基于AD9273的超聲相控陣檢測系統設計

劉 建，徐大專

（南京航空航天大學 電子信息工程學院，南京 210016）

現代無損檢測技術發展的大趨勢是從對材料的定性檢測到高精度、高分辨率的定量檢測，從而實現對工業設備更加準確的無損評價。近年來的一個研究熱點就是相控陣超聲檢測技術。超聲相控陣技術的基本思路來源于雷達電磁波相控陣技術，最早應用于醫用B超成像系統中。但在工業無損檢測領域，由于檢測儀器復雜度高，制作成本高昂，其應用受到很大的限制。然而近年來多種相關高技術，如壓電復合材料、納秒級別脈沖信號控制、數據處理和數據分析、軟件技術和微電子技術的快速發展，使得超聲相控陣技術在無損檢測領域得到快速發展［1－2］。與傳統的超聲檢測技術相比，超聲相控陣技術在聲束可達性、檢測精確性、重現性及檢測結果的可靠性、實時性和直觀性等方面具有明顯的優勢。

傳統超聲相控陣系統一般體積較大，不便于攜帶。筆者結合現代數字信號處理技術和微電子技術，提出了一種高集成度相控陣超聲檢測系統的實現方案。該方案包含32個獨立收發通道，采用多種新型高集成度芯片完成其超聲發射和接收模塊的設計，大大提高了系統的集成度，為系統設備的小型化提供可能。利用可靈活配置的FPGA芯片實現高精度發射波形產生和數字接收動態聚焦，進一步提高系統的數字化水平。

1 超聲相控陣檢測原理

相控陣超聲檢測系統由超聲陣列換能器和相應的電子控制系統組成。超聲陣列換能器由多個相互獨立的壓電晶片按照一定的排列方式組成陣列。每個陣元都有自己獨立的發射和接收電路。利用電子技術控制超聲陣列換能器不同陣元之間的觸發延時時序，產生具有不同相位的超聲相干子波束在空間疊加干涉，達到聲束聚焦和偏轉的效果（圖1）。

在相控陣超聲發射狀態下，陣列換能器中各個陣元按照一定延時規律順序激發，產生的超聲發射波束在檢測空間合成，形成聚焦點和指向性。改變各陣元激發的延時規律可以改變焦點位置和波束指向，實現在一定空間范圍內的聚焦掃描。

在相控陣超聲接收狀態下，陣列換能器的各陣元接收聲場的反射信號，根據聚焦點的幾何位置按不同延時值進行延時，然后加權求和獲得接收合成聲束。在一次接收過程中實時改變聚焦延時值，可以實現動態跟蹤聚焦［3］。

2 系統硬件組成與功能實現

超聲相控陣檢測系統的主要功能是利用電子技術控制超聲聲束的聚焦與偏轉，實現對被測工件的掃查，并對接收回波進一步分析成像。系統的硬件總體框圖如圖2所示。系統主要包含超聲波發射接收電路、FPGA數據處理與控制模塊和ARM后處理模塊。

超聲波發射接收電路的主要功能是生成用于激發探頭陣元產生超聲波的高壓脈沖，以及實現對微弱的回波信號進行數控增益放大／衰減、帶通濾波和高速采樣。FPGA數據處理與控制模塊主要實現32通道脈沖激勵序列延時，超聲回波波束成形、壓縮、實時數據的雙向傳輸、儲存以及其他一些時序邏輯控制。ARM后處理模塊主要實現對合成后的波束進行相應的成像算法處理，并轉化為二維圖形直觀顯示以及探傷標準的軟件實現、人機交互接口和一些相關外設的驅動。

2.1 超聲相控發射電路結構及功能實現

如圖2所示，超聲相控發射電路一般由發射波形生成模塊、高壓放大電路、開關復用電路組成。其工作過程如下：首先由ARM處理器根據設定的聚焦點計算出延時序列，儲存在FPGA內部的RAM中。FPGA內部延時計數器在發射同步信號的觸發下開始計數，當計數值等于某個通道的延時值時，該通道產生一個數字脈沖信號。將該信號送至脈沖產生模塊進行高壓放大，并通過開關復用到探頭某個指定的陣元上激勵產生超聲波。

圖2 超聲相控陣檢測系統硬件總體框圖

電路的脈沖放大模塊采用SUPERTEX公司的HV748。該芯片內部集成了4個并行通道，單片封裝為7mm×7mm的QFN封裝，那么8個芯片就能實現32通道的發射功能，大大提高了系統的集成度。開關復用模塊選用的是HV2301，該芯片集成了8個獨立控制的高壓模擬開關?？梢酝ㄟ^SPI編程控制各開關的關斷。用16個芯片級聯與一個128陣元的探頭相連，通過FPGA編程實現128陣元與32個發射接收通道間的復用。

2.2 超聲相控接收電路結構及功能實現

超聲波接收電路是實現相控陣超聲成像系統硬件主要性能指標的關鍵之一。如圖2所示，一般由收發隔離電路、超聲接收模擬前端和接收波束成形模塊組成［4］。

超聲回波信號一般都很微弱，最小的只有幾毫伏，而發射端用于激勵探頭的脈沖信號則高達上百伏。這么高的電壓勢必會影響微弱回波信號的穩定性，同時也會損壞后端元器件。為此設計采用Supertex公司的MD0100進行隔離，該芯片能有效阻止峰－峰值＞2V的信號通過，保證峰－峰值＜2V的小信號無失真地通過，起到了很好的隔離效果。

超聲波在媒介中傳播是有衰減的，傳播距離越大，衰減越大。因此不同深度的回波信號的幅值也不同。在信號進入ADC采樣之前需要對回波信號作適當的調理，將信號電平調整到ADC的有效輸入范圍之內。系統采用Analog Devices公司的AD9273來實現對模擬回波信號的調理和采樣。該芯片內部含有八個獨立并行通道，各通道均由一個SPI可編程低噪聲放大器（LNA），一個可變增益放大器（VGA），一個抗混疊濾波器和一個采樣速率為10～50MSPS，12bit采樣精度的ADC級聯組成。各通道增益動態范圍為－42～0dB，最高增益可達52dB，可以動態改變其增益值以完成不同深度回波信號的調理。可配置抗混疊濾波器帶寬濾除有效帶寬外的噪聲，提高信噪比。采用LVDS輸出，不僅滿足ADC的高波特率輸出要求，而且極大地降低了對FPGA引腳資源的需求。

2.3 FPGA數據處理與控制模塊

系統完全采用數字化設計，因此涉及到許多控制信號的時序配合和大量高速數據的處理與存儲。FPGA具有豐富的可編程資源，集成度高，實現靈活，能夠很好地滿足設計要求。

圖3 FPGA數據處理與控制模塊結構框圖

如圖3所示，給出了FPGA數據處理與控制模塊的功能結構框圖。該模塊是實現超聲相控陣系統主要功能指標的核心所在。一般主要由發射波形產生模塊、接收波束成形模塊、延時控制模塊、數據存儲模塊、時序控制模塊等組成。

發射波形產生模塊根據探測要求產生相應的脈沖激勵序列，使合成超聲波束在空間產生預定的聚焦與偏轉，從而實現各種掃查方式。接收波束成形模塊采用正交包絡檢波的方法［5］提取各通道回波信號的包絡，然后疊加求和得到一條某一個特定方向上的掃描線。因為包絡是慢變信號，對延時精度要求不高，從而大大降低了由于高精度帶來的系統復雜度和實現難度。延時控制模塊一方面精確控制超聲波發射端各通道的延時量以達到較好的聚焦偏轉效果，另一方面在接收過程中，實時計算各動態聚焦點到相應接收陣元的延時量，動態跟蹤接收波形的相位以實現動態跟蹤聚焦，提高系統成像的清晰度。

系統選用Xilinx公司的Spartan 6芯片。該系列芯片內部含有豐富的存儲器資源，有效解決大量延時數據的存儲；豐富的乘法器資源極大地提高了信號處理能力；性能優秀的數字時鐘管理模塊易于實現較高的延時精度。

2.4 ARM后處理模塊

如圖4所示，給出了ARM后處理模塊硬件結構框圖。該模塊是實現超聲相控陣系統軟件功能和人機交互接口的關鍵所在。ARM的高性能的處理能力和較強的內存管理技術能有效完成數據的后處理［6］，將探測結果以B，C，D，S等多種顯示模式直觀地呈現出來。同時它還有豐富的片內外圍設備接口，如網口、串口、USB接口、非常適合便攜式嵌入式系統的應用，大大簡化了硬件的設計難度。

3 若干關鍵技術的實現

3.1 基于FPGA的發射波束形成器

基于FPGA的發射波束形成器如圖5所示。FPGA外部時鐘輸入為50MHz，內部倍頻至250MHz，利用其先進的數字時鐘管理模塊產生不同相位的四個時鐘信號：clk＿250M，clk＿250M＿90，clk＿250M＿180，clk＿250M＿270。相鄰兩個時鐘的時間相差1ns，因此可使系統發射延時精度達到1ns。具體實現過程如下：首先由ARM計算出各通道的延時值并寫入FPGA的RAM中，位寬為16bit。將低兩位作為選擇器的選通控制信號，選擇相應的時鐘信號作為計數器的計數時鐘。計數器檢測到同步信號后開始計數，當計數值等于延時值的高14位時產生使能信號，使能脈沖成形器產生激勵脈沖波形。

3.2 基于正交包絡檢波的接收波束形成技術

超聲回波信號是高頻脈沖信號，若直接采樣需要很高的采樣率才能得到比較精細的相位信息，對ADC的要求較高。而實際上只有在接收信號包絡中含有所需要的目標信息。如圖6所示，提出了一種非相干數字包絡檢波算法。該算法首先對回波信號采樣值進行數字包絡檢波，將回波信號從高頻變換到基帶，但仍保留原信號的包絡和時延引起的相位信息，然后再進行相位抵消的相關處理。該算法的優點在于不需要很高的延時分辨率。

圖6 正交包絡檢波算法框圖

在具體實現時，由NCO產生與探頭中心頻率相同的參考信號，經過混頻將接收回波信號搬移到基帶。但由于同一點的回波信號到達各陣元的距離不同，導致接收回波信號的包絡時延和由時延引起的相位也不同。因此需要對得到的基帶信號進行延時和相位的抵消處理。對于包絡時延，由于包絡是慢變信號，對時延精度要求并不高，可通過寄存器時延來實現；對于相位差，由于不同位置反射回波的相位差也不同，因此在接收過程中可動態跟蹤相位的變化并將其抵消，實現接收動態聚焦。然后，將32路回波信號加權求和、濾波形成一條特定方向的掃描線。

4 結語

提出了一種基于FPGA的高集成度超聲相控陣檢測系統的解決方案。系統完全采用數字化設計，利用FPGA豐富的資源和高速的處理能力，完成了系統核心功能的實現。同時，FPGA的可重配置特性十分方便以后硬件設計的升級換代。另外該方案擁有32個獨立的接收／發射通道，利用當前新型的高集成度芯片，大大降低了系統的硬件復雜度，為便攜式超聲相控陣探測系統的設計提供了基礎。

［1］周琦，劉方軍，李志軍.超聲相控陣成像技術與應用［J］.兵器材料科學與工程，2002，25（3）：34－37.

［2］王華，單寶華，王鑫.超聲相控陣實時檢測系統的研制［J］.哈爾濱工業大學學報，2008，40（5）：771－774.

［3］李衍.超聲相控陣技術［J］.無損探傷，2007，31（4）：24－28.

［4］Eberhard Brunner.Ultrasound System Considerations and their Impact on Front－End Components［M］.Analog Devices Inc，2002.

［5］seong Ho Chang，Song Bai Park，Gyu Hyong Cho.Phase－error－free quadrature sampling technique in the ultrasonic B－scan imaging system and its application to the synthetic focusing system［J］.IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，1993，40（3）：216－223.

［6］常青龍，徐大專，韓中波.基于ARM平臺的超聲波自動探傷系統的研制［J］.無損檢測，2009，31（12）：1015－1018.