超聲相控陣檢測成像系統軟件設計

，， ， ， ，，楊艷

(1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210036；2.南京航空航天大學 自動化學院，南京 211100)

超聲相控陣技術的原理與概念源自相控陣雷達，該技術的核心在于若干壓電晶片組合而成的相控陣陣列探頭[1]。其通過控制探頭中每個陣元被激發的時間，達到超聲波的相控發射；通過各陣元回波信號的延時疊加，達到相控接收。由此，實現對超聲波束的偏轉和聚焦，可完成被檢對象探測區的范圍掃查及聚焦成像。

超聲相控陣技術繼承了傳統超聲檢測的長處，具有探測范圍可調、檢測角度靈活、檢測效率高、檢測效果好、檢測結果可視等突出優點[2]。

近年來，無損檢測領域不斷融合當下熱門技術，結合人工智能、信息融合、自適應技術、相關技術等新思想，以精準客觀的數據代替了人力勞動。在此趨勢下，超聲相控陣檢測成像技術的相關性能也得到不斷提升，并穩步向智能化、自動化、多功能化等方向前進[3]。

1 超聲相控陣檢測原理

超聲相控陣檢測時，為了得到預期焦點位置與不同入射角的超聲波束，需要通過電子技術控制陣列換能器采用一定的時間延遲發射超聲脈沖。按照該延遲規則產生的超聲波束，具有人為預設的確定相位，且所有陣元在被檢元件中產生的聲場相干疊加。根據實際情況改變延遲時間或激勵序列，可得到不同的入射角度以及焦點位置，以滿足各種檢測的需求[4]。圖1為相控陣發射原理示意。

圖1 相控陣發射原理示意

圖2為相控陣接收原理示意，該過程為相控陣發射的逆過程。

圖2 相控陣接收原理示意

2 軟件設計

超聲相控陣檢測成像系統的硬件部分基于嵌入式平臺，采用FPGA(現場可編程門陣列)與ARM(先進精簡指令集計算機處理機)結合的架構。其中，FPGA選用Cyclone VI系列EP4CE15F17C8N，實現系統前端發射與接收電路的控制，ARM選用三星公司蜂鳥系列的S5PV210，負責控制整個系統的運行以及與FPGA通信，并下發配置參數、接收回傳數據、顯示檢測成像結果等。

系統工作時，由用戶人工設置一系列檢測參數，隨后ARM處理器根據相應的聚焦法則，計算激勵每一個探頭陣元所需要的發射延時，并通過通信總線傳輸給FPGA，由FPGA負責后續的脈沖激勵等工作。一輪檢測之后，反射回多路超聲波束，由前端電路對其進行采集接收，并交由FPGA完成一系列數據處理，得到各路檢測回波信號，通過通信總線將其傳輸至ARM處理器，進而完成更進一步的處理或成像。

軟件系統的設計分為驅動層及應用層兩部分，驅動層為Linux內核的重要組成部分，是底層硬件與上層軟件之間的接口；應用層作為用戶與系統之間的交互中介，包括人機界面的顯示與回波數據的處理、成像等。

2.1 驅動程序設計

Linux內核源碼中，包含了70%以上的設備驅動程序[5]。驅動程序將硬件設備的具體結構進行屏蔽，對其進行了一種抽象，使設備在系統中以文件的形式存在。虛擬文件系統(VFS)中，淡化了設備與文件的區別，將所有的硬件操作看成是對普通文件的操作。

在系統中，硬件設備與操作系統內核以設備驅動程序作為中間接口，操作系統內核與用戶應用程序以系統調用作為中間接口，用戶從應用程序的角度看硬件設備僅如同普通文件一般的設備文件，通過如打開(open)、讀取(read)、寫入(write)或是關閉(close)等系統調用，即可操作設備。

驅動程序的設計中，涉及到以下兩個關鍵問題。

(1) 配置參數的下發

系統涉及到兩種方式的掃查，其中：A掃只有一維數據，只需要通過配置參數計算一次延時；而S掃相當于進行多次不同偏轉角度的A掃，在各項檢測參數配置后，對應每一次A掃，需要重新計算延遲時間。

設置S掃驅動層工作流程(見圖3)，每次進行一個角度的掃查，由軟件計算所需的控制數據，下發給FPGA并啟動一線數據的檢測。聲束返回后，通過中斷配合DMA(直接內存存取)方式將數據進行回傳，結束后，重復此過程進行下一個角度的掃查，直至達到檢測參數的配置。

圖3 S掃驅動層工作流程

(2) 檢測數據回傳

結合中斷方式，設計FPGA與ARM通信，編寫Linux下相應的中斷程序。系統中有兩種中斷，二者中斷入口的跳轉方式不同。對于中斷服務程序的入口地址，由軟件提供的為非向量中斷，由硬件提供的為向量中斷。文中使用S5PV210處理器，提供向量中斷。

Linux下的設備驅動中，中斷設計的基本流程為設置中斷、申請中斷、進入中斷服務程序，并最終在結束后釋放中斷。

中斷申請函數的返回值通常有3種情況，成功為0，中斷被占用為EBUSY，而處理函數指針為空或中斷號無效為INVAL。

相控陣超聲檢測時，經過前端處理的多路超聲回波信號被送入FPGA中的M9K存儲器，存儲器接收到所配置深度的數據后，向ARM處理器發出中斷申請，通知其讀取FPGA中存儲的數據。ARM處理器響應中斷后，通過相應的中斷處理程序進行FPGA M9K中數據的讀取。為了使處理器能夠盡快響應各中斷，以處理更多事件，在中斷處理程序中，優先清除S5PV210中的各中斷相關寄存器的相應位。

在中斷后，使用DMA方式進行FPGA與ARM之間的數據傳輸，在數據量較多的情況下，快速完成交互，不影響CPU(中央處理器)的工作。S5PV210采用PL330 DMA控制器，提供24通道，支持內存與內存、外設與內存間的相互通信，使用時需要指定通道號。該控制器基于PrimeCell技術標準，提供高性能總線接口。

圖4 DMA傳輸的軟件配置流程

由于FPGA掛載于ARM的SROM Bank5，處于S5PV210處理器的內存空間，對于DMA控制器而言，二者之間的數據交互屬于內存-內存模式。在該模式下，可以通過程序主動發起DMA數據傳輸，而無需依賴控制器進行申請。DMA傳輸的軟件配置流程如圖4所示。

在DMA相關的驅動程序中，先進行必要的初始化工作，配置相應寄存器，包括該傳輸方式下的源地址寄存器、傳輸方向以及目標地址寄存器等[6]。在FPGA完成前端回波數據的處理并存儲進M9K后，申請IRQ_DMA0中斷服務程序，對DMA中斷請求進行響應。中斷請求由應用程序響應，之后啟動DMA，讀取目標地址中的數據至源地址。

2.2 應用程序設計

系統的應用層采用Qt/Embedded(嵌入式系統的圖形界面開發工具)進行開發，其功能設計主要分為6個模塊：主控部分、數據管理、數據通信、數據處理、界面顯示以及參數設置等。模塊間的相互關系如圖5所示。

圖5 模塊間的相互關系

主控模塊作為應用層的核心，對內協調各模塊工作，對外接收用戶信息，掌控著程序的整體運行；數據管理模塊主要進行成像或配置數據的存儲；界面顯示為人機交互的部分，內含窗口以及各功能部件，通過Qt提供的事件與信號/槽機制和其他模塊進行交互；參數設置模塊根據用戶配置進行發射延時量的計算；數據通信模塊與驅動層溝通，提供數據讀寫接口；數據處理模塊負責對前端回波數據進行成像顯示前所需要采取的一系列操作。

應用程序設計的關鍵在于成像顯示部分，對于檢測系統的S掃成像，涉及以下問題。

(1) 坐標變換

S掃在極坐標系中按角度增量進行掃查，而顯示界面則以直角坐標系繪制圖形，兩者之間需要軟件處理來進行相應轉換。通過數字掃描變換(DSC)進行坐標變換，其流程如圖6所示。

成像時，獲取顯示器像素在平面D中的坐標(xD,yD)，將其在平面S中投影并獲得(xS,yS)，對照極坐標系，找出該點在平面P中的位置，通過平面P中的數據計算其像素，此數值即為最終顯示的像素。

設(m,n)為待顯示像素，該像素在D、S、P平面的坐標分別為(x,y)、(u,v)、(R,θ)，則三者之間的關系如式(1)所示。其中，Δx，Δy為x軸及y軸在顯示平面中各自方向的數字量化單位長度。

(1)

圖6 數字掃描變換流程

(2) 插值處理

對于最終成像的點，坐標變換之后，也許并不在S掃的原始掃描線上，也不在各采樣點所處的深度，從而需要進行插值處理，以避免顯示結果與實際存在過多偏差。采用雙線性插值的方法得到所顯示點對應的像素值，其原理如圖7所示，通過距離該點最近的4個點來進行計算。

圖7 雙線性插值原理示意

設P為極坐標系中對應于顯示平面(xD,yD)的點，Pi,j、Pi,j+1、Pi+1,j、Pi+1,j+1是原始數據點中與該點最近的4個坐標點。則P的像素值如式(2)所示

(2)

式中：Δθ為S掃的角度步進；Δθ′為P與Pi,j間的夾角；ΔR為一線掃描中兩相鄰點之間的距離；ΔR′為梯度距離。

將極坐標進行數字量化處理，則對于該坐標系中的點(R,θ)有

(3)

式中：i′與j′不一定為整數；I為掃描線數。

令int()代表取整，并設i=int(i′)，j=int(j′)，i′=i+di，j′=j+dj，則式(2)可轉化為

Pi,j=(1-di)(1-dj)Pi,j+dj·(1-di)Pi,j+1+

di·(1-dj)Pi+1,j+di·djPi+1,j+1

(4)

(3) 色彩映射

數字圖像有多種色彩顯示方式，其中最簡單的即為二值圖像，以0和1分別表示黑白兩色。該類顯示只有兩種顏色，難以分辨圖像細節，成像效果較差。灰度圖像在黑白之間增加了許多亮度級別，以0和255對應黑白兩色，并在其中通過254個數值擴展了漸變的灰度。但此顯示方法的色彩區分度不高，不適于進行超聲成像。

采用彩色圖像對S掃結果進行顯示，將回波信號的幅值映射為紅綠藍(RGB)三色分量，以顏色來區分幅值大小，在相應缺陷處得到較為明顯直觀的成像。在Qt中建立顏色表，通過向量容器進行色值的存儲。

設置256種顏色，以0～255分別表示。幅值代表顏色，其由小至大變化表示顏色的漸變。相應色表通過數組color[256]進行存儲。將插值處理后的像素幅值進行色彩映射，設像素插值的幅值及最大幅值分別為a和amax，則該像素點所對應的顏色值為

(5)

式中：└┘為向下取整。

3 試驗過程

選用鋁制材料的標準試塊IIW-V1(見圖8)進行系統測試，對距離上表面50 mm與60 mm的孔進行成像測試。

對采集到的數據進行二維成像。設置-20°～20°掃查范圍，步進為1°，采集多條A掃數據以進行S掃成像。對采集到的回波數據進行坐標變換、插值及色彩映射一系列處理，得到如圖9所示成像結果。對照圖8，S掃呈現了試塊IIW-V1在50 mm與60 mm處的兩個缺陷。

圖8 IIW-V1試塊外觀

圖9 S掃成像結果

4 結語

系統基于Linux與Qt/Embedded，采用模塊化思想，結合Linux的實時性與Qt的豐富資源，設計了超聲相控陣檢測成像系統的軟件部分，包括驅動程序與應用程序。對系統進行測試，結果表明系統運行正常，顯示界面的檢測成像結果正確。