一种用于控制超声相控阵连续波发射的控制方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信号处理技术领域，设及超声相控阵连续波发射的系统，尤其是一种 用于控制超声相控阵连续波发射的控制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 超声连续波在相控阵超声成像、医学相控阵超声治疗等领域有广泛的应用。超声 成像检测领域中采用连续波发射，运动目标反射超声波，由于多普勒现象产生多普勒频移， 通过检测频率偏移可W得到运动目标的运动信息。医学彩色超声诊断仪中的连续波血流检 测W及工业中的流速流量测量就是利用运种机理进行的检测。
[0003] 连续波在医学超声治疗领域中也有重要的应用，连续波由于持续时间长，将能量 传送至人体内部，利用热效应或者空化效应使局部病变组织变性灭活，达到治疗的目的。
[0004] 检测和治疗应用中，焦点位置W及焦点形状控制即超声波束控制是影响检测和治 疗效果的关键因素。在超声检测领域中控制超声波束聚焦于被检测目标位置，可W获得最 大的回波信号，提升信噪比，检测精度和灵敏度都最大。医学超声治疗领域对于超声波束的 控制就更加重要，超声的焦点必须正确的聚焦于需要治疗的病变组织，保证治疗效果，同时 降低正常组织的损伤。
[0005] 聚焦焦点的位置及形状通过控制发射信号的幅度和相位实现的。如图1所示，建 立4所示坐标系，2所指的为具有η个阵元的阵列换能器，换能器阵元El~E。，其位置分 别为（Xi，心Zi)α= 1~η)。图中1所指为需要聚焦的焦点F位置为（Xf，yf，Zf)。3所指 的为阵元到焦点的距离，其中，对于第i个阵元，探头阵元位置到焦点位置的距离为li(i= 1~η)。如果每个阵元的激励信号都是连续正弦波，而且和第1个通道的相位差Δ满足等 式①，那么所有信号在F点同相相加，幅度最大，实现聚焦。
[000引 Δ= (-2 31) .D((Vli)/(cT))①
[0007] 其中：D( ·)表不取一个数的小数部分。C表不超声波的声速，T表不发射连续正 弦波的周期。
[000引上述是对于单焦点的情况，可见单一的焦点，相位差可W改变焦点的位置。阵元的 幅度会影响焦点的形状。对于简单的情况，均匀线阵阵元的驱动信号幅度和聚焦焦点的形 状分布之间是一对傅里叶变换关系。对于更复杂的情况，中国专利200510096069.X提出了 一种通过控制阵元相位和幅度同时产生多个焦点的方法。可W看到，焦点的控制能力完全 由控制系统的相位和幅度的控制能力决定。对于超声连续波而言，相位和延时满足如下关 系：
[0009] Δ= 0/((2*3T)*f)②
[0010] 式中，A为延时值，单位为秒（S) ;Θ为相移值，单位为弧度；31是圆周率；f为当 前连续波的工作频率。
[0011] 从②中可W看到，固定f，延时值和相移存在一一对应的线性关系。因此，对于连续 波，控制相移等同于控制时延，反之亦然，其次后续不加区分的使用相移和时移，二者有相 同的效果。
[0012] 阵元的相位和幅度控制的精度和控制方式是超声连续波系统与控制方法的关键 性能，对于复杂焦点形状，例如多焦点，要求控制系统能够实现高精度的相位和幅度的控 审IJ。另外，由于相位主要对聚焦焦点的位置起作用，幅度对于聚焦焦点的形状起作用，因此 要求控制方法和系统能够独立的调整相位和幅度，运样提供了最大的自由度可W独立的优 化焦点的位置和形状。
[0013] 目前进行相移控制方法中最简单的是利用模拟延时线实现。由于电感电容组成的 网络对于交流信号具有相移作用，采用不同阻值的电感电容搭配就可W实现不同的相移。 运种方法最大的缺点是实际上能用的电感电容值是离散的，并不是每个相移的每个控制点 都能得到合适的电感、电容的值，而且模拟器件的值随溫度时间会变化，而且器件本身具有 一定的容差，运从根本上限制了运种方法在高精度相移中的应用。
[0014] 利用对高频脉冲计数实现相移是另一种常用的方法。如果发射频率为f。，采用η 倍的f。计数，通过设定初始计数值就可W实现2 31 /η精度的相移。运种方法的优点是简单 可靠，缺点是实现的相位控制精度较低，如果需要高精度相移，计数脉冲信号的频率很高， 难W实现。比如对于2MHz的发射信号，如果需要的相移精度为8位（256阶），计数脉冲需 要512MHz，如果发射频率或者相移精度进一步提高，计数脉冲的频率也会进一步升高，运都 对实现的器件提出了很高的要求。因此运种方法不适合高频高精度的应用。
[0015] 利用数字延时器产生延时也是常用的方法之一。诸如AD9501等器件，产生时间延 时的原理是通过产生一个随幅度时间线性增长的Ξ角波，同时设定一个阔值电压；利用高 速比较器对设定的阔值电压和Ξ角波幅值进行比较。当Ξ角波的幅值超过设定阔值时，产 生一个输出脉冲；由于Ξ角波的幅值和时间之间保持线形关系，通过改变设定电压阔值就 可W控制时间延时。运种方法有Ξ个方面的缺点：其一，Ξ角波的产生是依赖于模拟积分 器，利用恒定电流在电容上积分产生，电容值的偏移会影响Ξ角波的斜率，从而导致延时值 的偏离；其二，由于运种方法的基本原理是依赖比较器对两个电压进行比较，系统的噪声水 平会影响比较器的输出，输出延时的抖动由系统噪声水平决定；其Ξ，对于频率比较高的情 况，积分电容比较小，杂散电容影响很大，运限制了运种方法在高频场景下的应用。上述缺 点决定了运一类方法不能应用于要求高频高精度延时的工作场景。
[0016] 中国专利CN1596432A中公布了一种产生相移的方法。该方法采用两路具有一定 相位偏差的正弦波信号作为基准信号，通过两路基准信号的线性叠加得到输出信号。按照 Ξ角公式，输出信号还是正弦波，只是相位发生了变化。变化的相位和两路基准信号的加权 值有关系。同时输出信号的幅度由两路基准信号的加权值决定。运种方法原理很简单，但 是为了保证最终的相移，两路基准信号之间的相位关系必须保证，同时两路基准信号权值 的相互比例关系的误差会直接影响输出信号的相移。权值上噪声的叠加会影响输出信号的 相移。另外，由于输出信号的幅度和相移同时由两路基准信号权值决定，输出信号相移和幅 度的调整并不彼此独立。
[0017] 控制器的输出信号用来驱动超声换能器，用于主动发射能量到给定区域。超声检 测成像领域为了提高检测灵敏度要求将更高的能量发射到目标祀点处，而超声治疗领域为 了取得好的治疗效果，也要求系统有大的功率容量。比如，超声治疗应用中要求，超声换能 器每个阵元的输出功率达到数瓦，系统的输出达到10瓦W上。运就要求输出信号采用高效 的驱动形式。驱动效率w及驱动发射过程中的相位崎变是表征系统发射性能的关键指标。
[0018] 常用的功率驱动方式包括线性驱动放大和开关驱动放大方式。线性驱动放大器可 W较好的保证信号波形形状，采用A类、B类或者AB类。由于是线性放大，输出信号的幅度 由功率驱动前级信号决定。虽然具有低失真、幅度调整容易的好处，但是效率较低，其效率 随输出信号幅度的降低迅速降低，驱动器发热大，大功率阵元数较多的相控阵驱动条件下 不能使用。
[0019] 开关驱动放大方式工作在D类或者E类方式下，驱动忍片工作在开关状态，要不是 开通，要不是关闭，系统驱动过程中的损耗主要是开关损耗，效率高达90%W上。效率高，发 热小使得相应的驱动相应功率的体积减少，便于集成，适用于通道数较多的阵列（相控阵） 驱动。开关驱动放大方式的一个问题是输出信号的幅度调整不如线性驱动方式容易，必须 采用漏集（射集）调制的方式。
[0020] 开关驱动放大方式的输出是方波，必须进行滤波后才能够驱动阵元工作，采用