相控阵超声信号动态变迹技术研究及实现

摘要

众多超声相控阵技术中，波束合成和空间扫描都是基于对阵元的时延或相位控制，要解决的根本问题是在声束形成时产生具有尽可能低的旁瓣波形，并进行空间电子扫描，而作为阵元信号的另一个可控变量，辐射幅度一直没有得到应有的考虑。因此，针对相控阵超声信号处理，我们提出了一种动态变迹的方法，希望通过对各个阵元信号幅度加上窗函数的权值来获得主瓣更窄、旁瓣更少、旁瓣数量级更低的声束分布，以此改善波束的指向性。
　　再有，传统的相控阵超声检测系统由上位机生成波束合成所需的各种参数，系统体积庞大且集成度不高，而采用FPGA实现可很好地避免这一问题，需考虑的是数字控制引起的误差及精度要求。不仅如此，研究发现，通过对阵元幅度进行加权，可以实现人们所需要的远场波形及近场声束聚焦。因此，采用幅度加权的方法形成波束，采用线性相位控制进行空间扫描，还可很大程度降低检测系统的复杂度和节约成本。
　　本文理论设计通过Matlab模拟方法的可行性，再在FieldⅡ超声仿真平台上进行相关算法的声束控制实验，并验证理论研究;数字实现部分先通过Modelsim的波形仿真时序验证方案的正确性，进而在已有的相控阵超声检测实验平台测试其功能的完备性及精确度。复杂算法模块的信号处理及各模块的控制借助FPGA和DSP技术完成，而强大的设计开发工具QuartusⅡ、CCS及丰富的EDA电子应用使总体方案得以实现。
　　以上数字主控平台设计主要基于Altera公司的Cyclone系列芯片，该芯片引脚丰富，逻辑门充足，且内嵌DSP核，有利于各种算法处理的实现。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外发展现状

1．2．1 国内超声相控阵技术发展现状

1．2．2 国外超声相控阵技术发展现状

1．3 课题研究的意义及内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 论文主要内容

第2章 超声相控阵理论基础

2．1 超声波的声场理论

2．2 换能器的声压及指向性

2．2．1 压电换能器

2．2．2 单一点源的辐射声场

2．2．3 矩形声源的辐射声场

2．2．4 阵列换能器的指向性

2．3 相控阵超声检测原理

2．4 本章小结

第3章 相控阵超声信号动态变迹关键算法

3．1 波束特性与成像质量

3．2 相控阵的偏转聚焦算法

3．2．1 声束偏转聚焦的时延与声压计算

3．2．2 阵元参数对声场分布的影响

3．3 线性阵列的指向性分析

3．4 相控阵的变迹算法

3．4．1 幅度加权变迹

3．4．2 动态变迹

3．4．3 孔径变迹

3．5 本章小结

第4章 数字实现相控阵超声信号变迹

4．1 相控阵超声信号的数字处理系统

4．1．1 硬件资源简介

4．1．2 数字系统结构流程

4．2 DSP处理多通道延时值及变迹系数

4．3 FPGA控制的功能模块设计

4．3．1 EMIF接口与FPGA通信

4．3．2 PLL时钟管理

4．3．3 延时控制单元

4．3．4 数据采集存储

4．4 基于分布式的变迹求和

4．5 本章小结

第5章 相控阵超声信号变迹的误差及实验

5．1 信号量化误差分析

5．2 信号延时精度选择

5．3 动态变迹的验证实验

5．3．1 Field Ⅱ超声成像系统

5．3．2 仿真结果对比分析

5．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及成果