CN109283258B - 一种基于超声相控阵的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超声相控阵的检测系统，所述系统包括：主机板(1)、时钟分发与数据汇总板(2)、若干个发射控制及采集处理板(3)、宽带高压放大板(4)和信号发射及回波接收板(5)；所述时钟分发与数据汇总板(2)用于将系统时钟分发给每个发射控制及采集处理板(3)，并把每个发射控制及采集处理板(3)发送的波束数据汇集后发送给主机板(1)；所述发射控制及采集处理板(3)用于产生不同类型的触发信号发送到信号发射及回波接收板(5)，并接收信号发射及回波接收板(5)的回波信号形成波束数据；所述信号发射及回波接收板(5)用于选择不同类型的触发信号发送给阵列换能器(6)，接收阵列换能器(6)的回波信号。

Description

一种基于超声相控阵的检测系统

技术领域

本发明涉及超声相控阵技术领域，具体涉及一种基于超声相控阵的检测系统。

背景技术

超声相控阵检测技术由于其相对常规超声检测具有便捷高效、灵敏度高、信噪比高等优势，在无损领域得到了广泛的发展与应用。此外，一些新的超声检测与成像方法也大都是在超声相控阵技术的基础上开展的，例如自适应聚焦技术、导波聚焦检测等。

目前，一些专研的超声相控阵设备往往只针对特定几种情形的检测，因而在部分技术规格上有一定的限定范围，而商用的超声相控阵检测仪虽然更为通用，但同样还是存在一些限制，例如大多数只支持脉冲激励波形的发射。由于被检件的类型繁多，涵盖机械制造、石油化工、航空航天等众多领域，且缺陷种类多样，包括分层、夹杂、裂缝等，此时的激励信号可能是正弦脉冲、调频信号、非规则任意波形等的一种或几种。若要在不同的检测应用中为了得到较易判断检测结果的检测信号，需要检测仪器能够选择不同类型的激励信号。除了激励信号的类型要求外，超声检测技术中相控阵技术的发展对激励信号提出了通道数量、通道间延时精度等方面的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服目前的基于超声相控阵的检测系统只支持脉冲激励波形的缺陷，设计了一种基于超声相控阵的检测系统，可支持多个独立通道的同时发射与接收，而且发射部分支持负尖脉冲、无限时长正弦波、有限时长任意波形的激励波形类型选择，接收部分支持的回波数字化频率最高为200MSPS，发射和接收的最高延时精度都可达1ns，系统带宽可满足0.5MHz～15MHz的超声检测常用频率范围内的换能器工作。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于超声相控阵的检测系统，所述系统包括：阵列换能器6，所述系统还包括：主机板1、时钟分发与数据汇总板2、若干个8通道的发射控制及采集处理板3、宽带高压放大板4和信号发射及回波接收板5；

所述主机板1，用于设置检测参数和发射接收延时表，并接收所述时钟分发与数据汇总板2发送的数据并进行显示；

所述时钟分发与数据汇总板2，用于将产生的系统时钟分发给每个发射控制及采集处理板3，并把每个发射控制及采集处理板3发送的波束数据汇集在一起；

所述发射控制及采集处理板3，用于产生负尖脉冲激励的触发信号，发送到信号发射及回波接收板5，产生正弦波/任意波形的触发信号；发送到宽带高压放大板4；接收信号发射及回波接收板5发送的8通道回波信号并进行合成处理，形成波束数据；

所述宽带高压放大板4，用于对正弦波及任意波形的触发信号进行放大，发送到信号发射及回波接收板5；

所述信号发射及回波接收板5，用于选择不同类型的触发信号，并将信号发送给阵列换能器6，接收阵列换能器6的回波信号。

作为上述装置的一种改进，所述宽带高压放大板4和信号发射及回波接收板5都为8通道的数据板，一个通道与阵列换能器6的一个阵元对应。

作为上述装置的一种改进，所述时钟分发与数据汇总板(2)包括集成了若干个低功耗吉比特收发器的第一FPGA。

作为上述装置的一种改进，所述发射控制及采集处理板3包括：第二FPGA。

作为上述装置的一种改进，所述发射控制及采集处理板3将接收到的回波数据不发送给时钟分发与数据汇总板2，直接存储在第二FPGA的块存储器中。

作为上述装置的一种改进，所述信号发射及回波接收板5包括：负尖脉冲发射单元、发射接收信号选择单元和回波信号的放大及滤波处理单元；

所述负尖脉冲发射单元，用于接收负尖脉冲激励的触发信号产生负尖脉冲的激励波形；

所述发射接收信号选择单元为单刀双掷的继电器，用于在负尖脉冲和正弦波/任意波这两种不同的激励信号间二选一；

所述回波信号的放大及滤波处理单元，用于接收阵列换能器6的回波信号，进行放大和滤波处理后发送到所述发射控制及采集处理板3。

本发明的优势在于：

1、本发明的检测系统可在500KHz-15MHz频率范围内开展超声相控阵检测与成像的实验研究，对相关基础研究具有推进作用；

2、使用本发明的检测系统可对超声相控阵换能器的声电性能进行测试与评价；

3、通过本发明的系统可开展超声相控阵检测与成像新方法研究，该平台的通用性和高端性是超声检测与成像声场研究、相控阵换能器阵列性能评价以及检测与成像新方法的研究所必须的，是声学领域中带有基本方向性的需求设备。

附图说明

图1为本发明的基于超声相控阵的检测系统的结构图；

图2为本发明的发射控制及采集处理板的框图；

图3为DDS方式产生正弦波触发信号原理框图；

图4为发射控制及采集处理板上的波束形成示意图；

图5为单通道信号发射及回波接收板的工作框图。

附图标识

1、主机板2、时钟分发与数据汇总板3、八通道的发射控制及采集处理板

4、宽带高压放大板5、信号发射及回波接收板6、阵列换能器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明设计了一种基于超声相控阵的检测系统，能够克服目前超声相控阵检测仪存在的诸多限制(如大多数检测仪只支持脉冲激励波形的发射)，使得对超声相控阵技术已有应用开展更为深入全面的研究以及对成像新方法的进一步探索成为可能。本发明设计的基于超声相控阵的检测装置，最多可支持64个独立通道的同时发射与接收。发射部分支持负尖脉冲、无限时长正弦波、有限时长任意波形的激励波形类型选择，接收部分支持的回波数字化频率最高为200MSPS，发射和接收的最高延时精度都可达1ns，系统带宽可满足0.5MHz～15MHz的超声检测常用频率范围内的换能器工作。

如图1所示，本发明的系统包括：主机板1、时钟分发与数据汇总板2、八通道的发射控制及采集处理板3、宽带高压放大板4、信号发射及回波接收板5和阵列换能器6；

所述主机板1，用于运行显控软件，并通过CPCI总线与时钟分发与数据汇总板2和8个发射控制及采集处理板3相连；主机板1上运行的显控软件的主要功能包括以下几项：a)设置扫描参数及发射接收延时表等到时钟分发与数据汇总板2和发射控制及采集处理板3的FPGA中；b)在实时模式下从时钟分发与数据汇总板2读取波束数据，在非实时模式下从发射控制及采集处理板3读取原始波形数据；c)显示扫描结果。

显控软件与底层硬件之间的通信是在基于DriverStudio工具下开发的WDM(Window Driver Model)驱动程序上，通过PCI9656芯片进行的。在寄存器读写模式下，显控软件进行非实时的参数设置，在DMA(Direct Memory Access)模式下，显控软件进行实时的波束数据传输。经实际测试，关闭扫描结果实时显示时，波束数据最大平均传输速率为121MB/s，而在实时显示开启的情况下，传输速率有所下降，但仍然满足超声检测成像的实时显示数据需求。

所述时钟分发与数据汇总板2和发射控制及采集处理板3并称为检测系统的主控部分。主控部分是实现超声相控阵技术中相位控制、波束形成等关键技术的模块，以下重点介绍时钟板及控制处理板上的相关模块设计。

所述时钟分发与数据汇总板2，通过高速串行总线和发射控制及采集处理板3相连，用于将产生的系统时钟分发给每个发射控制及采集处理板3，并把每个发射控制及采集处理板3的发送波束数据汇集在一起。所述时钟分发与数据汇总板2的核心器件是第一FPGA，第一FPGA型号为XC5VSX95T，超声相控阵所需的相控发射与相控接收处理等的功能主要由第一FPGA通过逻辑编程实现；在检测系统中，信号发射及回波接收板5支持尖脉冲信号的发射与发射波形的类型选择，支持各个通道的回波放大和滤波处理，同时该板卡上具有通道切换的功能，64个独立通道通过1:8的开关扩展，可支持最多512阵元的阵列换能器6。

具体采样的是第一FPGA上集成的GTP(低功耗吉比特收发器)，通讯协议采用开源的Aurora 8b/10b传输协议。由于延时等操作都在控制处理板上已完成，因此时钟分发与数据汇总板2上进行进一步波束形成时，只需将8个GTP通道接收到的波束数据简单求和即可。两级波束形成完成后，得到的波束数据经过处理判断，将被添加数据头及峰值、阀门等打包信息后暂存在FIFO存储器中，等待显控软件来读取。

所述发射控制及采集处理板3包括：第二FPGA、数字模拟转换器(DAC)和信号缓冲区；如图2所示，控制信号加上脉冲触发信号都通过CPCI的用户自定义区域J4/J5引脚发送到发射控制及采集处理板3后，可实现负尖脉冲激励信号的发射；正弦波、任意波触发信号通过同轴线发送到宽带高压放大板4放大后再发送到信号发射及回波接收板5，加上控制信号，可实现相应的正弦波、任意波激励信号的发射。

正弦波触发信号是利用第二FPGA内集成的DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)软核例化实现，设置DDS相应的频率控制字到步进长度寄存器，相位控制字到初始相位寄存器，将模块产生的波形数据发送给DAC转换，即可得到相应的不同相位的正弦波信号，从而实现相控发射，如图3所示。

任意波触发信号的产生是利用第二FPGA内丰富的存储资源，在扫描开始之前先将需要发射的波形信号通过软件写入到第二FPGA的存储资源中，当发射同步信号到来后，内部逻辑从存储资源中读取波形数据，进行一些必要的逻辑操作然后输送到DAC的接口模块，发送给DAC进行数模转换。具体的实现中，任意波形是按照1GSPS的采样率来数字化的，而第二FPGA内部波形调用及运算逻辑的时钟频率为250MHz，与DAC数据转换率一致，通过整时钟周期的延时可以实现4ns为单位的粗延时，通过起始位置的不同以及每4个点调用1个的间隔取数来实现0～3ns范围内1ns的延时精度。

所述阵列换能器6的回波信号经过调理电路耦合至发射控制及采集处理板3上的ADC(模拟数字转换器)，经ADC采样后的数字波形实时发送到该板上的第二FPGA中，进行数字波束形成及后续处理。发射控制及采集处理板3上的数字波束形成如图4所示。

与发射类似，接收过程中的1ns延时精度控制也分为粗延时和精延时来进行。在与ADC采样率相同的200MHz时钟下，第二FPGA通过FIFO存储器将数据延迟整周期数来实现5ns为单位的粗延时。粗延时完成之后，对数据进行0～4ns范围内，1ns为单位的精延时，采取的方法是利用第二FPGA内的运算单元对数据进行线性插值，然后只取精延时插值点上的数据，这样数据率保持200MSPS。完成粗延时与精延时之后的各路波形数据求和，即为一次数字波束形成的基本过程。

所述宽带高压放大板4，用于对正弦波触发信号进行放大。与发射控制及采集处理板3一样，所述宽带高压放大板4共有8块，每块上有8个通道，每个通道是一个基于LM7171放大器搭建的宽带高压多级放大器，设计带宽为0.5MHz～15MHz，增益为100dB，带内平整度为3dB，用于将所述宽带高压放大板4给出的幅度为±0.2V的正弦波、任意波触发信号放大到±20V的激励信号。该板仅作信号的放大之用，因此放大后的信号需要通过同轴线传输到所述信号发射及回波接收板5，参与发射选择。

所述信号发射及回波接收板5共有8块，每块上有8个通道；所述信号发射及回波接收板5包括：负尖脉冲发射单元、发射接收信号选择单元和回波信号的放大及滤波处理单元；

所述负尖脉冲发射单元的功能与宽带高压放大板4相同，即输入触发波形输出负尖脉冲的激励波形；

所述发射接收信号选择单元为发射通路上通过单刀双掷的继电器，用于在负尖脉冲和正弦波/任意波这两种不同产生方式的激励信号间二选一，选择控制信号来自发射控制及采集处理板3上的第二FPGA，被选择的激励信号经过开关阵实现1:8的切换输出，进而连接至阵列换能器6插座，而接收通路上接收源选择信号控制接收信号的来源为从发射信号回来的阵列换能器6或者是只负责接收的阵列换能器6，由此整个装置可以配置为64个通道自发自收和32个通道相控发射32个通道相控接收的一发一收这两种模式，单个独立通道的基本连接如图5；

所述回波信号的放大及滤波处理单元，为可配置的衰减/前放及以增益编程可控的双通道运算放大器AD604搭建的主放，可实现0.5MHz～15MHz带宽范围内、-60dB～70dB范围内大动态范围的增益控制。

所述系统的工作流程大致如下：系统上电后，时钟分发与数据汇总板2产生系统时钟并通过同轴线分发给发射控制及采集处理板3，用户根据扫描要求，在主机板1的软件界面上进行相应的参数和延时法则等的设置，这些设置通过CPCI总线设置到第一FPGA和第二FPGA中，当扫描开始后，时钟分发与数据汇总板2上的第一FPGA产生同步信号通过同轴线分发给发射控制及采集处理板3，发射控制及采集处理板3上的第二FPGA根据之前的设置进入相应的工作模式，自主进行发射与接收的过程。发射和接收都分为多种模式：发射部分，激励波形为正弦信号或任意波形时，宽带高压放大板4通过同轴线接收发射控制及采集处理板3发出的触发信号，将信号放大后通过同轴线给到发射控制及采集处理板3，通过发射波形选择开关作为激励信号激励换能器，而激励波形为负尖脉冲时，宽带高压放大板4不工作，接收发射控制及采集处理板3发出的触发信号，通过高压转换为负尖脉冲后，经过发射波形选择开关作为激励信号来激励换能器；接收部分，在实时模式下，发射控制及采集处理板3对各自板卡上的数字化波形做8路的数字波束形成，这些数据通过高速串行总线传输到时钟分发与数据汇总板2上，根据需要做进一步的波束形成，再通过CPCI总线将数据上传到主机软件，用于显示并分析，而在非实时模式下，发射控制及采集处理板3对接收到的回波数据直接存入第二FPGA内的块存储器中，主机软件通过CPCI总线依次从各个发射控制及采集处理板3读取数据，可在主机软件上或第三方软件上做进一步的原始数据分析。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于超声相控阵的检测系统，所述系统包括：阵列换能器（6），其特征在于，所述系统还包括：主机板（1）、时钟分发与数据汇总板（2）、若干个8通道的发射控制及采集处理板（3）、宽带高压放大板（4）和信号发射及回波接收板（5）；

所述主机板（1），用于设置检测参数和发射接收延时表，并接收所述时钟分发与数据汇总板（2）发送的数据并进行显示；

所述时钟分发与数据汇总板（2），用于将产生的系统时钟分发给每个发射控制及采集处理板（3），并把每个发射控制及采集处理板（3）发送的波束数据汇集在一起；

所述发射控制及采集处理板（3），用于产生负尖脉冲激励的触发信号，发送到信号发射及回波接收板（5）；产生正弦波/任意波形的触发信号，发送到宽带高压放大板（4）；接收所述信号发射及回波接收板（5）发送的8通道回波信号并进行合成处理，形成波束数据；

所述宽带高压放大板（4），用于对正弦波及任意波形的触发信号进行放大，发送到信号发射及回波接收板（5）；

所述信号发射及回波接收板（5），用于选择不同类型的触发信号，并将信号发送给阵列换能器（6），接收阵列换能器（6）的回波信号；

所述信号发射及回波接收板（5）包括：负尖脉冲发射单元、发射接收信号选择单元和回波信号的放大及滤波处理单元；

所述负尖脉冲发射单元，用于接收负尖脉冲激励的触发信号产生负尖脉冲的激励波形；

所述发射接收信号选择单元为单刀双掷的继电器，用于在负尖脉冲和正弦波/任意波这两种不同的激励信号间二选一；

所述回波信号的放大及滤波处理单元，用于接收阵列换能器（6）的回波信号，进行放大和滤波处理后发送到所述发射控制及采集处理板（3）。

2.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的检测装置，其特征在于，所述宽带高压放大板（4）和信号发射及回波接收板（5）都为8通道的数据板，一个通道与阵列换能器（6）的一个阵元对应。

3.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的检测装置，其特征在于，所述时钟分发与数据汇总板（2）包括集成了若干个低功耗吉比特收发器的第一FPGA。

4.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的检测装置，其特征在于，所述发射控制及采集处理板（3）包括：第二FPGA。

5.根据权利要求4所述的基于超声相控阵的检测装置，其特征在于，所述发射控制及采集处理板（3）将接收到的回波数据不发送给时钟分发与数据汇总板（2），直接存储在第二FPGA的块存储器中。

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