CN113030249B

CN113030249B - 多模式可配置的宽频超声层析成像系统

Info

Publication number: CN113030249B
Application number: CN202110263018.0A
Authority: CN
Inventors: 谭超; 王一博; 董峰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2041-03-11
Also published as: CN113030249A

Abstract

本发明涉及一种多模式可配置的宽频超声层析成像系统，包括系统板卡以及宽频超声换能器阵列，能够实现多种激励模式、数据处理模式、传感器模式间组合工作实现不同工作模式切换功能，协调不同工作模式下的工作速度和工作时序；其中，激励模式包含四种可供选择的激励模式，可实现宽频带内单频、扫频、混频、多单频轮替的超声信号发射；数据处理部分包含两种数据处理模式：可在线解调频谱和渡越时间信息的数据解调模式，以及将个工作周期内完整超声波形上传至上位机的波形上传模式。

Description

多模式可配置的宽频超声层析成像系统

技术领域

本发明属于过程层析成像领域，涉及一种基于超声透射和反射原理的多模式可配置的宽频超声层析成像系统。

技术背景

过程层析成像技术广泛应用于多相流、医学领域，其基本原理是通过对位于待测场域边界的传感器阵列施加一定的激励信号，在被测场域内建立空间敏感场，通过传感器阵列获得调制之后的边界测量数据。通过对测量数据的处理和分析提取被测场域的二维或三维分布信息。过程层析成像技术具有非侵入、非接触、非辐射性等特点，常见的层析成像模态包括电学、光学、超声和射线等。

超声过程层析成像始于20世纪70年代，最初使用超声波模拟X射线进行透射式成像，之后发展到折射系数成像、衍射式超声成像等。超声层析成像利用超声在介质中传播时产生的透射、反射等传播机制，通过获取测量场域边界上的数据进行反演，重建物体声场参数的空间分布，与其他过程层析成像技术相比，超声层析成像应用于多相流测量时具有很多优势，如超声波与X射线和γ射线对比具有无辐射的特点；与电学层析成像技术相比不受流体矿化度的影响；与电学、光学等层析成像技术相比具有非接触性，无需接触介质甚至破坏管壁；与光学层析成像技术相比不要求流体透光度。随着计算机、数字信号处理、人工智能等领域的不断发展，超声层析成像系统在通道数量、处理速度、成像方法等方面不断改进，正朝着高度集成化、模块化方向发展。

超声层析成像凭借其相对于其他层析成像方法的独特优势，在工业油气传输管道检测、多相流检测等领域有极大应用潜力，可用于工业管道内多相流的流量、流速、相含率与流型的检测。国内外相继报道了一些超声层析成像系统，但此类系统多数为单一的透射或反射超声层析成像系统，激励频率方面，现有系统均为单频，尚无宽频超声层析成像系统，而在检测阶段往往需要大量测试数据，单一频率数据逐渐无法满足应用需求；传感器方面，大部分系统均为8或16超声传感器，数目较少且无法灵活切换。

发明内容

本发明的目的是提供一种多模式、可配置的宽频超声层析成像系统，使系统能够配置在不同工作模式，并实现多种激励模式、数据处理模式、传感器模式间自由组合工作，提高了超声层析成像系统的灵活性，拓展了系统的应用范围。本发明的技术方案如下：

一种多模式可配置的宽频超声层析成像系统，包括系统板卡以及宽频超声换能器阵列，其中，系统板卡主要包括工作模式控制线及接口、FPGA、DA转换芯片、可编程线性放大器、模拟开关、DDR SDRAM、限幅芯片、线性衰减器、超声模拟前端芯片、DSP、总线控制芯片。其特征在于，

所述的宽频超声层析成像系统能够实现多种激励模式、数据处理模式、传感器模式间组合工作实现不同工作模式切换功能，协调不同工作模式下的工作速度和工作时序；其中，激励模式包含四种可供选择的激励模式，可实现宽频带内单频、扫频、混频、多单频轮替的超声信号发射；数据处理部分包含两种数据处理模式：可在线解调频谱和渡越时间信息的数据解调模式，以及将个工作周期内完整超声波形上传至上位机的波形上传模式；超声传感器可在两种传感器模式下工作：m探头单截面传感器模式和n探头双截面传感器模式，m＝2*n；

工作模式控制线及接口，包含两条激励模式状态线、一条数据处理模式状态线、一条传感器模式状态线以及一条指令线，分别与FPGA的GPIO接口相连；指令线用于向系统发送工作指令信号和系统复位信号；各状态线用于控制系统各模块的当前工作模式；工作模式控制线及接口可外接上位机或拨码开关实现逻辑电平发生；使用FPGA作为系统主控芯片，实时读取工作模式控制线上的电平值，根据已编制好的内部程序，系统可在不同状态信号下运行于不同工作模式；FPGA内部在每个时钟刷新时检测指令线的电平值，指令线为高电平时系统运行，当指令线为低电平时系统完成当前工作周期后停止工作并复位；系统复位后FPGA在每个内部时钟刷新时检测四条状态线的电平值，并根据状态线的电平逻辑选择对应的工作模式；状态线设置完成后将指令线恢复高电平，系统按所选模式开始工作。

进一步地，对于四种激励模式，FPGA预先在只读存储器ROM中存储四种激励模式对应的波形信号，并在激励模式状态线的控制下输出对应的波形至所述DA转换芯片，经可编程线性放大器后输出最高至200Vpp的激励信号，其幅值大小通过编程控制；不同传感器模式对应不同模拟开关、超声模拟前端芯片的时序控制逻辑，在m探头单截面传感器模式下，激励信号依次激励m个探头，回波信号依次经过限幅芯片和线性衰减器后进入超声模拟前端芯片，两片n通道超声模拟前端芯片同时采集波形；在n探头双截面传感器模式下，激励信号首先激励上截面的n个探头，同时上截面对应的n通道超声模拟前端芯片采集上截面n通道波形，下截面对应的n通道超声模拟前端芯片不工作，之后依次激励下截面n个探头，同时下截面对应的超声模拟前端芯片采集下截面n通道波形，上截面对应的n通道超声模拟前端芯片不工作；数据采集至FPGA后的处理方法由数据处理模式决定，在数据解调模式下，通过FPGA和DSP编程实现频谱及渡越时间信息解调；在波形上传模式下，通过DDR SDRAM存储所有通道完整波形；两种数据处理模式下的结果均在一个工作周期结束后通过上传至上位机；上位机利用采集获得的多频超声衰减频谱与传播时间数据，进行不同声阻抗、不同尺寸介质的分布图像重建。

本发明的有益效果及优点如下：

1、采用统一的控制线和接口对系统不同部分的工作模式进行设定，且控制线可控制系统的启动和复位，可实现系统工作模式的在线切换；

2、系统激励、传感器、数据处理三个部分的多种工作模式可实现自由组合；

3、与传统单一频率超声层析成像系统相比，可实现较宽频带范围内的多种模式激励信号，且能同时解调投射和反射信息，丰富了系统采集的信息量；

4、系统板卡的设计基于CPCI工业总线机箱，数据上传符合工业数据传输标准，易于与现有总线机箱兼容，满足抗震等工业需求。

附图说明

以下图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性图而非穷举或限制性，图示所用芯片并非唯一形式，其中：

图1是本发明实施例多模式可配置的宽频超声层析成像系统的说明框图；

图2是实施例中超声换能器工作在透射及反射模式的测量原理示意图；

图3是实施例中系统板卡的整体结构示意图；

图4是实施例中多模式配置及切换时序示意图；

图5是实施例中多模式激励部分工作示意图；

图6是实施例中两种传感器模式结构示意图；

图7是实施例中两种数据处理模式下的数据处理过程示意图。

图8是实施例中多模式可配置的宽频超声层析成像系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

本发明所述的基于工业总线机箱CPCI通讯的宽频超声层析成像系统，包括宽频超声换能器阵列、系统板卡。

图1描述了本发明的整体结构框图，包括宽频超声换能器阵列、系统板卡，通过工作模式控制线接口向系统发送模式控制信号，系统板卡通过CPCI总线连接器向上位机传输数据。

图2描述了系统透射及反射原理下超声波在被测场域截面的传播路径及测量。在系统工作时，给其中一个探头施加脉冲波激励信号，采集所有探头的接收信号，其中：当前激励探头对面位置的探头接收到透射的超声波信号，超声波传播过程中遇到气泡或油泡时，透射信号幅值相较纯水会发生衰减；当前激励探头同侧的探头接收反射的超声信号，通过解调从激励到接收反射信号的渡越时间可重建出气泡在场域中的位置信息。

图3描述了本实施例中系统板卡的整体结构框图，板卡主要包括工作模式控制线及接口、FPGA、DSP、DA转换芯片、可编程线性放大器、高压模拟开关、射频连接器、限幅芯片、衰减器、超声模拟前端芯片。所述工作模式控制线负责向FPGA发送模式选择指令及工作指令；所述FPGA负责对整个系统各个模块的时序控制、对接收波形的幅值信息的解调以及最终解调结果的上传；DSP负责对接收波形渡越时间信息的解调；DA转换芯片及可编程线性放大器组成激励信号发生部分，高压模拟开关可控制激励信号与任意超声换能器间的通断；射频连接器实现系统板卡与传感器阵列的连接；限幅芯片设置在激励与接收环节之间，防止激励信号过大损坏接收电路；衰减器可将接收信号衰减至超声模拟前端芯片的输入范围内；超声模拟前端芯片负责将接收信号经滤波、放大处理后转换为数字信号发送至FPGA，且放大增益和滤波器截止频率都可以通过编程进行调节。

图4描述了本实施例中多模式配置及切换时序图，其中指令线负责系统的复位和工作控制，四条状态线负责系统各部分工作模式的选择。当指令线为高电平时，系统开始工作，状态线信号变化不会改变当前工作模式；当指令线变为低电平时，系统复位并进入模式选择，此时系统根据各状态线电平状态进行工作模式选择，当指令线上升沿到来时，工作模式锁定为指令线上升沿时刻对应的各部分工作模式，系统重新开始工作。各个状态线与系统各部分工作模式的对应关系如下表所示。

表1：激励模式选择表

其中，单频激励模式指某一单频激励信号，混频激励模式指在施加激励信号的任意时刻，均为两种频率混叠同时激励，扫频激励模式指激励信号频率在一段频率范围内线性变化的信号，多单频轮替激励模式指多个频率单频信号依次激励，但任意时刻仅有一种频率成分。

表2：传感器模式选择表

表3：数据处理模式选择表

图5描述了本实施例中系统板卡多模式激励部分的结构框图，所述激励部分主要由FPGA、DA芯片、可编程线性放大器、滤波器组成。激励部分设计基于直接数字频率合成(DDS)技术，首先在FPGA内的ROM(Read-Only Memory)高速寄存器中存储四种激励模式下的波形样本，在系统时钟的控制下，相位累加器线性累加控制字，然后按控制字寻址到波形存储器ROM中；每一个波形数据输出后更新相位累加器的值，准备输出下一个波形数据；波形存储器的输出进入激励模式选择器模块，选择器按照激励模式状态线选择当前模式，选择器输出为当前所选模式对应的波形存储器输出；所输出的离散数字信号经过D/A芯片后转换成设定模式的正弦模拟信号；DA芯片的输出经过可编程线性放大器进行放大，放大倍数可由FPGA编程控制；放大器输出经过滤波环节后得到激励信号。

图6描述了本实施例中不同传感器模式下宽频超声换能器在管道周围的排布方式，图中上半部分为16电极双截面传感器模式，下半部分为32电极单截面传感器模式，每种模式下所有宽频超声换能器均匀嵌入到管壁相同深度处，以保证通道一致性，工作时可在任意探头施加激励信号，同一截面所有探头做接收，形成超声调制测量敏感场，当多相流体流过该敏感场时，由于场内介质密度随着多相介质的含率与分布变化，导致超声调制测量敏感场内超声波强度与传播时间发生相应的变化，通过声电转换装置(如压电陶瓷等)将该超声信息进行获取，进而实现多相流参数的测量。

本发明装置的宽频超声换能器有较宽的频带范围，可施加不同频率的激励信号，实现多相流中不同尺寸液滴与气泡的测量，进而获得被测场域更丰富全面的信息。

图7描述了本实施例中不同数据处理模式下的数据处理结构框图，接收波形进入FPGA后按数据处理模式状态线电平值选择对应数据处理模式。在波形上传模式下，所有通道数据从第一通道开始依次存储至DDR芯片中，在整个工作周期结束后FPGA将DDR内所存数据从起始地址开始读取至FIFO中，经CPCI总线上传至上位机；在数据解调模式下，FPGA将所需通道采样数据存储至RAM中，之后通过FFT变换得到波形对应的频谱信息，同时FPGA将数据经XINTF接口传输至DSP内进行渡越时间信息解调，渡越时间解调结果经XINTF接口传输回FPGA，频谱信息与渡越时间信息解调结果分别与当前激励探头对应的标志位组成32bit数据存储至FPGA内部FIFO中，经CPCI总线上传至上位机。

图8描述了数据解调模式下系统的整体工作流程：

第一步：由FPGA对超声模拟前端芯片进行初始化，以SPI传输方式向芯片写入控制字，可依据接收信号幅值和探头带宽设置适当的放大倍数、滤波环节截止频率。同时，指令线设置为低电平，系统复位并等待工作模式选择。

第二步：系统通过状态线输入进行工作模式选择，设定完成后指令线输入高电平使系统开始工作。

第三步：FPGA根据当前传感器模式配置模拟开关和超声模拟前端芯片的通断逻辑，模拟开关芯片从1号标志位开始选择对应通道开关闭合6us，对应通道开关闭合后激励模块按当前激励模式产生4us激励信号，与当前激励通道相连的探头被激发产生对应频率的超声波。

第四步：同截面所有通道超声回波依次经过限幅和衰减环节后输入到超声模拟前端芯片，在芯片内经过放大、滤波后，芯片内以最高可达80MHz的采样频率进行AD转换，AD转换精度达12bit，转换后的数字量以LVDS信号传输的方式串行传输至FPGA，同时FPGA内进行解串，得到12bit数字信号，之后按当前数据处理模式对采集数据进行处理，处理结果与对应激励探头标志位组成32位数据存入FIFO。

第五步：FIFO存满后向总线控制芯片输出传输标志位，数据经CPCI总线上传至上位机，同时清空FIFO以继续存储数据。

第六步：当前周期结束且数据传输完成后开关标志位切换至下一通道对应标志，系统从第三步开始重复此流程。

本实施例提供的多模式可配置的宽频超声层析成像系统，激励部分采用可灵活选择的多种模式正弦电压激励，并行数据采集后可按配置方式进行在线数据解调或完整波形上传，传感器部分可支持n探头双截面传感器或32探头单截面传感器，大大提高了系统的灵活性和适用性。

Claims

1.一种多模式可配置的宽频超声层析成像系统，包括系统板卡以及宽频超声换能器阵列，其中，系统板卡主要包括工作模式控制线及接口、FPGA、DA转换芯片、可编程线性放大器、模拟开关、DDR SDRAM、限幅芯片、线性衰减器、超声模拟前端芯片、DSP、总线控制芯片，其特征在于，

所述的宽频超声层析成像系统能够实现多种激励模式、数据处理模式、传感器模式间组合工作实现不同工作模式切换功能，协调不同工作模式下的工作速度和工作时序；其中，激励模式包含四种可供选择的激励模式，可实现宽频带内单频、扫频、混频、多单频轮替的超声信号发射；数据处理部分包含两种数据处理模式：可在线解调频谱和渡越时间信息的数据解调模式，以及将个工作周期内完整超声波形上传至上位机的波形上传模式；超声传感器可在两种传感器模式下工作：m探头单截面传感器模式和n探头双截面传感器模式，m=2*n；

工作模式控制线及接口，包含两条激励模式状态线、一条数据处理模式状态线、一条传感器模式状态线以及一条指令线，分别与FPGA的GPIO接口相连；指令线用于向系统发送工作指令信号和系统复位信号；各状态线用于控制系统各模块的当前工作模式；工作模式控制线及接口可外接上位机或拨码开关实现逻辑电平发生；使用FPGA作为系统主控芯片，实时读取工作模式控制线上的电平值，根据已编制好的内部程序，系统可在不同状态信号下运行于不同工作模式；FPGA内部在每个时钟刷新时检测指令线的电平值，指令线为高电平时系统运行，当指令线为低电平时系统完成当前工作周期后停止工作并复位；系统复位后FPGA在每个内部时钟刷新时检测四条状态线的电平值，并根据状态线的电平逻辑选择对应的工作模式；状态线设置完成后将指令线恢复高电平，系统按所选模式开始工作；

对于四种激励模式，FPGA预先在只读存储器ROM中存储四种激励模式对应的波形信号，并在激励模式状态线的控制下输出对应的波形至所述DA转换芯片，经可编程线性放大器后输出激励信号，其幅值大小通过编程控制；不同传感器模式对应不同模拟开关、超声模拟前端芯片的时序控制逻辑，在m探头单截面传感器模式下，激励信号依次激励m个探头，回波信号依次经过限幅芯片和线性衰减器后进入超声模拟前端芯片，两片n通道超声模拟前端芯片同时采集波形；在n探头双截面传感器模式下，激励信号首先激励上截面的n个探头，同时上截面对应的n通道超声模拟前端芯片采集上截面n通道波形，下截面对应的n通道超声模拟前端芯片不工作，之后依次激励下截面n个探头，同时下截面对应的超声模拟前端芯片采集下截面n通道波形，上截面对应的n通道超声模拟前端芯片不工作；数据采集至FPGA后的处理方法由数据处理模式决定，在数据解调模式下，通过FPGA和DSP编程实现频谱及渡越时间信息解调；在波形上传模式下，通过DDR SDRAM存储所有通道完整波形；两种数据处理模式下的结果均在一个工作周期结束后通过上传至上位机；上位机利用采集获得的多频超声衰减频谱与传播时间数据，进行不同声阻抗、不同尺寸介质的分布图像重建。

2.根据权利要求1所述的宽频超声层析成像系统，其特征在于，所述的宽频带范围为0-10MHz。

3.根据权利要求1所述的宽频超声层析成像系统，其特征在于，m为32，n为16。