Page 22 - 《应用声学》2025年第1期

18 2025 年 1 月

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图 7 相控阵阵元的时延计算方法
Fig. 7 Calculation of time delay for each phased array element
1.2.2 相控阵定点聚焦成像 着深度的增加逐渐变宽，成像的分辨率也将会下降。

E型扫描(Electronic scan, E-Scan)和S型扫描 同为相控阵常用的检测方式，动态聚焦技术可以通
(Sectorial Scan, S-Scan) 是相控阵成像技术常用的 过对阵元施加延迟，以控制发射或接收到的声束，使
两种扫描方式 [27] 。 其能量汇聚在声束主轴上的不同深度处 (因此又称
E 型扫描即电子扫描，又称为线性扫描。它使 为动态深度聚焦(Dynamic depth focusing, DDF))，
用线性阵列部分连续的阵元发射聚焦声束，并通过 从而解决横向分辨率受深度影响的问题 [29] 。动态
电子系统逐次变换激励阵元实现声束的有序移动， 聚焦的本质就是 DAS [30] ，按照聚焦的阶段，可以分
因此能够在不移动探头的情况下完成对阵列沿线 为动态发射聚焦和动态接收聚焦这两种模式。如
的扫查，获得结构厚度截面的 B 扫描图像 [6] 。扫查 图 8 所示，在阵列发射声波时，根据目标点与各阵元
过程中，所用的阵元总数 (孔径大小) 和声束聚焦深 之间的距离关系，可以通过向各阵元信号中添加不
度不变，只有孔径位置在移动。此外，也可以在发射 同的时间延迟，使得声波在同一时刻汇聚到目标点
过程中控制声束偏转，使得 E 扫按照固定的角度进 处；在阵列接收时，同样可以通过对各阵元的接收信
行扫查。相比于需要机械式移动探头进行检测的 B 号按照各自对应的距离关系进行延时并叠加，增强
扫，E扫具有更高的执行效率，可以满足实时成像的 该目标点处的回波幅值 [25,30] 。其中，发射和接收时
检测需求。 的焦点可以不一致。由于动态发射聚焦需要多次执
S 型扫描即扇形扫描，又称为方位扫描或斜角 行发射过程以不断调整时延、变换焦点，将会耗费
扫描。它采用阵列的多个固定的阵元发射聚焦声 大量时间并降低成像速度和系统帧率，因此实际上
束，并控制声束在一定角度范围内有序偏转，从而获 只会在接收时采用动态聚焦 (即动态接收聚焦) [20] ，
以满足检测效率和实时性的需求。为提升成像质
得厚度截面对应不同扫描角度和检测深度的扇形
扫描图像 [6,28] 。其显示方式如图 2 所示。扫查过程 量，可以在检测时事先将声束主轴分为多段，并在每
中，所用的阵元总数 (孔径大小) 和声束聚焦深度不 一段上进行发射时的定点聚焦和接收时的动态聚
变，且孔径位置固定。S 扫有两种常用的检测模式： 焦 [31] 。该技术称为分段动态聚焦 [25] 。分段动态聚
一种是医学上常使用的声束垂直入射模式，偏转角 焦相比于逐点聚焦的扫查方式，能节省大量的数据
度范围在 −30 ∼ +30 之间；另一种是声束斜入模 存储空间，但相应地会导致成像帧率的降低 [32] 。此
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式，偏转角度范围在 30 ∼ 70 之间 [3] 。由于 S 扫能 外，其成像效果也会受到分段方法的影响 [33] 。
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常用的声束控制方法除了动态聚焦，还包括动
提供不同的扫查角度、探测范围大，因此能够满足
态孔径 (Dynamic aperture) 和幅度变迹 (Apodiza-
缺陷方向随机分布下的检测需求。
tion)技术。由前文可知，阵列的有效孔径越大，声束
1.2.3 相控阵动态聚焦成像 的宽度越窄，而在近场范围外，声束会随着传播深度
E 扫和 S 扫是定点聚焦方法，其成像结果只在 的增加而扩散变宽。为了保持不同深度下恒定的声
聚焦深度附近分辨率最高。超出该区域，声束会随 束宽度，动态孔径会在聚焦点较浅时采用少量的阵