工業(yè)超聲多波束合成器的設(shè)計(jì)

高小明 楊 程

(西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621010)

工業(yè)超聲廣泛應(yīng)用于焊接檢測(cè)、鋼管檢測(cè)、軋輥檢測(cè)、裂紋檢測(cè)、管道檢測(cè)以及油路管道檢測(cè)等，它能夠快速、無損傷、精確地進(jìn)行工件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，超聲波探傷儀適于觀察物體內(nèi)部的狀態(tài)，而在工業(yè)數(shù)字超聲成像系統(tǒng)中，目前均使用陣列式超聲換能器，采用電子聚焦的方式進(jìn)行探測(cè)組織的檢測(cè)[1]。通常情況下利用N個(gè)晶片通過延遲聚焦的方式形成一條發(fā)射聲束，然后再利用N個(gè)晶片接收回聲信號(hào)，并利用發(fā)射延遲同樣的規(guī)則合成單路信號(hào)，從而得到超聲圖像中縱向一條線的信息，N表示了掃描中同時(shí)工作的晶片和接收通道個(gè)數(shù)。為保證超聲圖像的分辨率和密實(shí)度，一般采用陣元數(shù)更多的探頭，并按照d/2(d表示探頭陣元數(shù))的方式掃描，但由于超聲在某些物體組織中探測(cè)距離遠(yuǎn)、傳輸時(shí)間長(zhǎng)的限制，單幀圖像中掃描線數(shù)增加將導(dǎo)致掃描時(shí)間過長(zhǎng)，從而引起幀頻過慢，影響超聲圖像的實(shí)時(shí)性，雖然增加了超聲圖像的橫向分辨力和縱向分辨力，但降低了其時(shí)間分辨力[2～4]。多波束合成技術(shù)則是通過對(duì)N路回聲信號(hào)采用多種不同的延遲聚焦計(jì)算，同時(shí)形成多條接收信號(hào)，該技術(shù)可以保證不降低超聲圖像中采樣線數(shù)的情況下，提高超聲成像的時(shí)間分辨力[5～7]。

1 設(shè)計(jì)原理①

多波束合成是通過發(fā)射一次超聲脈沖后，從接收信號(hào)中形成多條接收聲束的技術(shù)。這時(shí)發(fā)射采用了弱聚焦，發(fā)射的超聲束寬比較均勻、焦深大，在聲束“照射”區(qū)域內(nèi)聲場(chǎng)分布均勻[8，9]。對(duì)各陣元接收的回波信號(hào)采用幾組不同的延時(shí)序列處理，即可得到聲場(chǎng)中幾個(gè)不同方向上的接收聲束。

超聲回聲信號(hào)通過N個(gè)晶片同時(shí)接收，系統(tǒng)電路將對(duì)每路信號(hào)單獨(dú)進(jìn)行濾波、放大及A/D采樣等處理，然后由FPGA進(jìn)行加權(quán)變跡、延遲求和等運(yùn)算。由于接收晶片的位置不同，從而導(dǎo)致發(fā)射波束上任何一點(diǎn)的回聲信號(hào)到達(dá)晶片的延遲時(shí)間不同(圖1)。

圖1 接收聚焦示意圖

若N路回聲信號(hào)延遲參數(shù)不同，則會(huì)形成不同位置的回聲合成采樣線。如在合成時(shí)，利用4組不同的延遲參數(shù)對(duì)N路采樣信號(hào)進(jìn)行求和運(yùn)算，這樣就可以同時(shí)得到4條采樣線的信息。但延遲參數(shù)也不能任意選擇，必須保證合成的采樣線在發(fā)射聚焦的焦點(diǎn)直徑范圍以內(nèi)的探測(cè)區(qū)域才是有效的。

在陣列超聲發(fā)射中，通過聚焦將形成一束超聲波，在聚焦點(diǎn)的聲束寬度最小，在焦點(diǎn)附近的有限區(qū)域內(nèi)，聚焦聲束寬度小于各陣元同時(shí)激勵(lì)時(shí)(即不聚焦)的聲束寬度[10，11]；但在此區(qū)域之外，聚焦聲束寬度反而擴(kuò)散開來，大于不聚焦聲束寬度(圖2)。

圖2 發(fā)射聚焦示意圖

焦點(diǎn)直徑表達(dá)了聚焦焦點(diǎn)的聲束寬度，其表達(dá)形式為：

W(f)=2.44λF/nd

(1)

式中d——兩個(gè)晶片之間的距離；

F——焦點(diǎn)距離；

n——晶片通道數(shù)；

nd——孔徑的大小。

為實(shí)現(xiàn)同時(shí)接收到4條線的信息，每條線的位置應(yīng)控制在發(fā)射波束焦點(diǎn)以內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的準(zhǔn)確探測(cè)(圖3)。

圖3 波束合成接收線位置示意圖

為達(dá)到最佳接收效果，4條接收線將在焦距范圍內(nèi)進(jìn)行均分，并和焦距中心對(duì)稱。因此，在焦點(diǎn)處的最佳分辨力如下：

(2)

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

超聲系統(tǒng)每個(gè)通道的回聲信號(hào)都由電路進(jìn)行獨(dú)立的處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 N通道超聲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在上述系統(tǒng)中，對(duì)回聲信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，形成N路數(shù)字采樣信號(hào)，每路信號(hào)采樣頻率滿足s(f)>2f，才能保證回聲信號(hào)被完整采樣。在本方案中，信號(hào)的采樣頻率達(dá)到了50MHz，信號(hào)采集后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用數(shù)組形式進(jìn)行存儲(chǔ)(圖5)。

圖5 回聲數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

基于50MHz的采樣頻率，則上述數(shù)組中，前后數(shù)據(jù)的相鄰時(shí)間間隔為：

(3)

在進(jìn)行延遲合成過程中，t表示通道數(shù)據(jù)合成的最小延遲單位。在超聲系統(tǒng)中，通常的延遲精度為10ns，顯然，上述延遲精度比較粗糙，為提高延遲精度，通過在每個(gè)采樣數(shù)據(jù)中進(jìn)行信號(hào)插值(圖6)。

圖6 插值后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

經(jīng)過插值處理后，相鄰數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔為：

(4)

圖7 數(shù)據(jù)移位延遲示意圖

通過數(shù)據(jù)插值后，通道數(shù)據(jù)合成的最小時(shí)間精度提高到了5ns，再對(duì)數(shù)組里面的數(shù)據(jù)采取移位運(yùn)算(圖7)。

對(duì)于每一種延遲方式，為其建立一張延遲表，延遲表表明了對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位的移位情況，即該數(shù)據(jù)位應(yīng)該進(jìn)行多少個(gè)延遲單位。在多波束合成運(yùn)算中，每一條不同位置的合成信號(hào)線，對(duì)應(yīng)了一個(gè)不同的延遲表，因此，在n波束合成系統(tǒng)中，需要建立n張延遲表。通過FPGA進(jìn)行并行運(yùn)算，同時(shí)得出n條線的信息，通常情況下，采用4波束合成，即可取得較好的效果。合成示意如圖8所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)采用了32通道超聲發(fā)射及接收系統(tǒng)，利用AFE5805超聲模擬前端對(duì)每個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行處理，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采樣頻率50MHz，通過LVDS傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA采用了STRATIX-II系列的EP2S60F672I4N芯片，該芯片片內(nèi)RAM容量能夠滿足本系統(tǒng)4波束合成運(yùn)算的需要。在探頭中心頻率為3.5MHz，128陣元，發(fā)射焦點(diǎn)80cm時(shí)，采用4波束合成技術(shù)形成的二維超聲圖像如圖9所示。

圖8 多波束合成示意圖

3.1 測(cè)試目標(biāo)及結(jié)果

筆者針對(duì)該方法的超聲成像系統(tǒng)，對(duì)比國(guó)標(biāo)中的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并將其測(cè)試目標(biāo)和結(jié)果列于表1。

圖9 4波束合成圖像

測(cè)試目標(biāo)測(cè)試儀器儀器型號(hào)測(cè)試結(jié)果探測(cè)深度/mm模型KS107BD>260橫向分辨率/mm模型KS107BD<1縱向分辨率/mm模型KS107BD<1橫向幾何精度/%模型KS107BD<3縱向幾何精度/%模型KS107BD<3幀頻/幀軟件統(tǒng)計(jì)無>40盲區(qū)/mm模型KS107BD<2

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

在系統(tǒng)測(cè)試中，采用了標(biāo)準(zhǔn)超聲仿組織模型進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)比模型上面的刻度，采用多波束合成的超聲圖像，其各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均高于目前國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。通過系統(tǒng)軟件測(cè)算，在該平臺(tái)下，圖像幀頻達(dá)到了41～43幀，而在單波束情況下，采用d/2掃描的情況下，理論幀頻僅能達(dá)到18幀左右。因此，采用多波束合成技術(shù)，對(duì)幀頻的提高比較明顯。

4 結(jié)束語

介紹了采用數(shù)組移位的方式進(jìn)行多波束合成的運(yùn)算，并利用FPGA對(duì)每束合成信號(hào)進(jìn)行并行處理，實(shí)驗(yàn)證明，該方法取得了較好的效果。采用多波束合成技術(shù)，可以將相鄰兩聲束的間隔減小到1/4陣元間距以上，從而可以提高超聲圖像的橫向分辨力，縱向分辨力和對(duì)比分辨力，因而能實(shí)

現(xiàn)高密度、高分辨率成像。同時(shí)，由于單次可以采集多條接收聲束的數(shù)據(jù)，從而提高成像速度，使得超聲二維圖像更加流暢，實(shí)時(shí)效果明顯，對(duì)于生產(chǎn)線上觀察運(yùn)行型器件，如齒輪、油箱中的運(yùn)動(dòng)部件等，更能捕捉到內(nèi)部細(xì)節(jié)圖像。該方案具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景，已形成較為穩(wěn)定的樣機(jī)，并由相應(yīng)的工業(yè)探測(cè)設(shè)備公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。