基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)設計

崔 娟，王紅亮，何常德，薛晨陽

(1.中北大學電子測試國家重點實驗室，山西太原030051；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

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基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)設計

崔 娟1,2，王紅亮1,2，何常德1,2，薛晨陽1,2

(1.中北大學電子測試國家重點實驗室，山西太原030051；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

為了實現水下超聲成像系統(tǒng)中超聲信號的相控陣發(fā)射，提出并設計了一種基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)。分析了相控聚焦的發(fā)射原理，利用FPGA豐富的I/O引腳和內部邏輯資源實現了八通道超聲相控陣激勵信號的發(fā)射，并設計了信號調理電路對激勵信號進行D/A轉換及放大，以有效驅動壓電換能器。通過實驗測試表明，該系統(tǒng)可以實現超聲信號的相控聚焦發(fā)射，相控延時精度達到2.5 ns，發(fā)射信號穩(wěn)定，系統(tǒng)集成度高，可以應用于水下超聲成像的實現。

水下超聲成像；相控陣；相控聚焦；FPGA；信號調理電路；壓電換能器

0 引言

超聲成像技術，特別是水下超聲成像，由于能夠直觀地反映水下被測物體性能，對被測物體進行定性定量分析，成為近年來的研究熱點。超聲相控陣檢測技術是超聲成像的關鍵技術，是通過控制陣列換能器中各陣元發(fā)射信號和接收信號的相位延時，實現波束聚焦和偏轉等效果，從而完成相控陣波束合成，形成清晰的圖像[1-2]。目前水下超聲探測采用單一通道控制單個換能器發(fā)射超聲波，本文利用超聲相控陣檢測技術設計了1套相控陣超聲發(fā)射系統(tǒng)。它采用多陣列換能器，實現了水下超聲發(fā)射波束的聚焦和偏轉等效果，為后續(xù)成像實驗提供技術支持。

1 相控聚焦發(fā)射原理

超聲相控陣發(fā)射的原理是，通過控制換能器陣列各陣元激勵信號的延遲時間，使得各陣元發(fā)射的超聲波束產生一定的相位差，在空間疊加形成波束聚焦和波束偏轉等效果[3-5]。相控聚焦發(fā)射時，換能器陣列各陣元的激勵信號延時從兩端到中間逐漸增大，各個獨立波陣面產生干涉并指向1個曲率中心，形成聚焦波束[6]，聲波在該點處同相疊加增強，在該點以外的空間反相疊加減弱甚至抵消，該點即為發(fā)射聚焦點。這樣就在聚焦點產生最強波，形成成像掃描。

圖1 相控發(fā)射聚焦原理圖

超聲相控陣發(fā)射聚焦原理如圖1所示。設陣元數為2n+1，陣元中心距為d，則換能器孔徑為2nd。若使各陣元發(fā)射的聲波聚焦點P距離陣列的垂直距離為L，則各陣元激勵信號的延遲時間為[7]：

(1)

2 超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)設計

基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)包括PC機、電源、串口、FPGA主控單元、信號調理電路和換能器陣列探頭等。其中FPGA作為整個發(fā)射系統(tǒng)的主控單元，承載著相控發(fā)射的延時控制。信號調理電路由D/A轉換、運算放大和功率放大電路組成，目的是對激勵脈沖進行放大處理以有效驅動換能器。系統(tǒng)的整體結構框圖如圖2所示。

圖2 超聲相控發(fā)射系統(tǒng)結構框圖

2.1 硬件設計

CPLD和FPGA都是可編程邏輯器件，但FPGA在編程上比CPLD具有更大的靈活性，集成度也更高，具有更復雜的布線結構和邏輯實現，同時FPGA比CPLD功耗要小很多。本文選用的FPGA芯片是XC3S200芯片。該芯片集成度較高，具有195個最大用戶I/O和高達520 K分布式RAM，最高系統(tǒng)時鐘為340 MHz。

基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)的設計思想是，利用FPGA豐富的I/O引腳資源和高速計數功能，實現換能器陣列發(fā)射波束的聚焦深度控制和自動偏轉角度控制[8]。FPGA相控發(fā)射模塊結構框圖如圖3所示。

圖3 相控發(fā)射模塊結構框圖

相控延時技術是實現超聲相控陣發(fā)射的關鍵技術。相控延時精度和分辨率影響著超聲相控的成像效果。其均方根(RMS)延時量化誤差與主瓣幅值之比[9]為

(2)

可以看出，在陣元數目一定的前提下，提高相控延時的精度和分辨率，可以有效抑制聲束旁瓣，提高成像質量。

現在相控延時的實現一般采用數字式發(fā)射延時。與過去的模擬延遲線相比，數字式發(fā)射延時具有精度高、可調性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點[10～11]。數字式延時的實現分為粗延時和細延時。實現粗延時比較簡單。粗延時一般由采樣時鐘控制，延時值為采樣周期的整數倍。本文選用100 MHz晶振作為系統(tǒng)的采樣時鐘，延時精度為10 ns。這個精度并不算很高。提高采樣時鐘可以提高延時精度，但同時會對硬件電路有更高的要求，由于硬件電路的限制，粗延時精度一般很難達到10 ns以上。因此必須進行細延時設計。

本文采用數字脈沖相位差法實現系統(tǒng)的精細延時。思想是通過產生頻率相同、相位不同的時鐘信號，控制他們之間的相位差減小來提高延時精度。首先將100 MHz的采樣時鐘進行2倍頻產生200 MHz信號，再取200 MHz頻率信號及其反相信號分別進行2分頻，生成4路頻率均為100 MHz，但相位依次相差90°的信號，如圖4所示。這樣，定義初值不變，在這4路信號中任意選擇不同的信號，就能獲得最小相差為2.5 ns的延時。因此得到精細延時的精度為2.5 ns。

圖4 時鐘分頻延時輸出信號圖

2.2 電路設計

本文選用的D/A轉換芯片是高速數模轉換器AD9708。該芯片具有18位的分辨率，轉換輸出的模擬波形幅值為2 V，頻率范圍為0～6.5 MHz。FPGA將發(fā)射信號的數據傳輸給AD9708，同時輸出一個時鐘信號控制AD9708在每個時鐘更新1次D/A輸出。

D/A轉換輸出的模擬波形幅值僅為2 V，不足以激勵換能器，因此還需對信號進行幅值和功率放大。運放芯片選用AD823，供電電壓為±18 V，這樣激勵信號經運算放大后的幅值就達到36 V。采用大功率場效應管IRF740應用于高頻功率放大電路，IRF740工作于開關狀態(tài)，具有輸入阻抗高、驅動電流小、開關速度快、高頻工作特性好等優(yōu)點[12]。功率放大電路處于D類工作狀態(tài)。具體的放大電路設計如圖5所示。

圖5 發(fā)射信號放大電路設計

3 實驗測試

為了驗證以上系統(tǒng)設計是否滿足相控發(fā)射的要求，搭建了實驗平臺對相控陣超聲發(fā)射信號的特性及相控延時進行了測試與分析。設計了八通道FPGA相控陣超聲發(fā)射板，FPGA作為系統(tǒng)的控制中心，主要作用是產生頻率為200 kHz的數字信號及片上延時算法的實現。外接八路信號調理電路，完成數字信號到模擬信號的轉換及信號放大，輸出具有一定幅值和驅動能力的激勵信號。

實驗所用的換能器采用一種小型的水下超聲壓電換能器陣列，陣元數為32，陣元中心距3.8 mm，中心頻率為200 kHz。發(fā)射換能器和接收換能器之間的距離為10 cm，編寫程序產生200 kHz的四脈沖方波激勵信號，用示波器測得發(fā)射端和接收端的信號如圖6所示?？梢钥闯霭l(fā)射波形比較穩(wěn)定，幅值較大，接收信號波包明顯，干擾和失真小，可以經采集卡采集進行后續(xù)數據處理。

圖6 超聲信號發(fā)射和接收波形

設定聚焦深度為20 cm，編寫了六通道的相控聚焦延時程序下載到FPGA中，經過信號調理電路處理，得到六通道相控聚焦發(fā)射激勵信號波形如圖7所示。各通道設置的延時參數和實驗測試的聚焦延時數據對比如表1所示。

結合實驗結果分析表1數據可知，六通道相控聚焦延時發(fā)射實驗測得的相對延時與理論相對延時之間的誤差小于2.5 ns，說明該系統(tǒng)延時精度達到了2.5 ns的精度，滿足設計要求。

表1 相控聚焦延時數據 ns

圖7 相控聚焦發(fā)射波形圖

4 結論

與原有的水下超聲檢測系統(tǒng)研究相比，設計的超聲相控發(fā)射系統(tǒng)采用FPGA實現了多通道多陣列的超聲相控發(fā)射，實物測試結果理想，延時精度更高。通過理論研究結合實驗測試表明，發(fā)射信號穩(wěn)定，干擾和失真較小，能夠實現相控發(fā)射波束的聚焦，相控延時精度達到2.5 ns。同時由于FPGA具有系統(tǒng)可重配置性能，使設計控制和修改更加靈活方便，也有利于系統(tǒng)的集成。

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Design of Ultrasonic Phased Array Transmission System Based on FPGA

CUI Juan1,2,WANG Hong-liang1,2,HE Chang-de1,2,XUE Chen-yang1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Key laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，North University of China, Ministry of Education,Taiyuan 030051,China)

In order to enhance the ultrasonic signal phased array transmission of underwater ultrasonic imaging system,the ultrasonic phased array transmission system based on FPGA was designed.The transmission principle of phased focus was analyzed,and the eight channel ultrasonic phased array transmission system was achieved by using FPGA with rich I/O pins and internal logic resources.Then the signal conditioning circuit for excitation signal D/A conversion and amplification were designed to motivate the piezoelectric transducer effectively.The actual test results show that the system realizes ultrasonic signal phased array focus transmission,and the phase delay precision is 2.5 ns.The system is with high integration and stable transmission,and it can be applied to the underwater ultrasonic imaging implementation.

underwater ultrasonic imaging; phased array; phased focus; FPGA; signal conditioning circuit; piezoelectric transducer

國家自然科學基金項目(61127008)

2014-11-19 收修改稿日期：2015-02-13

TN552

A

1002-1841(2015)07-0054-03

崔娟(1992- )，碩士研究生在讀，主要研究方向為超聲換能器設計和超聲成像系統(tǒng)。E-mail：cjj0229@sina.com. 王紅亮(1978- )，副教授，碩士生導師，主要研究方向測試系統(tǒng)集成和水聲成像。E-mail：wanghongliang@nuc.edu.cn.