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多个超声换能器阵元按照一定的形状、尺寸排列构成超声换能器阵列。按维数可分为1维阵列和2维阵列，这里主要分析由相邻间距为d的N个阵元组成的1维线阵。使用多个线阵按一定角度组合，调整各阵元的发射信号的相位延迟，可以有效地实现波束在空间中任意点的聚焦，从而实现对空间区域的探测，相控阵的聚焦如图2所示。
3 超声相控阵的相位延时及发射
相位延时是超声相控阵技术的核心。为了实现超声相控阵的聚焦、偏转等功能，各个阵元应按照不同的相位来发射信号。现有的技术能将相位延时精度做到5ns以内。考虑到导盲对聚焦精度的要求不是太高，本设计采用STM32的定时器实现延时，也能够满足设计要求的精度。另一方面STM32芯片的价格也比较低，适于本项目对低成本产品的定位需求。
本设计采用的是TCF40-18TR1型传感器。这是一款压电陶瓷式收发同体超声波传感器。其中心频率为40 kHz，发射声压在10 V。设计中采用软件的方法产生频率为40 kHz超声信号。STM32F103RBT6包含1个高级定时器和3个通用定时器。通用定时器时钟可由下列时钟源提供：内部时钟、外部时钟、内部触发输入。此处采用APB1外设时钟，频率为36 MHz。可编程通用定时器的主要部分是一个16位计数器和与其相关的自动装载寄存器。通用定时器包含4个独立通道，每个通道都可用于输入捕获、输出比较、PWM和单脉冲输出模式。这里分别将通用定时器TIM2和TIM3的4个独立通道设置成输出比较模式，以产生40 kHz的方波信号。信号经GPIO口输出到超声波换能器放大，再由超声波传感器的探头发出。
4 回波信号的接收部分
超声信号经反射回到探头位置，探头接收到的回波信号一般在毫伏量级。先经过两级的比例放大将信号幅度放大到几百毫伏。比例放大采用的是美国TexasInstruments公司的OPA2725运算放大器，OPA2725具有两个通道，支持单电源供电，轨到轨输出，具有20 MHz的增益带宽。本设计中比例放大由两级运放组成。将收到的回波信号加到同相端和地之间，在反相输入端引入电压负反馈。
信号经比例放大后幅度增大至几百毫伏，此时的信号已经夹杂一定的高频噪声，由于回波信号中的有用信号都集中在40 kHz左右这一频段，所以选用低通滤波电路滤除高频干扰信号。为了得到完整的障碍物信息，低通滤波电路的截止频率即为超声波信号的频率的5倍即200 kHz。低通滤波后的信号再经过一级时间增益(TGC)放大之后进行A／D转换，并存入单片机的存储器中，以进行相关的信号分析。
5 回波信号处理与分析
对应不同的障碍物和地形，系统收到回波的波形和时间都会有区别。根据这2个条件可以实现对障碍物和地形的判断。这里用到1个由N个探头组成的线阵。探头分别编号为1，2，…，N-1，N。当遇到如图3所示障碍物时，相控阵在中间的焦点碰到障碍物接收到的回波，应该是N路声波在焦点处的叠加；而在左右两边聚焦点处由于没有碰到障碍物，所以不会有叠加后的波形返回。以上2种情况收到的波形分别如图4和图5所示。如果碰到沟壑类的障碍物时，如图6所示，这里假设编号N-1探头接收回波信号，当人走到a处时，相控阵聚焦在c点，此时焦点到探头N-1的距离为l，则超声波从探头N-1发射到聚焦点返回探头的时间为t=2l／c，c为空气中超声波的速度。当人走到b点时，相控阵聚焦在d点，这时在d处不会有聚焦后的波形返回，只能是各路超声波在沟壑底面发生反射。仍以编号N-1探头为例，从发射到接收到回波的时间应为t’=
，△l为聚焦点到到沟壑的长度。从上面的分析可以看出，当相控阵的位置从a移动到b，系统收到的回波波形以及接收到波形的时间均发生了明显变化，从而为判断地形提供了可靠依据。
