Page 23 - 《应用声学》2025年第1期
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第 44 卷 第 1 期                   张楠等: 检测声学成像原理与技术综述                                            19


             元进行接收,而在聚焦点较深时增加使用的阵元数                            1.2.4 相控阵合成孔径聚焦成像
             量,实现孔径的动态调节            [34] 。此外,动态孔径还具                鉴于相控阵探头含有多个独立的阵元,前文所
             有减少阵元最大延时量、增加近场焦区深度、缩小                            论述的单探头 SAFT 同样可以采用相控阵探头进
             时间增益补偿范围等优点            [20] 。对于相控阵,由于阵            行操作。利用相控阵电子控制各阵元进行工作的特
             列发出的声束是各阵元声束相干叠加的结果,因此                            点,检测时不需要通过物理的方式移动探头,只需要
             所形成的声束在主瓣两侧往往还存在了一定数量                             逐次变换工作阵元即可完成声束的收发。由于发射
             的旁瓣。主瓣越窄,成像的横向分辨率越高;旁瓣越                           和接收均来自同一阵元 (单发单收),两段路程对应
             小,对比度越高       [30] 。幅度变迹技术通过采用变迹函                 的时间延迟相同 (即单程的两倍),因此 SAFT 属于
             数对不同阵元的信号幅值进行调制,可以达到抑制                            发射和接收的双向动态聚焦,其优点也已在前文中
             旁瓣的效果      [35] 。无论是在声束的发射还是接收阶                   论述。然而,基于单阵元的 SAFT 存在成像结果信
             段,均可使用。由于变迹函数常采用矩形窗、三角窗                           噪比较低的问题,由此催生了一系列改进方案。
             和汉宁窗等形式        [36] ,因此变迹后阵列中心的信号幅                    多阵元合成孔径聚焦(Multi-element synthetic
             值将会增强,而两端阵元的信号将会减弱。综合上                            aperture focusing, M-SAF)技术从阵列中选取多个
             述三种技术的优点,通过将动态聚焦、动态孔径和                            不同的阵元构成子阵列进行检测,其执行流程和单
             幅度变迹进行结合,能够确保在声束主轴沿线各点                            阵元的 SAFT 类似      [37] 。每次发射声束时只有一个
             处均获得最佳的成像质量。                                      子阵列工作。接收阵列与发射阵列阵元数目相同,
                                                               可以是同一个 (多发多收)。相比于单阵元,多阵元
                         ण௑വڱ
                                                               的使用扩大了单次收发的阵列孔径,具备更高的信
                           τ 1                                                                 [30]
                                                               噪比和对声束旁瓣更强的抑制能力                    。进一步,合
                                          К࠱ฉ                  成接收孔径(Synthetic receive aperture, SRA)技术
                                                               采用全阵元发射、多阵元接收的检测模式 (全发多
                           τ 2
                                                               收),每次发射后只使用部分阵元构成子阵列进行接
               ༏ҵηՂ
                                                               收,并基于电子系统逐次变换工作阵列的位置                         。
                           τ 3                                                                           [38]
                                               ᄬಖག
                                                               其优点在于可以在成像质量相同的情况下,减少接
                                                               收通道的数量,从而降低检测系统的造价,但相应地
                           τ 4
                                                               会降低系统成像的帧率。
                           τ 5
                                                                   在单阵元 SAFT 的基础上, 合成聚焦 (Syn-
                                                               thetic focusing, SF) 技术在每次发射时只使用单
                                (a) ԧ࠱ᐑཥ
                                                               个阵元,而接收时则采用全部阵元 (单发全收)。无
                            ण௑വڱ
                                                               论是发射与接收,都需要根据目标点对阵元的信
                                                               号施加相应的时延,因此同样能实现双向动态聚
                               τ 1
                                                               焦 [20] 。SF 的主瓣宽度较窄且旁瓣幅值小,因此成
                                              ڀฉ
                                                               像质量好。然而,其检测系统复杂度较高,需存储大
                               τ 2
                                                               量数据,且成像帧率偏低。进一步,合成发射孔径

                     Ĥ         τ 3                             (Synthetic transmit aperture, STA) 技术增加了发
                                                    ᄬಖག        射所用阵元数量,检测时每次使用部分阵元构成子
                                                               阵列进行发射,接收时则同样采用全部阵元 (多发
                               τ 4
                                                               全收)  [39] 。子阵列数目越少,则效果越接近SF。通过
                                                               控制发射孔径的大小 (发射通道数量),能够调节检
                               τ 5
                                                               测系统的复杂度,但相应地会影响成像的质量。注
                                (b) ଌஆᐑཥ                                                               [40]
                                                               意到 STA 有时也仅用于指代单发全收的 SF                   ,而
                     图 8  发射聚焦和接收聚焦的原理图                        将多发全收的检测方式称为多阵元合成发射孔径
              Fig. 8 Focus principle of transmission and reception  (Multi-element STA, M-STA) [41] 。
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