CN117405780A - 基于fpga的双像素超声全聚焦系统及实现方法 - Google Patents

基于fpga的双像素超声全聚焦系统及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于FPGA的双像素超声全聚焦系统及实现方法，采用双口ram模块分别从双口ram模块中的两个端口同时存储相邻奇偶像素数据，将所有激发周期得到的超声数据进行叠加得到图像数据，完成全聚焦的过程。该系统在不增加FPGA片上存储器资源，不增加FPGA的成本。同时进行相邻两个聚焦像素点的计算，超声全聚焦帧率提升两倍。相对于单口ram，存储资源占用是一样的，双口ram的结构如图1所示，可以同时从A，B口读写数据。

Description

基于FPGA的双像素超声全聚焦系统及实现方法
技术领域
本发明涉及工业无损检测技术领域，特别是一种基于FPGA的双像素超声全聚焦系统及实现方法。
背景技术
超声波相控阵检测技术是工业无损检测领域的一种常用方法，相控阵技术具有快速、准确和适应性强等优点，在实际的超声检测中应用广泛。由于超声相控阵只能进行单点的实时聚焦，成像分辨率和准确度有限，近年来逐步被超声全聚焦技术所取代，超声全聚焦技术是一种高级的超声波成像技术，通过采集被测区域内任意点的全矩阵回波数据并进行虚拟聚焦，能够克服相控阵技术的缺点。
超声全聚焦产生一幅图像需要多个激发周期，每次一个阵元发射多个阵元同时接收，并对多个阵元接收的数据进行聚焦运算获得一幅灰度图像，最后输出的结果是多个激发周期获得的灰度图像的叠加。现有技术一般是通过两种方式实现全聚焦的计算，一种是将所有激发周期接收的全部数据上传到上位机，通过上位机的GPU运算。一种是在FPGA进行实时计算。
由于超声全聚焦数据量大，计算过程时间长，成像帧率较低，专利《一种基于FPGA实现的高帧率超声全聚焦成》(公布号CN 110927254 A)提出了一种FPGA全聚焦的实现方法，并通过并行方式实现了帧率的提升，然而并行的方式需要多消耗FPGA的片上存储器资源（block ram），例如一个周期内先后发射两个阵元并存储采集的数据，那么就需要多一倍的片上存储器资源去存储采集的超声数据。由于FPGA片上存储器资源并不大，中端的FPGA片上存储器资源大概十几二十兆比特，片上存储器资源越大，FPGA的成本越高，所以当并行数到一定的数量后，成像帧率无法继续提升。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于FPGA的双像素超声全聚焦系统及实现方法，该系统利用双口ram模块同时计算奇偶像素得到超声全聚焦图像，提高了聚焦帧率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的基于FPGA的双像素超声全聚焦系统，包括双口ram模块、奇像素聚焦模块、偶像素聚焦模块和图像叠加模块；
所述双口ram模块，用于存储超声数据，所述超声数据中的相邻奇偶像素数据分别从双口ram模块中的两个口同时进行数据读取；
所述奇像素聚焦模块与每个双口ram模块其中的一个端口连接，用于聚焦奇像素点；
所述偶像素聚焦模块与每个双口ram模块其中的另一端口连接，用于聚焦偶像素点；
所述图像叠加模块分别与奇像素聚焦模块、偶像素聚焦模块连接，用于将所有激发周期得到的超声数据进行叠加得到图像数据，完成全聚焦的过程。
进一步，还包括声程数据合成模块，所述声程数据合成模块用于同时合成相邻奇偶像素点的声程数据，得到奇像素点的声程数据并用于奇像素聚焦模块的索引，以及得到偶像素点的声程数据并用于偶像素聚焦模块的索引。
进一步，所述双口ram模块中的声程数据包括每个聚焦奇像素点到阵元的发射声程数据和接收声程数据；以及每个聚焦偶像素点到阵元的发射声程数据和接收声程数据；将对应阵元的声程数据存储于外部存储器中，所述外部存储器与声程数据合成模块连接。
进一步，所述声程数据合成模块，用于同时合成相邻奇偶像素点的声程数据，在阵元发射后，通过多个ADC模块同时采样多个阵元接收到的超声数据，并根据所需要检测的深度保存相应长度的超声数据在双口ram模块中，双口ram模块读写的是同一个存储区域，通过设置于双口ram模块上的A口或者B口将声程数据写入。
进一步，所述双口ram模块与探头阵元数量对应匹配，所述ADC模块与双口ram模块数量对应匹配。
进一步，所述奇像素聚焦模块，用于聚焦奇像素点的灰度计算，接收声程数据合成模块合成的奇像素点的声程数据，通过多个双口ram模块中的一个端口同时索引超声数据，聚焦计算当前奇像素点的灰度值。
进一步，所述偶像素聚焦模块用于，聚焦偶像素点的灰度计算，接收声程数据合成模块合成的偶像素点的声程数据，通过多个双口ram模块中的另一个端口同时索引超声数据，聚焦计算当前偶像素点的灰度值。相邻的两个奇偶像素点同步计算。
本发明提供的基于FPGA的双像素超声全聚焦实现方法，包括以下步骤：
将超声数据存储于双口ram模块存储中；
从双口ram模块的一端口读取超声数据中的奇像素数据；同时从双口ram模块的另一端口读取超声数据中的偶像素数据；
将所有激发周期得到奇像素数据和偶像素数据进行叠加得到图像数据，完成全聚焦的过程。
进一步，所述全聚焦的过程具体 是在图像叠加模块中完成， 按照以下步骤进行：
从双口ram模块中的一个端口读取奇像素位置的灰度值，将当前发射阵元的奇像素灰度值与奇像素聚焦模块中奇像素灰度像素值相加，完成奇像素叠加的过程；
从双口ram模块中的另一端口读取偶像素位置的灰度值，将当前发射阵元的偶像素灰度值与偶像素聚焦模块得到偶像素灰度像素值相加，完成偶像素叠加的过程；
当所有阵元激发完，叠加所有阵元激发生成的灰度图后，将最后的灰度图发送到上位机进行显示，同时清空图像叠加模块。进一步，所述从双口ram模块的端口读取超声数据是根据相邻奇偶像素点的声程数据进行的，具体如下：利用奇像素点的声程数据作为读取奇像素点的索引，利用偶像素点的声程数据作为读取偶像素点的索引。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的基于FPGA的双像素超声全聚焦系统及实现方法，采用双口ram模块分别从双口ram模块中的两个端口同时读取相邻奇偶像素的超声数据，合成奇偶像素的灰度值，将所有激发周期得到的超声数据进行叠加得到图像数据，完成全聚焦的过程。该系统在不增加FPGA片上存储器资源，不增加FPGA的成本。同时进行相邻两个聚焦像素点的计算，超声全聚焦帧率提升两倍。相对于单口ram，存储资源占用是一样的，可以同时从A，B口读写数据。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
图1为FPGA的双像素超声全聚焦系统示意图。
图2为奇偶像素聚焦模块计算得到的灰度像素值图。
图3为基于FPGA的双像素超声全聚焦实现方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，图1为FPGA的双像素超声全聚焦系统示意图，本实施例提供的基于FPGA的双像素超声全聚焦系统，包括
双口ram模块、声程数据合成模块、奇像素聚焦模块、偶像素聚焦模块和图像叠加模块；
所述双口ram模块，用于存储ADC模块采样到的超声数据，所述超声数据中的相邻奇偶像素数据分别从双口ram模块中的两个口同时进行数据读取；
本实施例中双口ram模块存储的是ADC采集的超声数据，通过一个口存储，从双口ram模块中读取通过两个口同时进行；
所述声程数据合成模块用于同时合成相邻奇偶像素点的声程数据；
所述奇像素聚焦模块与每个双口ram模块其中的一个端口连接，用于聚焦奇像素点；
所述偶像素聚焦模块与每个双口ram模块其中的另一端口连接，用于聚焦偶像素点；
所述图像叠加模块分别与奇像素聚焦模块、偶像素聚焦模块连接，用于将所有激发周期得到的图像数据进行叠加，完成全聚焦的过程。
所述双口ram模块与探头阵元数量对应匹配，所述ADC模块与双口ram模块数量对应匹配；
本实施例中当一个阵元发射后，多个ADC同时采样多个阵元接收到的超声数据，并根据所需要检测的深度保存相应长度的超声数据在双口ram中，双口ram读写的是同一个存储区域，所以可以通过A口或者B口将超声数据读取。
本实施例中的声程数据用于记录超声波在物体内部的传播路径和时间，从而可以反映出物体内部的声学特性，所述声程数据为t1到tn的数据，该数据是超声波从发射阵元发射经过聚焦点反射到接收阵元的传播时间，这个值用于索引存储在双口ram模块里面的超声数据，所谓索引就是把这个数据换算成ram的地址进行读取，双口ram模块可以从两个口同时读取不同地址的数据。
所述声程数据合成模块，用于合成每个聚焦像素点，需要从多个双口ram索引的声程数据，所谓声程即从发射阵元经聚焦点反射到接收阵元的时间，例如图1所示，阵元1发射的超声波到所示奇像素点的传播时间为t1，阵元n接收到所示奇像素点反射超声波传播的时间为tn，那么阵元1发射的时候，阵元n对应的声程即为t1+tn。其中，t1和tn都可以通过距离除以被测对象中传播的声速获得，而距离可以通过勾股定理求得。
所述声程数据合成模块需要同时合成相邻两个奇偶像素点所需要的声程，每个像素点需要的声程个数等于聚焦孔径大小（即同时有多少个阵元接收）。由于声程数据量较大，FPGA进行乘法和开方运算需要资源较多，这里通过预存在外部存储器的方式实现，通过高带宽的DDR外部存储器，可以满足声程数据的读写需求。声程数据的存储不需要区分是接收还是发送，因为在同一材料中超声波经过相应路程的时间是相等的。只需要存储每个聚焦像素点到阵元的声程，如图1中实线所示的奇像素点的t1，t2……tn。然后按上面的方法用发射声程加上接收声程即可以得到对应阵元的声程数据。这里声程数据合成模块需要同时合成相邻的奇偶两个聚焦像素点所需要的声程数据。
本实施例中的通过ADC采样得到超声波数据，声程数据是一个与超声波传输时间相关的值，奇偶像素点的合成是通过ADC采样到的超声数据计算的，这些采样的数据会存储在双口ram模块里面，通过声程数据合成模块计算的声程（ram的读取地址），读取双口ram模块里面的超声数据计算得到奇偶像素。
所述奇像素聚焦模块主要负责聚焦奇像素点的灰度计算，每一个发射周期，奇像素聚焦模块需要计算所有奇像素的灰度，奇像素聚焦模块接收声程数据合成模块合成的奇像素点的声程数据，通过多个双口ram的A端口同时索引超声数据，聚焦计算当前奇像素点的灰度值。
所述偶像素聚焦模块主要负责聚焦偶像素点的灰度计算，每一个发射周期，偶像素聚焦模块需要计算所有偶像素的灰度，偶像素聚焦模块接收声程数据合成模块合成的偶像素点的声程数据，通过多个双口ram的B端口同时索引超声数据，聚焦计算当前偶像素点的灰度值。相邻的两个奇偶像素点同步计算。
如图2所示，图2为奇偶像素聚焦模块计算得到的灰度像素值图，所述图像叠加模块主要负责将所有激发周期计算得到的灰度图进行叠加，完成全聚焦的过程，第一个阵元发射后，奇偶像素聚焦模块计算得到的灰度像素值图，依次写入到图像叠加模块的ram里面，图像叠加模块的ram的大小需能够存储所有的聚焦像素点，后面阵元发射后聚焦计算出来的奇偶像素灰度值，需要先读取ram中相应奇偶像素位置的灰度值，并与当前发射计算出来的奇偶像素灰度值两两相加（奇加奇、偶加偶），完成叠加的过程，当所有阵元激发完，叠加了所有阵元激发生成的灰度图后，将最后的灰度图发送到上位机进行显示，同时清空图像叠加模块的ram。
假设全聚焦孔径为N，在一个激发周期里，当一个阵元发射后，N个阵元的接收到的模拟信号通过ADC采样后输入到FPGA，FPGA将数据通过双口ram的A口写入N个双口ram里面。声程合成模块从外部存储器（一般是DDR存储器）读取连续两个聚焦像素点所需要的声程数据，并同时合成相邻两个聚焦像素点所需要的声程数据，根据相应的声程数据，奇像素聚焦模块从双口ram的A口索引数据，偶像素聚焦模块从双口ram的B口索引数据，并将分别将索引的N个数据进行聚焦，同时获得相临两个聚焦像素点的灰度值，如图2所示，将计算结果输出到图像叠加模块，图像叠加模块将每个激发周期生成的灰度图像进行叠加，当所有阵元激发完后，将一帧超声全聚焦图像输出到上位机进行显示。
本实施例中双像素灰度值同时计算，利用FPGA双口ram的特性，相邻两个像素分别通过双口ram的两个端口同时进行数据索引，同时运算，在不增加片上存储资源的情况下，提升两倍的帧率。FPGA的双口ram相对于单口ram，存储资源占用是一样的，可以同时从A，B口读写数据。
超声全聚焦产生一幅图像需要多个激发周期，每次一个阵元发射多个阵元同时接收，并对多个阵元接收的数据进行运算获得一个灰度图像，最后输出的结果是多个激发周期获得的多个灰度图像的叠加。
如图3所示，本实施例还提供了基于FPGA的双像素超声全聚焦实现方法，包括以下步骤：
将超声数据存储于双口ram模块存储中；
从双口ram模块的一端口读取超声数据中的奇像素数据；同时从双口ram模块的另一端口读取超声数据中的偶像素数据；
将所有激发周期得到奇像素数据和偶像素数据进行叠加得到图像数据，完成全聚焦的过程。
本实施例中所述从双口ram模块的端口读取超声数据是根据相邻奇偶像素点的声程数据进行的，具体如下：利用奇像素点的声程数据作为读取奇像素点的索引，利用偶像素点的声程数据作为读取偶像素点的索引。
本实施例中的基于FPGA的双像素超声全聚焦实现方法，具体过程如下：
按顺序从第一个阵元开始发射；
所有阵元接收到的超声信号通过ADC转换成数字信号后写入双口RAM存储；
声程合成模块从DDR存储器读取奇偶声程数据，井合成奇偶像素的索引地址；
根据奇偶像素的索引地址，分别从双口RAM的A口读取计算奇像素所需的超声数据，从双口RAM的B口读取计算偶像素所需的超声数据，并计算获得奇偶像素的灰度值；
图像叠加模块判读是不是第一个发射阵元，如果是第一个发射阵元直接将奇偶像素的灰度值ram存储，如果不是第一个发射阵元，读取ram中相应位置奇偶像素的灰度值，计算奇偶像素灰度值并两两相加，完成叠加；
判断是否最后一个阵元发射，如果否，则返回循环重复进行，如果是，则从图像叠加模块读出灰度值输出到上位机显示。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.基于FPGA的双像素超声全聚焦系统，其特征在于：包括双口ram模块、奇像素聚焦模块、偶像素聚焦模块和图像叠加模块；
所述双口ram模块，用于存储超声数据，所述超声数据中的相邻奇偶像素数据分别从双口ram模块中的两个口同时进行数据读取；
所述奇像素聚焦模块与每个双口ram模块其中的一个端口连接，用于聚焦奇像素点；
所述偶像素聚焦模块与每个双口ram模块其中的另一端口连接，用于聚焦偶像素点；
所述图像叠加模块分别与奇像素聚焦模块、偶像素聚焦模块连接，用于将所有激发周期得到的超声数据进行叠加得到图像数据，完成全聚焦的过程。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的双像素超声全聚焦系统，其特征在于：还包括声程数据合成模块，所述声程数据合成模块用于同时合成相邻奇偶像素点的声程数据，得到奇像素点的声程数据并用于奇像素聚焦模块的索引，以及得到偶像素点的声程数据并用于偶像素聚焦模块的索引。
3.如权利要求2所述的基于FPGA的双像素超声全聚焦系统，其特征在于：所述双口ram模块中的声程数据包括每个聚焦奇像素点到阵元的发射声程数据和接收声程数据；以及每个聚焦偶像素点到阵元的发射声程数据和接收声程数据；将对应阵元的声程数据存储于外部存储器中，所述外部存储器与声程数据合成模块连接。
4.如权利要求2所述的基于FPGA的双像素超声全聚焦系统，其特征在于：所述声程数据合成模块，用于同时合成相邻奇偶像素点的声程数据，在阵元发射后，通过多个ADC模块同时采样多个阵元接收到的超声数据，并根据所需要检测的深度保存相应长度的超声数据在双口ram模块中，双口ram模块读写的是同一个存储区域，通过设置于双口ram模块上的A口或者B口将声程数据写入。
5.如权利要求4所述的基于FPGA的双像素超声全聚焦系统，其特征在于：所述双口ram模块与探头阵元数量对应匹配，所述ADC模块与双口ram模块数量对应匹配。
6.如权利要求1所述的基于FPGA的双像素超声全聚焦系统，其特征在于：所述奇像素聚焦模块，用于聚焦奇像素点的灰度计算，接收声程数据合成模块合成的奇像素点的声程数据，通过多个双口ram模块中的一个端口同时索引超声数据，聚焦计算当前奇像素点的灰度值。
7.如权利要求1所述的基于FPGA的双像素超声全聚焦系统，其特征在于：所述偶像素聚焦模块，用于聚焦偶像素点的灰度计算，接收声程数据合成模块合成的偶像素点的声程数据，通过多个双口ram模块中的另一个端口同时索引超声数据，聚焦计算当前偶像素点的灰度值，相邻的两个奇偶像素点同步计算。
8.基于FPGA的双像素超声全聚焦实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
将超声数据存储于双口ram模块存储中；
从双口ram模块的一端口读取超声数据中的奇像素数据；同时从双口ram模块的另一端口读取超声数据中的偶像素数据；
将所有激发周期得到奇像素数据和偶像素数据进行叠加得到图像数据，完成全聚焦的过程。
9.如权利要求8所述的基于FPGA的双像素超声全聚焦实现方法，其特征在于：所述全聚焦的过程 是在图像叠加模块中完成， 具体按照以下步骤进行：
从双口ram模块中的一个端口读取奇像素位置的灰度值，将当前发射阵元的奇像素灰度值与奇像素聚焦模块中奇像素灰度像素值相加，完成奇像素叠加的过程；
从双口ram模块中的另一端口读取偶像素位置的灰度值，将当前发射阵元的偶像素灰度值与偶像素聚焦模块得到偶像素灰度像素值相加，完成偶像素叠加的过程；
当所有阵元激发完，叠加所有阵元激发生成的灰度图后，将最后的灰度图发送到上位机进行显示，同时清空图像叠加模块。
10.如权利要求9所述的基于FPGA的双像素超声全聚焦实现方法，其特征在于：所述从双口ram模块的端口读取超声数据是根据相邻奇偶像素点的声程数据进行的，具体如下：利用奇像素点的声程数据作为读取奇像素点的索引，利用偶像素点的声程数据作为读取偶像素点的索引。
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