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相控阵技术简介

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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。

图4 电控聚焦特性图

3、发射控制算法、接收控制算法

发射控制算法：  影响发射方案的参数

{管径Φ、管壁厚D、坡口形式（U、V、复合等）}  任一阵元组合成超声场的特性

设任一阵元组的组成为 1～n （n取值范围为1～32）

近场长度：

N＝{a×n×(d×cosβ/cosα×cos(α-θ))}/(π×λ) a：表示阵元长度；n：阵元个数；d:晶片间中心距离；

λ：波长 β:钢中折射角；α：入射角；θ：楔块角

超声束的焦柱宽度和焦柱长度由工艺实验测出  在考虑所涉及的参数和实际阵元组的超声场的特性的情况下计算出各种发

射方案。

发射控制电路用来触发相控阵阵元的触发信号包含三个部分：位移参数、偏

向角参数和聚焦参数。为了实现某个分区的扫查，需要确定出相应的超声波束的

发射中心在管道表面的入射点，也既确定发射阵元组的编号；为了实现某一个方

向角度的超声扫查，首先需要产生一次发射所需要的若干个等值时差为τ的触发

信号。然后在等值时差的基础上，根据不同的扫查深度所决定的聚焦焦点位置，

叠加一个聚焦延迟信号。对组成每条超声检测波束的每个阵元发射延时为：

τn偏＋τn聚＝τn总 其中n表示第n个阵元

经过多路触发信号分别送往相应的激励脉冲发生器，来激励各个阵元产生超

声波发射。

接收控制算法：  根据工艺要求、发射晶片阵元组特性确定接收晶片阵元组的编号；

 由于焦点处的回波信号到达同一晶片阵元组中的晶片的时间不同，因此为保

证各晶片接收的焦点回波信号同相位合成，需要确定各个晶片的延迟接收时间；

由于超声能量在传播过程中的扩散、吸收等诸多原因，超声回波等能量存在随传

播距离的增加而减弱。造成同一个反射体在不同距离上有不同的回波幅度。因此

对于回波信号的处理成为一个复杂的问题。为解决这一问题，我们采用了与距离

－幅度增益补偿曲线（通过TGA实现）来使得同一反射体在不同距离上有相同的

回波幅度。

接收控制电路是在发射的间歇时间，将来自各个阵元的回波信号，通过接收

延时电路合成为一路送往接收放大电路，经放大处理后可送入计算机进行数据处

理和图像显示。接收延时电路也同样包含接收聚焦延时和接收方向偏转延时两个

延时量。

τn偏＋τn聚＝τn总 其中n表示第n个阵元

通过给予接收到的回波信号相应的时间补偿，从而可以保证在接收放大电路

的输入端同相合成。 4、用相控阵超声对焊缝进行分区扫查

根据ASTM-1961－99和中国石油天然气西气东输项目经理部企业标准

Q/XQDS“西气东输工程管道环焊缝全自动超声波检测”中规定的要求，必须对所

检测的管道焊缝坡口形式和焊接填充次数沿壁厚方向来分区，每个分区高度一般

为2～3mm。对于多探头自动超声检测系统，每个分区需要用一对超声探头来进

行覆盖检测，如图5所示。

图5 焊缝分区及多探头扫查示意图

相控阵系统是按照一定的时序，通过对不同晶阵阵元的触发控制来实现多探

头多分区覆盖扫查功能的。当所检测的管道直径和壁厚发生改变时，只需要调整

相应的晶阵阵元控制方式即可满足检测要求，而无需象多探头系统需要更换探头

盘并人工调整探头阵列。 相控阵扫查情况及声束在固体中的转播情况如图6所示。

图6 相控阵扫查示意图

5、研究院环焊缝相控阵检测设备简介

管道环焊缝相控阵超声检测设备主要用于管道环焊缝的自动检测。检测系统

由相控阵超声发射/接收单元、管道环焊缝爬行单元、软件控制及显示单元组成。

用户可根据需要在软件操作界面上设置检测参数,系统根据设置的参数自动计算

聚焦法则并进行检测。该设备技术先进，具有效率高、易操作、体积小、无污染

等特点。经现场试验验证，设备检测灵敏度及可靠性与国外同类设备相当。

全自动相控阵超声检测设备硬件系统主要由四个部分组成：智能扫查器、

笔记本电脑、检测电缆、配电箱。智能扫查器是把超声采集模块安装在扫查器上，

采集的信号经网线传到笔记本电脑，进行分析和显示；配电箱把220V交流电转

化为检测系统所需的直流5V、12V和48V电压；检测电缆中只包含低压直流电源

线、网线和水管，节省了专用相控阵电缆，由于拖拉等原因造成检测电缆故障时，

在现场可以方便地进行维修。

图7 标准试块双门限扫查图

图8 管道环焊缝相控阵检测设备

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tofd 相控阵

tofd 相控阵

tofd 相控阵

摘要：

1.概述TOFD（Time of Flight Distance）相控阵技术的基本原理

2.分析TOFD相控阵技术在工业检测中的应用优势

3.探讨TOFD相控阵技术在我国工业发展中的重要作用

4.展望TOFD相控阵技术的未来发展趋势和挑战

正文：

近年来，TOFD（Time of Flight Distance）相控阵技术在我国工业领域得到了广泛的应用，尤其在无损检测、结构健康监测等方面取得了显著成果。本文将简要介绍TOFD相控阵技术的基本原理，分析其在工业检测中的应用优势，探讨在我国工业发展中的重要作用，以及展望未来发展趋势和挑战。

一、TOFD相控阵技术的基本原理

TOFD相控阵技术是一种基于脉冲压缩和时间差原理的超声波检测技术。它通过发射器向被测物体发送一系列超声波脉冲，利用接收器接收反射回来的脉冲信号，根据脉冲之间的时间差来计算物体内部的缺陷位置和大小。与传统的超声波检测方法相比，TOFD相控阵技术具有更高的分辨率和灵敏度，能够检测到更小尺寸的缺陷。

二、TOFD相控阵技术在工业检测中的应用优势

1.高分辨率：TOFD相控阵技术可以实现对被测物体内部微小缺陷的高分辨率检测，有助于提高产品质量和工作效率。

2.高灵敏度：TOFD技术对缺陷的检测灵敏度较高，尤其在检测薄壁结构和小尺寸缺陷方面具有明显优势。

3.实时性：TOFD相控阵技术可以实时监测被测物体的结构变化，为工业生产提供及时、准确的信息。

4.可靠性：TOFD技术具有较高的稳定性和可靠性，适用于各种恶劣环境的工业检测。

5.自动化程度高：TOFD相控阵设备可以与生产线等其他设备集成，实现自动化检测，降低人工成本。

三、TOFD相控阵技术在我国工业发展中的重要作用

随着我国经济的持续增长，工业发展对检测技术的需求不断提高。TOFD相控阵技术在我国航空、航天、能源、交通运输等领域的应用越来越广泛，对于确保工程质量和安全具有重要意义。例如，在航空航天领域，TOFD技术可以用于检测飞行器零部件的缺陷，以确保飞行安全；在能源领域，TOFD技术可以用于检测核电站、石油化工等设备的缺陷，保障能源供应安全。

光学相控阵和相控阵激光雷达技术

光学相控阵和相控阵激光雷达技术

・雷达技术・　电光系统　２００２．Ｎｏ．４（总第１０２期）　

光学相控阵和相控阵激光雷达技术　

倪树新　中国电子科技集团公司第二十七研究所　郑州４５０００５　摘　要　以激光雷达应用为背景，概述激光波束指向控制的方法；重点论述光学相控阵技术，包　括光学相控阵的概念、实现方法、关键技术等；介绍相控阵激光雷达系统的几种体制；最后给出一　例相控阵激光雷达概念设计。　关键词　光学相控阵　光移相器　相控阵激光雷达　概念设计’　

１　前言　

雷达波束指向控制是实现目标搜索、捕　获、跟踪、瞄准和成像的重要技术环节。传统　的机电伺服控制（机械扫描）方法导致雷达结　构笨重，反应速度慢。基于微波相控阵（ＭＷ　ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ）技术的相控阵雷达借助有源相　控阵天线实现了微波雷达波束的无惯性电扫　描，堪称雷达体制的重大突破。然而，由于微　波相控阵雷达需要采用由大量的发射／接收　模块组成的有源相控阵天线，使其结构复杂，　规模庞大，功耗大，成本高，一定程度上限制　了它的应用。　激光雷达因其极高的频域、空域和时域　分辨率而在目标探测、跟踪、瞄准和成像识别　方面得到越来越趋于广泛的应用。与微波雷　达一样，激光雷达也存在发射光束的指向控　制（空域扫描）问题，为此人们研究和设计了　多种光束偏转方法：一种是机械偏转法，即用　两路伺服控制系统控制雷达支架或反射镜作　方位——俯仰二维运动。这种方法技术比较　成熟，但响应速度和控制精度很难满足高性　能激光雷达要求。另一种是声光和电光偏转　法，即利用声光和电光偏转效应ｎ　使光束偏　转，这种方法虽然不需要机械运动，但其偏转　角度通常只有几个毫弧度，因而只局限于小　角度、小口径光束偏转的系统中应用。第三种　方法是光学相控阵（Ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ～　ＯＰＡ）法，也是本文将重点介绍的一种方法。　

２光学相控阵技术　

２．１　光学相控阵的基本概念　光学相控阵技术源于微波相控阵但又不　同于微波相控阵的一种新的光束指向控制技　术。其光束指向控制的基本原理是，通过调节　从各个相控单元（光学移相器）辐射出的光波　之间的相位关系，使其在设定方向上彼此同　相，产生相互加强的干涉，干涉的结果是在该　方向上产生一束高强度光束，而在其他方向　上从各相控单元射出的光波都不满足彼此同　相的条件，干涉的结果彼此相抵消，因此，辐　射强度接近于零。组成相控阵的各相控单元　在计算机的控制下，可使一束或多束高强度　光束的指向按设计的程序实现随机空域扫　描，图１是一维相控阵移相扫描原理图。　光学相控阵勿需机械运动而实现光束扫　描，具有扫描速度快、灵活，指向精度和空问　分辨率可以做得很高，易于实现小型化和多　功能化，因此在军用和民用光束扫描方面具　有广阔的应用前景。　２．２光学相控阵技术的发展　自从２Ｏ世纪６Ｏ年代微波相控阵技术问　世以后，人们就试图将相控阵的概念延伸到　光波频段，但由于光波长较微波波长短得多。

超声相控阵技术细谈

超声相控阵技术细谈

航空无损检测新技术之

超声相控阵技术的发展及应用

学院：测试与光电工程学院

班级：080812班

姓名：郭林

超声相控阵技术的发展及应用

郭林

(南昌航空大学 测试与光电工程学院0808012班)

摘 要: 扼要介绍超声相控阵技术的发展历史、原理及特点。着重介绍其最新研究动态及其在无损检测与评价中的典型应用。指出将相控阵技术同其它诸如纵波一发一收(TRL) 、声时衍射(TOFD) 技术、 数字信号处理(DSP) 及成像等技术结合起来,将有助于充分发挥其特点,提高其检测能力,促进无损检测与评价的发展及应用。

关键词: 超声检验; 相控阵技术;换能器;

Abstract : The development history , theory and characterization of ultrasonic

phased array technique , especially the state2of2the2arts and applications of the

technique in nuclear industry nondestructive testing and evaluation (NDT & E) are

bining phased array technique with TRL ( the transmitter2receiver

technique for longitudinal waves) , TOFD ( time of flightdiffraction) , DSP(digital signal

processing) and imaging technique will improve detectabilityand promote NDT&E

developmentand application.

Keywords :Ultrasonic testing ; Phased array technique ; Transducer ;

相控阵 模数混合

相控阵 模数混合

第 1 页 共 1 页 相控阵 模数混合

（原创版）

目录

1.相控阵技术简介

2.模数混合的概念与应用

3.相控阵与模数混合的结合

4.相控阵模数混合的优势与应用领域

正文

相控阵技术是一种基于电子技术与微波技术相结合的技术，它主要通过控制阵列中各元件的相位来实现对波束指向和形状的控制。相控阵技术广泛应用于雷达、通信、导航等领域，为我国的国防事业做出了巨大的贡献。

模数混合是一种将模拟信号与数字信号相结合的技术，它能够充分发挥两者的优势，提高系统的性能。模数混合技术在传感器、信号处理、控制系统等方面有着广泛的应用。

相控阵与模数混合的结合，可以使得相控阵系统在保持其原有的波束控制能力的同时，还能够实现对信号的数字化处理，提高了系统的精度和可靠性。

相控阵模数混合的优势主要体现在以下几个方面：首先，通过模数混合技术，可以实现对相控阵系统中的模拟信号和数字信号的统一处理，提高了系统的集成度；其次，模数混合技术可以提高系统的抗干扰能力，提高了系统的稳定性；最后，通过模数混合技术，可以实现对相控阵系统的智能化，提高了系统的自主性和灵活性。