CN103175900A - 一种相控阵无损探伤装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相控阵无损探伤装置及系统，该装置包括：FPGA主控模块、发射模块、探头连接模块、信号调理模块，发射模块在所述FPGA主控模块的控制下向探头连接模块发射高压脉冲信号；探头连接模块在FPGA主控模块的控制下以及高压脉冲信号的驱动下激励相控阵中的换能器阵元以各种组合发射高频超声信号进行无损探伤；信号调理模块在FPGA主控模块的控制下对通过换能器接收的回波信号进行信号调理；FPGA主控模块对进行信号调理后的数字回波信号进行波束形成处理以及对整个系统进行控制。本发明通过用处理终端对FPGA进行不同功能的相控阵无损探伤配置，使其服务于不同的超声成像工作方式，适应于各种不同的探伤应用。

Description

一种相控阵无损探伤装置和系统

技术领域

本发明涉及超声成像技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的相控阵无损探伤装置和系统。

背景技术

超声相控阵成像对于无损检测具有重要的意义，近年来更是得到了广泛应用。相控阵探测具有极大的灵活性，可以检测不规则形状的零件。相对于传统的单阵元探伤系统，相控阵探测/探伤具有探查面积大、信噪比高、检测结果直观等优点。常用的相控阵的工作方式有平面波束、扇扫波束及聚焦波束等，不同的工作方式具有不同的探查范围和精度。同时，随着2D换能器的发展，零器件的三维体扫描技术在无损探伤领域中得到了广泛的应用。

随着电子技术的进步，现场可编程门阵列（Field Programmable GateArray，FPGA）器件包含百万门电路，数字信号处理器(Digital SignalProcessor,DSP)多核等技术促进了高速的相控阵探伤的发展。各种探伤技术使得工业制造、火车交通、航空航天和管道传输等行业中的无损探伤技术得到了巨大的发展。同时，在成像技术方面，各种高精度、高效的成像算法得以实现：包括脉冲编码、高精度波束形成等。相控阵探伤方面也有一些包括相控阵阵元一致性的基础研究；把相控阵应用于更加复杂的材料，例如复合材料相控阵和导波相控阵的研究，也都需要专门的相控阵可配置平台作为支撑。

利用可编程器件和处理器可以使得超声成像系统可配置为不同的成像策略及数据处理方法。目前国际上存在多个用于超声相控阵成像的平台，其中J.-Y.Lu构造的专门的超声成像硬件平台可以实现有限衍射波下的高帧率成像。丹麦理工大学开发的RASMUS系统可以采用不同的发射、接收策略用于合成孔径成像、医学血流成像等研究。在传统的无损探伤领域中，往往使用单阵元测试，近年来一些商用厂商，例如GE和Olympus也开发了一些商用产品，但是商用的相控阵探伤器一般采用的是专用芯片，系统的可配置性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷的相控阵无损探伤装置及系统。

在本发明的第一方面，提供了一种相控阵无损探伤装置，包括：FPGA主控模块、发射模块、探头连接模块、信号调理模块，其中，所述发射模块用于在所述FPGA主控模块的控制下，向所述探头连接模块发射高压脉冲信号；所述探头连接模块用于在所述FPGA主控模块的控制下以及所述高压脉冲信号的驱动下，激励相控阵中的换能器阵元以各种组合发射高频超声信号进行无损探伤；所述信号调理模块用于在所述FPGA主控模块的控制下，对通过所述换能器接收的回波信号进行信号调理；以及所述FPGA主控模块对进行信号调理后的数字回波信号进行波束形成处理以及对整个系统进行控制。

优选地，所述发射模块包括多路高压脉冲发生器，所述探头连接模块包括多个高压模拟开关：所述多路高压脉冲发生器用于在所述FPGA的控制下向所述多个高压模拟开关发射高压脉冲信号；所述多个高压模拟开关用于在所述FPGA主控模块的控制下以及所述高压脉冲信号的驱动下，其中的一部分高压模拟开关闭合，以激励相控阵中的与闭合的高压模拟开关相连接的换能器阵元以各种组合发射高频超声信号进行无损探伤。

优选地，所述FPGA主控模块以菊花链形式的控制字对所述高压模拟开关进行控制。

优选地，所述高压模拟开关的数量是所述高压脉冲发生器的数量的整数倍，闭合的高压模拟开关的数量与所述高压脉冲发生器的数量相等。

优选地，所述信号调理模块包括：低噪放大器，用于对所述回波信号进行低噪声放大；时间增益控制模块和可编程增益放大模块，用于对低噪声放大后的回波信号进行时间增益控制和可编程增益放大；低通滤波器，用于对时间增益控制和可编程增益放大后的回波信号进行低通滤波；以及模拟数字转换器，用于将低通滤波后的回波信号从模拟信号转换成数字信号。

优选地，所述信号调理后的数字回波信号以低压差分信号的电平形式送入所述FPGA主控模块。

优选地，所述装置还包括数字信号处理器，用于对波束形成后的数据进行处理。

在本发明的第二方面，提供了一种相控阵无损探伤系统，包括：FPGA主控模块、发射模块、探头连接模块、信号调理模块，其中，所述发射模块用于在所述FPGA主控模块的控制下，向所述探头连接模块发射高压脉冲信号；所述探头连接模块用于在所述FPGA主控模块的控制下以及所述高压脉冲信号的驱动下，激励相控阵中的换能器阵元以各种组合发射高频超声信号进行无损探伤；所述信号调理模块用于在所述FPGA主控模块的控制下，对通过所述换能器接收的回波信号进行信号调理；以及所述FPGA主控模块用于对进行信号调理后的数字回波信号进行波束形成处理以及对整个系统进行控制，所述系统还包括阵列换能器，其与所述多个高压模拟开关相连接，用于在所述高压模拟开关闭合的情况下发射高频超声信号进行无损探伤，并且用于接收被探查目标的回波信号。

优选地，所述系统还包括计算机或处理器终端，其通过有线或无线形式与所述相控阵无损探伤装置相连接，用于配置所述相控阵无损探伤装置的工作模式。

优选地，所述计算机或处理器终端用于将所述工作模式配置为纵波成像模式或横波成像模式，并且用于生成所述波束形成的系数并将其传送给所述FPGA主控模块；或者用于将所述工作模式配置为全数据采集模式，所述信号调理后的数字回波信号被送入所述数字信号处理器进行处理。

本发明通过用计算机或处理器终端对FPGA进行不同功能的相控阵无损探伤配置，使其服务于不同的超声成像工作方式，适应于各种不同的探伤应用。

附图说明

图1是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的示意图；

图2是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的发射电路与换能器前端的工作示意图；

图3是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的信号前处理的工作示意图；

图4是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的FPGA主控模块的结构示意图；以及

图5是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的后端处理部分的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的示意图。

如图1所示，系统主要由有三块板卡组成，分别是探头连接模块、发射模块和接收主控模块，三块板卡协同工作，完成32通道-128阵元的超声成像功能。探头连接板包括探头连接器、128个高压模拟开关（T/R*128）,探头连接器连接到相控阵，相控阵包括128个阵元的阵列换能器/超声探头。发射系统板包括电源、发射控制模块和驱动信号生成模块，其中，驱动信号生成模块包括32路高压脉冲发生器。接收主控系统板包括信号调理模块、FPGA主控模块和数字信号处理器。

FPGA主控模块向发射板中的发射控制模块发送控制信号，发射控制模块对控制信号进行处理之后将其发送给驱动信号生成模块。驱动信号生成模块发射高压脉冲信号，将其作为驱动信号传输给探头连接板中的高压模拟开关。同时，FPGA主控模块向探头连接板发送数字控制信号，以控制探头连接板中的高压T/R开关的闭合与断开，其中，FPGA主控模块可以用菊花链形式的控制字对所述高压模拟开关进行控制。从而，通过开关选择和探头连接器向换能器阵元发送高压信号来驱动不同排列组合的换能器阵元。相应的换能器阵元受到高压信号激励后，发射高频超声声波信号进入探测试块/被探测目标。

在探测试块中，超声波遇到人工通孔或故障失效后，产生散射回波信号。散射回波信号回到换能器进行声信号向电信号的换能，电信号通过开关到达接收主控板。

在接收主控板上，信号前处理模块接收FPGA主控模块的控制信号，通过低噪放大器（LNA）对信号进行低噪放大，时间增益控制（TGC），可编程增益放大（PGA），低通滤波（LPF）后，在通过ADC的模拟-数字转换，把超声信号数字化，以LVDS的电平方式送入FPGA主控模块。

FPGA主控模块通过全数字波束形成后，将信号送入信号后处理模块。所述信号后处理模块可以是数字信号处理器DSP，用于对信号进行后端处理。最后，经过后处理的信号通过网络传送给诸如PC之类的处理器终端，以进行最后的处理及显示。

计算机或处理器终端可以向根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置下发控制命令，包括控制时间增益控制、波束形成器是否工作、发射策略、PRF等。整个系统，即相控阵无损探伤装置和处理终端的传输速度可通过千兆网卡达到千兆/秒，可以有效地用于各种超声相控阵无损探伤。为了便于使用及操作，上位机/处理终端还可以设计专用的软件平台，可以移植到各种PC机及嵌入式平台中，例如智能手机。

表1是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的工作参数。

参数	值
		物理通道数	32
最大阵元连接数	128
		AD采样率及位数	10-50MHz 12bit
增益放大范围	46dB
		背板连接方式及速度	千兆网 1000Mbit

表1

图2是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的发射电路与换能器前端的工作示意图。

如前所述，换能器阵元与物理通道的连接是通过高压模拟开关来完成的。每一个通道与4个换能器阵元相连。例如，第一通道与1，33，65，97这四个阵元相连；第二通道连接2，34，66，98阵元；……，第32通道连接32，64，96，128阵元。这种连接关系采用4选1的方式实现阵元与通道的连接。同时，发射数字驱动信号按照一定的聚焦和波束形成延时生成。

如图2所示，通过发射控制，32路高压脉冲发生器发射高压脉冲信号。高压脉冲信号在FPGA主控模块的控制下驱动128个高压模拟开关中的32个，通过该32个高压模拟开关将信号发送到128阵元的阵列换能器/超声探头。32路收发切换用于在接收时对接收主控板进行过压保护，防止其中的电路经受高压脉冲而遭到损坏，32路收发切换可以用桥电路之类的电路来实现。

图3是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的信号前处理的工作示意图。

在散射回波信号通过阵列换能器最终到达接收板时，需要对其进行信号前处理。如图3所示，所述信号前处理包括将信号进行低噪放大（LNA），时间-增益控制（TGC）、可编程增益放大（PGA），抗混低通滤波（LPF），最后经过模数转换ADC被数字化。最后，数字信号通过高速的低压差分信号（LVDS）的电平形式输出到FPGA主控模块，FPGA主控模块的一部分功能可以用于实现数字波束形成器。

信号前处理模块集成了8通道的LNA、TGC、PGA、LFP、ADC，前端最大动态为46dB，采样率在10-50MSPS可变，采样位数为12bits。由于采样率高，使得与ADC接口的数字接口的传输速度非常高，所述数字接口例如可以是低压差分信号（LVDS）接口。低压差分信号主要由差分的帧信号、时钟信号和数据信号构成。例如，采样频率为50MHz，帧信号频率为50MHz，数据位数为12bit，传输协议采用DDR方式，时钟频率为300MHz，波特率为600Mbits。

图4是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的FPGA主控模块的结构示意图。

如图4所示，FPGA主控模块包括片内主控器、采集处理模块、波束形成器。数字信号经模数转换A/D后以LVDS信号的电平形式进入芯片，经采集处理模块对其进行解串打包，然后送入FPGA主控模块的内部存储器（图中未示出）进行缓冲。

部分FPGA资源被配置为接收波束形成器，主要用于对数据进行实时的波束形成处理。当系统配置成纵波或者横波成像模式时，系统的波束形成器被启动，系统实时地实现波束形成。所述波束形成器的系数可以直接存储在片内；如果系统工作在动态深度聚焦模式，系数由系统在线生成，直接供给波束形成器。

片内主控器控制同步所有通道的采集，控制采集后的数据按照一定的时序进入波束形成器，然后经过波束形成的数据被送入后端通信及接口逻辑。当平台工作在全数据采集模式下，片内控制器控制波束形成器不工作，采集原始数据直接进入后端或者通过网络发送给PC。

图5是根据本发明实施例的相控阵无损探伤装置的后端处理部分的示意图。

如图5所示，FPGA中波束形成后的数据超声成像，通过DSP数据总线进入DSP。FPGA中的通信模块，当内部数据写入缓冲器时，中断DSP，DSP利用总线读取数据，完成了FPGA到DSP数据总线的交互。DSP通过网络与计算机通信，完成数据处理和上传的任务。DSP与FPGA的通信速度：若不考虑发射过程所占的时间，系统需求速度近似为40MHz*16bit=640Mbps。DSP芯片通过总线与诸如AX88180千兆网控制器之类的以太网控制器相连，以太网控制器与PHY控制器之间可以采用RGMII接口，也可以采用其他接口。通过上述结构，数据传输的理论峰值速度为1000Mbps，系统把数据高速送入PC。当然，当后端的处理终端采用诸如智能手机之类的移动终端时，也可以通过无线网络将数据送入处理终端进行处理。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相控阵无损探伤装置，包括：FPGA主控模块、发射模块、探头连接模块、信号调理模块，其中，

所述发射模块用于在所述FPGA主控模块的控制下，向所述探头连接模块发射高压脉冲信号；

所述探头连接模块用于在所述FPGA主控模块的控制下以及所述高压脉冲信号的驱动下，激励相控阵中的换能器阵元以各种组合发射高频超声信号进行无损探伤；

所述信号调理模块用于在所述FPGA主控模块的控制下，对通过所述换能器接收的回波信号进行信号调理；

所述FPGA主控模块用于对进行信号调理后的数字回波信号进行波束形成处理。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述发射模块包括多路高压脉冲发生器，所述探头连接模块包括多个高压模拟开关：

所述多路高压脉冲发生器用于在所述FPGA的控制下向所述多个高压模拟开关发射高压脉冲信号；

所述多个高压模拟开关用于在所述FPGA主控模块的控制下以及所述高压脉冲信号的驱动下，其中的一部分高压模拟开关闭合，以激励相控阵中的与闭合的高压模拟开关相连接的换能器阵元以各种组合发射高频超声信号进行无损探伤。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述FPGA主控模块以菊花链形式的控制字对所述高压模拟开关进行控制。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述高压模拟开关的数量是所述高压脉冲发生器的数量的整数倍，闭合的高压模拟开关的数量与所述高压脉冲发生器的数量相等。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述信号调理模块包括：

低噪放大器，用于对所述回波信号进行低噪声放大；

时间增益控制模块和可编程增益放大模块，用于对低噪声放大后的回波信号进行时间增益控制和可编程增益放大；

低通滤波器，用于对时间增益控制和可编程增益放大后的回波信号进行低通滤波；以及

模拟数字转换器，用于将低通滤波后的回波信号从模拟信号转换成数字信号。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述信号调理后的数字回波信号以低压差分信号的电平形式送入所述FPGA主控模块。

7.根据权利要求1所述的装置，还包括：

数字信号处理器，用于对波束形成后的数据进行处理。

8.一种相控阵无损探伤系统，包括如权利要求1-7之一所述的相控阵无损探伤装置，所述系统还包括：阵列换能器，其与所述多个高压模拟开关相连接，用于在所述高压模拟开关闭合的情况下发射高频超声信号进行无损探伤，并且用于接收被探查目标的回波信号。

9.根据权利要求8所述的系统，还包括：处理终端，其通过有线或无线形式与所述相控阵无损探伤装置相连接，用于配置所述相控阵无损探伤装置的工作模式。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述处理终端用于

将所述工作模式配置为纵波成像模式或横波成像模式，并且用于生成所述波束形成的系数并将其传送给所述FPGA主控模块；或者

用于将所述工作模式配置为全数据采集模式，所述信号调理后的数字回波信号被送入所述数字信号处理器或所述处理终端以进行处理。

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