任意波形阵列超声技术及其应用

发布于： 2026-03-30 18:33

摘要：采用任意波形生成（AWG）结合阵列超声或相控阵超声采集设备逐渐成为现代超声无损检测一项关键使能技术。对比过时的尖脉冲激励和当前主流的单频方波脉冲激励；AWG技术可以让研究人员精确激发自定义任意波形从而解决很多常规设备无法解决的问题。诸如：脉冲压缩；时间反转聚焦；多波束编码激发；变迹等。本文介绍了基于可编程三态脉冲发射器（+V;0;-V）采用脉冲密度调制（PDM）技术实现任意波形激励原理以并简单介绍了任意波形超声可解决的检测难题。

关键字：任意波形相控阵；任意波形阵列超声；PDM;

前言

传统的超声波检测仪发射器采用尖脉冲激励或单频方波激励。尖脉冲激励优点在于可以实现宽频高频激励但因激励能量较弱目前仅有高频超声设备尚采用该技术作为激励；单频方波激励通常激励超声换能器中心频率处的单频脉冲；这从根本上限制了超声检测获取的信息量。而任意波形激励可以打破这一限制；对于提升信噪比；检测效率；检测深度和轴向分辨率有明显改善。

超声检测中轴向分辨率受发射波形带宽影响：

（式1）

C为材料声速；BW为-6dB信号带宽。仪器实际激励信号的带宽同时受到超声换能器中心频率/带宽以及激励信号带宽的影响。对于单频方波激励而言，BW约等于探头中心频率f，因此，即半个波长。在超声换能器带宽确定的情况下；如需提高分辨率需要增加激励信号带宽。此时宽频任意波形激励（如CHIRP信号）则起到了关键性的作用。

超声检测深度由超声换能器激发的声压强度和材料的声衰减系数而定。如果声衰减系数取0.3-0.5 dB/(MHz•cm)在兼顾检测精度的情况下检测深度可表达为：

(式2)

也就是说一般的超声检测系统可以检测400个波长厚度。在医学领域如果检测生物软组织；考虑到声速接近1500 m/s。那么检测不同深度部位采用超声换能器频率为：

(式3)

在超声仪器激发电压确定的情况下，为了提高探头激发的声压强度唯一的方法时延长脉冲持续时间。当波形具有较大的时宽带宽积时；任意波长脉冲串携带的能量远高于单方波短脉冲激励。该方法不仅可以提升检测深度还可以提升信噪比。

图（1）展示了在代表性衰减介质（0.5 dB/(MHz·cm)）中，不同发射策略在相同峰值驱动电压下对可达检测深度的影响。AWG脉冲压缩方法可弥补由安全性和硬件电压限制带来的深度损失。

图（1）任意波形功能算法检测深度VS传统超声检测深度

任意波形激发原理

如果仅仅实现单个通道的任意波形超声激励，我们可以采用任意波发生器输出低压任意波形信号再通过高压放大器（如UT-AWG）将波形放大至几十伏到几百伏再驱动超声换能器。而信号接收可采用前置放大器放大接收探头的信号输入示波器或采集卡进行波形观察或采集。当需要单个探头自发自收时则可增加双工器进行高压激励信号和接收弱信号的隔离。如下图（2）所示：

图（2）传统函数发生器加高压放大器实现高压任意波形激励

目前市面上绝大多数任意波形阵列超声设备采用的三态脉冲发生器（+V;0;-V）而非真正的模数转换器DAC。这种架构在实现高通量配置时比DAC更具实用性：

效率更高，功耗更低；
峰值输出电压更高可达200 Vpp，而DAC方式最高100 Vpp;
可同时对每个通道进行变迹，相位控制和不同编码波形控制；
体积更小，部件更少，系统稳定性更高。

基于三态脉冲发生器实现任意波形激励常见的方式有PWM脉冲宽度调制技术。在PWM中，输出信号的每半个周期由一个矩形脉冲。在半周期内宽度为a的矩阵脉冲基波分量幅度A可表述为：

(式4)

可见PWM技术仅当每半个周期对应一个脉冲时是有效的。当需要在多个周期内进行精细的幅度变化控制如CHIRP信号，PWM技术则不够灵活。

为了解决这个问题TECLAB采用了更为灵活的脉冲密度调制技术（PDM - ）。与PWM技术不同，PDM不限制每半个周期一个脉冲。相反它允许在每个时钟周期内出现可变数量的+1、0或-1三种状态。在每个时钟采样时刻，引入一个累加器增加输入值。当累加器超过+0.5时，输出+1脉冲并将累加器减1；当低于-0.5时，输出-1脉冲并将累加器加1；否则输出0。这个细腻的目标波形分解方式虽然会量化出更高频噪声，但是接入换能器后因换能器本身的带通滤波效果会使得输出波形收敛得逼近目标波形。