基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜春暉

一、引言

超聲成像技術(shù)由于其廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，一直以來(lái)受到各國(guó)科研人員的追捧，尤其是水下超聲成像可以很直觀的將水下物體進(jìn)行成像更是成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，使得水聲成像技術(shù)得到了飛速發(fā)展。目前比較常見的水聲成像聲納主要有側(cè)掃聲納、前視聲納、多波束聲納、合成孔徑聲納等，但都是以單探頭進(jìn)行移動(dòng)發(fā)/收來(lái)合成陣的效應(yīng)從而獲得性能的提高[1～3]。

相控陣超聲成像技術(shù)作為一種新型的水聲成像技術(shù)，使用超聲換能器陣列，無(wú)需移動(dòng)探頭就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體一定聲場(chǎng)范圍內(nèi)的掃查，其特點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高、分辨率高。通過(guò)參數(shù)設(shè)置焦點(diǎn)位置、大小、焦深，便可得到物體均勻清晰的成像[4～5]。

由于水下特殊的聲信道和復(fù)雜的噪聲環(huán)境會(huì)影響水聲成像的分辨率[6]，想要提高分辨率比較有效的辦法就是增強(qiáng)超聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度。為此文中利用FPGA設(shè)計(jì)了一種新型的高集成度超聲相控陣發(fā)射電路，包括FPGA相控延時(shí)設(shè)計(jì)及脈沖信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)，可以產(chǎn)生高頻高壓脈沖信號(hào)，激勵(lì)換能器陣列實(shí)現(xiàn)超聲波束的相控發(fā)射。

二、相控聚焦發(fā)射原理

超聲相控陣發(fā)射的原理是，通過(guò)設(shè)定時(shí)間延遲來(lái)依次激勵(lì)超聲換能器陣列各陣元，這樣各陣元發(fā)射的超聲波信號(hào)之間產(chǎn)生一定的相位差，在空間疊加形成波束聚焦和波束偏轉(zhuǎn)等效果[3][7]。相控聚焦發(fā)射時(shí)，換能器陣列各陣元的激勵(lì)信號(hào)延時(shí)從中間到兩端逐漸減小，發(fā)射的超聲波束合成的波陣面指向一曲率中心點(diǎn)，該點(diǎn)即為發(fā)射聚焦點(diǎn)，聲波在該點(diǎn)處同相疊加增強(qiáng)，在該點(diǎn)以外的空間反相疊加減弱甚至抵消。這樣就在聚焦點(diǎn)產(chǎn)生最強(qiáng)波，若通過(guò)延時(shí)控制使聚焦點(diǎn)來(lái)回移動(dòng)，則形成成像掃描。

超聲相控陣發(fā)射聚焦原理如圖1所示。設(shè)陣元中心距為d，陣元數(shù)為2n+1，則換能器孔徑為2nd。若使各陣元發(fā)射的聲波聚焦點(diǎn)P距離陣列的垂直距離為L(zhǎng)，則各陣元激勵(lì)信號(hào)的延遲時(shí)間為[8]：

其中，F(xiàn)—線陣中心到焦點(diǎn)的距離（若聲速中心聚焦，則F=L）；

C— 超聲信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度。

三、超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)包括電源、PC機(jī)、FPGA主控單元、串口、換能器陣列探頭和信號(hào)調(diào)理電路等。其中FPGA便是相控陣發(fā)射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)延時(shí)發(fā)射的主控單元，關(guān)系著該系統(tǒng)成像效果的好壞。激勵(lì)信號(hào)先通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后進(jìn)行運(yùn)算放大，最后通過(guò)調(diào)諧匹配施加到超聲換能器上，這就是信號(hào)調(diào)理電路的作用，目的是對(duì)激勵(lì)脈沖進(jìn)行放大處理以有效驅(qū)動(dòng)換能器。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1、硬件設(shè)計(jì)

CPLD和FPGA都是可編程邏輯器件，但FPGA更加靈活，集成度更高，更適合比較復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯功能實(shí)現(xiàn)，而且FPGA功耗更小。本文選用的FPGA芯片是Xilinx公司生產(chǎn)的XC3S200芯片，具有195個(gè)I/O和520KB分布式RAM，最高系統(tǒng)時(shí)鐘為340MHz。

基于FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是，利用FPGA豐富的I/O引腳資源和高速計(jì)數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)換能器陣列發(fā)射波束的聚焦深度控制和自動(dòng)偏轉(zhuǎn)角度控制[9]。FPGA相控細(xì)延時(shí)原理圖如圖3所示。

超聲相控陣發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)是相控延時(shí)技術(shù)。超聲相控陣成像效果的好壞直接受相控延時(shí)精度和分辨率的影響。其均方根（RMS）延時(shí)量化誤差與主瓣幅值之比：

N—陣元數(shù)目；

μ—中心頻率所對(duì)應(yīng)一個(gè)周期與最小量化延時(shí)之比。

從公式（2）可以看出，若陣元數(shù)目一定，通過(guò)提高相控延時(shí)的精度和分辨率，即可有效抑制聲束旁瓣，從而提高成像質(zhì)量。

目前相控延時(shí)一般采用數(shù)字式發(fā)射延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比于過(guò)去的模擬延時(shí)，數(shù)字式發(fā)射延時(shí)具有精度高、可調(diào)性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[10]。數(shù)字式延時(shí)的實(shí)現(xiàn)分為粗延時(shí)和細(xì)延時(shí)。為了提高成像質(zhì)量本文采用數(shù)字脈沖相位差法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精細(xì)延時(shí)。首先將100MHz的采樣時(shí)鐘進(jìn)行2倍頻產(chǎn)生200MHz信號(hào)，再取200MHz頻率信號(hào)及其反相信號(hào)分別進(jìn)行2分頻，得到了四路頻率均為100MHz，但相位依次相差90°的信號(hào)，如圖4所示。由圖4可知，在這四路信號(hào)中任意兩個(gè)信號(hào)之間的最小相差為2.5ns的延時(shí)。故精細(xì)延時(shí)的精度為2.5ns。

2、電路設(shè)計(jì)

本文選用的D/A轉(zhuǎn)換芯片是AD公司生產(chǎn)的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9708。該芯片具有18位的分辨率，輸出模擬信號(hào)幅值為2V，頻率范圍為0～6.5MHz。FPGA將發(fā)射信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸給AD9708，同時(shí)輸出一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制AD9708在每個(gè)時(shí)鐘更新一次D/A輸出。

壓電換能器所需激勵(lì)電壓較高，而FPGA產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出電壓幅值僅為2V，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大才能使壓電換能器正常工作。若放大電路采用運(yùn)放芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于系統(tǒng)采用18V的電源電壓，則會(huì)使芯片的電壓放大性能受到鉗制。采用變壓器雖可實(shí)現(xiàn)電壓放大的效果，但是會(huì)對(duì)發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生較大干擾，影響發(fā)射效果，同時(shí)體積太大不利于系統(tǒng)多通道發(fā)射電路的集成。

綜合考慮電源電壓、系統(tǒng)集成等問(wèn)題，本文提出首先使用變壓器將電源電壓提高到±100V，再用該電壓驅(qū)動(dòng)運(yùn)放芯片及功率放大電路，這樣即可實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)最大振幅為100V的放大及發(fā)射功率放大。

根據(jù)放大電路供電要求，設(shè)計(jì)了兩路升壓電路分別產(chǎn)生±100V直流電壓，其中+100V直流電壓電路圖如圖5（a）所示。運(yùn)放一般采用雙供電電壓，但是由于最終目的是激勵(lì)換能器陣列發(fā)射超聲波，因此只需要給運(yùn)放芯片單供+100V或-100V電壓產(chǎn)生單極性脈沖信號(hào)。由于變壓后的電壓較大，因此需要選擇耐壓值較高的運(yùn)放芯片。

PA85是一種高電壓、高功率的帶寬運(yùn)算放大器，采用雙供電設(shè)計(jì)輸出電流高達(dá)200mA，輸出電壓振幅可達(dá)±215V。采用PA85芯片設(shè)計(jì)超聲信號(hào)運(yùn)算放大電路，可有效提高信號(hào)幅值。為提高發(fā)射電路的帶負(fù)載能力，在運(yùn)算放大后增加互補(bǔ)推挽功率放大電路，具體設(shè)計(jì)原理圖如圖5（b）所示。

四、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為實(shí)現(xiàn)水下超聲信號(hào)的相控陣發(fā)射，本文在實(shí)際測(cè)試時(shí)選用的負(fù)載換能器為一種中心頻率為500kHz的水下壓電式超聲換能器陣列，設(shè)定聚焦深度為20cm，編寫了六通道的相控聚焦延時(shí)程序下載到FPGA中，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路處理，通過(guò)示波器可以得到六通道相控聚焦發(fā)射激勵(lì)信號(hào)波形如圖6所示。各通道設(shè)置的延時(shí)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的聚焦延時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 相控聚焦延時(shí)數(shù)據(jù)

分析表1數(shù)據(jù)可知，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際相對(duì)延時(shí)與理論相對(duì)延時(shí)之間的誤差小于2.5ns，說(shuō)明該系統(tǒng)延時(shí)精度達(dá)到了2.5ns的精度，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路發(fā)射超聲信號(hào)的能力，用Multisim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的發(fā)射放大電路進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真時(shí)用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2V方波模擬D/A轉(zhuǎn)換芯片的輸出波形，經(jīng)PA85放大后波形放大為100V單極性方波信號(hào)，仿真結(jié)果如圖7所示。

將水聲相控陣發(fā)射硬件電路的6個(gè)發(fā)射通道分別與換能器6陣元連接，換能器置于水下，調(diào)整好換能器發(fā)射面與被測(cè)物體之間的距離，此處設(shè)定距離為20cm。用示波器測(cè)得接收換能器接收到的回波信號(hào)如圖8所示。觀察圖8波形信號(hào)可知，接收到的超聲回波信號(hào)在濾波、放大之前已經(jīng)達(dá)到可分辨的程度，這樣的波形信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路濾波、放大之后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像算法處理，可以得到分辨率較高的成像。

五、結(jié)論

本文提出了一種新型的水聲相控陣發(fā)射電路，通過(guò)對(duì)FPGA主控模塊和發(fā)射脈沖放大電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超聲信號(hào)的高頻高壓的相控發(fā)射，同時(shí)達(dá)到了低供電電壓、高集成度的設(shè)計(jì)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)電路能夠?qū)崿F(xiàn)延時(shí)精度2.5ns的6通道相控發(fā)射，發(fā)射信號(hào)較強(qiáng)，對(duì)于水聲相控陣成像實(shí)驗(yàn)提供了硬件基礎(chǔ)。電路采用了模塊化設(shè)計(jì)，易于大規(guī)模多通道擴(kuò)展，為水下超聲成像提供了一種新的途徑，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。