13、超声成像中的波束形成模拟与原理

超声成像中的波束形成模拟与原理

1. 平面波复合模拟器

平面波复合模拟器为波束形成的实验提供了途径。为了实现实时反馈，它采用了计算高效的连续波（单频）阵列算法。在实际应用中，尽管对各阵元施加了平面波延迟，但发射的是有指向性的非聚焦衍射波束，而非理想的平面波，这种复杂性增加了探索的乐趣。

每个波束在每个场点 (x,z) 处的幅度和相位会进行求和，计算时间取决于所选平面波的数量。在图 6.19 左侧的图形用户界面输入面板中，可以看到包括变迹和介质吸收等完整的阵列变量。模拟器右侧则有中心频率、平面波数量、角度偏移以及常见的显示选项。

平面波复合有两种选择：
- 改变平面波的数量，保持角度增量不变。
- 保持平面波数量不变，增加角度增量。

2. 实验室 6：在吸收介质中探索阵列和连续波波束

2.1 模拟器练习

• 波前模拟器 ：它引入了通过对各个阵元施加不同信号相位来电子形成波束的换能器阵列。第一个模拟器从时间角度出发，每个点源由短脉冲激发，产生类似石子投入水中形成的扩展球面波前。波前模拟器以动画形式展示波前的演化和叠加过程。使用单个点源时，就像观察池塘中的涟漪扩散；使用多个点源时，由于源点间距仅为半个波长，阵元附近会出现波前的相长合并。点源的线性分布可以观察到从点源到扩展线性孔径的过渡，该孔径产生与源平行的平面波前，边缘呈球形。波束转向清晰地展示了对每个点源施加信号延迟的作用。观察聚焦波前的传播，可以看到波前的初始曲率，这是将能量聚焦在曲率中心附近所必需的。当波前接近焦点区域时，波高的增加非常明显，这很好地说明了阵列增益。有趣的是，波前曲率在焦点处逐渐