CN103913513B - 相控阵全局聚焦系统及其聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在单个换能器单元轮流发射，所有换能器单元接收并将发射和接收合成聚焦在空间多个采样点的回波线扫描信号且可大大改善空间成像质量的相控阵全局聚焦系统及其聚焦方法。其包括换能器单元、信号处理单元、动态延迟全局聚焦补偿模块和信号叠加模块，其可以将相控阵发射和接收合成聚焦在空间初始聚焦点之后合成线上的任何一个空间点上，在超声波相控阵无损检测应用中，采用其可以获得成像失真小、图像质量高的预设采样点反射的回波线扫描信号，并且在折射的条件下也可以满足所有深度聚焦补偿要求。其还可以改善传统相控阵技术，减小因缺陷深度不在聚焦深度而产生失真，可以达到被检物成像全图聚焦的效果。

Description

相控阵全局聚焦系统及其聚焦方法

技术领域

本发明涉及一种超声波无损检测相控阵聚焦系统，特别涉及一种将相控阵空间聚焦应用于全局聚焦的聚焦系统以及应用该系统进行超声检测的方法。

背景技术

相控阵超声成像系统包含换能器单元，换能器单元与相应的信号通道连接，能实现声波发射(电能转化为声能)和声波接收(声能转化为电能)的功能。工作时，换能器单元发射超声波束到被测物体，在具有不同的发射延时下，各单元超声合成声束可以具有不同的角度和聚焦在不同的深度，遇到被测物体内不同的结构或者组织，超声能量部分反射，换能器接收回波转换为电信号。因为焦点回波到达换能器各单元的时间不同，各单元接收的电信号在相应信号通道内再进行一次数据延时处理，并在波束合成器内叠加输出聚焦在被测物体反射后回波的线扫描信号。

相控阵超声成像检测系统的相控效果(声束的偏转和聚焦效果)是由各单元的发射延时和接收延时实现的。由于发射和接收延时会影响系统对超声波声束聚焦的控制，进而影响到系统的空间分辨力。相控阵超声发射和接收声束形成算法的基本原理是互为逆过程，在进行相控发射时，根据聚焦点空间位置的不同，给不同单元设置不同的延时法则，探头各单元按预先设置的延时法则进行顺序激励，各个单元发射的波束在聚焦区域相干叠加，得到合成聚焦波束；在接收回波时，如果聚焦区域存在缺陷或者裂痕，超声波束会发生反射，各个换能器单元将接收到的信号按照与发射相同的延时法则进行信号延时叠加，最终得到过焦点的回波线扫信号。

现有技术中的相控阵聚焦系统，在相控阵检测时，收发过程中只有一个发射聚焦点和一个接收聚焦点，如果缺陷位置不在聚焦深度上，各换能器单元接收波不能在缺陷深度同相位叠加，叠加出现相位差，成像失真。并且相控阵超声成像在离聚焦点深度越远深度的成像失真越严重，缺陷成像越不清晰。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在单个换能器单元轮流发射，所有换能器单元接收的收发方法，获得可将发射和接收合成聚焦在空间多个采样点的回波线扫描信号并可大大改善空间成像质量的全局聚焦系统及应用该系统进行超声检测的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明的相控阵全局聚焦系统，包括若干个由依次相接的换能器单元、信号处理单元和延时补偿模块构成的信号通道以及与所有信号通道联机的上位机和接于所有信号通道输出端的信号叠加模块，其特征在于：所述的延时补偿模块为动态延迟全局聚焦补偿模块，该模块包括存储器、寄存器、双口RAM存储器、数据比较器和计数器，其中，

在每个信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1中保存有经上位机计算在本信号通道换能器单元发射时获得的所有信号通道的发射聚焦补偿表；在存储器2中保存有经上位机计算本信号通道的接收聚焦补偿表；在寄存器A和寄存器B中分别保存有本信号通道的发射启动补偿聚焦延迟值和发射初始聚焦延迟值，在寄存器C和寄存器D中分别保存有本信号通道的接收启动补偿聚焦延迟值和接收初始聚焦延迟值；

在所述发射聚焦补偿表中，记载有各信号通道换能器单元轮流发射声波合成聚焦至初始聚焦点之后的合成线上的各采样点x^* _nd需要插入发射延时补偿的采样点的自然序数值A_n；所述合成线为过基准单元与初始聚焦点的声波传播路径；

在所述接收聚焦补偿表中，记载有本信号通道换能器单元将来自于初始聚焦点之后的合成线上的各采样点x^* _nd的回波合成聚焦在所述采样点需要插入接收延时补偿的采样点的自然序数值B_n；所述合成线为过基准单元与初始聚焦点的声波传播路径；

所述发射初始聚焦延迟值为本信号通道换能器单元和基准单元分别至初始聚焦点的声波传播时间差；所述接收初始聚焦延迟值为本信号通道换能单元和基准单元分别接收来自于初始聚焦点的回波的传播时间差加上本通道的发射初始聚焦延迟值；

所述发射启动补偿聚焦延迟值为本信号通道对接收到的回波数字信号按照所述发射聚焦补偿表中的自然序数值启动插入发射延时补偿的起始时间，所述发射启动补偿聚焦延迟值为T_BC＝2×t_1x/T，其中，t_1x为基准单元至初始聚焦点的声波传播时间，T为所述各采样点的采样周期；

所述接收启动补偿聚焦延迟值为本信号通道对接收到的回波数字信号按照所述接收聚焦补偿表中的自然序数值启动插入接收延时补偿的起始时间，所述接收启动补偿聚焦延迟值为T_BC’＝2×t_1x/T+T_nI，其中，t_1x为基准单元至初始聚焦点的声波传播时间，T为所述各采样点x^* _nd的采样周期,T_n1为发射初始聚焦延迟值；

所述信号处理单元为AD转换电路，其将本信号通道换能器单元接收到的回波信号转换为离散数字信号，经发射初始聚焦延迟值和接收初始聚焦延迟值的补偿，再在发射启动补偿聚焦延迟值和接收启动补偿聚焦延迟值后，按照所述发射聚焦补偿表和接收聚焦补偿表记载的自然序数值对该离散数字信号插入单位采样周期延时补偿，将其变为待叠加数字信号输入至信号叠加模块；

所述发射和接收延时补偿均为一个采样周期T；。

所述信号叠加模块将所有信号通道的所述待叠加数字信号叠加合成聚焦成部分线扫描信号并保存，所有单元发射完毕后，将所有部分线扫描信号叠加成线扫描信号。

所述采样点x^* _nd应满足以下条件：

t_1x*nd-t_1x＝nd×0.5×T

t_1x*nd表示基准单元1到采样点x^* _nd声波传播时间，t_1x表示基准单元到初始聚焦点x的声波传播时间，点x^* _nd满足下式nd∈(1,max)，max取决于总采样点数，nd为所述合成线上位于初始聚焦点之后所有采样周期对应的空间点的序数，T为采样周期。

将本信号通道换能器单元接收到的回波信号转换为离散数字信号并在发射启动补偿聚焦延迟值和接收启动补偿聚焦延迟值对应采样信号个数后，所述插入单位采样周期延时补偿的判断条件为：

t_1x*nd-t_1x-(t_nx*nd-t_nx)≥num×T

num为本信号通道插入相应的延时补偿的次数，对采样点x^* _nd逐个进行判断，若上述条件成立，则初始聚焦点x后的第nd个采样点x^* _nd要插入一个单位采样周期延时补偿,将此序数nd存入An，并将num加1；若不成立，nd＝nd+1，用下一个采样点x^* _nd进行判断，直至nd＝max；t_nx*nd为本信号通道换能器单元至采样点x^* _nd的声波传播时间，t_nx为本信号通道换能器单元至初始聚焦点x的声波传播时间。

所述动态延迟全局聚焦补偿模块中，

存储器1的输出端与比较器1的一个输入端相接，存储器1的使能口通过一个计数器与寄存器A的输出端相接，存储器1的读地址端通过一个计数器与比较器1的第一输出端相接；

双口RAM1的写数据端与所述AD转换电路相接，双口RAM1的读数据端通过一个计数器分别与比较器1的另一个输入端和寄存器A的输出端相接，同时该读数据端还与双口RAM2的写数据端相接，双口RAM1的读地址端通过读地址计数器、与门电路1与比较器1的第二输出端相接，与门电路1的一个输入端通过一个计数器与寄存器B的输出端相接，双口RAM1的写地址端与其写地址计数器相接；

存储器2的输出端与比较器2的一个输入端相接，存储器2的使能口通过一个计数器与寄存器C的输出端相接，存储器2的读地址端通过一个计数器与比较器2的第一输出端相接；

双口RAM2的读数据端通过一个计数器分别与比较器2的另一个输入端和寄存器C的输出端相接，同时该读数据端还与所述的信号叠加模块的输入端相接，双口RAM2的读地址端通过读地址计数器、与门电路2与比较器2的第二输出端相接，与门电路2的一个输入端通过一个计数器与寄存器D的输出端相接，双口RAM2的写地址端与其写地址计数器相接。

应用本发明的所述的相控阵全局聚焦系统进行超声检测的方法，包括相控发射时，将N个换能器单元以顺序激励方式发出的声波合成聚焦在初始聚焦点的方法以及接收回波时，进行信号延时叠加并获得过初始聚焦点的回波线扫描的方法，其特征在于：使用包括N条由换能器单元、信号处理单元、动态延迟全局聚焦补偿模块组成的信号通道以及与所有信号通道联机的上位机和接于所有信号通道输出端的信号叠加模块，对所有信号通道对应的换能器单元依次轮流单独发射相同频率的超声波，

同时，所有信号通道的换能器单元接收在预设采样周期规定的各空间采样点x^* _nd位置遇缺陷或裂痕反射后的回波，经AD转换电路将该回波转换为离散数字信号，

该离散数字信号经相应信号通道的动态延迟全局补偿聚焦模块进行延时补偿后，在信号叠加模块进行叠加数字信号并保存，

待所有信号通道的换能器单元发射完毕后，将每次发射得到的叠加后的数字信号进行再一次叠加并形成合成聚焦在所述各采样点x^* _nd的回波线扫描信号，

所述延时补偿为本信号通道的发射初始聚焦延迟补偿后、在发射启动补偿聚焦延迟值对应的离散信号个数之后按照本信号通道的发射聚焦补偿表记载的需要插入延时补偿的采样点的序数对本信号通道的所述离散数字信号进行单位时间T的延时补偿和本信号通道的接收初始聚焦延迟补偿后，在接收启动补偿聚焦延迟值对应的离散信号个数之后按照本信号通道的接收聚焦补偿表记载的需要插入延时补偿的采样点的自然序数An对该离散数字信号进行单位时间T的延时补偿。

所述发射聚焦补偿表由所述上位机根据用户输入的换能器单元的楔块参数、探头参数、聚焦参数和预设的采样点的采样周期计算得出并保存至动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1，其中，

在所述发射聚焦补偿表中，记载有各信号通道换能器单元轮流发射声波合成聚焦至初始聚焦点之后的合成线上的各采样点x^* _nd需要插入发射延时补偿的采样点的自然序数值A_n；所述合成线为过基准单元与初始聚焦点的声波传播路径，所有信号通道对应的动态延迟全局聚焦补偿模块中所用的发射聚焦补偿表共用相同的发射聚焦补偿表；

所述接收聚焦补偿表由所述上位机根据用户输入的换能器单元的楔块参数、探头参数、聚焦参数和预设的采样点的采样周期计算得出并保存至动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器2，其中，

在所述接收聚焦补偿表中，记载有本信号通道换能器单元将来自于初始聚焦点之后的合成线上的各采样点x^* _nd的回波合成聚焦在所述采样点需要插入接收延时补偿的采样点的自然序数值B_n；所述合成线为过基准单元与初始聚焦点的声波传播路径；所有信号通道对应的动态延迟全局聚焦补偿模块中所用的接收聚焦补偿表相互独立。

发射启动补偿聚焦延迟值和发射初始聚焦延迟值由上位机根据用户输入的楔块参数、探头参数、聚焦参数和预设的采样点的采样周期计算得出并分别保存至动态延迟全局聚焦补偿模块中的寄存器A和寄存器B中，其中，

所述发射启动补偿聚焦延迟值为本信号通道对接收到的回波数字信号按照所述发射聚焦补偿表中的自然序数值启动插入发射延时补偿的起始时间，所述发射启动补偿聚焦延迟值为T_BC＝2×t_1x/T，即为基准单元至初始聚焦点声波传播时间对应的采样周期个数的两倍，其中，t_1x为基准单元至初始聚焦点的声波传播时间，T为所述各采样点的采样周期；

所述发射初始聚焦延迟值T_n1为本信号通道换能器单元和基准单元分别至初始聚焦点的声波传播时间差。

所述接收启动补偿聚焦延迟值和接收初始聚焦延迟值由上位机根据用户输入的楔块参数、探头参数、聚焦参数和预设的采样点的采样周期计算得出并分别保存至动态延迟全局聚焦补偿模块中的寄存器C和寄存器D中，其中，

所述接收启动补偿聚焦延迟值为本信号通道对接收到的回波数字信号按照所述接收聚焦补偿表中的自然序数值启动插入接收延时补偿的起始时间，所述接收启动补偿聚焦延迟值为T_BC’＝(2×t_1x/T)+T_n1，即为发射启动补偿聚焦延迟值加上本信号通道的发射初始聚焦延迟值，其中，t_1x为基准单元至初始聚焦点的声波传播时间，T为所述各采样点x^* _nd的采样周期，T_n1为发射初始聚焦延迟值；

所述接收初始聚焦延迟值T_n1’为本信号通道换能单元和基准单元分别接收来自于初始聚焦点的回波的传播时间差加上本通道的发射初始聚焦延迟值，T_nI’＝T_nI+T_nI＝2*T_nI。

所述离散数字信号在每个采样周期依次由本信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块中的双口RAM1的写数据端写入，同时由其读数据端分别由双口RAM2的写数据端写入双口RAM2中和经计数器写入比较器1中，通过动态改变双口RAM1和双口RAM2的写读地址差来改变各通道的延迟；

当本信号通道在某采样周期内需要插入延时补偿时，则本信号通道动态延迟全局聚焦补偿模块中的双口RAM1存储器在本采样周期的读地址计数器值保持不变，由于其写地址计数器值每周期都加一，即写读地址差增加一，本信号通道增加一个周期延迟；

当本信号通道在本采样周期内不需要插入延时补偿时，则本信号通道动态延迟全局聚焦补偿模块中的双口RAM1存储器的读写地址计数器值均加一，即写读地址差不变，本信号通道延迟保持不变；

每采样周期用对应的计数器记录本信号通道启动补偿后双口RAM1和RAM2输出所对应的采样周期数，用以与存储器1或存储器2内补偿表输出值作比较，判断是否此时刻要增加一个周期延迟；

动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1在发射启动补偿聚焦延迟值对应采样周期后开始输出一个其保存的自然序数A_n值，经比较器1与双口RAM1读数据计数器输出的采样周期数进行比较，若相等，该双口RAM存储器读地址计数器值不变，增加一个延迟，该存储器读地址计数器值加一，输出下一个存储器1保存的自然序数A_n值；若不等，双口RAM1读地址计数器值加一存储器1读地址计数器值不变，写读地址差没有变，延迟保持不变；

动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1在接收启动补偿聚焦延迟值对应采样周期后开始输出一个其保存的自然序数B_n值，经比较器2与双口RAM2读数据计数器输出的采样周期数进行比较，若相等，该双口RAM存储器读地址计数器值不变，增加一个延迟，该存储器读地址计数器值加一，输出下一个存储器1保存的自然序数B_n值；若不等，双口RAM2读地址计数器值加一存储器2读地址计数器值不变，写读地址差没有变，延迟保持不变。

所述楔块参数为楔块角度(ω)、第一信号通道的换能器单元高度(H₁)和楔块内声速(v₁)；所述探头参数为相控阵信号通道的个数(M)和相邻信号通道换能器单元的芯距(ρ)；所述聚焦参数为试件半声程焦距(L)、被测物入射角度(β)和被测物中的声速(v₂)。

所述动态延迟全局聚焦补偿模块中，

存储器1的输出端与比较器1的一个输入端相接，存储器1的使能口通过一个计数器与寄存器A的输出端相接，存储器1的读地址端通过一个计数器与比较器1的第一输出端相接；

双口RAM1的写数据端与所述AD转换电路相接，双口RAM1的读数据端通过一个计数器分别与比较器1的另一个输入端和寄存器A的输出端相接，同时该读数据端还与双口RAM2的写数据端相接，双口RAM1的读地址端通过读地址计数器、与门电路1与比较器1的第二输出端相接，与门电路1的一个输入端通过一个计数器与寄存器B的输出端相接，双口RAM1的写地址端与其写地址计数器相接；

存储器2的输出端与比较器2的一个输入端相接，存储器2的使能口通过一个计数器与寄存器C的输出端相接，存储器2的读地址端通过一个计数器与比较器2的第一输出端相接；

双口RAM2的读数据端通过一个计数器分别与比较器2的另一个输入端和寄存器C的输出端相接，同时该读数据端还与所述的信号叠加模块的输入端相接，双口RAM2的读地址端通过读地址计数器、与门电路2与比较器2的第二输出端相接，与门电路2的一个输入端通过一个计数器与寄存器D的输出端相接，双口RAM2的写地址端与其写地址计数器相接。

与现有技术相比，本发明的相控阵全局聚焦系统及其聚焦方法采用在系统中增设动态延迟全局聚焦补偿模块的结构，使得其可以将相控阵发射和接收合成聚焦在空间初始聚焦点之后所述合成线上的任何一个空间点上，在超声波相控阵无损检测应用中，采用本发明可以获得成像失真小、图像质量高的预设采样点反射的回波线扫描信号，并且在折射的条件下也可以满足所有深度聚焦补偿要求。

本发明可以改善传统相控阵技术，减小因缺陷深度不在聚焦深度而产生失真，可以达到被检物成像全图聚焦的效果。

附图说明

图1为全局聚焦补偿系统构成示意图。

图2为图1系统的工作流程示意图。

图3为图1系统中全局聚焦补偿模块的电路框图。

图4为本发明换能器单元楔块示意图。

图5为合成线采样点示意图。

图6为本发明的发射(接收)补偿表计算流程图。

图7为本发明动态延迟全局聚焦补偿模块补偿前的线扫描成像图。

图8为本发明动态延迟全局聚焦补偿模块补偿后的线扫描成像图。

图9为空间聚焦点与换能器单元位置关系图。

图10为n个晶片采样相控阵基础元素组示意图。

图11为本发明系统的数据处理过程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的相控阵全局聚焦系统由三部分组成，分别为许多条由依次相接的换能器单元、信号处理单元(又称AD转换电路)和动态延迟延全局聚焦补偿模块构成的信号通道、与所有信号通道联机的上位机和接于所有信号通道输出端的信号叠加模块(也可将动态延迟全局聚焦补偿模块和信号叠加模块称为波束合成器)。

如图3所示，本发明的动态延迟全局聚焦补偿模块由存储器1、存储器2、比较器1、比较器2、寄存器A、寄存器B、寄存器C、寄存器D和多个计数器构成，其连接方式如下：

存储器1的输出端与比较器1的一个输入端相接，存储器1的使能口通过一个计数器与寄存器A的输出端相接，存储器1的读地址端通过一个计数器与比较器1的第一输出端相接。

双口RAM1的写数据端与所述AD转换电路相接，双口RAM1的读数据端通过一个计数器分别与比较器1的另一个输入端和寄存器A的输出端相接，同时该读数据端还与双口RAM2的写数据端相接，双口RAM1的读地址端通过读地址计数器、与门电路1与比较器1的第二输出端相接，与门电路1的一个输入端通过一个计数器与寄存器B的输出端相接，双口RAM1的写地址端与其写地址计数器相。

存储器2的输出端与比较器2的一个输入端相接，存储器2的使能口通过一个计数器与寄存器C的输出端相接，存储器2的读地址端通过一个计数器与比较器2的第一输出端相。

双口RAM2的读数据端通过一个计数器分别与比较器2的另一个输入端和寄存器C的输出端相接，同时该读数据端还与所述的信号叠加模块的输入端相接，双口RAM2的读地址端通过读地址计数器、与门电路2与比较器2的第二输出端相接，与门电路2的一个输入端通过一个计数器与寄存器D的输出端相接，双口RAM2的写地址端与其写地址计数器相。

如图4、5所示，本发明的相控阵全局聚焦系统工作原理：根据用户输入参数(楔块参数，探头参数，聚焦参数等)，上位机计算出发射聚焦补偿表、接收聚焦补偿表和延时参数(即本信号通道的发射初始聚焦延迟值、发射启动补偿聚焦延迟值和接收初始聚焦延迟值、接收启动补偿聚焦延迟值)。上位机将所述补偿表写入相应信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1和存储器2中，将所述延时参数分别写入相应信号通道的寄存器A、寄存器B、寄存器C和寄存器D中。

所有信号通道的换能器单元依次单独发射具有相同频率的超声波，在每个信号通道的换能器单元发射超声波起始，所有换能器单元接收回波并经信号处理单元将该回波转换为各信号通道的离散数字信号。该各通道离散数字信号通过相应通道的全局聚焦补偿模块补偿转换为本信号通道的待叠加数字信号并传输至信号叠加模块，叠加模块叠加数据后输出部分线扫描信号并保存。

待所有换能器单元发射完毕，将所有保存的部分线扫描数字信号进行叠加，输出线扫描信号，处理过程如图2所示。

本发明的特点是：所有换能器单元轮流发射超声波及对应这种发射方式的相控阵全局聚焦系统，及发射聚焦补偿表和接收聚焦补偿表的计算方法。

本发明的动态延迟全局聚焦补偿模块的补偿的过程实际为在各换能器单元接收到的离散数字信号中的指定位置插入延时补偿信号。补偿位置由发射聚焦补偿表和接收聚焦补偿表中记载的自然序数值A_n提供，所述补偿表由上位机事先计算得出。

(a)上位机补偿表和延时参数的计算：

上位机根据用户提供的输入参数，计算每个信号通道存入动态延迟全局聚焦补偿模块中的发射聚焦补偿表、接收聚焦补偿表、发射初始聚焦延迟值、发射启动补偿聚焦延迟值、接收启动补偿聚焦延迟值和接收初始聚焦延迟值存入本信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块中相应的存储器和寄存器中。

用户提供的输入参数为：楔块参数(楔块角度ω，第一单元高度H₁，楔块内声速v₁)，探头参数(孔径单元个数M，单元芯距ρ)，聚焦参数(试件半声程焦距L，被测物入射角度β，被测物声速v₂)。

如图4所示，假设聚焦在空间点x上，可由下面S1至S9求出每个换能器单元到点x声波的传播时间。

S1.先按斯涅耳定律求出与试件给定入射角β对应的楔块内入射角α。

$\mathrm{\α}={\sin }^{-1}\left(\frac{v1\×\sin \mathrm{\β}}{v2}\right)$

S2.求出基准信号通道的换能器单元(下称基准单元)中点(有效发射点)高度E_h。

E_h＝H₁+[ρ×(M-1)/2]×sinω

S3.求出主声束楔块内声程P

P＝E_h/cosα

S4.求出主声束入射点至第一信号通道的换能器单元(又称第一单元)水平距离

l₁＝[ρ×(M-1)/2]cosω+E_h×tanα

S5.求出聚焦点位置(水平位置X，焦点深度Z)

Z＝L×cosβ，X＝L×sinβ+l₁

S6.求出聚焦点到基准单元的声波传播时间t

t＝L/v₂+P/v₁

S7.求出n信号通道换能器单元的高度H_n

H_n＝H₁+ρ×(n-1)×sinω

S8.用数字方法迭代出n信号通道换能器单元的折射角β_n(入射角α_n),使下面方程满足

Z×tanβ_n+H_n×tanα_n+ρ×(n-1)×cosω＝X

其中

${\mathrm{\α}}_n={\sin }^{-1}\left({\mathrm{sin\β}}_n\×\frac{v_2}{v_1}\right)$

S9.求出n信号通道换能器单元到聚焦点x声波传播时间t_nx

$t_{nx}=\frac{H_n}{{\mathrm{cos\α}}_n\×v_1}+\frac{z}{{\mathrm{cos\β}}_n\×v_2}$

通过以上九步，可以求出n信号通道换能器单元到被测试件中任意一点x的传播时间t_nx(第一个下标表示n信号通道换能器单元的编号，第二个下标表示空间聚焦点)。

假设T为空间采样点的采样周期。x点设为初始聚焦点，基准单元(一般取所有信号通道中间信号通道的换能器单元为基准单元，下标记为1)发出超声波过x点的传播路径称为合成线，如图5所示。定义发射聚焦补偿表和接收聚焦补偿表中的自然序数值A_n为记录n信号通道进行延时补偿的补偿位置。

S10.如图5所示，重复利用上述S1至S9，可求出本信号通道换能器单元至合成线上具有相同采样周期(即预先设定的周期)的所有采样点对应的空间点x*_nd(即空间点x^* _nd是合成线上初始聚焦点x后的第nd点)声波传播的时间空间点x*_nd满足下式

$t_{1x{*}_{nd}}-t_{1x}=nd\×0.5\×T$

nd∈(1，max)，max取决于总采样点数。表示基准单元到空间点x*_nd声的波传播时间，t_1x表示基准单元到初始聚焦点x的声波传播时间。

设合成线上两采样点间隔为ΔR

S11.对空间点x*_nd逐个进行判断，判断n信号通道在何位置插入一个延时补偿，判断条件为：

$t_{1x{*}_{nd}}-t_{1x}-\left(t_{nx{*}_{nd}}-t_{nx}\right)\≥num*T$

num为n信号通道的插入延时补偿的次数，若条件成立则初始聚焦点x点后的第nd个空间点信号要插入延时补偿,将此空间点x*_nd对应的nd序数存入发射聚焦补偿表的自然序数值A_n中，并将num加1。若不成立，nd＝nd+1，对下一个空间点x*_nd进行判断，直到nd＝max。

S12.发射聚焦补偿表和接收聚焦补偿表中记载的自然数列值A_n的获取方法：

i换能器单元发射时，所有信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1中都存入同一个A_i；而其中的存储器2中存入本信号通道的A_n。例如，基准单元发射，所有信号通道的换能器单元接收，所有信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块的存储器1中都存入A₁，存储器2中存入本信号通道的A_n。

n信号通道的发射启动补偿聚焦延迟值：

$T_{BC}=2\×t_{1x}/T$

n信号通道的发射初始聚焦延迟值：

$T_{nI}=t_{max}-(t_{nx}-t_{1x})$

其中t_max为i＝1，２，３，......N中，所有信号通道的换能器单元至初始聚焦点声波传播时间中的最大值。

n信号通道的接收启动补偿聚焦延迟值：

T_BC’＝2*t_1x/T+T_nI

n信号通道的接收初始聚焦延迟值：

T_nI’＝t_max-(t_nx-t_1x)+T_nI＝2*T_nI

其中t_max为i＝1，２，３，......N中，所有信号通道的换能器单元至初始聚焦点声波传播时间中的最大值。

将n信号通道的发射聚焦补偿表A_n，启动补偿延迟值，初始聚焦延迟值，存入通道n的动态补偿模块中。

将发射聚焦补偿表和接收聚焦补偿表中的自然数列值A_n分别写入所有信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1和本信号通道的存储器2中，将所述发射启动补偿聚焦延迟值T_BC、发射初始聚焦延迟值T_n1、接收启动补偿聚焦延迟值T_BC’和接收初始聚焦延迟值T_n1’分别写入本信号通道的寄存器A、寄存器B、寄存器C和寄存器D中。

(b)补偿实现(硬件模块)：

如图1所示，N个信号通道的换能器单元。单个信号通道的换能器单元发射超声波至被测物体，然后接收回波信号。该换能器单元接收到回波后，将振动转换成离散数字信号，最后将该信号输入到波束合成器，波束合成器通过动态改变信号叠加时各信号通道间的发射启动补偿聚焦延迟值T_BC、发射初始聚焦延迟值T_n1、接收启动补偿聚焦延迟值T_BC’和接收初始聚焦延迟值T_n1’发射来改变初始聚焦点和增加动态聚焦点。每次单个换能器单元发射都会合成出一个部分线扫描信号，最后将N次发射的部分线扫描信号再叠加起来得到最终的合成线扫描信号。

具有动态聚焦补偿功能的波束合成器包括二部分，第一部分为分布于每个信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块，第二部分为连接在所有信号通道输出端的信号叠加模块。

如图3所示，其为动态延迟全局聚焦补偿模块的内部结构框图。通道将离散数字信号在每个周期依次通过双口RAM1的写数据端写入双口RAM1中，并同时依次读出并通过双口RAM2的写数据端写入双口RAM2中。通过动态改变双口RAM1和RAM2的读写地址差来改变各信号通道的延迟。假设n信号通道要补偿一个延时补偿，则n信号通道本周期的RAM1和/或RAM2读地址保持不变，延迟周期数等于读地址与写地址的差，因为写地址每个周期都在加一，此时读写地址差增加一，相当于补偿了一个单位采样周期延时。用计数器记录下现在是第几个输出值。假设n信号通道这个周期不用插入延时补偿，读写地址都加一，读写地址差不变。

将发射聚焦补偿表和接收聚焦补偿表存入相应信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1和存储器2中，来产生插入延时补偿的信号。存储器1和存储器2输出值分别经过一个比较器与双口RAM1和双口RAM2的输出值计数器比较。若相等，双口RAM1和/或RAM2读地址不变，插入一个延迟，存储器1和存储器2读地址加一，输出下一个值；若不等，双口RAM1和双口RAM2读地址加一，存储器1和/或存储器2读地址不变。

所述动态延迟全局聚焦补偿模块中含有四个寄存器，分别为寄存器A、寄存器B、寄存器C和寄存器D，发射启动补偿聚焦延迟值TBC、发射初始聚焦延迟值T_n1、接收启动补偿聚焦延迟值T_BC’和接收初始聚焦延迟值T_n1’分别写入本信号通道的寄存器A、寄存器B、寄存器C和寄存器D中。，发射初始聚焦延迟值T_n1和接收初始聚焦延迟值T_n1’分别是双口RAM1和双口RAM2读写地址的初始差，用来决定合成线的角度和初始聚焦点x。发射启动补偿聚焦延迟值T_BC和接收启动补偿聚焦延迟值T_BC’是补偿功能的启动延迟，即存储器1和存储器2的开始输出数据延迟，发射启动补偿延迟值为基准单元与聚焦点间声波传播时间对应的采样周期次数的两倍，接收启动补偿延迟值为发射启动补偿延迟值加上发射初始聚焦延迟值，是在初始聚焦点后开始插值功能。

本发明的系统可大大改善相控阵超声成像的成像质量(空间分辨力)，以下为应用本发明的动态延迟全局聚焦补偿模块仿真的补偿前后成像效果对比：

仿真采用线型扫查方式，有100个换能器单元，每次将32个换能器单元分为一组发射和接收，共采集69条线扫描信号重构图像。换能器中心频率为3Mhz，换能器单元中心距为0.5mm。空间中有10个反射理想点，均匀分布在10mm至100mm位置。发射聚焦在10mm(第一个反射点深度)。采样频率为100Mhz，介质声速为1540m/s。

如图7、8所示，其中，横坐标为空间横向距离，单位为毫米，纵坐标为纵向距离，单位为毫米。

图7为发射与接收聚焦都在10mm深度(第一个反射点深度)。第一个反射点成像清晰，横向分辨力强，但是由于是近场聚焦，其他点成像失真严重，成像位置偏离原点位置，离聚焦深度越远，失真越严重，远场中的反射点成像模糊，甚至没有成像。

图8为运用本发明相控阵全局聚焦系统技术的重构图像，无论是近场点还是远场点，成像均匀清晰，横向和纵向分辨力强，成像位置与实际位置无误差。

本发明的动态延迟全局聚焦补偿模块的补偿原理分为动态发射聚焦补偿原理和动态接收聚焦补偿原理，现分述如下：

一、动态发射聚焦补偿原理

假设有N个发射单元，对于每一个发射单元用下标n来区分，每个单元在电信号的激励下发出的超声波信号记作

这里我们定义一个描述超声波脉冲的函数，

来描述超声波探头被激励之后的振动。理由是，如果把超声波换能器等效成一个具有一定固有频率和阻尼系数的二阶电路，其冲激响应可以描述为e^-αtsin(ωt+φ)，假设所有的发射单元具有相同的固有频率ω和阻尼系数α，并且假设Φ＝0。则描述了第n个单元发出的超声波。t_n0表示单元n发射延时。

假设1：每个超声波发射单元发出的都是球面波，也就是说声场中某个点超声强度只与该点和各个发射单元之间的距离有关；

假设2：超声波传播过程中的幅度衰减已经被电子系统通过TGC予以补偿。

定义：R_xn为声场中某个点x到第n个发射单元的距离。

则从第n个单元发出的超声脉冲在x点产生的振动可以表示为

其中，t_nx为超声波在声场中传播R_xn所需要的时间。

因此，N个单元在x点产生的振动的总合为

要使各单元发射聚焦在x点，即对于n＝1,2,…，N，s_nx(t)在x点振动要同相位。

令

其中我们定义单元1为基准单元，并且假设t₁₀＝0(基准单元发射初始延时为0，即以基准单元发射声波时刻为计时0点)。可以反算出聚焦在x点，单元n的初始延时t_n0，

t_n0＝t_1x-t_nx

满足上式，有

如果空间x点产生反射，则单元m接收到反射的信号为

t_mx为超声波传播R_xm所需要的时间，与x点位置和单元m位置有关。要使上式成立(发射聚焦在点x)，要满足

t_n0＝t_1x-t_nx

r_xm(t)可以表示为n个单元的发射信号反射后以不同延时叠加。可以看出，要发射聚焦到x点，m单元接收信号可以当作n单元(n＝1,2,…，N)发射信号反射后，进行t_nx-t_1x相对前移的合成信号。换句话说，我们可以将m单元接收到的n个回波信号进行t_nx-t_1x的相对前移，来重构出单元m要在x点发射聚焦的接收信号。t_mx则是单元m接收延迟时间，合成m单元回波信号的n个信号的接收延迟相等，只与m单元与x点位置有关。影响发射聚焦点的只有相对延时t_n0。

$r_{xm}\left(t\right)=\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{R}_{nm}\left(t-t_{n0}\right)=\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{R}_{nm}\left(t-t_{1x}+t_{nx}\right)$

在只分析发射聚焦的情况下，r_xm(t)可以看成只和t_n0参数有关的函数，这里的R_nm(t)为单元n发出信号后m单元收到的回波信号。上式为发射聚焦在x点条件。

假设存在x*点接近x，如图9所示，这里讨论的x*点必须满足

1:x*点为基准单元(这里取n＝1为基准单元)发出超声波过x点的传播路径上的一点(即x*点为合成线上的点，折射路径适用)。

2：对于n＝1,2,…，N都有t_nx*>t_nx(x*较x远)，并假设有t_nx*-t_nxΔt_n

如果要对x*点发射聚焦,聚焦算法应使得接收到n单元发出的反射信号的信号向前移动t_nx*-t_1x*

$r_{x*m}\left(t\right)=\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{R}_{nm}\left(t+t_{nx*}-t_{1x*}\right)$

相当于

$r_{x*m}\left(t\right)=\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{R}_{nm}\left(t+t_{nx}-t_{1x}+{\mathrm{\Δt}}_n-{\mathrm{\Δt}}_1\right)$

由假设条件得到几何关系如图9所示，当x*，x与基准单元在同一条传播线上时必有xx*＞yx*(其中O’y＝O’x)。

证明：ΔO’yx为等腰三角形，有∠O’yx＝∠O’xy。作O’x延长线xz，由于O’x与Ox必相交与x点，所以∠x*xz＞0。明显有∠x*yx＝∠zxy，即∠x*yx＝∠x*xz+∠x*xy，得出∠x*yx＞∠x*xy。三角形内大角对大边，得出结论xx*＞yx*。

即必有Δt₁＞Δt_n，又有即每个单元通道向前移动来合成x*发射聚焦的时间变短了，这是符合实际的，因为聚焦点越远，各个单元间的延迟差越小，当聚焦在无穷远处时，相当于每个单元间没有相对延迟。

将r_x*_m(t)，r_xm(t)分段取出，结合成一个新的r_m(t)。在初始发射聚焦在x点后，对t_1x+t_nx后的信号进行长度为Δt₁-Δt_n的信号补偿δ_n(t)，补偿后由t_1x+t_nx+Δt₁-Δt_n时刻开始信号对x*发射聚焦。补偿函数δ_n(t)可取常数，若Δt₁-Δt_n比较小，可取为两端信号均值。

$r_{x,x*}^n\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{R}_{nm}\left(t+t_{nx}-t_{1x}\right),t\&le;t_{1x}+t_{nx}\\ {\mathrm{\&delta;}}_n\left(t\right),t_{1x}+t_{nx}<t<t_{1x}+t_{nx}+{\mathrm{\&Delta;t}}_1-{\mathrm{\&Delta;t}}_n\\ R_{nm}\left(t+t_{nx}-t_{1x}+{\mathrm{\&Delta;t}}_n-{\mathrm{\&Delta;t}}_1\right),t\&GreaterEqual;t_{1x}+t_{nx}+{\mathrm{\&Delta;t}}_1-{\mathrm{\&Delta;t}}_n\end{array}\right.$

上述默认以基准单元发出声波时刻为各单元接收声波起点(即t₁₀＝0),t_1x+t_nx为单元n接收到点x回波所需要的时间，由此时刻开始补偿。由于Δt₁-Δt_n与通道n有关，每个通道补偿时刻不同，先补偿后再进行各单元信号的合成。

$r_m\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_{x,x*}^n\left(t\right)$

最终得到的r_m(t)为具有初始发射聚焦点x和补偿发射聚焦点x*的m单元接收合成信号。同理，我们可以对更多的点进行补偿聚焦，实现动态发射聚焦的效果。

实际情况中，Δt₁-Δt_n不可能取到无限小，补偿的最小单位与采样周期T大小有关，离散化后有：

$r_{xm}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{R}_{nm}\left(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_{n0}\right)$

与前面相同，r_xm(τ)可以表示为n个单元的发射的回波信号在不同延时周期的叠加。换句话说，我们可以将m单元接收到的n个反射信号进行τ_nx-τ_1x个采样周期的相对前移，来重构出单元m接收到要在x点发射聚焦的离散信号。

$r_{xm}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{R}_{nm}\left(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_{n0}\right)=\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{R}_{nm}\left(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&tau;}}_{nx}\right)$

x*与上面假设相同，在点x*发射聚焦时有

$r_{x*m}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{R}_{nm}\left(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}_{nx*}-{\mathrm{\&tau;}}_{1x*}\right)$

相当于

$r_{x*m}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{R}_{nm}\left(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}_{nx}-{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_n-{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_1\right)$

其中Δτ_n＝τ_nx*-τ_nx。r_xm(t)表示了n个单元信号向前移动τ_nx-τ_1x后合成m单元接收到的对于x点的发射聚焦信号。r_x*m(τ)表示n个单元信号向前移动τ_nx-τ_1x后再向后移动Δτ₁-Δτ_n合成m单元接收到的对于x*点的发射聚焦信号。我们可以这样处理，在表示x点前信号向前移动τ_nx-τ_1x，表示x*点后信号再向后移动Δτ₁-Δτ_n，中间插入补偿值δ_n(可取两端均值)。这样处理相当于m单元接收信号具有两个发射聚焦点。

$r_{x,x*}^n\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{c}{R}_{nm}\left(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}_{nx}-{\mathrm{\&tau;}}_{1x}\right),\mathrm{\&tau;}\&le;{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&tau;}}_{nx}\\ {\mathrm{\&delta;}}_n,{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&tau;}}_{nx}<\mathrm{\&tau;}<{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&tau;}}_{nx}+{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_1-{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_n\\ R_{nm}\left(\mathrm{\&tau;}+{\mathrm{\&tau;}}_{nx}-{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_n-{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_1\right),\mathrm{\&tau;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&tau;}}_{nx}+{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_1-{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_n\end{array}\right.$

各单元求和后得到和信号

$r_m\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_{x,x*}^n\left(\mathrm{\&tau;}\right)$

不断地通过补偿延迟来增加聚焦点，极限的情况是一旦Δτ₁-Δτ_n＞1，通道n就从这点开始向后延迟一个单位(补偿一个单位)，对初始聚焦点后所有点都进行判断，实现全采样点发射聚焦目的。

传统超声检测的发射方式是各个单元通过不同延迟激励，来聚焦到空间中的某点，这样每个单元接收到的n个R分量相对延迟时间就已经固定，不能重构出其他聚焦点。我们可以用单元轮流单独发射方式，来得到合成每个单元接收信号的n个R分量。

如图10所示，每一个单元单独发出超声波，然后所有的单元接收回波，获得的基础元素组，这个过程称为超声采样。由于每个晶片轮流发射，即每个合成接收信号的R都是独立的。我们可以利用得到的采样相控单元素组来重构出所有单元的接收聚焦信号。

二、动态接收聚焦补偿原理

在发射聚焦的推导过程中，我们知道相控阵发射聚焦在x点后，空间如果产生反射，则单元m接收到反射的信号为

$r_{xm}\left(t\right)=\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{R}_{nm}\left(t-t_{1x}-t_{nx}\right)$

如果是经过动态发射聚焦补偿处理，r_xm(t)可以表示为：

$r_{xm}\left(t\right)=r_m\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_{x,x*}^n\mathrm{......}\left(t\right)$

如果想要对于x点进行接收聚焦，根据接收聚焦法则，应使得所有的r_xm(t)都与r_x1(t)(这里单元1为基准单元)对齐，假设t_mx＞t_1x，r_xm(t)要向前移动t_mx-t_1x

$r_x\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_{xm}\left(t+\left(t_{mx}-t_{1x}\right)\right)$

位移后r_x(t)为具有接收聚焦点x的接收和信号。

同样假设存在x*点接近x，这里讨论的x*点相同必须满足上节条件。假设条件几何关系如图9所示，如果r_x(t)要对x*点接收聚焦,聚焦算法应使得所有的r_xm(t)都向前移动t_mx*-t_1x*

$r_{x*}\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_{xm}\left(t+\left(t_{mx*}-t_{1x*}\right)\right)$

相当于

$r_{x*}\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_{xm}\left(t+\left(t_{mx}-t_{1x}+{\mathrm{\&Delta;t}}_m-{\mathrm{\&Delta;t}}_1\right)\right)$

从上节中的证明可以知道Δt₁＞Δt_m，即当接收聚焦到x*点时，相对于接收聚焦在点x，每个单元通道r_xm(t)向前移动的时间变短了，这是符合实际的，因为聚焦点越远，各个单元间的延迟差越小，当聚焦在无穷远处时，相当于每个单元间没有相对延迟。

将r_x*(t)，r_x(t)分段取出，结合成一个新的在初始接收聚焦在x点后，对时间t_1x+t_mx后的信号进行长度为Δt₁-Δt_m的信号补偿δ_m(t)，补偿后由t_1x+t_mx+Δt₁-Δt_m时刻开始信号对x*聚焦。补偿函数δ_m(t)可取常数，若Δt₁-Δt_m比较小，可取为两端信号均值。即

$r_{x,x*}^m\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{r}_{xm}\left(t+\left(t_{mx}-t_{1x}\right)\right),t\&le;t_{1x}+t_{mx}\\ {\mathrm{\&delta;}}_m\left(t\right),t_{1x}+t_{mx}<t<t_{1x}+t_{mx}+{\mathrm{\&Delta;t}}_1-{\mathrm{\&Delta;t}}_m\\ r_{xm}\left(t+t_{mx}-t_{1x}+{\mathrm{\&Delta;t}}_m-{\mathrm{\&Delta;t}}_1\right),t\&GreaterEqual;t_{1x}+t_{mx}+{\mathrm{\&Delta;t}}_1-{\mathrm{\&Delta;t}}_m\end{array}\right.$

由于每个单元通道的补偿时刻不同，各通道补偿后再进行各单元信号的合成。

$r\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_{x,x*}^m\left(t\right)$

最终得到的r(t)为具有初始聚焦点x和补偿聚焦点x*的合成信号。同理，我们可以对更多的点进行补偿聚焦，实现动态接收聚焦的效果。

实际情况中，Δt₁-Δt_m不可能取到无限小，补偿的最小单位与采样周期T大小有关，离散化后：

$r_{x,x*}^m\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{c}{r}_{xm}\left(\mathrm{\&tau;}+\left({\mathrm{\&tau;}}_{mx}-{\mathrm{\&tau;}}_{1x}\right)\right),\mathrm{\&tau;}\&le;{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&tau;}}_{mx}\\ {\mathrm{\&delta;}}_m,{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&tau;}}_{mx}<\mathrm{\&tau;}<{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&tau;}}_{mx}+{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_1-{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_m\\ r_{xm}\left(\mathrm{\&tau;}+\left({\mathrm{\&tau;}}_{mx}-{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_m-\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;}\right)\right),\mathrm{\&tau;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&tau;}}_{1x}+{\mathrm{\&tau;}}_{mx}+{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_1-{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_m\end{array}\right.$

各单元求和后得到和信号

$r\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_{x,x*}^m\left(\mathrm{\&tau;}\right)$

不断地通过调整延迟来增加聚焦点，极限的情况是一旦Δτ₁-Δτ_n＞1，通道m就从这点开始向后延迟一个单位，对初始聚焦点后所有采样点都进行判断，如果满足条件就插入补偿值，实现动态聚焦目的。

通过对动态发射聚焦补偿和动态接收聚焦补偿原理的对比，可以清楚的看出，补偿时刻都是以Δτ₁-Δτ_n＞1作为判据的。这是符合实际的，因为发射聚焦和接收聚集本来就是互逆的过程，它们之间没有本质区别。动态补偿实际补偿的是空间中某点动态轨迹与各单元间的距离差，与单元发射或者接收声波没有关系，只与他们的空间位置有关。这就说明在补偿发射聚焦和补偿接收聚焦的时候是用同一个补偿规则补偿的，补偿点位置可以同用。图11为全局聚焦相控阵的数据处理过程，最终得到R为合成线扫信号。

由于全局动态聚焦要经过两次补偿和两次叠加，而补偿只是数据的平移，可以和叠加交换顺序，所以设计补偿聚焦系统将两次补偿放在一起，节省资源。

Claims (10)

1.一种相控阵全局聚焦系统，包括若干个由依次相接的换能器单元、信号处理单元和延时补偿模块构成的信号通道以及与所有信号通道联机的上位机和接于所有信号通道输出端的信号叠加模块，其特征在于：所述的延时补偿模块为动态延迟全局聚焦补偿模块，该模块包括存储器、寄存器、双口RAM存储器、数据比较器和计数器，其中，

在每个信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1中保存有经上位机计算在本信号通道换能器单元发射时获得的所有信号通道的发射聚焦补偿表；在存储器2中保存有经上位机计算本信号通道的接收聚焦补偿表；在寄存器A和寄存器B中分别保存有本信号通道的发射启动补偿聚焦延迟值和发射初始聚焦延迟值，在寄存器C和寄存器D中分别保存有本信号通道的接收启动补偿聚焦延迟值和接收初始聚焦延迟值；

在所述发射聚焦补偿表中，记载有各信号通道换能器单元轮流发射声波合成聚焦至初始聚焦点之后的合成线上的各采样点x^* _nd需要插入发射延时补偿的采样点的自然序数值An；所述合成线为过基准单元与初始聚焦点的声波传播路径；

在所述接收聚焦补偿表中，记载有本信号通道换能器单元将来自于初始聚焦点之后的合成线上的各采样点x^* _nd的回波合成聚焦在所述采样点需要插入接收延时补偿的采样点的自然序数值Bn；所述合成线为过基准单元与初始聚焦点的声波传播路径；

所述发射初始聚焦延迟值为本信号通道换能器单元和基准单元分别至初始聚焦点的声波传播时间差；所述接收初始聚焦延迟值为本信号通道换能单元和基准单元分别接收来自于初始聚焦点的回波的传播时间差加上本通道的发射初始聚焦延迟值；

所述发射启动补偿聚焦延迟值为本信号通道对接收到的回波数字信号按照所述发射聚焦补偿表中的自然序数值启动插入发射延时补偿的起始时间，所述发射启动补偿聚焦延迟值为T_BC＝2×t_1x/T，其中，t1x为基准单元至初始聚焦点的声波传播时间，T为所述各采样点的采样周期；

所述接收启动补偿聚焦延迟值为本信号通道对接收到的回波数字信号按照所述接收聚焦补偿表中的自然序数值启动插入接收延时补偿的起始时间，所述接收启动补偿聚焦延迟值为T_BC’＝2×t_1x/T+T_n1，其中，t1x为基准单元至初始聚焦点的声波传播时间，T为所述各采样点x^* _nd的采样周期，T_n1为发射初始聚焦延迟值；

所述信号处理单元为AD转换电路，其将本信号通道换能器单元接收到的回波信号转换为离散数字信号，经发射初始聚焦延迟值和接收初始聚焦延迟值的补偿，再在发射启动补偿聚焦延迟值和接收启动补偿聚焦延迟值后，按照所述发射聚焦补偿表和接收聚焦补偿表记载的自然序数值对该离散数字信号插入单位采样周期延时补偿，将其变为待叠加数字信号输入至信号叠加模块；

所述发射和接收延时补偿均为一个采样周期T；

所述信号叠加模块将所有信号通道的所述待叠加数字信号叠加合成聚焦成部分线扫描信号并保存，所有单元发射完毕后，将所有部分线扫描信号叠加成线扫描信号。

2.根据权利要求1所述的相控阵全局聚焦系统，其特征在于：所述采样点x^* _nd应满足以下条件：

t_1x*nd-t_1x＝nd×0.5×T

t_1x*nd表示基准单元1到采样点x^* _nd声波传播时间，t_1x表示基准单元到初始聚焦点x的声波传播时间，点x^* _nd满足下式nd∈(1,max)，max取决于总采样点数，nd为所述合成线上位于初始聚焦点之后所有采样周期对应的空间点的序数，T为采样周期。

3.根据权利要求2所述的相控阵全局聚焦系统，其特征在于：将本信号通道换能器单元接收到的回波信号转换为离散数字信号并在发射启动补偿聚焦延迟值和接收启动补偿聚焦延迟值对应采样信号个数后，所述插入单位采样周期延时补偿的判断条件为：

t_1x*nd-t_1x-(t_nx*nd-t_nx)≥num×T

num为本信号通道插入相应的延时补偿的次数，对采样点x^* _nd逐个进行判断，若上述条件成立，则初始聚焦点x后的第nd个采样点x^* _nd要插入一个单位采样周期延时补偿,将此序数nd存入An，并将num加1；若不成立，nd＝nd+1，用下一个采样点x^* _nd进行判断，直至nd＝max；tnx*nd为本信号通道换能器单元至采样点x^* _nd的声波传播时间，tnx为本信号通道换能器单元至初始聚焦点x的声波传播时间。

4.根据权利要求1所述的相控阵全局聚焦系统，其特征在于：所述动态延迟全局聚焦补偿模块中，

存储器1的输出端与比较器1的一个输入端相接，存储器1的使能口通过一个计数器与寄存器A的输出端相接，存储器1的读地址端通过一个计数器与比较器1的第一输出端相接；

双口RAM1的写数据端与所述AD转换电路相接，双口RAM1的读数据端通过一个计数器分别与比较器1的另一个输入端和寄存器A的输出端相接，同时该读数据端还与双口RAM2的写数据端相接，双口RAM1的读地址端通过读地址计数器、与门电路1与比较器1的第二输出端相接，与门电路1的一个输入端通过一个计数器与寄存器B的输出端相接，双口RAM1的写地址端与其写地址计数器相接；

存储器2的输出端与比较器2的一个输入端相接，存储器2的使能口通过一个计数器与寄存器C的输出端相接，存储器2的读地址端通过一个计数器与比较器2的第一输出端相接；

双口RAM2的读数据端通过一个计数器分别与比较器2的另一个输入端和寄存器C的输出端相接，同时该读数据端还与所述的信号叠加模块的输入端相接，双口RAM2的读地址端通过读地址计数器、与门电路2与比较器2的第二输出端相接，与门电路2的一个输入端通过一个计数器与寄存器D的输出端相接，双口RAM2的写地址端与其写地址计数器相接。

5.一种应用权利要求1－4中任一项所述的相控阵全局聚焦系统进行超声检测的方法，包括相控发射时，将N个换能器单元以顺序激励方式发出的声波合成聚焦在初始聚焦点的方法以及接收回波时，进行信号延时叠加并获得过初始聚焦点的回波线扫描的方法，其特征在于：使用包括N条由换能器单元、信号处理单元、动态延迟全局聚焦补偿模块组成的信号通道以及与所有信号通道联机的上位机和接于所有信号通道输出端的信号叠加模块，对所有信号通道对应的换能器单元依次轮流单独发射相同频率的超声波，

同时，所有信号通道的换能器单元接收在预设采样周期规定的各空间采样点x^* _nd位置遇缺陷或裂痕反射后的回波，经AD转换电路将该回波转换为离散数字信号，

该离散数字信号经相应信号通道的动态延迟全局补偿聚焦模块进行延时补偿后，在信号叠加模块进行叠加数字信号并保存，

待所有信号通道的换能器单元发射完毕后，将每次发射得到的叠加后的数字信号进行再一次叠加并形成合成聚焦在所述各采样点x^* _nd的回波线扫描信号，

所述延时补偿为本信号通道的发射初始聚焦延迟补偿后、在发射启动补偿聚焦延迟值对应的离散信号个数之后按照本信号通道的发射聚焦补偿表记载的需要插入延时补偿的采样点的序数对本信号通道的所述离散数字信号进行单位时间T的延时补偿和本信号通道的接收初始聚焦延迟补偿后，在接收启动补偿聚焦延迟值对应的离散信号个数之后按照本信号通道的接收聚焦补偿表记载的需要插入延时补偿的采样点的自然序数An对该离散数字信号进行单位时间T的延时补偿。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述发射聚焦补偿表由所述上位机根据用户输入的换能器单元的楔块参数、探头参数、聚焦参数和预设的采样点的采样周期计算得出并保存至动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1，其中，

在所述发射聚焦补偿表中，记载有各信号通道换能器单元轮流发射声波合成聚焦至初始聚焦点之后的合成线上的各采样点x^* _nd需要插入发射延时补偿的采样点的自然序数值An；所述合成线为过基准单元与初始聚焦点的声波传播路径，所有信号通道对应的动态延迟全局聚焦补偿模块中所用的发射聚焦补偿表共用相同的发射聚焦补偿表；

所述接收聚焦补偿表由所述上位机根据用户输入的换能器单元的楔块参数、探头参数、聚焦参数和预设的采样点的采样周期计算得出并保存至动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器2，其中，

在所述接收聚焦补偿表中，记载有本信号通道换能器单元将来自于初始聚焦点之后的合成线上的各采样点x^* _nd的回波合成聚焦在所述采样点需要插入接收延时补偿的采样点的自然序数值Bn；所述合成线为过基准单元与初始聚焦点的声波传播路径；所有信号通道对应的动态延迟全局聚焦补偿模块中所用的接收聚焦补偿表相互独立；

所述发射启动补偿聚焦延迟值和发射初始聚焦延迟值由上位机根据用户输入的楔块参数、探头参数、聚焦参数和预设的采样点的采样周期计算得出并分别保存至动态延迟全局聚焦补偿模块中的寄存器A和寄存器B中，其中，

所述发射启动补偿聚焦延迟值为本信号通道对接收到的回波数字信号按照所述发射聚焦补偿表中的自然序数值启动插入发射延时补偿的起始时间，所述发射启动补偿聚焦延迟值为T_BC＝2×t_1x/T，即为基准单元至初始聚焦点声波传播时间对应的采样周期个数的两倍，其中，t1x为基准单元至初始聚焦点的声波传播时间，T为所述各采样点的采样周期；

所述发射初始聚焦延迟值T_n1为本信号通道换能器单元和基准单元分别至初始聚焦点的声波传播时间差。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述接收启动补偿聚焦延迟值和接收初始聚焦延迟值由上位机根据用户输入的楔块参数、探头参数、聚焦参数和预设的采样点的采样周期计算得出并分别保存至动态延迟全局聚焦补偿模块中的寄存器C和寄存器D中，其中，

所述接收启动补偿聚焦延迟值为本信号通道对接收到的回波数字信号按照所述接收聚焦补偿表中的自然序数值启动插入接收延时补偿的起始时间，所述接收启动补偿聚焦延迟值为T_BC’＝(2×t_1x/T)+T_n1，即为发射启动补偿聚焦延迟值加上本信号通道的发射初始聚焦延迟值，其中，t1x为基准单元至初始聚焦点的声波传播时间，T为所述各采样点x^* _nd的采样周期，T_n1为发射初始聚焦延迟值；

所述接收初始聚焦延迟值T_n1’为本信号通道换能单元和基准单元分别接收来自于初始聚焦点的回波的传播时间差加上本通道的发射初始聚焦延迟值，T_nI’＝T_nI+T_nI＝2*T_nI。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述离散数字信号在每个采样周期依次由本信号通道的动态延迟全局聚焦补偿模块中的双口RAM1的写数据端写入，同时由其读数据端分别由双口RAM2的写数据端写入双口RAM2中和经计数器写入比较器1中，通过动态改变双口RAM1和双口RAM2的写读地址差来改变各通道的延迟；

当本信号通道在某采样周期内需要插入延时补偿时，则本信号通道动态延迟全局聚焦补偿模块中的双口RAM1存储器在本采样周期的读地址计数器值保持不变，由于其写地址计数器值每周期都加一，即写读地址差增加一，本信号通道增加一个周期延迟；

当本信号通道在本采样周期内不需要插入延时补偿时，则本信号通道动态延迟全局聚焦补偿模块中的双口RAM1存储器的读写地址计数器值均加一，即写读地址差不变，本信号通道延迟保持不变；

每采样周期用对应的计数器记录本信号通道启动补偿后双口RAM1和RAM2输出所对应的采样周期数，用以与存储器1或存储器2内补偿表输出值作比较，判断是否此时刻要增加一个周期延迟；

动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1在发射启动补偿聚焦延迟值对应采样周期后开始输出一个其保存的自然序数An值，经比较器1与双口RAM1读数据计数器输出的采样周期数进行比较，若相等，该双口RAM存储器读地址计数器值不变，增加一个延迟，该存储器读地址计数器值加一，输出下一个存储器1保存的自然序数An值；若不等，双口RAM1读地址计数器值加一存储器1读地址计数器值不变，写读地址差没有变，延迟保持不变；

动态延迟全局聚焦补偿模块中的存储器1在接收启动补偿聚焦延迟值对应采样周期后开始输出一个其保存的自然序数Bn值，经比较器2与双口RAM2读数据计数器输出的采样周期数进行比较，若相等，该双口RAM存储器读地址计数器值不变，增加一个延迟，该存储器读地址计数器值加一，输出下一个存储器1保存的自然序数Bn值；若不等，双口RAM2读地址计数器值加一存储器2读地址计数器值不变，写读地址差没有变，延迟保持不变。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述楔块参数为楔块角度(ω)、第一信号通道的换能器单元高度(H₁)和楔块内声速(v₁)；所述探头参数为相控阵信号通道的个数(M)和相邻信号通道换能器单元的芯距(ρ)；所述聚焦参数为试件半声程焦距(L)、被测物入射角度(β)和被测物中的声速(v₂)。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述动态延迟全局聚焦补偿模块中，

存储器1的输出端与比较器1的一个输入端相接，存储器1的使能口通过一个计数器与寄存器A的输出端相接，存储器1的读地址端通过一个计数器与比较器1的第一输出端相接；

双口RAM1的写数据端与所述AD转换电路相接，双口RAM1的读数据端通过一个计数器分别与比较器1的另一个输入端和寄存器A的输出端相接，同时该读数据端还与双口RAM2的写数据端相接，双口RAM1的读地址端通过读地址计数器、与门电路1与比较器1的第二输出端相接，与门电路1的一个输入端通过一个计数器与寄存器B的输出端相接，双口RAM1的写地址端与其写地址计数器相接；

存储器2的输出端与比较器2的一个输入端相接，存储器2的使能口通过一个计数器与寄存器C的输出端相接，存储器2的读地址端通过一个计数器与比较器2的第一输出端相接；

双口RAM2的读数据端通过一个计数器分别与比较器2的另一个输入端和寄存器C的输出端相接，同时该读数据端还与所述的信号叠加模块的输入端相接，双口RAM2的读地址端通过读地址计数器、与门电路2与比较器2的第二输出端相接，与门电路2的一个输入端通过一个计数器与寄存器D的输出端相接，双口RAM2的写地址端与其写地址计数器相接。