高集成度水聲相控陣發射系統設計

崔 娟，王紅亮，張 睿，何常德，薛晨陽

（中北大學 電子測試國家重點實驗室 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

近年來世界各國對海洋資源的爭相開發，使得水聲成像技術得到了飛速發展。目前比較常見的水聲成像聲納主要有側掃聲納、前視聲納、多波束聲納、合成孔徑聲納等，但都是以單探頭進行移動發/收來合成陣的效應從而獲得性能的提高[1-3]。相控陣超聲成像作為一種新型的水聲成像檢測技術，使用換能器陣列，無需移動探頭就可以實現對物體一定聲場范圍內的掃查，具有很高的檢測靈敏度和分辨率。同時能靈活控制焦點位置、大小、焦深等多個參數，從而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雜的噪聲環境[6]，因此水聲成像系統中超聲發射信號的強弱直接影響著水聲成像的分辨率。文中利用FPGA設計了一種新型的高集成度超聲相控陣發射電路，包括FPGA相控延時設計及脈沖信號放大電路設計，可以產生高頻高壓脈沖信號，激勵換能器陣列實現超聲波束的相控發射。

1 系統總體設計

超聲相控陣發射系統的任務是：按照一定的相控延時算法產生相位不同、頻率相同的脈沖信號，激勵壓電換能器陣列各陣元發射超聲波。為了保證水下成像質量和考慮實際應用需求，要求發射系統電源電壓低、發射信號強、各通道之間一致性較高、易于模塊化等。系統采用FPGA（現場可編程門陣列）作為信號發生模塊及主控單元，用于16路不同延時波形數據的產生，波形數據經D/A轉換、運算放大及功率放大后激勵壓電換能器陣列產生超聲波。發射電路的整體設計框圖如圖1所示。

圖1 超聲相控陣發射電路設計框圖Fig.1 Design diagram of ultrasonic phased array transmitting circuit

2 FPGA主控模塊設計

2.1 脈沖信號發生模塊

系統電路設計選用ALTERA公司的CycloneⅣ系列EP4CE115F29，該芯片具有114480個邏輯單元，4個鎖相環（PLL）資源，便于進行延時精度設計。考慮到超聲換能器對激勵信號的要求以及系統穩定性，采用狀態機產生脈沖信號。這樣，實現多通道脈沖信號輸出只需由一片FPGA芯片內部設計多個并行的狀態機構成，并能對脈沖個數、脈沖重復頻率和脈寬等進行靈活控制。

圖2所示為8通道脈沖發生狀態機的工作時序圖，顯示了一個完整的采樣周期。以第一個通道狀態p_state為例。第二個時鐘上升沿后狀態機進入狀態“010”，sig1 輸出高電平，在狀態“010”，等待了20個clkc01時鐘后，sig1變為低電平，進入狀態“011”，繼續等待 20 個 clkc01 時鐘。 在狀態“010”里的20個clkc01時鐘即為輸出脈沖信號的脈寬。

圖2 脈沖發生狀態機工作時序Fig.2 Working time sequence of pulse generating state machine

由于FPGA直接輸出為數字信號，而超聲換能器激勵信號為模擬信號，因此設計超聲發射系統時，需將FPGA輸出的信號通過D/A轉換電路將數字信號轉換為模擬信號。AD9708是采用單電源供電的低功耗電流輸出型高速數模轉換器，轉換位數為14位，同時兼容8位、10位和12位數據輸入。應用時在2個輸出端加上匹配的負載電阻，將電流值轉換為電壓值。D/A轉換電路如圖3所示。

圖3 D/A轉換電路Fig.3 Digital-to-analog convert circuit

2.2 FPGA相控延時設計

相控延時技術是實現超聲相控陣發射的關鍵技術。時間延遲的精度決定著系統的相位控制精度[7]，而相位誤差會導致超聲波束產生誤差旁瓣，從而影響系統后續的成像分辨率。因此，提高相控延時精度，可以有效抑制聲束旁瓣，提高成像質量[8]。

目前普遍采用數字式發射延時實現相控發射。數字式發射延時具有精度高、可調性好、穩定性高等優點[9]。數字式延時分為粗延時和細延時。粗延時由硬件系統采樣時鐘控制，保證了系統多通道發射的同步性，延時值為采樣周期的整數倍。采用50 MHz晶振作為系統采樣時鐘，延時精度為20 ns。

細延時采用FPGA內部邏輯資源構建鎖相環，鎖相環是FPGA的基本模塊之一，完全依靠芯片內部產生和構建時鐘信號。這就大大降低了系統復雜性和元件數量，提高了系統集成度。設計采用PLL先倍頻再分頻，產生4路頻率均為125 MHz、相位依次相差90°的時鐘信號。將這4路時鐘信號作為脈沖產生模塊的采樣時鐘，就可以達到多通道細延時控制，最小延時時間為2 ns。相控細延時原理如圖4所示。

圖4 相控細延時原理Fig.4 Phased fine delay schematic

3 放大電路設計

傳統的水聲發射電路體積大、效率低，限制了聲納成像系統性能的進一步提高[10]。本文針對水聲成像系統低供電電壓、小體積、高頻高壓的性能指標，基于系統16路超聲相控發射的要求，提出了一種采用18 V供電電壓可以實現較強超聲信號發射的高集成度發射電路。

FPGA產生的脈沖信號經D/A轉換后輸出電壓幅值為2 V，這對于激勵壓電換能器來說是遠遠不夠的，因此必須對信號進行放大設計。一般選用運放芯片設計放大電路。但是由于系統電源電壓只有18 V，鉗制了芯片的電壓放大性能，如果直接采用變壓器提高脈沖信號的電壓，雖然能達到放大電壓的效果，但是不利于系統16通道發射電路的集成，同時也會對發射信號產生較大干擾，影響發射效果。

綜合考慮電源電壓、系統集成等問題，提出首先用變壓器提高電源電壓到±100 V，再將該±100 V電壓提供給運放芯片及功率放大電路，這樣就可以實現脈沖信號最大振幅為100 V的放大及發射功率放大。

根據放大電路供電要求，設計了2路升壓電路分別產生±100 V直流電壓，其中+100 V直流電壓電路圖如圖5（a）所示。運放一般采用雙供電電壓，但是由于最終目的是激勵換能器陣列發射超聲波，因此只需要給運放芯片單供+100 V或-100 V電壓產生單極性脈沖信號。由于變壓后的電壓較大，因此需要選擇耐壓值較高的運放芯片。PA85是一種高電壓、高功率的帶寬運算放大器，采用雙供電設計輸出電流高達200 mA，輸出電壓振幅可達±215 V。采用PA85芯片設計超聲信號運算放大電路，可有效提高信號幅值。在運算放大后設計互補推挽功率放大電路，提高發射電路的帶負載能力，具體設計原理圖如圖5（b）所示。

圖5 單通道發射電路設計Fig.5 One channel transmitting circuit design

4 系統實驗測試

針對水聲發射電路低供電電壓、高頻、高壓的設計要求，對所設計的超聲相控陣發射電路進行仿真和實際測試。首先用Modelsim軟件仿真16通道相控聚焦發射，仿真波形圖如圖6所示。

為了驗證所設計的電路發射超聲信號的能力，用Multisim軟件對設計的發射放大電路進行了仿真實驗。仿真時用信號發生器產生2 V方波模擬D/A轉換芯片的輸出波形，經PA85放大后波形放大為100 V單極性方波信號，仿真結果如圖7所示。

圖6 相控聚焦發射波形仿真Fig.6 Phased focus transmitting simulation

圖7 發射電路仿真波形Fig.7 Transmitting circuit simulation

本文的設計目標是能夠實現水下超聲信號的相控陣發射，因此實際測試時采用一種中心頻率為500 kHz的水下壓電式超聲換能器陣列作為設計電路的負載換能器。將水聲相控陣發射硬件電路的16個發射通道分別與換能器16陣元連接，換能器置于水下，調整好換能器發射面與被測物體之間的距離，此處設定距離為20 cm。用示波器測得接收換能器接收到的回波信號如圖8所示。

圖8 超聲回波信號Fig.8 Ultrasonic echo signal

觀察圖8波形信號可知，接收到的超聲回波信號在濾波、放大之前已經達到可分辨的程度，這樣的波形信號經信號調理電路濾波、放大之后送入計算機進行圖像算法處理，可以得到分辨率較高的成像。

5 結語

本文提出了一種低供電電壓、易于集成的水聲相控陣發射系統，通過對FPGA主控模塊和發射脈沖放大電路的設計，實現了超聲信號的高頻高壓的相控發射，同時達到了低供電電壓、高集成度的設計目標。實驗結果表明，該設計電路能夠實現延時精度2 ns的16通道相控發射，發射信號較強，為水聲相控陣成像實驗提供了硬件基礎。電路采用了模塊化設計，易于大規模多通道擴展，具有較強的應用價值。

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