基于FPGA的超聲相控陣發射系統設計

杜春暉

一、引言

超聲成像技術由于其廣泛應用于各個行業領域，一直以來受到各國科研人員的追捧，尤其是水下超聲成像可以很直觀的將水下物體進行成像更是成為近年來的研究熱點，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]。

相控陣超聲成像技術作為一種新型的水聲成像技術，使用超聲換能器陣列，無需移動探頭就可以實現對物體一定聲場范圍內的掃查，其特點是檢測靈敏度高、分辨率高。通過參數設置焦點位置、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雜的噪聲環境會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超聲發射信號強度。為此文中利用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。

二、相控聚焦發射原理

超聲相控陣發射的原理是，通過設定時間延遲來依次激勵超聲換能器陣列各陣元，這樣各陣元發射的超聲波信號之間產生一定的相位差，在空間疊加形成波束聚焦和波束偏轉等效果[3][7]。相控聚焦發射時，換能器陣列各陣元的激勵信號延時從中間到兩端逐漸減小，發射的超聲波束合成的波陣面指向一曲率中心點，該點即為發射聚焦點，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。這樣就在聚焦點產生最強波，若通過延時控制使聚焦點來回移動，則形成成像掃描。

超聲相控陣發射聚焦原理如圖1所示。設陣元中心距為d，陣元數為2n+1，則換能器孔徑為2nd。若使各陣元發射的聲波聚焦點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[8]：

其中，F—線陣中心到焦點的距離（若聲速中心聚焦，則F=L）；

C— 超聲信號在介質中的傳播速度。

三、超聲相控陣發射系統設計

基于FPGA的超聲相控陣發射系統包括電源、PC機、FPGA主控單元、串口、換能器陣列探頭和信號調理電路等。其中FPGA便是相控陣發射系統實現延時發射的主控單元，關系著該系統成像效果的好壞。激勵信號先通過D/A轉換后進行運算放大，最后通過調諧匹配施加到超聲換能器上，這就是信號調理電路的作用，目的是對激勵脈沖進行放大處理以有效驅動換能器。系統的整體結構框圖如圖2所示。

1、硬件設計

CPLD和FPGA都是可編程邏輯器件，但FPGA更加靈活，集成度更高，更適合比較復雜的布線結構和邏輯功能實現，而且FPGA功耗更小。本文選用的FPGA芯片是Xilinx公司生產的XC3S200芯片，具有195個I/O和520KB分布式RAM，最高系統時鐘為340MHz。

基于FPGA的超聲相控陣發射系統的設計思想是，利用FPGA豐富的I/O引腳資源和高速計數功能，實現換能器陣列發射波束的聚焦深度控制和自動偏轉角度控制[9]。FPGA相控細延時原理圖如圖3所示。

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

N—陣元數目；

μ—中心頻率所對應一個周期與最小量化延時之比。

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

目前相控延時一般采用數字式發射延時來實現。相比于過去的模擬延時，數字式發射延時具有精度高、可調性好、穩定性高等優點[10]。數字式延時的實現分為粗延時和細延時。為了提高成像質量本文采用數字脈沖相位差法實現系統的精細延時。首先將100MHz的采樣時鐘進行2倍頻產生200MHz信號，再取200MHz頻率信號及其反相信號分別進行2分頻，得到了四路頻率均為100MHz，但相位依次相差90°的信號，如圖4所示。由圖4可知，在這四路信號中任意兩個信號之間的最小相差為2.5ns的延時。故精細延時的精度為2.5ns。

2、電路設計

本文選用的D/A轉換芯片是AD公司生產的高速數模轉換器AD9708。該芯片具有18位的分辨率，輸出模擬信號幅值為2V，頻率范圍為0～6.5MHz。FPGA將發射信號的數據傳輸給AD9708，同時輸出一個時鐘信號控制AD9708在每個時鐘更新一次D/A輸出。

壓電換能器所需激勵電壓較高，而FPGA產生的脈沖信號經D/A轉換后輸出電壓幅值僅為2V，需要對該信號進行放大才能使壓電換能器正常工作。若放大電路采用運放芯片來實現，由于系統采用18V的電源電壓，則會使芯片的電壓放大性能受到鉗制。采用變壓器雖可實現電壓放大的效果，但是會對發射信號產生較大干擾，影響發射效果，同時體積太大不利于系統多通道發射電路的集成。

綜合考慮電源電壓、系統集成等問題，本文提出首先使用變壓器將電源電壓提高到±100V，再用該電壓驅動運放芯片及功率放大電路，這樣即可實現脈沖信號最大振幅為100V的放大及發射功率放大。

根據放大電路供電要求，設計了兩路升壓電路分別產生±100V直流電壓，其中+100V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+100V或-100V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200mA，輸出電壓振幅可達±215V。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。為提高發射電路的帶負載能力，在運算放大后增加互補推挽功率放大電路，具體設計原理圖如圖5（b）所示。

四、實驗測試

為實現水下超聲信號的相控陣發射，本文在實際測試時選用的負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，設定聚焦深度為20cm，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，通過示波器可以得到六通道相控聚焦發射激勵信號波形如圖6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。

表1 相控聚焦延時數據

分析表1數據可知，通過實驗測得的實際相對延時與理論相對延時之間的誤差小于2.5ns，說明該系統延時精度達到了2.5ns的精度，達到了設計要求。

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2V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100V單極性方波信號，仿真結果如圖7所示。

將水聲相控陣發射硬件電路的6個發射通道分別與換能器6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20cm。用示波器測得接收換能器接收到的回波信號如圖8所示。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。

五、結論

本文提出了一種新型的水聲相控陣發射電路，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2.5ns的6通道相控發射，發射信號較強，對于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，為水下超聲成像提供了一種新的途徑，具有較強的應用價值。