第3章 发射波束合成：发射聚焦、发射孔径、发射序列设计

好，咱们进入发射波束合成这一块。

说实话，接收波束合成大家研究得比较多，但发射端往往被低估了。我个人的经验是，一台彩超的图像质量好不好，发射端至少占了一半的功劳。你发射没做好，接收端再怎么折腾，信噪比也救不回来。

3.1 发射聚焦：把能量“拧”成一股绳

发射聚焦，说白了就是让所有阵元发出的声波，在目标点同时到达。这样那个点的声压最大，能量最集中。

为什么会这样？你想想看，如果每个阵元发射的时间不一样，声波到达目标点的时间就有先有后，能量就散掉了。只有精确控制每个阵元的发射延时，才能让波前汇聚到一点。

我在项目中遇到过一个问题：聚焦点选得太深，近场的旁瓣反而变高了。后来我意识到，发射聚焦其实是个“甜蜜点”的选择——你不能指望一个焦点覆盖整个成像区域。

3.2 发射孔径：用多少阵元，这是个问题

发射孔径，就是一次发射用多少个阵元。孔径越大，波束越窄，横向分辨率越好。但孔径大了也有麻烦——旁瓣会变高，而且近场区会变长。

我记得有一次调试一个线阵探头，64阵元全开，结果近场图像糊得一塌糊涂。后来改成动态孔径，近场只开32个，远场再慢慢增加到64个，效果立竿见影。

孔径大小	优点	缺点
小孔径（16-32阵元）	近场好，旁瓣低	远场分辨率差
大孔径（64-128阵元）	远场分辨率高	近场模糊，旁瓣高
动态孔径	全场均匀性好	控制逻辑复杂

3.3 发射序列设计：别让阵元“打架”

发射序列，就是决定哪个阵元在什么时候发、发什么波形。这里面门道很多。

最简单的序列是全部阵元同时发。但这样波束很宽，分辨率差。稍微好一点的是加窗发射——中间阵元发得强，两边弱，这样旁瓣能压下去不少。

我个人习惯用汉宁窗或者布莱克曼窗做发射幅度加权。你想想看，这跟接收端的加窗是一个道理，都是为了抑制旁瓣。

// 发射幅度加权示例（Verilog风格伪代码）
// 假设64阵元，汉宁窗系数
reg [15:0] apod_weight [0:63];

// 初始化权重
for(i=0; i<64; i=i+1) begin
    apod_weight[i] = 0.5 * (1 - cos(2*PI*i/63)) * 65535;
end

// 发射时，每个通道乘以对应权重
tx_amplitude = base_amplitude * apod_weight[channel_id];

还有一种序列叫“编码发射”。比如用Chirp信号或者Barker码。这样做的好处是，发射能量可以很大，但不会烧坏探头。我在做高频探头时特别喜欢用Chirp，信噪比能提升6-8dB。

3.4 发射波束合成的FPGA实现要点

在FPGA里做发射波束合成，核心就三件事：延时控制、幅度加权、波形生成。

• 延时控制：用计数器或者FIFO做精细延时。我一般用5ns的精度，对应约0.75mm的聚焦精度，够用了。
• 幅度加权：用乘法器实现。注意权重系数要提前算好存到ROM里，别在运行时算，太慢了。
• 波形生成：用DDS或者查找表。如果是单频脉冲，直接查正弦表就行。如果是Chirp，建议用CORDIC。

最后说一句，发射波束合成的调试，一定要用示波器看每个通道的波形。我见过太多人只看仿真结果，结果上板子就抓瞎。你想想看，FPGA的时序、PCB的走线延迟，这些仿真里都未必准。