李杏華,江尚良,劉全利,王 雪,蘇智琨

(1.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室,天津 300072;2.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院,河北 廊坊 065000)

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高精度波束形成的相控陣超聲系統(tǒng)研究*

李杏華1*,江尚良1,劉全利2,王 雪2,蘇智琨1

(1.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室,天津 300072;2.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院,河北 廊坊 065000)

為深入研究管道環(huán)焊縫缺陷特性,需要相控陣檢測系統(tǒng)提供完全控制激勵信號參數(shù)和獲得接收回波信號的特性,針對該問題設(shè)計了32個模擬通道,可接入128個陣元,數(shù)字化頻率達到125 Msample/s的相控陣超聲檢測系統(tǒng)。采用流水線式延時實現(xiàn)小數(shù)倍延時,脈沖發(fā)射延時精度為2.5 ns;使用Master-Slave結(jié)構(gòu)的管理方式,在硬件上合理分配資源,對回波數(shù)據(jù)進行線性插值,同時根據(jù)脈沖的延時方案對各通道的插值數(shù)據(jù)進行存儲,實現(xiàn)高精度數(shù)字波束形成。使用Hilbert變換提取形成波束在FIR濾波器濾波前后的包絡(luò),得到濾波后信噪比提高了9.4 dB。對標(biāo)準(zhǔn)試塊進行缺陷檢測實驗,實驗表明在深度上缺陷定位的相對誤差為1.7%,相對于現(xiàn)有系統(tǒng)檢測精度提高了接近2倍。

相控陣;波束形成;延時;FPGA

隨著相控陣檢測技術(shù)的進步,包括集成電路、波束合成技術(shù)、換能器等,相控陣系統(tǒng)應(yīng)用范圍越來越廣[1]。相控陣超聲系統(tǒng)的研究主要包括硬件器件的選擇、換能器的設(shè)計和開發(fā)、陣列信號處理和波束形成等[2-4]。

國外研發(fā)的相控陣探傷儀已經(jīng)商業(yè)化,如Olympus生產(chǎn)的TomoScan系列和OmniScan系列。但是商業(yè)設(shè)備不能提供完全控制激勵信號參數(shù)和獲得接收回波信號的特性,而且價格昂貴,因此急需開發(fā)一套開放的相控陣檢測系統(tǒng)。Jensen J A等為了減少系統(tǒng)的復(fù)雜度,達到較高的空間分辨率,提出了合成孔徑的方法,但是這種方法損失了對比度分辨率[5];Diarra B等將模擬退火算法結(jié)合隨機稀疏陣列,有效地減少激活陣元數(shù),同時最小化旁瓣效應(yīng)[6];Hasegawa H等使用發(fā)散發(fā)射波束和并行接收波束形成,達到超過300 Hz的高幀率,圖像分辨率比稀疏掃描好[7];Rasmussen M F等對相控陣合成孔徑和并行波束形成進行對比,提出了每種方法的優(yōu)缺點[8]。與國外相比國內(nèi)的起步較晚,主要是高校和研究機構(gòu)在做這方面的工作。南京信息工程大學(xué)的孫亞杰等采用直方圖匹配、模糊集的方法增強相控陣檢測圖像,從而提高圖像的可識別度[9-10];天津大學(xué)的李建等結(jié)合小波包和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),對碳纖維增強復(fù)合材料的不同缺陷的識別率達到95.7%[11];北京大學(xué)的高鵬等利用非線性超聲相控陣檢測,具有空間分辨率高、缺陷分辨率強等優(yōu)點[12];天津大學(xué)的焦志海等利用數(shù)字正交解調(diào)技術(shù),實現(xiàn)數(shù)字波束合成信號包絡(luò)幅值的提取,橫向分辨率提高25%,信噪比提高了3.7 dB[13]。在這些研究中,具有同樣的目的就是提高檢測分辨率,但是為了減少系統(tǒng)復(fù)雜性及系統(tǒng)成本,會減少激活陣元數(shù),這樣即使運用了一些方法,由于受到硬件基礎(chǔ)的限制,檢測效果還是不理想。

綜合考慮國外商業(yè)設(shè)備的限制及目前國內(nèi)研發(fā)的系統(tǒng)具有規(guī)模小、通道數(shù)少、處理能力低的局限,本文開發(fā)了一套能夠提供完全控制激勵信號參數(shù)和獲得接收回波信號的特性的相控陣檢測系統(tǒng),其具有32個獨立通道,可接入128個晶片,數(shù)字化頻率達到125 Msample/s。該系統(tǒng)使用分布式硬件結(jié)構(gòu),采用Master-Slave結(jié)構(gòu)的管理方式,利用流水線式延時技術(shù)實現(xiàn)脈沖發(fā)射的小數(shù)倍延時,通過對回波數(shù)據(jù)進行線性插值,采用對RAM尋址的方式,獲得數(shù)字合成波束。在對比實驗中,本文設(shè)計的系統(tǒng)和M2M Pocket 16×64超聲相控陣檢測系統(tǒng)分別對同一個標(biāo)準(zhǔn)試塊中的同一缺陷進行檢測,實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)對缺陷的檢測精度提高了接近2倍。

1 相控陣檢測原理

相控陣檢測的基本原理是通過控制每個聲波從各自聲源發(fā)出的時間不同,使得聲波在相交處產(chǎn)生聲能增強或削弱的相位效果,實現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。工業(yè)中常用的相控陣探頭通常與楔塊組合一起使用,晶片向楔塊發(fā)射聲波[14]。如圖1所示是相控陣換能器聲束偏轉(zhuǎn)聚焦的示意圖,x軸表示楔塊與被測材料的分界面,z軸穿過陣列中心(x0,z0)[15]。根據(jù)幾何關(guān)系及snell定理可得第n個陣元的延時值為:

(1)

式中:τ0是一個足夠大的常數(shù),以避免τn出現(xiàn)負(fù)的延遲時間。

圖1 相控陣換能器聲束偏轉(zhuǎn)聚焦的示意圖

聲波遇到被測物體底面或缺陷時會發(fā)生反射,反射回來的信號叫做回波信號。回波信號最基本的表現(xiàn)形式是A掃描,即波形顯示。對于A掃信號,通過計算缺陷回波的聲程來定位缺陷。當(dāng)移動探頭時,同一個缺陷會出現(xiàn)在多個A掃信號中。當(dāng)聲束聚焦到缺陷邊緣時,A掃信號會出現(xiàn)小峰值,隨著聲束聚焦點靠近缺陷中心位置時,A掃信號的小峰值會越來越大,當(dāng)聲束聚焦點遠(yuǎn)離缺陷中心時,A掃信號的小峰值越來越小,直到小峰值消失。當(dāng)A掃信號出現(xiàn)最大值時,根據(jù)此A掃信號就可以計算出缺陷的中心位置。

圖2 相控陣超聲系統(tǒng)的原理框圖

2 相控陣檢測系統(tǒng)

如圖2所示為用于管道缺陷檢測的相控陣超聲系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)可以接入128個陣元、具有32個模擬通道。接入128個陣元意味著最多可以同時發(fā)射128個激勵脈沖,這樣可以提高脈沖發(fā)射功率,提高系統(tǒng)信噪比。32個模擬通道可以同時采集32個回波信號,保證系統(tǒng)具有較高的空間分辨率。系統(tǒng)的通道數(shù)多,數(shù)字化頻率高達125 Msample/s,使得數(shù)據(jù)量大,而且考慮到FPGA資源分配的問題,采用主從模式來實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的處理。系統(tǒng)是自主開發(fā)的,底層硬件對使用者完全開放,可以根據(jù)要求設(shè)置高壓脈沖的參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號,獲得所有通道的回波數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)工作過程是Slave FPGA接收到發(fā)射聚焦參數(shù),包括脈沖極性、高壓幅值、發(fā)射孔徑、各陣元的延時等,生成高壓脈沖控制信號,發(fā)送到高壓脈沖發(fā)射電路中,其中每個高壓脈沖需要兩個控制信號實現(xiàn)4種狀態(tài),分別為發(fā)射建立、發(fā)射正高壓、發(fā)射負(fù)高壓、接收回波。Master FPGA控制模擬前端的工作模式,包括通道選擇、增益調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率、數(shù)據(jù)位數(shù)、差分阻抗匹配,其中最多能從128中選擇32通道,采用兩級增益,最大增益為96 dB,數(shù)據(jù)位數(shù)12 bit。接著兩個FPGA通過高速串行總線LVDS分別采集16路模擬信號,分別進行波束形成,然后Slave FPGA將形成后的數(shù)據(jù)通過LVDS發(fā)送到Master FPGA中實現(xiàn)最終波束形成,并且將形成波束發(fā)送到上位機中。

3 主從波束形成設(shè)計

3.1 脈沖信號的產(chǎn)生

Slave FPGA產(chǎn)生脈沖控制信號,從而產(chǎn)生脈沖信號。為了實現(xiàn)聲束聚焦,由式(1)計算得出每個通道的脈沖信號延時。延時是由系統(tǒng)工作頻率倒數(shù)Ts的整數(shù)倍和小數(shù)倍之和形成,可表示為:

τn=pTs+qTa

(2)

式中:p、q為整數(shù),Ta為延時精度。整數(shù)倍的延時,通過對工作頻率計數(shù)即可實現(xiàn)。小數(shù)倍的延時決定了系統(tǒng)的延時精度,采用流水線式延時實現(xiàn)小數(shù)倍延時。這種方式中,需要使用多個不同相位的時鐘,根據(jù)不同的延時值使用相應(yīng)的工作時鐘。

圖3 流水線式延時時鐘關(guān)系

如圖3所示為時鐘的相位關(guān)系,每個時鐘的頻率為100 MHz,相鄰時鐘延時差為2.5 ns。以T0為基準(zhǔn),T1偏轉(zhuǎn)90°,T2偏轉(zhuǎn)180°,T3偏轉(zhuǎn)270°,延時值分別為2.5 ns、5 ns、7.5 ns。通過這種流水線式延時,可以實現(xiàn)脈沖發(fā)射延時精度為2.5 ns。提高時鐘頻率就可以提高延時精度,但是時鐘頻率高的話本身的抖動較大會影響延時精度,同時會增大時序約束的難度。綜合考慮,本設(shè)計中采用100 MHz時鐘,延時精度達到2.5 ns。

根據(jù)不同的延時值,通過時鐘選擇器從4個不同相位的時鐘選擇其中一個作為對應(yīng)通道產(chǎn)生脈沖控制信號的工作時鐘。如圖4所示為產(chǎn)生脈沖的框圖,Master FPGA根據(jù)一定的頻率向Slave FPGA發(fā)送通道延時值,完成發(fā)送延時值的下一個周期發(fā)送計數(shù)觸發(fā)信號。Slave FPGA收到計數(shù)觸發(fā)信號后,各個通道選擇相應(yīng)的時鐘開始計數(shù),計數(shù)到相應(yīng)的延時值后,產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號。此信號觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊輸出脈沖芯片的控制信號,從而為各個通道產(chǎn)生具有一定延時并且延時精度為2.5 ns的脈沖信號。為了保證延時精度達到設(shè)計要求,對整體設(shè)計添加時序約束,從而使得設(shè)計滿足建立保持關(guān)系的要求。

圖4 產(chǎn)生脈沖的框圖

3.2 接收波束形成及數(shù)據(jù)處理

本文采用的主從接收模式是針對整體規(guī)模大的系統(tǒng)設(shè)計的,如圖5所示為主從波束形成的結(jié)構(gòu)。全部通道分兩組,先進行組內(nèi)的波束形成,然后再進行組間波束形成。各通道插值后的信號經(jīng)過延時、求和形成次級波束,接著Slave FPGA將波束發(fā)送到Master FPGA中,形成最終波束,主從波束形成可表示為:

(3)

式中:i=1,2,分別代表主從;j=1,2,…,16,表示主從中的通道;τij表示主或從的第j通道的延時,由式(1)計算得出;y(n)為最終形成波束。

圖5 主從波束形成的結(jié)構(gòu)

為了使各通道的回波數(shù)據(jù)同相相加,需要為每個通道的回波數(shù)據(jù)進行延時,實現(xiàn)時間補償。由于采樣率相對于回波信號的最高頻率大較多倍,數(shù)字回波信號很好地記錄了模擬信號的信息,因此本文采用4X線性插值的方法,使得接收聚焦的延時精度達到2.5 ns?；夭ㄐ盘柕牟蓸又芷跒?0 ns,需要在兩個采樣點之間插入3個數(shù)據(jù)。假設(shè)相鄰的兩個采樣點分別為x(n)、x(n+1),插值點分別為x1、x2、x3,采用式(4)～式(6)可以僅使用一個周期計算出插值數(shù)據(jù),提高了FPGA的工作效率。

(4)

(5)

(6)

本設(shè)計通過對RAM尋址實現(xiàn)延時,尋址方式如圖6所示,箭頭指向的單元為每個通道存儲的首地址。延時是將第1個數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)的延時值寫到對應(yīng)地址的單元中,然后依次將插值數(shù)據(jù)寫入到RAM中。根據(jù)延時值計算出插值數(shù)據(jù)存儲的首地址是延時的關(guān)鍵。插值完成后相鄰數(shù)據(jù)點的時間間隔為2.5 ns,因此在RAM中相鄰單元的延時為2.5 ns。根據(jù)式(2)可以得出存儲器的首地址FA為:

(7)

本設(shè)計中Ts為10 ns,Ta為2.5 ns,因此假設(shè)延時值為32.5 ns,可得p=3,q=1,可得FA為13。在插值并且數(shù)據(jù)存放完成后,同時也實現(xiàn)了延時。此時各通道對應(yīng)的RAM的相同地址的數(shù)據(jù)的相位一致,因此對各通道進行求和時只需要將不同RAM中相同地址的數(shù)據(jù)求和,實現(xiàn)數(shù)字波束形成。

圖6 RAM尋址方式

圖7 濾波前后的形成波束包絡(luò)

為了定量分析合成波束的信號質(zhì)量,提取濾波前后信號的包絡(luò),求其信噪比。圖7所示為采用Hilbert變換提取形成波束在FIR濾波器濾波前后的包絡(luò)。從圖7可以計算出合成波束濾波前的信噪比為19.6 dB,濾波后的信噪比為29 dB,信噪比提高了9.4 dB。

4 相控陣檢測系統(tǒng)實驗結(jié)果及分析

為了檢驗相控陣系統(tǒng)的缺陷檢測能力,設(shè)計如下的缺陷檢測實驗。實驗的目的是檢測坡口焊縫中熱焊區(qū)的缺陷,實驗中使用的是標(biāo)準(zhǔn)試塊,缺陷位于熱焊區(qū)中心,坡口形狀及參數(shù)如圖8所示,實驗中使用的換能器參數(shù)如表1所示,采樣率為100 MHz。

圖8 坡口形狀及參數(shù)(單位:mm)

參數(shù)名稱參數(shù)值中心頻率/MHz5陣元數(shù)量/個64陣元間距/mm0．6激活孔徑/mm38．4高度/mm10

實驗中首先將換能器移動到使聲束聚焦到熱焊區(qū)的位置,然后再以2 mm的步進沿著管道周向移動探頭,每移動一次記錄一組A掃信號。從檢測到缺陷到移出缺陷,可以獲得多組A掃信號,如圖9所示,(a)～(g)分別代表聲束聚焦到缺陷邊緣到缺陷中心到離開缺陷過程的A掃信號,圖中的波形是延時45.9 μs開始截取,波束在楔塊中的延時為34 μs。當(dāng)出現(xiàn)最大波時,意味著聲束打在熱焊區(qū)缺陷的中心位置,從時間軸上看,最大波出現(xiàn)的位置為7.65 μs。波束在鋼中的傳播路徑如圖8虛線所示,根據(jù)幾何關(guān)系及傳播延時,可得出檢測到熱焊區(qū)中心的深度為14.47 mm。與實際深度相比,誤差為0.25 mm,相對誤差為1.7%。采用這種最原始的方法定位缺陷,在深度上達到1.7%的相對誤差是比較小的?？梢娫O(shè)計的32通道相控陣檢測系統(tǒng)具有較高定位精度。

圖9 (a-g)分別是聲束聚焦到缺陷邊緣到缺陷中心到離開缺陷過程的A掃信號

圖10 M2M Pocket 16×64聲束聚焦到缺陷中心的A掃信號

為了進一步說明系統(tǒng)的高精度特性,本文使用M2M Pocket 16×64超聲相控陣檢測系統(tǒng)檢測圖8所示的坡口焊縫中熱焊區(qū)的缺陷。此系統(tǒng)具有16個獨立通道,可接入64個晶片。實驗中使用的換能器參數(shù)如表1所示,與本文設(shè)計的系統(tǒng)使用相同電機。在電機移動過程中,出現(xiàn)的最大波如圖10所示,此波形同樣延時45.9 μs開始截取,波束在楔塊中的延時為34 μs。此波形為聲束打在熱焊區(qū)缺陷的中心位置時的回波,從時間軸上看,最大波出現(xiàn)的位置為7.85 μs。使用同樣的方法可計算出檢測到熱焊區(qū)中心的深度為14.25 mm。與實際深度相比,誤差為0.47 mm,相對誤差為3.2%。

以上兩個實驗中,檢測相同缺陷、使用相同電機及換能器的情況下,分別使用兩套系統(tǒng),本文設(shè)計的系統(tǒng)具有32個獨立通道,M2M Pocket 16×64超聲相控陣檢測系統(tǒng)是16個獨立通道。實驗結(jié)果表明本文設(shè)計的系統(tǒng)相對于現(xiàn)有的設(shè)備具有較高的精度,檢測精度提高了接近2倍,同時也表明了通道數(shù)多的系統(tǒng)的優(yōu)越。

5 結(jié)論

設(shè)計并實現(xiàn)通道數(shù)多、數(shù)字化頻率高的相控陣超聲檢測系統(tǒng),采用流水線式延時技術(shù)實現(xiàn)脈沖發(fā)射的小數(shù)倍延時,采用Master-Slave結(jié)構(gòu),對回波數(shù)據(jù)進行插值以及使用對RAM尋址的方式實現(xiàn)高精度波束形成。通過Hilbert變換實現(xiàn)對形成波束包絡(luò)的提取,比較FIR濾波器濾波前后的信噪比,濾波后信噪比提高了9.4 dB。對標(biāo)準(zhǔn)試塊進行缺陷檢測實驗,實驗表明系統(tǒng)能夠有效定位缺陷,深度上的相對誤差為1.7%,相對于現(xiàn)有設(shè)備檢測精度提高了接近2倍。結(jié)合開放的接收發(fā)射單元,系統(tǒng)能夠滿足深入研究管道環(huán)焊縫缺陷特性的要求,同時需要相對較低的設(shè)備成本。

[1] Tsakalakis M,Bourbakis N G. Designing of a Low-Cost,Volumetric Multi-Transducer Phased Array Ultrasound System[C]//Bioinformatics and Bioengineering(BIBE),2015 IEEE 15th International Conference on. IEEE,2015:1-7.

[2] 盧超,勞巾潔,戴翔. 帶楔塊二維面陣列超聲相控陣聲場特性分析[J]. 聲學(xué)學(xué)報,2014,39(6):714-722.

[3] 王文龍,師芳芳,張茉莉,等. 凹面線性相控陣聚焦與掃描成像[J]. 聲學(xué)學(xué)報,2008,33(2):164-170.

[4] Matrone G,Savoia A S,Caliano G,et al. The Delay Multiply and Sum Beamforming Algorithm in Ultrasound B-Mode Medical Imaging[J]. Medical Imaging,IEEE Transactions on,2015,34(4):940-949.

[5] Jensen J A,Nikolov S I,Gammelmark K L,et al. Synthetic Aperture Ultrasound Imaging.[J]. Ultrasonics,2006,44(8):e5-15.

[6] Diarra B,Liebgott H,Tortoli P,et al. Sparse Array Techniques for 2D Array Ultrasound Imaging[C]//Acoustics 2012:1591-1596.

[7] Hasegawa H,Kanai H. High-Frame-Rate Echocardiography Using Diverging Transmit Beams and Parallel Receive Beamforming[J]. Journal of Medical Ultrasonics,2011,38(3):129-140.

[8] Rasmussen M F,Jensen J A. Comparison of 3-D Synthetic Aperture Phased-Array Ultrasound Imaging and Parallel Beamforming[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2014,61(10):1638-1650.

[9] 孫亞杰,高藝,薛瑤環(huán),等. 相控陣超聲監(jiān)測成像與直方圖匹配圖像增強實驗研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2015,28(1):86-92.

[10] 孫亞杰,姜劍,張永宏. 基于模糊集的相控陣超聲監(jiān)測成像圖像增強研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2014,27(11):1522-1526.

[11] 李健,郭薇,楊曉霞,等. 超聲相控陣檢測 CFRP 缺陷識別方法[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2015,48(8):750-756.

[12] 高鵬,李法新. 非線性超聲相控陣無損檢測系統(tǒng)及實驗研究[J]. 實驗力學(xué),2014,29(1):1-11.

[13] 焦志海,陳曉冬,李瑩,等. 高精度數(shù)字波束合成的內(nèi)鏡超聲相控陣成像[J]. 光電工程,2015,42(3):28-32.

[14] Sagdiev R K,Denisov E S,Evdokimov Y K,et al. Phased Array Based Ultrasound Scanning System Development[C]//IOP Conference Series:Materials Science and Engineering. IOP Publishing,2014,69(1):1-6.

[15] 孫芳,曾周末,王曉媛,等. 界面條件下線型超聲相控陣聲場特性研究[J]. 物理學(xué)報,2011,60(9):435-440.

李杏華(1976-),男,江西南昌人,博士,天津大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事圖像跟蹤、硬件處理、海量數(shù)據(jù)存儲與傳輸技術(shù)、超聲檢測技術(shù)的研究,li.xinghua@126.com;

江尚良(1991-),男,福建龍巖人,在讀碩士研究生,主要從事硬件處理、超聲檢測技術(shù)的研究,jiangshangliang@tju.edu.cn。

Research on Phased Array Ultrasonic System with High-Precision Beamforming*

LIXinghua1*,JIANGShangliang1,LIUQuanli2,WANGXue2,SUZhikun1

(1.State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.China Petroleum Natural Gas Pipeline Scientific Research Academy,Langfang Heibei 065000,China)

In order to deepen the study on features of girth weld defects of pipeline,full control of excitation signal parameters and access to the received echo-signals should be provided. A phased array ultrasonic testing system was designed with 32 analog channels,which can connect 128 elements and run at the condition of 125 Msample/s(Million Samples per Second)digitalization frequency. Pipelined delay was adopted,which can realize fractional delay. The impulse transmission delay accuracy is 2.5 ns. Master-Slave management mode was used. Thus,the device can allocate resources reasonably,and high-precision digital beamforming can be realized by doing linear interpolation for echo data and saving the data after interpolating according to the delay scheme of pulse. Hilbert transform is adopted to extract envelopes of synthetic ultrasonic signal. After comparing signal to noise ratios(SNR)before and after filtering by FIR filter,it can be found that SNR after filtering is 9.4 dB higher. Moreover,a defect detection experiment was made toward the standard test block. The result shows that the defect position relative error in depth is 1.7%,which is nearly twice as high as that of the existing system.

phased array;beamforming;delay;FPGA

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(51375338)

2016-08-15 修改日期:2016-11-30

TP274+.2

A

1004-1699(2017)03-0471-06

C:7220

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.023