工業超聲多波束合成器的設計

高小明 楊 程

(西南科技大學計算機科學與技術學院，四川 綿陽 621010)

工業超聲廣泛應用于焊接檢測、鋼管檢測、軋輥檢測、裂紋檢測、管道檢測以及油路管道檢測等，它能夠快速、無損傷、精確地進行工件內部缺陷的檢測，超聲波探傷儀適于觀察物體內部的狀態，而在工業數字超聲成像系統中，目前均使用陣列式超聲換能器，采用電子聚焦的方式進行探測組織的檢測[1]。通常情況下利用N個晶片通過延遲聚焦的方式形成一條發射聲束，然后再利用N個晶片接收回聲信號，并利用發射延遲同樣的規則合成單路信號，從而得到超聲圖像中縱向一條線的信息，N表示了掃描中同時工作的晶片和接收通道個數。為保證超聲圖像的分辨率和密實度，一般采用陣元數更多的探頭，并按照d/2(d表示探頭陣元數)的方式掃描，但由于超聲在某些物體組織中探測距離遠、傳輸時間長的限制，單幀圖像中掃描線數增加將導致掃描時間過長，從而引起幀頻過慢，影響超聲圖像的實時性，雖然增加了超聲圖像的橫向分辨力和縱向分辨力，但降低了其時間分辨力[2～4]。多波束合成技術則是通過對N路回聲信號采用多種不同的延遲聚焦計算，同時形成多條接收信號，該技術可以保證不降低超聲圖像中采樣線數的情況下，提高超聲成像的時間分辨力[5～7]。

1 設計原理①

多波束合成是通過發射一次超聲脈沖后，從接收信號中形成多條接收聲束的技術。這時發射采用了弱聚焦，發射的超聲束寬比較均勻、焦深大，在聲束“照射”區域內聲場分布均勻[8，9]。對各陣元接收的回波信號采用幾組不同的延時序列處理，即可得到聲場中幾個不同方向上的接收聲束。

超聲回聲信號通過N個晶片同時接收，系統電路將對每路信號單獨進行濾波、放大及A/D采樣等處理，然后由FPGA進行加權變跡、延遲求和等運算。由于接收晶片的位置不同，從而導致發射波束上任何一點的回聲信號到達晶片的延遲時間不同(圖1)。

圖1 接收聚焦示意圖

若N路回聲信號延遲參數不同，則會形成不同位置的回聲合成采樣線。如在合成時，利用4組不同的延遲參數對N路采樣信號進行求和運算，這樣就可以同時得到4條采樣線的信息。但延遲參數也不能任意選擇，必須保證合成的采樣線在發射聚焦的焦點直徑范圍以內的探測區域才是有效的。

在陣列超聲發射中，通過聚焦將形成一束超聲波，在聚焦點的聲束寬度最小，在焦點附近的有限區域內，聚焦聲束寬度小于各陣元同時激勵時(即不聚焦)的聲束寬度[10，11]；但在此區域之外，聚焦聲束寬度反而擴散開來，大于不聚焦聲束寬度(圖2)。

圖2 發射聚焦示意圖

焦點直徑表達了聚焦焦點的聲束寬度，其表達形式為：

W(f)=2.44λF/nd

(1)

式中d——兩個晶片之間的距離；

F——焦點距離；

n——晶片通道數；

nd——孔徑的大小。

為實現同時接收到4條線的信息，每條線的位置應控制在發射波束焦點以內，才能實現對被測對象的準確探測(圖3)。

圖3 波束合成接收線位置示意圖

為達到最佳接收效果，4條接收線將在焦距范圍內進行均分，并和焦距中心對稱。因此，在焦點處的最佳分辨力如下：

(2)

2 設計實現

超聲系統每個通道的回聲信號都由電路進行獨立的處理，系統結構如圖4所示。

圖4 N通道超聲系統結構圖

在上述系統中，對回聲信號進行A/D轉換后，形成N路數字采樣信號，每路信號采樣頻率滿足s(f)>2f，才能保證回聲信號被完整采樣。在本方案中，信號的采樣頻率達到了50MHz，信號采集后的數據結構采用數組形式進行存儲(圖5)。

圖5 回聲數字信號存儲結構

基于50MHz的采樣頻率，則上述數組中，前后數據的相鄰時間間隔為：

(3)

在進行延遲合成過程中，t表示通道數據合成的最小延遲單位。在超聲系統中，通常的延遲精度為10ns，顯然，上述延遲精度比較粗糙，為提高延遲精度，通過在每個采樣數據中進行信號插值(圖6)。

圖6 插值后的數據存儲結構

經過插值處理后，相鄰數據之間的時間間隔為：

(4)

圖7 數據移位延遲示意圖

通過數據插值后，通道數據合成的最小時間精度提高到了5ns，再對數組里面的數據采取移位運算(圖7)。

對于每一種延遲方式，為其建立一張延遲表，延遲表表明了對應的數據位的移位情況，即該數據位應該進行多少個延遲單位。在多波束合成運算中，每一條不同位置的合成信號線，對應了一個不同的延遲表，因此，在n波束合成系統中，需要建立n張延遲表。通過FPGA進行并行運算，同時得出n條線的信息，通常情況下，采用4波束合成，即可取得較好的效果。合成示意如圖8所示。

3 系統測試

本設計硬件平臺采用了32通道超聲發射及接收系統，利用AFE5805超聲模擬前端對每個通道信號進行處理，并將信號轉換為數字信號，采樣頻率50MHz，通過LVDS傳輸給FPGA，FPGA采用了STRATIX-II系列的EP2S60F672I4N芯片，該芯片片內RAM容量能夠滿足本系統4波束合成運算的需要。在探頭中心頻率為3.5MHz，128陣元，發射焦點80cm時，采用4波束合成技術形成的二維超聲圖像如圖9所示。

圖8 多波束合成示意圖

3.1 測試目標及結果

筆者針對該方法的超聲成像系統，對比國標中的關鍵指標進行測試，并將其測試目標和結果列于表1。

圖9 4波束合成圖像

測試目標測試儀器儀器型號測試結果探測深度/mm模型KS107BD>260橫向分辨率/mm模型KS107BD<1縱向分辨率/mm模型KS107BD<1橫向幾何精度/%模型KS107BD<3縱向幾何精度/%模型KS107BD<3幀頻/幀軟件統計無>40盲區/mm模型KS107BD<2

3.2 測試結果分析

在系統測試中，采用了標準超聲仿組織模型進行測試，通過對比模型上面的刻度，采用多波束合成的超聲圖像，其各項關鍵指標均高于目前國標標準。通過系統軟件測算，在該平臺下，圖像幀頻達到了41～43幀，而在單波束情況下，采用d/2掃描的情況下，理論幀頻僅能達到18幀左右。因此，采用多波束合成技術，對幀頻的提高比較明顯。

4 結束語

介紹了采用數組移位的方式進行多波束合成的運算，并利用FPGA對每束合成信號進行并行處理，實驗證明，該方法取得了較好的效果。采用多波束合成技術，可以將相鄰兩聲束的間隔減小到1/4陣元間距以上，從而可以提高超聲圖像的橫向分辨力，縱向分辨力和對比分辨力，因而能實

現高密度、高分辨率成像。同時，由于單次可以采集多條接收聲束的數據，從而提高成像速度，使得超聲二維圖像更加流暢，實時效果明顯，對于生產線上觀察運行型器件，如齒輪、油箱中的運動部件等，更能捕捉到內部細節圖像。該方案具有很好的市場應用前景，已形成較為穩定的樣機，并由相應的工業探測設備公司進行產業化。