於煒力，曹永剛，王月兵

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

0 引言

相控陣超聲成像技術(shù)作為一種新型水聲成像技術(shù)，通過(guò)控制陣列換能器中各陣元發(fā)射和接收信號(hào)的相位延時(shí)，實(shí)現(xiàn)波束聚焦和偏轉(zhuǎn)等效果，再利用波束合成，獲得清晰的圖像[1]。

以往的水下超聲探測(cè)多采用單通道控制單個(gè)換能器發(fā)射聲波，因此實(shí)現(xiàn)多通道多陣列超聲相控陣高壓精確延時(shí)發(fā)射以及高速實(shí)時(shí)的傳輸數(shù)據(jù)成為了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[2-3]。駱英等設(shè)計(jì)了基于單片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)相控延時(shí)算法以及相控延時(shí)控制的系統(tǒng)，在250 kHz發(fā)射信號(hào)下實(shí)現(xiàn)了3.75 ns的延時(shí)精度[4]。崔娟等設(shè)計(jì)了8通道的超聲相控陣發(fā)射，利用RS232串口通信進(jìn)行延時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)送，相控延時(shí)精度達(dá)到了2.5 ns[5]。鄧鷹飛等利用二極管加電阻構(gòu)成鉗位電路對(duì)超聲相控陣信號(hào)進(jìn)行鉗位，通過(guò)改變信號(hào)的相位、脈寬、幅值、脈沖重復(fù)頻率達(dá)到高壓發(fā)射聚焦的目的，延時(shí)精度能夠達(dá)到2.5 ns[6]。

上述研究中，延時(shí)精度還不夠高，采用的高壓發(fā)射電路較復(fù)雜，很難能實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)32陣元的超聲換能器，實(shí)現(xiàn)了水下超聲發(fā)射波束的聚焦和偏轉(zhuǎn)；采用千兆以太網(wǎng)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸；并且利用四通道高壓脈沖發(fā)射器MAX4940設(shè)計(jì)了高壓脈沖發(fā)射電路，為后續(xù)的水下物體探測(cè)實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)支持。

1 超聲相控聚焦原理

相控陣探頭的陣元是按一定的形狀、尺寸排列而構(gòu)成的。通過(guò)軟件電子技術(shù)可以控制陣元陣列按照設(shè)定好的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行激勵(lì)，使得不同的陣元在不同的時(shí)刻激勵(lì)，所產(chǎn)生的不同相位的超聲相干子波束在空間中疊加干涉，合成具有偏轉(zhuǎn)或者聚焦效果的聲束[7]。相控聚焦發(fā)射時(shí)，換能器陣列各陣元的激勵(lì)信號(hào)延時(shí)從兩端到中間逐漸擴(kuò)大，各個(gè)獨(dú)立波陣面產(chǎn)生干涉并指向一個(gè)曲率中心，形成聚焦波束[8]，其原理如圖1所示。

圖1 相控聲束聚焦原理圖

根據(jù)圖1計(jì)算出換能器各陣元激勵(lì)信號(hào)的延遲時(shí)間為

(1)

式中：n=0，±1，±2，…，±(N-1)/2；F為焦距；d為相鄰陣元中心間距。

2 UDP通信協(xié)議

UDP(user datagram protocol)是一種簡(jiǎn)單的傳輸協(xié)議，其主要面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層。數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，每個(gè)要傳輸發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)，都會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的UDP首部，然后再加上對(duì)應(yīng)的IP的首部，這樣就會(huì)組成一個(gè)完整的待傳輸發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)[9]。UDP沒(méi)有建立連接、撤銷(xiāo)連接、確認(rèn)報(bào)文等開(kāi)銷(xiāo)，因而相對(duì)于TCP協(xié)議，它的執(zhí)行速度更快，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，具有很高的數(shù)據(jù)傳輸效率而且它對(duì)系統(tǒng)造成的負(fù)載較低[10]。UDP數(shù)據(jù)報(bào)格式如圖2所示。

圖2 UDP數(shù)據(jù)報(bào)格式

3 超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研制的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)包括PC機(jī)、電源模塊、千兆以太網(wǎng)模塊、FPGA主控單元、高壓脈沖信號(hào)發(fā)射電路和相控聚焦超聲換能器等。其中FPGA作為系統(tǒng)的主控單元和信號(hào)發(fā)生模塊，用于32路不同延時(shí)波形信號(hào)的產(chǎn)生，波形信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后激勵(lì)相控聚焦超聲換能器。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)框圖

3.1 千兆以太網(wǎng)通信設(shè)計(jì)

本文選用Cyclone IV系列EP4CE30F23C7芯片作為硬件電路FPGA控制器，選用RTL8211EG 以太網(wǎng)GPHY芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議采用Ethernet UDP 通信協(xié)議。FPGA 控制器通過(guò) GMII 總線(xiàn)和電路板上的 Gigabit Ethernet PHY 芯片進(jìn)行通信，Gigabit Ethernet PHY 芯片把數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)發(fā)給PC機(jī)[11]。整個(gè)系統(tǒng)的硬件連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 MAC控制器與PHY芯片接口圖

根據(jù)UDP通信協(xié)議，經(jīng)過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送3個(gè)包給FPGA，第一個(gè)包為4字節(jié)的命令控制字，后兩包為待配置的陣元延時(shí)參數(shù)發(fā)送的指令，每個(gè)延時(shí)參數(shù)Pxy占2個(gè)字節(jié)，則配置參數(shù)矩陣共占40×32×2=2 560字節(jié)；將2 560字節(jié)的延時(shí)數(shù)據(jù)分2個(gè)包發(fā)送，每個(gè)包數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1 280字節(jié)，每個(gè)包加入4字節(jié)數(shù)據(jù)頭和4字節(jié)數(shù)據(jù)尾，共占1 288字節(jié)發(fā)送給FPGA。

3.2 FPGA主控模塊設(shè)計(jì)

本文的FPGA主控制器EP4CE30F23C7芯片，一共具有484個(gè)引腳，此型號(hào)為 FBGA 封裝。該芯片集成度較高，具有28 848個(gè)邏輯單元，343個(gè)獨(dú)立I/O，4個(gè)獨(dú)立鎖相環(huán)(PLL)和高達(dá)594 Kbits分布式RAM[12]。

根據(jù)聚焦算法，計(jì)算出換能器各個(gè)陣元的延時(shí)時(shí)間，然后將延時(shí)參數(shù)和命令控制字以包文的格式通過(guò)千兆以太網(wǎng)傳輸給FPGA,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)了換能器陣列發(fā)射波束的聚焦和偏轉(zhuǎn)控制。

相控陣時(shí)間延遲的精度是相控陣技術(shù)最重要的參數(shù)，它決定了系統(tǒng)的成像分辨率。相控延時(shí)均方根(RMS)量化誤差與聲束主瓣幅度之比為[13]

(2)

由式(2)可知，在換能器陣元數(shù)目不變的條件下，提高相控陣時(shí)間延遲的精度，可以增大主瓣抑制旁瓣，有效提高成像分辨率。

本文使用數(shù)字式發(fā)射延時(shí)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)相控陣發(fā)射延時(shí)，與傳統(tǒng)的模擬延遲線(xiàn)相比，數(shù)字式發(fā)射延時(shí)的實(shí)現(xiàn)具有精度高、可調(diào)性好，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字式延時(shí)的實(shí)現(xiàn)分為粗延時(shí)和細(xì)延時(shí)。粗延時(shí)一般由硬件系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘控制，延時(shí)值為采樣周期的整數(shù)倍。本文選用50 MHz晶振作為系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘，延時(shí)精度為1.25 ns。

為了降低系統(tǒng)復(fù)雜性和元件數(shù)量，提高系統(tǒng)集成度，本文采用FPGA的基本模塊鎖相環(huán)(PLL)的倍頻、移相等技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘50 MHz進(jìn)行4倍頻，產(chǎn)生4路頻率均為200 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，4個(gè)輸出時(shí)鐘依次相移90°，也即實(shí)現(xiàn)了1.25 ns的延時(shí)精度，達(dá)到了電路最小延時(shí)的目標(biāo)。利用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)了鎖相環(huán)輸出時(shí)鐘信號(hào)的仿真程序，并利用Modelsim仿真軟件進(jìn)行了仿真如圖5所示。

圖5 鎖相環(huán)輸出時(shí)鐘信號(hào)Modelsim仿真圖

3.3 高壓脈沖發(fā)射電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的水聲發(fā)射電路體積大、工作效率低、限制了水下超聲相控陣成像系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。本文針對(duì)水聲成像系統(tǒng)低供電電壓、小體積、高頻高壓的性能指標(biāo)，基于系統(tǒng)32路超聲相控發(fā)射的要求，提出了一種采用專(zhuān)用集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的超聲信號(hào)發(fā)射的高集成度發(fā)射電路。

由于采用數(shù)字脈沖相位差法使FPGA產(chǎn)生延時(shí)精度1.25 ns的數(shù)字脈沖信號(hào)，其輸出電壓幅值只有3.3 V，即LVTTL，這對(duì)于激勵(lì)壓電換能器來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅值和功率的放大。本文運(yùn)放芯片采用專(zhuān)用集成電路芯片Max4940四通道高壓脈沖信號(hào)發(fā)射器，其高壓輸出端具有8.5 Ω輸出阻抗，有源鉗位阻抗為21 Ω。高壓輸出可確保提供2.0 A (典型值)輸出電流。所有器件的每個(gè)通道都通過(guò)2個(gè)邏輯輸入控制正、負(fù)脈沖。這樣激勵(lì)信號(hào)通過(guò)此功率放大模塊后幅值達(dá)到±110 V。功放電路核心部分設(shè)計(jì)如圖6所示。

由于功放電路電壓較高，本文在電路輸出端加上2個(gè)正反向肖特基二極管IN4148來(lái)保護(hù)芯片，防止燒壞，并在信號(hào)的輸出端加上了RC濾波網(wǎng)絡(luò)，來(lái)確保脈沖信號(hào)的穩(wěn)定輸出，從而有效驅(qū)動(dòng)相控聚焦超聲換能器。功放電路輸出部分如圖7所示。

圖7 功放電路輸出部分

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證以上系統(tǒng)是否滿(mǎn)足相控陣發(fā)射的要求，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)相控陣系統(tǒng)的千兆以太網(wǎng)通信和超聲發(fā)射信號(hào)的相控延時(shí)、相控偏轉(zhuǎn)聚焦效果進(jìn)行了測(cè)試與分析。設(shè)計(jì)了32通道FPGA超聲相控陣發(fā)射板，F(xiàn)PGA作為系統(tǒng)的控制中心，主要是產(chǎn)生延時(shí)精度為1.25 ns的數(shù)字脈沖波形信號(hào)，外接8塊高壓脈沖發(fā)射板，每塊為4通道，一共輸出32通道具有一定幅值和驅(qū)動(dòng)能力的激勵(lì)信號(hào)。

4.1 千兆以太網(wǎng)通信測(cè)試

通過(guò)六類(lèi)網(wǎng)線(xiàn)將FPGA實(shí)驗(yàn)板上的千兆網(wǎng)口HR911130C和實(shí)驗(yàn)PC機(jī)的網(wǎng)口連接起來(lái)。修改UDP發(fā)送模塊中的目標(biāo)MAC地址為PC的網(wǎng)卡MAC地址，確保兩者一致，同時(shí)修改PC的IP地址為192.168.0.3，PC 的 IP Address 需要和發(fā)送模塊中設(shè)置一致，不然網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手會(huì)接收不到開(kāi)發(fā)板發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)包。

將以太網(wǎng)工程文件下載到FPGA外部的配置芯片EPCS16中。本文通過(guò)Wireshark，可以觀察到PC發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，由于以太網(wǎng)通訊傳輸實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)幀的包長(zhǎng)一般要求在46～1 500字節(jié)，所以本文將32通道的延時(shí)參數(shù)分2個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送，每個(gè)數(shù)據(jù)包共1 288個(gè)字節(jié)。Wireshark發(fā)送數(shù)據(jù)抓包結(jié)果如圖8所示。

圖8 Wireshark發(fā)送數(shù)據(jù)抓包結(jié)果

4.2 相控偏轉(zhuǎn)聚焦效果測(cè)試

為了測(cè)試超聲波的相控偏轉(zhuǎn)聚焦效果，將聚焦點(diǎn)設(shè)為超聲陣列換能器前方70 cm，且偏離超聲相控?fù)Q能器陣列中心-2.5～2.5 cm處，每隔5 mm設(shè)置一個(gè)偏轉(zhuǎn)點(diǎn)。系統(tǒng)控制超聲陣列換能器發(fā)射相控超聲聲束，用水聽(tīng)器分別在超聲陣列換能器中心點(diǎn)前方70 cm處接收超聲信號(hào)，所接收到的數(shù)據(jù)用MATLAB處理后如圖9所示。圖中每條曲線(xiàn)代表偏轉(zhuǎn)聚焦時(shí)各聚焦點(diǎn)垂直于聲軸線(xiàn)上的聲壓分布，從圖中可以看出，相鄰兩條線(xiàn)的波峰之間距離約為5 mm，與設(shè)置相同，說(shuō)明偏轉(zhuǎn)聚焦的功能能夠很好實(shí)現(xiàn)。

圖9 相控偏轉(zhuǎn)加聚焦測(cè)試結(jié)果

4.3 相控聚焦延時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)試

設(shè)定相控聚焦換能器的焦距為70 cm，根據(jù)相控聚焦算法算出32通道之間的脈沖時(shí)間延時(shí)。通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算得到的延時(shí)值發(fā)送給FPGA并進(jìn)行相應(yīng)的配置，使32通道發(fā)射具有不同相位差的激勵(lì)脈沖信號(hào)。用示波器測(cè)量這32個(gè)通道間的延時(shí)值，與理論計(jì)算得出的延時(shí)值對(duì)比，可以得出，實(shí)際延時(shí)值和理論延時(shí)值相對(duì)誤差較小。各通道設(shè)置的延時(shí)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的聚焦延時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 相控聚焦延時(shí)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種多通道超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)，通過(guò)FPGA主控模塊、千兆以太網(wǎng)通信模塊和高壓脈沖發(fā)射電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和超聲波信號(hào)的高頻高壓的相控陣聚焦發(fā)射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)32通道的相控陣發(fā)射，相控延時(shí)精度達(dá)到1.25 ns,發(fā)射信號(hào)穩(wěn)定，為水下超聲成像實(shí)驗(yàn)提供了硬件基礎(chǔ)。本文采用了模塊化設(shè)計(jì)，方便大規(guī)模的多通道擴(kuò)展。