劉 建，徐大專

（南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，南京 210016）

現(xiàn)代無損檢測技術(shù)發(fā)展的大趨勢是從對材料的定性檢測到高精度、高分辨率的定量檢測，從而實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備更加準確的無損評價。近年來的一個研究熱點就是相控陣超聲檢測技術(shù)。超聲相控陣技術(shù)的基本思路來源于雷達電磁波相控陣技術(shù)，最早應(yīng)用于醫(yī)用B超成像系統(tǒng)中。但在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，由于檢測儀器復(fù)雜度高，制作成本高昂，其應(yīng)用受到很大的限制。然而近年來多種相關(guān)高技術(shù)，如壓電復(fù)合材料、納秒級別脈沖信號控制、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析、軟件技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得超聲相控陣技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域得到快速發(fā)展［1－2］。與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)相比，超聲相控陣技術(shù)在聲束可達性、檢測精確性、重現(xiàn)性及檢測結(jié)果的可靠性、實時性和直觀性等方面具有明顯的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)超聲相控陣系統(tǒng)一般體積較大，不便于攜帶。筆者結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)和微電子技術(shù)，提出了一種高集成度相控陣超聲檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。該方案包含32個獨立收發(fā)通道，采用多種新型高集成度芯片完成其超聲發(fā)射和接收模塊的設(shè)計，大大提高了系統(tǒng)的集成度，為系統(tǒng)設(shè)備的小型化提供可能。利用可靈活配置的FPGA芯片實現(xiàn)高精度發(fā)射波形產(chǎn)生和數(shù)字接收動態(tài)聚焦，進一步提高系統(tǒng)的數(shù)字化水平。

1 超聲相控陣檢測原理

相控陣超聲檢測系統(tǒng)由超聲陣列換能器和相應(yīng)的電子控制系統(tǒng)組成。超聲陣列換能器由多個相互獨立的壓電晶片按照一定的排列方式組成陣列。每個陣元都有自己獨立的發(fā)射和接收電路。利用電子技術(shù)控制超聲陣列換能器不同陣元之間的觸發(fā)延時時序，產(chǎn)生具有不同相位的超聲相干子波束在空間疊加干涉，達到聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)的效果（圖1）。

在相控陣超聲發(fā)射狀態(tài)下，陣列換能器中各個陣元按照一定延時規(guī)律順序激發(fā)，產(chǎn)生的超聲發(fā)射波束在檢測空間合成，形成聚焦點和指向性。改變各陣元激發(fā)的延時規(guī)律可以改變焦點位置和波束指向，實現(xiàn)在一定空間范圍內(nèi)的聚焦掃描。

在相控陣超聲接收狀態(tài)下，陣列換能器的各陣元接收聲場的反射信號，根據(jù)聚焦點的幾何位置按不同延時值進行延時，然后加權(quán)求和獲得接收合成聲束。在一次接收過程中實時改變聚焦延時值，可以實現(xiàn)動態(tài)跟蹤聚焦［3］。

2 系統(tǒng)硬件組成與功能實現(xiàn)

超聲相控陣檢測系統(tǒng)的主要功能是利用電子技術(shù)控制超聲聲束的聚焦與偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對被測工件的掃查，并對接收回波進一步分析成像。系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要包含超聲波發(fā)射接收電路、FPGA數(shù)據(jù)處理與控制模塊和ARM后處理模塊。

超聲波發(fā)射接收電路的主要功能是生成用于激發(fā)探頭陣元產(chǎn)生超聲波的高壓脈沖，以及實現(xiàn)對微弱的回波信號進行數(shù)控增益放大／衰減、帶通濾波和高速采樣。FPGA數(shù)據(jù)處理與控制模塊主要實現(xiàn)32通道脈沖激勵序列延時，超聲回波波束成形、壓縮、實時數(shù)據(jù)的雙向傳輸、儲存以及其他一些時序邏輯控制。ARM后處理模塊主要實現(xiàn)對合成后的波束進行相應(yīng)的成像算法處理，并轉(zhuǎn)化為二維圖形直觀顯示以及探傷標準的軟件實現(xiàn)、人機交互接口和一些相關(guān)外設(shè)的驅(qū)動。

2.1 超聲相控發(fā)射電路結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)

如圖2所示，超聲相控發(fā)射電路一般由發(fā)射波形生成模塊、高壓放大電路、開關(guān)復(fù)用電路組成。其工作過程如下：首先由ARM處理器根據(jù)設(shè)定的聚焦點計算出延時序列，儲存在FPGA內(nèi)部的RAM中。FPGA內(nèi)部延時計數(shù)器在發(fā)射同步信號的觸發(fā)下開始計數(shù)，當計數(shù)值等于某個通道的延時值時，該通道產(chǎn)生一個數(shù)字脈沖信號。將該信號送至脈沖產(chǎn)生模塊進行高壓放大，并通過開關(guān)復(fù)用到探頭某個指定的陣元上激勵產(chǎn)生超聲波。

圖2 超聲相控陣檢測系統(tǒng)硬件總體框圖

電路的脈沖放大模塊采用SUPERTEX公司的HV748。該芯片內(nèi)部集成了4個并行通道，單片封裝為7mm×7mm的QFN封裝，那么8個芯片就能實現(xiàn)32通道的發(fā)射功能，大大提高了系統(tǒng)的集成度。開關(guān)復(fù)用模塊選用的是HV2301，該芯片集成了8個獨立控制的高壓模擬開關(guān)?？梢酝ㄟ^SPI編程控制各開關(guān)的關(guān)斷。用16個芯片級聯(lián)與一個128陣元的探頭相連，通過FPGA編程實現(xiàn)128陣元與32個發(fā)射接收通道間的復(fù)用。

2.2 超聲相控接收電路結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)

超聲波接收電路是實現(xiàn)相控陣超聲成像系統(tǒng)硬件主要性能指標的關(guān)鍵之一。如圖2所示，一般由收發(fā)隔離電路、超聲接收模擬前端和接收波束成形模塊組成［4］。

超聲回波信號一般都很微弱，最小的只有幾毫伏，而發(fā)射端用于激勵探頭的脈沖信號則高達上百伏。這么高的電壓勢必會影響微弱回波信號的穩(wěn)定性，同時也會損壞后端元器件。為此設(shè)計采用Supertex公司的MD0100進行隔離，該芯片能有效阻止峰－峰值＞2V的信號通過，保證峰－峰值＜2V的小信號無失真地通過，起到了很好的隔離效果。

超聲波在媒介中傳播是有衰減的，傳播距離越大，衰減越大。因此不同深度的回波信號的幅值也不同。在信號進入ADC采樣之前需要對回波信號作適當?shù)恼{(diào)理，將信號電平調(diào)整到ADC的有效輸入范圍之內(nèi)。系統(tǒng)采用Analog Devices公司的AD9273來實現(xiàn)對模擬回波信號的調(diào)理和采樣。該芯片內(nèi)部含有八個獨立并行通道，各通道均由一個SPI可編程低噪聲放大器（LNA），一個可變增益放大器（VGA），一個抗混疊濾波器和一個采樣速率為10～50MSPS，12bit采樣精度的ADC級聯(lián)組成。各通道增益動態(tài)范圍為－42～0dB，最高增益可達52dB，可以動態(tài)改變其增益值以完成不同深度回波信號的調(diào)理?？膳渲每够殳B濾波器帶寬濾除有效帶寬外的噪聲，提高信噪比。采用LVDS輸出，不僅滿足ADC的高波特率輸出要求，而且極大地降低了對FPGA引腳資源的需求。

2.3 FPGA數(shù)據(jù)處理與控制模塊

系統(tǒng)完全采用數(shù)字化設(shè)計，因此涉及到許多控制信號的時序配合和大量高速數(shù)據(jù)的處理與存儲。FPGA具有豐富的可編程資源，集成度高，實現(xiàn)靈活，能夠很好地滿足設(shè)計要求。

圖3 FPGA數(shù)據(jù)處理與控制模塊結(jié)構(gòu)框圖

如圖3所示，給出了FPGA數(shù)據(jù)處理與控制模塊的功能結(jié)構(gòu)框圖。該模塊是實現(xiàn)超聲相控陣系統(tǒng)主要功能指標的核心所在。一般主要由發(fā)射波形產(chǎn)生模塊、接收波束成形模塊、延時控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、時序控制模塊等組成。

發(fā)射波形產(chǎn)生模塊根據(jù)探測要求產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖激勵序列，使合成超聲波束在空間產(chǎn)生預(yù)定的聚焦與偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)各種掃查方式。接收波束成形模塊采用正交包絡(luò)檢波的方法［5］提取各通道回波信號的包絡(luò)，然后疊加求和得到一條某一個特定方向上的掃描線。因為包絡(luò)是慢變信號，對延時精度要求不高，從而大大降低了由于高精度帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度和實現(xiàn)難度。延時控制模塊一方面精確控制超聲波發(fā)射端各通道的延時量以達到較好的聚焦偏轉(zhuǎn)效果，另一方面在接收過程中，實時計算各動態(tài)聚焦點到相應(yīng)接收陣元的延時量，動態(tài)跟蹤接收波形的相位以實現(xiàn)動態(tài)跟蹤聚焦，提高系統(tǒng)成像的清晰度。

系統(tǒng)選用Xilinx公司的Spartan 6芯片。該系列芯片內(nèi)部含有豐富的存儲器資源，有效解決大量延時數(shù)據(jù)的存儲；豐富的乘法器資源極大地提高了信號處理能力；性能優(yōu)秀的數(shù)字時鐘管理模塊易于實現(xiàn)較高的延時精度。

2.4 ARM后處理模塊

如圖4所示，給出了ARM后處理模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖。該模塊是實現(xiàn)超聲相控陣系統(tǒng)軟件功能和人機交互接口的關(guān)鍵所在。ARM的高性能的處理能力和較強的內(nèi)存管理技術(shù)能有效完成數(shù)據(jù)的后處理［6］，將探測結(jié)果以B，C，D，S等多種顯示模式直觀地呈現(xiàn)出來。同時它還有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備接口，如網(wǎng)口、串口、USB接口、非常適合便攜式嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，大大簡化了硬件的設(shè)計難度。

3 若干關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

3.1 基于FPGA的發(fā)射波束形成器

基于FPGA的發(fā)射波束形成器如圖5所示。FPGA外部時鐘輸入為50MHz，內(nèi)部倍頻至250MHz，利用其先進的數(shù)字時鐘管理模塊產(chǎn)生不同相位的四個時鐘信號：clk＿250M，clk＿250M＿90，clk＿250M＿180，clk＿250M＿270。相鄰兩個時鐘的時間相差1ns，因此可使系統(tǒng)發(fā)射延時精度達到1ns。具體實現(xiàn)過程如下：首先由ARM計算出各通道的延時值并寫入FPGA的RAM中，位寬為16bit。將低兩位作為選擇器的選通控制信號，選擇相應(yīng)的時鐘信號作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘。計數(shù)器檢測到同步信號后開始計數(shù)，當計數(shù)值等于延時值的高14位時產(chǎn)生使能信號，使能脈沖成形器產(chǎn)生激勵脈沖波形。

3.2 基于正交包絡(luò)檢波的接收波束形成技術(shù)

超聲回波信號是高頻脈沖信號，若直接采樣需要很高的采樣率才能得到比較精細的相位信息，對ADC的要求較高。而實際上只有在接收信號包絡(luò)中含有所需要的目標信息。如圖6所示，提出了一種非相干數(shù)字包絡(luò)檢波算法。該算法首先對回波信號采樣值進行數(shù)字包絡(luò)檢波，將回波信號從高頻變換到基帶，但仍保留原信號的包絡(luò)和時延引起的相位信息，然后再進行相位抵消的相關(guān)處理。該算法的優(yōu)點在于不需要很高的延時分辨率。

圖6 正交包絡(luò)檢波算法框圖

在具體實現(xiàn)時，由NCO產(chǎn)生與探頭中心頻率相同的參考信號，經(jīng)過混頻將接收回波信號搬移到基帶。但由于同一點的回波信號到達各陣元的距離不同，導(dǎo)致接收回波信號的包絡(luò)時延和由時延引起的相位也不同。因此需要對得到的基帶信號進行延時和相位的抵消處理。對于包絡(luò)時延，由于包絡(luò)是慢變信號，對時延精度要求并不高，可通過寄存器時延來實現(xiàn)；對于相位差，由于不同位置反射回波的相位差也不同，因此在接收過程中可動態(tài)跟蹤相位的變化并將其抵消，實現(xiàn)接收動態(tài)聚焦。然后，將32路回波信號加權(quán)求和、濾波形成一條特定方向的掃描線。

4 結(jié)語

提出了一種基于FPGA的高集成度超聲相控陣檢測系統(tǒng)的解決方案。系統(tǒng)完全采用數(shù)字化設(shè)計，利用FPGA豐富的資源和高速的處理能力，完成了系統(tǒng)核心功能的實現(xiàn)。同時，F(xiàn)PGA的可重配置特性十分方便以后硬件設(shè)計的升級換代。另外該方案擁有32個獨立的接收／發(fā)射通道，利用當前新型的高集成度芯片，大大降低了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度，為便攜式超聲相控陣探測系統(tǒng)的設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

［1］周琦，劉方軍，李志軍.超聲相控陣成像技術(shù)與應(yīng)用［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2002，25（3）：34－37.

［2］王華，單寶華，王鑫.超聲相控陣實時檢測系統(tǒng)的研制［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，40（5）：771－774.

［3］李衍.超聲相控陣技術(shù)［J］.無損探傷，2007，31（4）：24－28.

［4］Eberhard Brunner.Ultrasound System Considerations and their Impact on Front－End Components［M］.Analog Devices Inc，2002.

［5］seong Ho Chang，Song Bai Park，Gyu Hyong Cho.Phase－error－free quadrature sampling technique in the ultrasonic B－scan imaging system and its application to the synthetic focusing system［J］.IEEE Transactions on Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and Frequency Control，1993，40（3）：216－223.

［6］常青龍，徐大專，韓中波.基于ARM平臺的超聲波自動探傷系統(tǒng)的研制［J］.無損檢測，2009，31（12）：1015－1018.