阵技术简介ppt课件
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超声相控阵检测技术ppt课件
B型显示：又称B扫。它以反射回波作为辉度调制 信号，用亮点显示接收信号，在荧光屏上纵坐标 表示波的传播时间，横坐标表示探头的水平位置， 反映缺陷的水平延伸情况；
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。
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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；
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13
相控阵探头设计参数
晶片阵列方向孔径 (A) 晶片加工方向宽度 (H) 单个晶片宽度 (e) 两个晶片中心之间的间距 (p)
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14
超声波的扫描和显示
A型显示：A扫，工业超声检测中应用最多，是目 前脉冲发射式探伤仪最基本的显示方式；
荧光屏上纵坐标代表发射回波的幅度，横坐标代 表发射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度 和时间确定缺陷的大小和存在的位置。
相位延时是实现超声相控阵原理的基本环节, 在相控发射中，需要精确控制相位延时，以 实现动态聚焦、相位偏转、相位偏转、声束 形成等各种相控效果；
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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相控阵相位延迟的方法
相控发射数字高精度延时模块的设计分为 两部分，一部分是基于复杂可编程逻辑器 件(CPLD)的粗延时，粗延时一般基于晶振 时钟计数，延时值为时钟周期的整数倍， 通常为 10ns以上。
另一部分是在粗延时的基 础上基于可编程
数字延迟线的细延时，细延时量为采样周
期的小数 倍，一般能达到10ns以内的延时
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。
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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；
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相控阵探头设计参数
晶片阵列方向孔径 (A) 晶片加工方向宽度 (H) 单个晶片宽度 (e) 两个晶片中心之间的间距 (p)
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超声波的扫描和显示
A型显示：A扫，工业超声检测中应用最多，是目 前脉冲发射式探伤仪最基本的显示方式；
荧光屏上纵坐标代表发射回波的幅度，横坐标代 表发射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度 和时间确定缺陷的大小和存在的位置。
相位延时是实现超声相控阵原理的基本环节, 在相控发射中，需要精确控制相位延时，以 实现动态聚焦、相位偏转、相位偏转、声束 形成等各种相控效果；
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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相控阵相位延迟的方法
相控发射数字高精度延时模块的设计分为 两部分，一部分是基于复杂可编程逻辑器 件(CPLD)的粗延时，粗延时一般基于晶振 时钟计数，延时值为时钟周期的整数倍， 通常为 10ns以上。
另一部分是在粗延时的基 础上基于可编程
数字延迟线的细延时，细延时量为采样周
期的小数 倍，一般能达到10ns以内的延时
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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！
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1 技术背景
武汉中科创新技术股份有限公司
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！
10
1 技术背景
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国内外研究现状 ——超声相控阵
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16
2 超声相控阵检测原理
武汉中科创新技术股份有限公司
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
武汉中科创新技术股份有限公司
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
《相控阵技术的基础原理》PPT模板课件
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51 33 19 9 52 34 20 10
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6 14 26 42 13 25 41 61
11 53 35 21
22 54 36
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55 56
12 24 40 60
23 39 59
38
58 57
X = -6 . 5 , Y = -6 . 5 --> X = 6 .5
使用Tomoview 软件使设置更 简单
电子/扇形扫查动画
动态深 度聚焦 （DDF） 在用一 个脉冲 检测薄 件时十 分有效。
波束在 返回时 重新聚 焦
B e a m d is p la c e m e n t
动态深度聚焦示意图
M e ch a n ic al D isp la ce m e n t
用一个脉冲可以 从0聚焦到100㎜ 深度的地方。
标准的相控阵
动态深度聚焦
动态深度聚焦动画
相控阵 T.O.F.D. ~ 线形扫查
相控阵的优点
检测复杂型面 检测速度快 检测灵活性更强 探头尺寸更小 检测难以接近的部位 由于以下因素可以节约系统成本:
– 探头更少 – 机械部分少
c = ve lo c ity in m a te rial
FO C U S D EPTH (PU LSER ) D Y N A M IC F O C U S IN G (R E C E IV E R )
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
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23 39 59
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X = -6 . 5 , Y = -6 . 5 --> X = 6 .5
使用Tomoview 软件使设置更 简单
电子/扇形扫查动画
动态深 度聚焦 （DDF） 在用一 个脉冲 检测薄 件时十 分有效。
波束在 返回时 重新聚 焦
B e a m d is p la c e m e n t
动态深度聚焦示意图
M e ch a n ic al D isp la ce m e n t
用一个脉冲可以 从0聚焦到100㎜ 深度的地方。
标准的相控阵
动态深度聚焦
动态深度聚焦动画
相控阵 T.O.F.D. ~ 线形扫查
相控阵的优点
检测复杂型面 检测速度快 检测灵活性更强 探头尺寸更小 检测难以接近的部位 由于以下因素可以节约系统成本:
– 探头更少 – 机械部分少
c = ve lo c ity in m a te rial
FO C U S D EPTH (PU LSER ) D Y N A M IC F O C U S IN G (R E C E IV E R )
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
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
相控阵原理 ppt课件
德国K.K公司、英国SONOMATIC公司、日本 CANON、美国PAC公司
浙江大学现代制造工程研究所、成都无损检 测系统工程公司、北京航空材料研究院无损检 测研究室、武汉中科创新技术公司
♦缺陷回波的提取
♦波的模式转换与识别
♦信号压缩
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1 技术背景
武汉中科创新技术股份有限公司
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CONTENTS
1
技术背景
2
超声相控阵探头检测原理
3
相控阵探头
4
相控阵扫描聚焦法则
3 相控阵探头
武汉中科创新技术股份有限公司
常规探头
根据具体的应用和检查位置的不同，常规探头必须根据要求 作出不同的焦点，角度，口径。
超声相控阵检测技术原理
武汉中科创新技术股份有限公司
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CONTENTS
• 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。
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
研究历史
武汉中科创新技术股份有限公司
• 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；
浙江大学现代制造工程研究所、成都无损检 测系统工程公司、北京航空材料研究院无损检 测研究室、武汉中科创新技术公司
♦缺陷回波的提取
♦波的模式转换与识别
♦信号压缩
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技术背景
2
超声相控阵探头检测原理
3
相控阵探头
4
相控阵扫描聚焦法则
3 相控阵探头
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常规探头
根据具体的应用和检查位置的不同，常规探头必须根据要求 作出不同的焦点，角度，口径。
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• 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；
1-第一章超声相控阵技术基本概念
1-第⼀章超声相控阵技术基本概念第⼀章超声相控阵技术的基本概念本章描述超声波原理、相控阵延时（或聚焦定律）概念，并介绍R/D公司研制的相控阵仪器设备。
1.1 原理超声波是由电压激励压电晶⽚探头在弹性介质（试件）中产⽣的机械振动。
典型的超声频率范围为0.1MHz～50MHz。
⼤多数⼯业应⽤要求使⽤0.5MHz～15MHz的超声频率。
常规超声检测多⽤声束扩散的单晶探头，超声场以单⼀折射⾓沿声束轴线传播。
其声束扩散是唯⼀的“附加”⾓度，这对检测有⽅向性的⼩裂纹可能有利。
假设将整个压电晶⽚分割成许多相同的⼩晶⽚，令⼩晶⽚宽度e远⼩于其长度W。
每个⼩晶⽚均可视为辐射柱⾯波的线状波源，这些线状波源的波阵⾯会产⽣波的⼲涉，形成整体波阵⾯。
这些⼩波阵⾯可被延时并与相位和振幅同步，由此产⽣可调向的超声聚焦波束。
超声相控阵技术的主要特点是多晶⽚探头中各晶⽚的激励（振幅和延时）均由计算机控制。
压电复合晶⽚受激励后能产⽣超声聚焦波束，声束参数如⾓度、焦距和焦点尺⼨等均可通过软件调整。
扫描声束是聚焦的,能以镜⾯反射⽅式检出不同⽅位的裂纹。
这些裂纹可能随机分布在远离声束轴线的位置上。
⽤普通单晶探头，因移动范围和声束⾓度有限，对⽅向不利的裂纹或远离声束轴线位置的裂纹，漏检率很⾼（见图1）。
图﹡﹡常规图1-2 脉冲发⽣和回波接收时的声束形成和时间延迟（同相位、同振幅）图1-3 超声波垂直（a ）和倾斜（b ）⼊射时声束聚焦原理发射接收超声波探伤仪超声波探伤仪触发相控阵控制器相控阵控制器脉冲激励阵列探头缺陷缺陷⼊射波阵⾯反射波阵⾯回波信号Σ接收延时延时 [ns]延时 [ns]转⾓产⽣的波阵⾯产⽣的波阵⾯阵列探头阵列探头为产⽣同相位、有相长⼲涉的声束，⽤有微⼩时差的电脉冲分别激励阵列探头各选⽤晶⽚。
来⾃材料中某⼀焦点（如缺陷等）的回波，以⼀定时差返回各换能器单元，见图1-2。
在信号汇合前，各换能器晶⽚上接收到的回波信号均有时差。
信号汇合后形成的A-扫描图形，显⽰了材料中某⼀焦点的回波特性，也显⽰了材料中其它各点衰减各异的回波特性。
相控阵原理 ppt课件
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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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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
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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
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年超声相控阵检测技术培训课件
原理
超声相控阵检测技术基于惠更斯原理和波的叠加原理。通过 控制每个换能器的激发时间，可以实现声波的聚焦和偏转； 通过控制换能器阵列中各个换能器的相位，可以实现声波的 扫描和成像。
发展历程及现状
发展历程
超声相控阵检测技术经历了从单一阵元到多元阵元、从手动扫描到自动扫描、 从单一功能到多功能集成的发展历程。随着计算机技术和信号处理技术的不断 发展，超声相控阵检测技术的检测精度和效率不断提高。
超声相控阵检测技术培训课件
目 录
• 超声相控阵检测技术概述 • 超声相控阵检测系统组成 • 超声相控阵检测关键技术 • 实际操作流程与注意事项 • 故障诊断案例分析 • 培训总结与展望
01
超声相控阵检测技术概述
定义与原理
定义
超声相控阵检测技术是一种利用超声波在介质中传播时的反 射、折射和散射等特性，通过控制多个超声换能器的激发时 间和相位，实现声波的聚焦、偏转和扫描等功能的无损检测 技术。
信噪比。
噪声抑制
02
通过硬件和软件手段，降低系统噪声和外部干扰，提高检测可
靠性。
信号平均处理
03
对多次采集的信号进行平均处理，以减小随机误差和噪声影响
。
04
实际操作流程与注意事项
设备启动与参数设置
设备启动步骤
打开电源，启动超声相控阵检测设备，进行系统 自检。
参数设置要点
根据被检测对象的材料和厚度，设置合适的超声 频率、声束角度、聚焦深度等参数。
收获了宝贵的经验和友谊
学员们纷纷表示，在培训过程中不仅学到了知识和技能，还结识了许多志同道合的同行 和朋友，收获了宝贵的经验和友谊。
未来发展趋势预测
1 2 3
技术不断创新和升级
超声相控阵检测技术基于惠更斯原理和波的叠加原理。通过 控制每个换能器的激发时间，可以实现声波的聚焦和偏转； 通过控制换能器阵列中各个换能器的相位，可以实现声波的 扫描和成像。
发展历程及现状
发展历程
超声相控阵检测技术经历了从单一阵元到多元阵元、从手动扫描到自动扫描、 从单一功能到多功能集成的发展历程。随着计算机技术和信号处理技术的不断 发展，超声相控阵检测技术的检测精度和效率不断提高。
超声相控阵检测技术培训课件
目 录
• 超声相控阵检测技术概述 • 超声相控阵检测系统组成 • 超声相控阵检测关键技术 • 实际操作流程与注意事项 • 故障诊断案例分析 • 培训总结与展望
01
超声相控阵检测技术概述
定义与原理
定义
超声相控阵检测技术是一种利用超声波在介质中传播时的反 射、折射和散射等特性，通过控制多个超声换能器的激发时 间和相位，实现声波的聚焦、偏转和扫描等功能的无损检测 技术。
信噪比。
噪声抑制
02
通过硬件和软件手段，降低系统噪声和外部干扰，提高检测可
靠性。
信号平均处理
03
对多次采集的信号进行平均处理，以减小随机误差和噪声影响
。
04
实际操作流程与注意事项
设备启动与参数设置
设备启动步骤
打开电源，启动超声相控阵检测设备，进行系统 自检。
参数设置要点
根据被检测对象的材料和厚度，设置合适的超声 频率、声束角度、聚焦深度等参数。
收获了宝贵的经验和友谊
学员们纷纷表示，在培训过程中不仅学到了知识和技能，还结识了许多志同道合的同行 和朋友，收获了宝贵的经验和友谊。
未来发展趋势预测
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技术不断创新和升级
超声相控阵技术简介
B（Brightness）型显示 （亮度-时间-扫查记录）
扫 查 距 离 时间 B扫图像 显示扫查距离+声程距离二维空间的幅度信息的二维图像 图像中的每个点： 一维位置表示探头扫查距离，以毫米等为单位，通常是用编码器等机械移动传感器测 量量。 另一维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。 用亮度或 色度表示信号的幅度。
• 扇扫的各个声束具有相同的合成孔径，聚焦深度具有一定规律，可以 用等声程聚焦，等深度聚焦或等距离聚焦。 • 扫描范围随深度增加而扩大，探头体积小，耦合面小，检测灵活
复合扫描
多个入射角度的线扫图像叠加
扇扫图像连续平移扫描，各个图像数据叠加
二维阵列扫描三维成像
采用二维阵列在两个方向控制 声束扫描，形成三维图像数据， 以一定的切面显示图像
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。
相位延时
• 相位延时
• 比载波周期更短
或更精确的延时
• 脉冲延时
• 脉冲包络尺度的 延时
声束特征
• 起点位置 • 辐射方向 • 有效宽度（宽度轮廓）
声束位置控制
• 控制阵列探头各晶片的开
• 孔径-辐射源的尺寸
• 形成合成声束的所有晶片的集合，
称为合成孔径。合成孔径是探头
晶片阵列的全部或一部分，描述 为中心位置，晶片间距，晶片数
量或总体尺寸
延时法则（聚焦法则）-定义
• 延时法则（delay law）是指形成某个合成声束时，阵列所有晶片
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。
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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。
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
11
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
使用楔块
12
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
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)
23
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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
18
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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)
23
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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
18
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线性波形模式
19ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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• 扇扫的各个声束具有相同的合成孔径，聚焦深度具有一定规律，可以 用等声程聚焦，等深度聚焦或等距离聚焦。 • 扫描范围随深度增加而扩大，探头体积小，耦合面小，检测灵活
复合扫描
多个入射角度的线扫图像叠加
扇扫图像连续平移扫描，各个图像数据叠加
二维阵列扫描三维成像
采用二维阵列在两个方向控制 声束扫描，形成三维图像数据， 以一定的切面显示图像
聚焦延时
角度偏转延时
带楔块角度偏转延时
相控阵结构框图
相控阵仪器参数
• 多路切换-最大阵元数
• 多路收发-最大孔径阵元数
• 发射分配-延时精度 • 接收分配-延时精度 • 合成成像-重复频率和成像帧率
扫描和成像
• 按一定规律变化声束的位移或/和
角度，使声束扫描覆盖较大的区
域
• 线扫 • 扇扫 • 复合扫描 • 二维阵列扫描 • 电子机械复合二维扫描
线扫（L-Scan）
• 也叫B扫或电扫（E-Scan），一般指固定角度声束，连续移动 合成声束的位置，记录每个声束的A扫波形数据，以声束扫 描位置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。形成的图像叫线 扫图像 • 特点：
• 线扫的各个声束具有完全相同的角度和聚焦特性，灵敏度一致，检 测能力一致
超声相控阵技术简介
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。
• 孔径-辐射源的尺寸
• 形成合成声束的所有晶片的集合，
称为合成孔径。合成孔径是探头
晶片阵列的全部或一部分，描述 为中心位置，晶片间距，晶片数
量或总体尺寸
延时法则（聚焦法则）-定义
• 延时法则（delay law）是指形成某个合成声束时，阵列所有晶片
的发射的开关、幅度、相位延时和接收的开关、加权、相位延时
等控制因素的集合。
• 延时法则针对某个特征的声束或某个聚焦点运用声波传输原理计
算获得
相控阵延时法则原理
• 根据费马原理（Fermat’s principle）
即空间两点间波动的传播遵循时程最
短原则。
• 在声速一致的均匀介质内将沿直线传输
• 在声速不一致的界面上将符合折射定理
• 线性叠加原理
• 干涉
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。
二维扇扫-金字塔扫描
电子、机械复合二维扫描
• 线扫或扇扫形成相控阵主动面
的端面二维图像，当探头沿垂
直于相控阵线阵的主动面扫查
时，按编码器传感的扫查位置
连续记录二维图像，形成对扫
查区域的三维图像记录。
超声信号的显示方式
• A扫图形 • B扫图像 • C扫图像 • D扫图像 • P扫描图像
A（Amplitude）型显示 （幅度-时间记录）
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
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
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。
相位延时
• 相位延时
• 比载波周期更短
或更精确的延时
• 脉冲延时
• 脉冲包络尺度的 延时
声束特征
• 起点位置 • 辐射方向 • 有效宽度（宽度轮廓）
声束位置控制
• 控制阵列探头各晶片的开
离线性控制其发射和接的
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
• 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）
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 信号幅度：穿透波幅度、反射波幅度 信号延时：单波延时、多波相对延时 以上多个信息的测量值：厚度、声速、衰减
B（Brightness）型显示 （亮度-时间-扫查记录）
扫 查 距 离 时间 B扫图像 显示扫查距离+声程距离二维空间的幅度信息的二维图像 图像中的每个点： 一维位置表示探头扫查距离，以毫米等为单位，通常是用编码器等机械移动传感器测 量量。 另一维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。 用亮度或 色度表示信号的幅度。
• 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。 • 特点：
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
复合扫描
多个入射角度的线扫图像叠加
扇扫图像连续平移扫描，各个图像数据叠加
二维阵列扫描三维成像
采用二维阵列在两个方向控制 声束扫描，形成三维图像数据， 以一定的切面显示图像
聚焦延时
角度偏转延时
带楔块角度偏转延时
相控阵结构框图
相控阵仪器参数
• 多路切换-最大阵元数
• 多路收发-最大孔径阵元数
• 发射分配-延时精度 • 接收分配-延时精度 • 合成成像-重复频率和成像帧率
扫描和成像
• 按一定规律变化声束的位移或/和
角度，使声束扫描覆盖较大的区
域
• 线扫 • 扇扫 • 复合扫描 • 二维阵列扫描 • 电子机械复合二维扫描
线扫（L-Scan）
• 也叫B扫或电扫（E-Scan），一般指固定角度声束，连续移动 合成声束的位置，记录每个声束的A扫波形数据，以声束扫 描位置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。形成的图像叫线 扫图像 • 特点：
• 线扫的各个声束具有完全相同的角度和聚焦特性，灵敏度一致，检 测能力一致
超声相控阵技术简介
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。
• 孔径-辐射源的尺寸
• 形成合成声束的所有晶片的集合，
称为合成孔径。合成孔径是探头
晶片阵列的全部或一部分，描述 为中心位置，晶片间距，晶片数
量或总体尺寸
延时法则（聚焦法则）-定义
• 延时法则（delay law）是指形成某个合成声束时，阵列所有晶片
的发射的开关、幅度、相位延时和接收的开关、加权、相位延时
等控制因素的集合。
• 延时法则针对某个特征的声束或某个聚焦点运用声波传输原理计
算获得
相控阵延时法则原理
• 根据费马原理（Fermat’s principle）
即空间两点间波动的传播遵循时程最
短原则。
• 在声速一致的均匀介质内将沿直线传输
• 在声速不一致的界面上将符合折射定理
• 线性叠加原理
• 干涉
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。
二维扇扫-金字塔扫描
电子、机械复合二维扫描
• 线扫或扇扫形成相控阵主动面
的端面二维图像，当探头沿垂
直于相控阵线阵的主动面扫查
时，按编码器传感的扫查位置
连续记录二维图像，形成对扫
查区域的三维图像记录。
超声信号的显示方式
• A扫图形 • B扫图像 • C扫图像 • D扫图像 • P扫描图像
A（Amplitude）型显示 （幅度-时间记录）
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
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
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。
相位延时
• 相位延时
• 比载波周期更短
或更精确的延时
• 脉冲延时
• 脉冲包络尺度的 延时
声束特征
• 起点位置 • 辐射方向 • 有效宽度（宽度轮廓）
声束位置控制
• 控制阵列探头各晶片的开
离线性控制其发射和接的
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
• 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）
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 信号幅度：穿透波幅度、反射波幅度 信号延时：单波延时、多波相对延时 以上多个信息的测量值：厚度、声速、衰减
B（Brightness）型显示 （亮度-时间-扫查记录）
扫 查 距 离 时间 B扫图像 显示扫查距离+声程距离二维空间的幅度信息的二维图像 图像中的每个点： 一维位置表示探头扫查距离，以毫米等为单位，通常是用编码器等机械移动传感器测 量量。 另一维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。 用亮度或 色度表示信号的幅度。
• 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。 • 特点：
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