崔 娟，王紅亮，何常德，薛晨陽

(1.中北大學(xué)電子測試國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

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基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔 娟1,2，王紅亮1,2，何常德1,2，薛晨陽1,2

(1.中北大學(xué)電子測試國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

為了實(shí)現(xiàn)水下超聲成像系統(tǒng)中超聲信號的相控陣發(fā)射，提出并設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)。分析了相控聚焦的發(fā)射原理，利用FPGA豐富的I/O引腳和內(nèi)部邏輯資源實(shí)現(xiàn)了八通道超聲相控陣激勵(lì)信號的發(fā)射，并設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路對激勵(lì)信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換及放大，以有效驅(qū)動壓電換能器。通過實(shí)驗(yàn)測試表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超聲信號的相控聚焦發(fā)射，相控延時(shí)精度達(dá)到2.5 ns，發(fā)射信號穩(wěn)定，系統(tǒng)集成度高，可以應(yīng)用于水下超聲成像的實(shí)現(xiàn)。

水下超聲成像；相控陣；相控聚焦；FPGA；信號調(diào)理電路；壓電換能器

0 引言

超聲成像技術(shù)，特別是水下超聲成像，由于能夠直觀地反映水下被測物體性能，對被測物體進(jìn)行定性定量分析，成為近年來的研究熱點(diǎn)。超聲相控陣檢測技術(shù)是超聲成像的關(guān)鍵技術(shù)，是通過控制陣列換能器中各陣元發(fā)射信號和接收信號的相位延時(shí)，實(shí)現(xiàn)波束聚焦和偏轉(zhuǎn)等效果，從而完成相控陣波束合成，形成清晰的圖像[1-2]。目前水下超聲探測采用單一通道控制單個(gè)換能器發(fā)射超聲波，本文利用超聲相控陣檢測技術(shù)設(shè)計(jì)了1套相控陣超聲發(fā)射系統(tǒng)。它采用多陣列換能器，實(shí)現(xiàn)了水下超聲發(fā)射波束的聚焦和偏轉(zhuǎn)等效果，為后續(xù)成像實(shí)驗(yàn)提供技術(shù)支持。

1 相控聚焦發(fā)射原理

超聲相控陣發(fā)射的原理是，通過控制換能器陣列各陣元激勵(lì)信號的延遲時(shí)間，使得各陣元發(fā)射的超聲波束產(chǎn)生一定的相位差，在空間疊加形成波束聚焦和波束偏轉(zhuǎn)等效果[3-5]。相控聚焦發(fā)射時(shí)，換能器陣列各陣元的激勵(lì)信號延時(shí)從兩端到中間逐漸增大，各個(gè)獨(dú)立波陣面產(chǎn)生干涉并指向1個(gè)曲率中心，形成聚焦波束[6]，聲波在該點(diǎn)處同相疊加增強(qiáng)，在該點(diǎn)以外的空間反相疊加減弱甚至抵消，該點(diǎn)即為發(fā)射聚焦點(diǎn)。這樣就在聚焦點(diǎn)產(chǎn)生最強(qiáng)波，形成成像掃描。

圖1 相控發(fā)射聚焦原理圖

超聲相控陣發(fā)射聚焦原理如圖1所示。設(shè)陣元數(shù)為2n+1，陣元中心距為d，則換能器孔徑為2nd。若使各陣元發(fā)射的聲波聚焦點(diǎn)P距離陣列的垂直距離為L，則各陣元激勵(lì)信號的延遲時(shí)間為[7]：

(1)

2 超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)包括PC機(jī)、電源、串口、FPGA主控單元、信號調(diào)理電路和換能器陣列探頭等。其中FPGA作為整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的主控單元，承載著相控發(fā)射的延時(shí)控制。信號調(diào)理電路由D/A轉(zhuǎn)換、運(yùn)算放大和功率放大電路組成，目的是對激勵(lì)脈沖進(jìn)行放大處理以有效驅(qū)動換能器。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 超聲相控發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

CPLD和FPGA都是可編程邏輯器件，但FPGA在編程上比CPLD具有更大的靈活性，集成度也更高，具有更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實(shí)現(xiàn)，同時(shí)FPGA比CPLD功耗要小很多。本文選用的FPGA芯片是XC3S200芯片。該芯片集成度較高，具有195個(gè)最大用戶I/O和高達(dá)520 K分布式RAM，最高系統(tǒng)時(shí)鐘為340 MHz。

基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是，利用FPGA豐富的I/O引腳資源和高速計(jì)數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)換能器陣列發(fā)射波束的聚焦深度控制和自動偏轉(zhuǎn)角度控制[8]。FPGA相控發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 相控發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)框圖

相控延時(shí)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超聲相控陣發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)。相控延時(shí)精度和分辨率影響著超聲相控的成像效果。其均方根(RMS)延時(shí)量化誤差與主瓣幅值之比[9]為

(2)

可以看出，在陣元數(shù)目一定的前提下，提高相控延時(shí)的精度和分辨率，可以有效抑制聲束旁瓣，提高成像質(zhì)量。

現(xiàn)在相控延時(shí)的實(shí)現(xiàn)一般采用數(shù)字式發(fā)射延時(shí)。與過去的模擬延遲線相比，數(shù)字式發(fā)射延時(shí)具有精度高、可調(diào)性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[10～11]。數(shù)字式延時(shí)的實(shí)現(xiàn)分為粗延時(shí)和細(xì)延時(shí)。實(shí)現(xiàn)粗延時(shí)比較簡單。粗延時(shí)一般由采樣時(shí)鐘控制，延時(shí)值為采樣周期的整數(shù)倍。本文選用100 MHz晶振作為系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘，延時(shí)精度為10 ns。這個(gè)精度并不算很高。提高采樣時(shí)鐘可以提高延時(shí)精度，但同時(shí)會對硬件電路有更高的要求，由于硬件電路的限制，粗延時(shí)精度一般很難達(dá)到10 ns以上。因此必須進(jìn)行細(xì)延時(shí)設(shè)計(jì)。

本文采用數(shù)字脈沖相位差法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精細(xì)延時(shí)。思想是通過產(chǎn)生頻率相同、相位不同的時(shí)鐘信號，控制他們之間的相位差減小來提高延時(shí)精度。首先將100 MHz的采樣時(shí)鐘進(jìn)行2倍頻產(chǎn)生200 MHz信號，再取200 MHz頻率信號及其反相信號分別進(jìn)行2分頻，生成4路頻率均為100 MHz，但相位依次相差90°的信號，如圖4所示。這樣，定義初值不變，在這4路信號中任意選擇不同的信號，就能獲得最小相差為2.5 ns的延時(shí)。因此得到精細(xì)延時(shí)的精度為2.5 ns。

圖4 時(shí)鐘分頻延時(shí)輸出信號圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

本文選用的D/A轉(zhuǎn)換芯片是高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9708。該芯片具有18位的分辨率，轉(zhuǎn)換輸出的模擬波形幅值為2 V，頻率范圍為0～6.5 MHz。FPGA將發(fā)射信號的數(shù)據(jù)傳輸給AD9708，同時(shí)輸出一個(gè)時(shí)鐘信號控制AD9708在每個(gè)時(shí)鐘更新1次D/A輸出。

D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬波形幅值僅為2 V，不足以激勵(lì)換能器，因此還需對信號進(jìn)行幅值和功率放大。運(yùn)放芯片選用AD823，供電電壓為±18 V，這樣激勵(lì)信號經(jīng)運(yùn)算放大后的幅值就達(dá)到36 V。采用大功率場效應(yīng)管IRF740應(yīng)用于高頻功率放大電路，IRF740工作于開關(guān)狀態(tài)，具有輸入阻抗高、驅(qū)動電流小、開關(guān)速度快、高頻工作特性好等優(yōu)點(diǎn)[12]。功率放大電路處于D類工作狀態(tài)。具體的放大電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 發(fā)射信號放大電路設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足相控發(fā)射的要求，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺對相控陣超聲發(fā)射信號的特性及相控延時(shí)進(jìn)行了測試與分析。設(shè)計(jì)了八通道FPGA相控陣超聲發(fā)射板，F(xiàn)PGA作為系統(tǒng)的控制中心，主要作用是產(chǎn)生頻率為200 kHz的數(shù)字信號及片上延時(shí)算法的實(shí)現(xiàn)。外接八路信號調(diào)理電路，完成數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換及信號放大，輸出具有一定幅值和驅(qū)動能力的激勵(lì)信號。

實(shí)驗(yàn)所用的換能器采用一種小型的水下超聲壓電換能器陣列，陣元數(shù)為32，陣元中心距3.8 mm，中心頻率為200 kHz。發(fā)射換能器和接收換能器之間的距離為10 cm，編寫程序產(chǎn)生200 kHz的四脈沖方波激勵(lì)信號，用示波器測得發(fā)射端和接收端的信號如圖6所示。可以看出發(fā)射波形比較穩(wěn)定，幅值較大，接收信號波包明顯，干擾和失真小，可以經(jīng)采集卡采集進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

圖6 超聲信號發(fā)射和接收波形

設(shè)定聚焦深度為20 cm，編寫了六通道的相控聚焦延時(shí)程序下載到FPGA中，經(jīng)過信號調(diào)理電路處理，得到六通道相控聚焦發(fā)射激勵(lì)信號波形如圖7所示。各通道設(shè)置的延時(shí)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)測試的聚焦延時(shí)數(shù)據(jù)對比如表1所示。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表1數(shù)據(jù)可知，六通道相控聚焦延時(shí)發(fā)射實(shí)驗(yàn)測得的相對延時(shí)與理論相對延時(shí)之間的誤差小于2.5 ns，說明該系統(tǒng)延時(shí)精度達(dá)到了2.5 ns的精度，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 相控聚焦延時(shí)數(shù)據(jù) ns

圖7 相控聚焦發(fā)射波形圖

4 結(jié)論

與原有的水下超聲檢測系統(tǒng)研究相比，設(shè)計(jì)的超聲相控發(fā)射系統(tǒng)采用FPGA實(shí)現(xiàn)了多通道多陣列的超聲相控發(fā)射，實(shí)物測試結(jié)果理想，延時(shí)精度更高。通過理論研究結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試表明，發(fā)射信號穩(wěn)定，干擾和失真較小，能夠?qū)崿F(xiàn)相控發(fā)射波束的聚焦，相控延時(shí)精度達(dá)到2.5 ns。同時(shí)由于FPGA具有系統(tǒng)可重配置性能，使設(shè)計(jì)控制和修改更加靈活方便，也有利于系統(tǒng)的集成。

[1] 馮若.超聲手冊.南京:南京大學(xué)出版社，1999.

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

[3] MEYER P A，ANDERSON J W.Ultrasonic Testing Using Phased Arrays.Processing of 15th World Conference on NDT .Rome,2000.

[4] KRrLNING M.Improving the Inspect ability of Stainless Steel and Dissimilar Metal Welded Joints Using Inverse Phase-Matching of Phased Array Time-Domain Signals.17thWorld Conference on Nondestructive Testing，Shanghai，2008.

[5] 李衍.超聲相控陣技術(shù).無損探傷，2008，32(2)：45.

[6] 況迎輝.超聲相控陣探頭的模型研究與參數(shù)優(yōu)化.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010,23(12)：1731-1735.

[7] 程繼龍.超聲相控陣檢測關(guān)鍵技術(shù)的研究：[學(xué)位論文].南京：南京航空航天大學(xué).2010.

[8] 孔超，魏恭，師芳芳，等.超聲相控陣系統(tǒng)中高精度相控發(fā)射和相控信號并行處理的實(shí)現(xiàn).無損檢測，2010，32(12)：966～969.

[9] 鮑曉宇，施克仁，陳以方，等.超聲相控陣系統(tǒng)中高精度相控發(fā)射的實(shí)現(xiàn).清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，44(2)：153-156.

[10] CANCRE F，LAFONTAINE G，VERSPEELT D.Potential of Ultrasonic Phased Arrays for Faster,Better and Cheaper Inspections [J/OL].2000[2000-10].http:// www.ndt.net.

[11] 楊斌，王召巴，陳友興.基于CPLD的超聲相控陣高精度相控發(fā)射系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).中國測試技術(shù)，2007，33(2)：10-12.

[12] 段言威.水下多陣列超聲波發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì):[學(xué)位論文].南京： 南京理工大學(xué)，2007.

Design of Ultrasonic Phased Array Transmission System Based on FPGA

CUI Juan1,2,WANG Hong-liang1,2,HE Chang-de1,2,XUE Chen-yang1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Key laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，North University of China, Ministry of Education,Taiyuan 030051,China)

In order to enhance the ultrasonic signal phased array transmission of underwater ultrasonic imaging system,the ultrasonic phased array transmission system based on FPGA was designed.The transmission principle of phased focus was analyzed,and the eight channel ultrasonic phased array transmission system was achieved by using FPGA with rich I/O pins and internal logic resources.Then the signal conditioning circuit for excitation signal D/A conversion and amplification were designed to motivate the piezoelectric transducer effectively.The actual test results show that the system realizes ultrasonic signal phased array focus transmission,and the phase delay precision is 2.5 ns.The system is with high integration and stable transmission,and it can be applied to the underwater ultrasonic imaging implementation.

underwater ultrasonic imaging; phased array; phased focus; FPGA; signal conditioning circuit; piezoelectric transducer

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61127008)

2014-11-19 收修改稿日期：2015-02-13

TN552

A

1002-1841(2015)07-0054-03

崔娟(1992- )，碩士研究生在讀，主要研究方向?yàn)槌晸Q能器設(shè)計(jì)和超聲成像系統(tǒng)。E-mail：cjj0229@sina.com. 王紅亮(1978- )，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向測試系統(tǒng)集成和水聲成像。E-mail：wanghongliang@nuc.edu.cn.