基于FPGA的超声相控阵发射系统设计

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1、技术与应用Technology&Application摘要：创造性地将水下超声成像技术与相控阵发射技术相结合，利用FPGA丰富的I/O引脚接口与内部逻辑资源，设计了一种超声相控阵发射系统，分析了超声波换能器激励信号的D/A转换和放大调理电路，结合超声换能器对该系统进行了实验验证，实验表明该系统可以实现超声信号的相控阵发射，电路性能稳定，易于集成，为水下超声成像系统的小型化提供了一种可能，具有较强的参考价值。关键词：水下超声成像；相控阵发射；FPGA；压电换能器中图分类号：TB553文献标识码：A文章编号：1006

2、-883X(2016)05-0014-05收稿日期：2016-03-24基于FPGA的超声相控阵发射系统设计1,2杜春晖1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西太原030006一、引言二、相控聚焦发射原理超声成像技术由于其广泛应用于各个行业领域，超声相控阵发射的原理是，通过设定时间延迟来一直以来受到各国科研人员的追捧，尤其是水依次激励超声换能器阵列各阵元，这样各阵元发射的下超声成像可以很直观的将水下物体进行成像更是成超声波信号之间产生一定的相位差，在空间叠加

3、形成[3][7]为近年来的研究热点，使得水声成像技术得到了飞速波束聚焦和波束偏转等效果。相控聚焦发射时，换发展。目前比较常见的水声成像声纳主要有侧扫声纳、能器阵列各阵元的激励信号延时从中间到两端逐渐减前视声纳、多波束声纳、合成孔径声纳等，但都是以小，发射的超声波束合成的波阵面指向一曲率中心点，单探头进行移动发/收来合成阵的效应从而获得性能该点即为发射聚焦点，声波在该点处同相叠加增强，[1~3]的提高。在该点以外的空间反相叠加减弱甚至抵消。这样就在相控阵超声成像技术作为一种新型的水声成像技聚焦点产生最强波，若通过延

4、时控制使聚焦点来回移术，使用超声换能器阵列，无需移动探头就可以实现动，则形成成像扫描。对物体一定声场范围内的扫查，其特点是检测灵敏度超声相控阵发射聚焦原理如图1所示。设阵元中高、分辨率高。通过参数设置焦点位置、大小、焦深，[4~5]便可得到物体均匀清晰的成像。2nd由于水下特殊的声信道和复杂的噪声环境会影响n210-1-2-n[6]水声成像的分辨率，想要提高分辨率比较有效的办法就是增强超声发射信号强度。为此文中利用FPGAL设计了一种新型的高集成度超声相控阵发射电路，包括FPGA相控延时设计及脉冲信号放大电路设计

5、，可以产生高频高压脉冲信号，激励换能器阵列实现超声P波束的相控发射。传感器世界2016.0514Vol.22NO.05Total251Technology&Application技术与应用心距为d，阵元数为2n+1，则换能器孔径为2nd。若激励信号先通过D/A转换后进行运算放大，最后通过使各阵元发射的声波聚焦点P距离阵列的垂直距离为调谐匹配施加到超声换能器上，这就是信号调理电路[8]L，则各阵元激励信号的延迟时间为：的作用，目的是对激励脉冲进行放大处理以有效驱动1½换能器。系统的整体结构框图如图2所示。F°»nd

6、2º2°°⊬·°1、硬件设计Dt=®1-…1+∆¸»¾（1）C°…¬«F¹»¼°CPLD和FPGA都是可编程逻辑器件，但FPGA°¯°¿更加灵活，集成度更高，更适合比较复杂的布线结构其中，F—线阵中心到焦点的距离（若声速中心聚焦，和逻辑功能实现，而且FPGA功耗更小。本文选用的则F=L）；FPGA芯片是Xilinx公司生产的XC3S200芯片，具有C—超声信号在介质中的传播速度。195个I/O和520KB分布式RAM，最高系统时钟为340MHz。三、超声相控阵发射系统设计基于FPGA的超声相控阵发射系统的设计思想

7、是，基于FPGA的超声相控阵发射系统包括电源、PC利用FPGA丰富的I/O引脚资源和高速计数功能，实机、FPGA主控单元、串口、换能器阵列探头和信号现换能器阵列发射波束的聚焦深度控制和自动偏转角调理电路等。其中FPGA便是相控阵发射系统实现延[9]度控制。FPGA相控细延时原理图如图3所示。时发射的主控单元，关系着该系统成像效果的好坏。超声相控阵发射的关键技术是相控延时技术。超声相控阵成像效果的好坏直接受相控延时精度和分辨PCFPGAD/A信号换能器率的影响。其均方根（RMS）延时量化误差与主瓣幅放大阵列值之比：

8、1»1-sinc(1/m)ºpS=…»2ö（ȝ>>1）（2）¬N∂sinc(1/m)¼1m(6N)2T1锁T2计激励sinpxclk_in四选一信号其中，sinc(x)=；相T3数px数据选择器环器T4N—阵元数目；μ—中心频率所对应一个周期与最小量化延时之比。延时数据延时延时算法模块控制模块从公式（2）可以看出，若阵元数目一定，通过提高相控延时的精度和分辨率，即可有效抑