[发明专利]一种分段聚焦的超声相控阵环阵设计方法

说明书

本发明涉及环阵技术领域，尤其为一种分段聚焦的超声相控阵环阵设计方法，包括环阵探头，通过相控阵环阵探头能在较大的聚焦范围电子相控阵聚焦，在将焦距范围划分为多个焦距段，当聚焦在较近焦距段时，使用内层的多个阵元环进行聚焦，聚焦系数的设计保证了聚焦的质量，当聚焦在较远的焦距段内时，逐步加入各段外层的阵元共同聚焦，保证较远距离的聚焦性能，通过分段聚焦的方法逐段提高阵元的面积，使焦距较大的大孔径探头的外圈宽度较大，降低了制造工艺难度，通过聚焦系数k的设计，保证了远、近不同焦距时聚焦能力的一致性。

技术领域

本发明涉及环阵技术领域，具体为一种分段聚焦的超声相控阵环阵设计方法。

背景技术

环阵技术采用同心圆环阵列探头实现横向聚焦声束的发射和接收，每个圆环是独立的阵元，通过相控阵技术实现周向对称的横向聚焦，聚焦声束在横向二维坐标都有较小的尺寸，焦点分布在探头中心轴线上，相控阵超声技术采用独立控制每个阵元的相位延时和叠加多个阵元的声场或信号实现聚焦声束的合成，一般的设计是使每个阵元的面积大致相等，各个阵元的外径近似与由内向外阵元序号的平方根成正比，也被叫做菲涅尔环阵。通常菲涅尔环阵的设计方法是：依据最近的应用焦距确定最内圈的阵元尺寸和阵元面积，然后依据最远的应用焦距确定阵元数量和最外圈阵元直径。这种设计有两个作用：一是参与叠加的独立相位延时的阵元信号强度大致均衡；二是所有阵元足够小，单个阵元上任意点到最中心的第一个晶片圆的近场距离N1以外的点的传输延时相位差不超过。但是随着阵元序号增大，阵元环带的宽度迅速减小，阵元序数较大时，这个宽度变得很小，增加制造的难度，所以阵元数量会受到限制，因此需要一种分段聚焦的超声相控阵环阵设计方法对上述问题做出改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分段聚焦的超声相控阵环阵设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种分段聚焦的超声相控阵环阵设计方法，包括环阵探头，包括以下设计方法步骤：

S1、将环阵探头的应用聚焦范围分为终点按整数m等比排列的若干段，根据设定的聚焦系数，依次对每段焦距范围设计所需的环阵阵元尺寸和阵元数量，后续的焦距段在前面焦距段阵列之外增加若干阵元环，其各个环的外径增量基数随焦距段数的增大而增大；

S2、将环阵探头的应用聚焦范围分为终点按整数m等比排列的若干段，假设最近焦距F₁，最远焦距F₂，焦距分段为：F₁到mF₁、mF₁到m²F₁、……m^T-1F₁到m^TF₁，这里T是总的扩展焦段数，使得m^T-1F₁小于F₂，而m^TF₁大于等于F₂；设定整数的聚焦系数k，k是声束合成孔径的近场距离N和焦距分段内最大焦距的比值，则第一段焦距范围的阵元数是m*k，各个阵元外径是这里n∈[1，m*k]，是阵元序号；λ是超声波长；其中:s是新增阵元序号，s∈[1,(m-1)*k]；λ是超声波长；

S3、设定整数的聚焦系数k；确定第一焦距段的阵元数m*k；确定该段各个阵元的外径以后每个焦距段增加(m-1)*k个阵元，各个阵元的外径是其中：s是新增阵元在段内的序号，s∈[1，(m-1)*k]；t是所处焦距段的序号,t∈[1，T]；以各个焦距段的起点为临界的近场距离，计算基圆的孔径是基圆内所有点到达焦距段内的超声传输延时相位是同符号的，因此基圆以作为菲涅尔环阵的第一个圆，以此为基本尺寸可设计m*k个阵元的菲涅尔环阵，该环阵的前k个阵元将和前一焦距段的菲涅尔环阵重叠，每个阵元是内层菲涅尔环整数阵元的集合，依次类推到第一个焦距段的菲涅尔环阵；