余炎雄，陳智發(fā)，鄭 鑫

（汕頭市超聲儀器研究所有限公司，汕頭 515041）

1 超聲相控陣技術特點

超聲相控陣技術已成為工業(yè)超聲無損檢測的重要發(fā)展方向，廣泛地應用于交通、能源、航空航天等多個領域；特別是利用相控陣聲束偏轉和聚焦特性，可以對大量使用傳統(tǒng)探傷儀無法檢測的工件進行檢測，并可提高檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能［1］。

超聲相控陣檢測系統(tǒng)在發(fā)射信號時，控制加載到各個陣元上的延遲時間差，可以實現聲束的聚焦和偏轉，如圖1（a）所示。在接收過程中，按照相同的規(guī)則控制接收陣元接收并合成信號，可以實現接收過程的連續(xù)動態(tài)聚焦［2］。圖1（b）為超聲相控陣換能器16個陣元發(fā)射聲場聚焦示意圖，從圖中可看到，采用相控陣聚焦發(fā)射，能夠實現聲束的聚焦，提高超聲波在檢測區(qū)域的能量，進一步提高超聲的分辨率和信噪比。

圖1 相控陣技術發(fā)射聚焦和聲束聚焦示意

筆者介紹了一種以FPGA 和ARM9為核心的工業(yè)超聲相控陣硬件系統(tǒng)設計方案，并通過檢測試驗，對該系統(tǒng)的檢測靈敏度和分辨力進行了驗證。

2 硬件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)基于嵌入式ARM9計算機平臺，并具有相控陣電路和通用A 超電路功能，硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，其主要由三大部分組成：系統(tǒng)控制單元，相控陣單元和通用超聲單元。以ARM9CPU 為核心的計算機平臺，根據儀器的設置信息，產生各種超聲控制參數，并通過圖像參數總線下載到FPGA中。FPGA 根據接收到的參數來控制超聲硬件電路，并對接收到的超聲回波信號進行數字信號處理。ARM9CPU 根據接收到的回波數據進行字符圖像合成并將其顯示出來。

圖2 儀器硬件系統(tǒng)框圖

2.1 系統(tǒng)控制單元

系統(tǒng)控制部分由嵌入式ARM9計算機平臺及顯示電路構成。計算機平臺以ARM9CPU 為核心，SDRAM（同步動態(tài)隨機存儲器）、Nor Flash（非易失閃存）為外圍電路組成最小計算機系統(tǒng)，其中ARM9CPU 具有功耗低、控制功能強大和外設豐富的特點，目前已廣泛應用于工業(yè)控制領域。結合超聲相控陣檢測設備的需求，對計算機平臺功能進行了擴展和刪減。系統(tǒng)控制部分主要完成人機交互控制和超聲成像參數的計算與超聲圖像顯示工作。其中，人機交互控制指系統(tǒng)的各種人機交互接口和界面控制，包括鍵盤、USB 接口、網絡接口、VGA 接口等的響應控制；相控陣超聲收發(fā)參數計算包括各種相控陣超聲發(fā)射接收參數計算，例如聚焦法則計算等；相控陣圖像顯示控制部分完成各種超聲相控陣圖像顯示參數的計算。

控制平臺工作流程如圖3所示。系統(tǒng)控制平臺根據人機交互模塊的控制信息，計算產生超聲發(fā)射、接收控制以及顯示控制的參數，并將這些參數下載到超聲模塊。超聲顯示控制模塊將處理完成的超聲圖像傳遞到系統(tǒng)控制平臺。系統(tǒng)控制平臺將超聲圖像與字符進行合成，并將合成后的畫面送至顯示器進行顯示。

圖3 控制平臺工作流程

2.2 相控陣單元

相控陣單元主要由發(fā)射電路、脈沖分配高壓開關電路、前放及A／D 電路、相控陣FPGA 電路組成。FPGA 是相控陣單元的核心，具有強大的并行信號處理能力，與以ARM 為核心的系統(tǒng)單元互為補充，從而使整個系統(tǒng)在體積、功耗和運行速度等各方面達到平衡，以實現構建小體積、低功耗和高靈活性相控陣成像儀器的目標。

相控陣單元原理圖如圖4所示。

系統(tǒng)控制單元將客戶設置的參數轉換成相控陣部分的控制參數并傳輸到實時控制模塊。實時控制模塊根據系統(tǒng)設置，啟動第1條掃描線的發(fā)射控制。發(fā)射脈沖模塊根據設置來控制高壓激勵脈沖，根據延遲控制參數使高壓開關模塊閉合或斷開，從而使換能器各陣元發(fā)射的超聲波聲束形成預期的波陣面，發(fā)射完畢后反饋回實時控制單元。超聲波發(fā)射完成后，實時控制電路啟動接收控制。高壓開關模塊根據順序及延遲參數，控制高壓開關組閉合或斷開，將探頭各陣元的信號接收進來，并通過模擬接收模塊的放大器將信號放大，然后經模數轉換后將數字信號送入回波處理模塊。回波處理模塊根據接收聚焦法則，將各陣元信號根據延遲合成一條掃描線并存儲。經過多次的發(fā)射和接收處理，回波處理模塊得到所有陣元的回波數據即多條回波掃描線數據，這些數據經過數字掃描變換（DSC）處理為可顯示的線掃或扇掃（根據系統(tǒng)設置處理）后被送入系統(tǒng)控制單元，再經字符合成處理后送顯示器顯示。

圖4 相控陣單元原理圖

在上述系統(tǒng)中，回波處理模塊是相控陣單元的核心。其主要完成數字信號的波束合成，信號濾波與檢波處理，DSC掃描變換等功能。回波處理單元數據流程圖如圖5所示。

圖5 回波處理單元數據流程

2.3 通用超聲單元

通用超聲單元主要由發(fā)射電路、接收電路及數據處理電路組成，完成通用單晶或雙晶換能器的發(fā)射激勵和回波處理，其原理圖如圖6所示。

系統(tǒng)控制單元將客戶設置的參數轉換成控制參數并傳輸到通用超聲FPGA 中。通用超聲FPGA 根據重復頻率設置啟動發(fā)射控制，控制發(fā)射驅動模塊產生高壓驅動脈沖。發(fā)射脈沖模塊經過高壓儲能及充電后，在驅動脈沖作用下，產生高壓發(fā)射脈沖并加載到換能器上。模擬接收電路對換能器接收到的回波信號經過限幅、放大器及模數轉換后送入回波處理模塊。數字信號在回波處理模塊中（通用超聲FPGA）經過濾波、壓縮及檢波后，得到的波形數據被送入系統(tǒng)控制單元，同樣由系統(tǒng)控制單元將軟件文字及界面與圖像合成后送往顯示器顯示。

圖6 通用超聲原理圖

3 研制的設備及成像效果

3.1 設備展示

應用嵌入式ARM9計算機平臺成功開發(fā)一款工業(yè)超聲相控陣儀器，外觀如圖7所示。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、防護等級高等特點，可廣泛用于工業(yè)超聲無損檢測領域。系統(tǒng)主要特點是165.1mm（6.5英寸）TFT 液晶屏，分辨率640×480；能夠支持16～128陣元的一維線陣探頭；發(fā)射脈寬可調，發(fā)射能量強；發(fā)射單點聚焦，接收連續(xù)動態(tài)聚焦。同時具備常規(guī)和相控陣兩種使用模式，一機兩用，方便客戶的檢測和評估；具有線陣掃描、固定角度線陣掃描、扇形掃描、C 掃描和D 掃描等多種掃描成像方式；具備VGA 輸出接口、USB 接口，擴展性強；操作簡單，界面直觀，簡單易懂。

圖7 設備外觀圖片

3.2 B型圖像效果

使用B型相控陣試塊對系統(tǒng)的靈敏度和圖像分辨率進行了測試。試塊尺寸規(guī)格如圖8所示。該試塊材料為低碳鋼，在試塊的不同位置加工了多個直徑和排列方式不同的橫通孔，其中最小孔徑為1mm，孔徑最小間距為1mm。圖9展示了利用頻率為5MHz的64陣元探頭分別采用線掃、扇掃得到的圖像。

圖9（a）中橫通孔孔徑為1.5mm，兩個橫通孔之間的中心距為5mm。從圖9（a）中可以看出，在探頭掃描范圍內，均可以清晰地觀察到試塊的缺陷。

圖9（b）中橫通孔孔徑為2mm，圓弧上半部兩個橫通孔之間的最小距離為3mm，圓弧下末端兩個橫通孔之間最小距離為1mm。從圖9（b）中可看出相控陣儀器成像效果與缺陷實物完全一致。

在圖9（c），（d）中，使用扇形檢測方式對試塊進行了掃查，掃查試塊的缺陷部位與圖9（a），（b）中基本相同。從圖中可以看出，檢測結果可以清晰、準確地反映缺陷情況，檢測效果與圖9（a），（b）中使用0°，15°線掃的效果基本一致。

圖8 試塊尺寸示意

圖9 試塊的不同缺陷的線掃、扇掃成像

3.3 C／D 全數據記錄圖像

使用試塊尺寸規(guī)格如圖10所示。該試塊材料為有機玻璃，在試塊的不同位置加工A、B、C、D 四個字母，字母高度為35mm，間距為10mm，從左向右四個字母的深度分別是2，4，6，8mm。檢測時，在圖7所示的儀器上加裝配有編碼器的掃查架，掃查架帶動相控陣探頭進行移動，儀器全程記錄掃查數據并實時生成A、B、C、D 圖像。編碼器精度為0.5mm，探頭頻率為7.5 MHz，陣元個數為128陣元，掃描方式為線掃，圖11展示了其掃描效果。

圖10 試塊尺寸示意

圖11 C／D 掃描圖像

4 結語

介紹了一種以FPGA 和ARM9系列處理器為核心的工業(yè)超聲相控陣硬件系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)具有功耗低、體積小的特點，適應工業(yè)超聲相控陣便攜式的需求；通過驗證試驗表明，系統(tǒng)具有較高的檢測靈敏度和分辨力，具有很強的實用性。

［1］黃橋生，陳紅冬，龍毅，等.汽車機轉子菌形葉根超聲相控陣檢測［J］.無損檢測，2012，34（11）：77－79.

［2］劉建，徐大專.基于AD9273的超聲相控陣檢測系統(tǒng)設計［J］.無損檢測，2012，34（2）：48－51.