基于FPGA的超声相控阵波束合成技术

    数字波束合成技术(简称DBF)是近二三十年发展起来的阵列信号处理技术,最先应用于相控阵雷达的信号处理。DBF具有快速自适应波束置零、超分辨定向、超低副瓣、阵元失效波束校正、密集多波束、自适应空时处理和灵活的时间控制等优点,是现代阵列信号系统必须采用的关键技术。

    相控阵无损检测是最近发展起来的一种无损检测方法。它采用电子方法控制声束聚焦和扫描,可以在不移动或少移动探头的情况下进行快速扫查;具有良好的声束可达性,能对复杂几何形状的工件及其盲区缺陷进行检测;通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向,可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能得到提高,检测图像更加清晰,检测速度更快。超声相控阵数字波束合成器是相控阵无损检测信号接收处理部分的核心,是基于DBF原理,通过对多路数字超声信号的延时合成,实现对回波信号在不同方向和不同深度聚焦的技术。

    超声回波信号通过多个通道接收,由于接收通道中阵元的位置不同,造成同一点的回波信号到达的时间延迟不同。数字波束合成器的任务就是通过对不同通道的回波信号进行延时,使同一点的回波信号在波束合成器中同相相加,增加回波信号的信噪比,此为接收聚焦。而接收焦点随深度变化,从而使延迟时间随深度动态变化,称为动态聚焦。对多个通道的回波信号进行空域上的加窗,可起到匹配滤波的效果,提高回波数据的信噪比,在波束合成器中称为加权变迹^[1]。

1　数字波束合成器在FPGA中的实现

    相控阵信号接收的数据速率很高,所以计算量相当大,用一般的DSP在一个采样样本的时间间隔内很难实时完成,而且把高速多路的数据流送入DSP中十分困难。采用FPGA可以利用其多IPO脚灵活配置,接收多路数据,数据运算在同一个接收时钟的控制下流水线完成,只要控制每一级流水线的运算时间小于一个样本的采样时间,即可满足计算速度要求。数字波束合成器的功能框图如图1

    每一路超声回波信号经过信号调理电路及A/D转换后,首先进入缓存,在采样及时序控制模块和延迟参数的控制下,延迟一定的时间,从数据缓存中读出;经过数字延迟的多路信号输出给变迹加权模块,按照算法进行波束合成,各路信号的加权系数来自加权参数RAM;合成的回波信号输出给DSP,进行波形信号后处理及成像和判伤等。

1. 1　信号延迟模块

    信号延迟模块包括双端口RAM和延迟时钟控制模块ClkCtrl两部分,模块原理见图2。输入量为时钟CLK,复位信号RB、延迟控制量DTIME[9∶0]、A/D采样信号DATA[11∶0];输出为延迟数字信号DLYData[11∶0]。