超声相控阵成像系统软件设计

　　超声相控阵技术的基本思路来源于雷达电磁波相控阵技术，最早应用于医用B超成像系统中。但在工业无损检测领域，由于检测仪器复杂度高，制作成本高昂，其应用受到很大的限制。然而近年来多种相关高技术，如压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理和数据分析软件技术和微电子技术的快速发展，使得超声相控阵技术在无损检测领域得到快速发展[1-2]。

　　与传统的超声检测技术相比，超声相控阵技术在声束可达性，检测精确性、重现性及检测结果的可靠性、实时性和直观性等方面具有明显的优势。提出了一种基于LINUX+QTE的嵌入式超声相控阵成像系统软件的设计方案。

　　1　超声相控阵原理

　　超声相控阵成像系统可分为超声阵列换能器和电子控制系统两部分。超声阵列换能器是由多个相互独立的压电晶片按照一定的排列方式组成的阵列。电子控制系统则控制各个晶片按照一定的延时规则发射和接收超声波，从而动态地控制超声波声束在工件中的偏转和聚焦，实现对工件的无损检测[3]。

　　1.1　发射聚焦

　　利用电子技术控制超声阵列换能器不同阵元之间的触发延时时序，产生具有不同相位的超声相干子波束在空间叠加干涉，使得合成声束具有聚焦和偏转的效果，如图1所示。

　　1.2　接收聚焦

　　在超声相控阵接收状态下，阵列换能器的各阵元接收声场的反射信号，根据聚焦点的几何位置按不同延时值进行延时，然后加权求和获得接收的合成声束。在一次接收过程中实时地改变聚焦延时值，可以实现动态跟踪聚焦(图2)。

　　针对扇形扫查，接收聚焦时可按照扇形的半径线，对线上的每个点进行动态逐点聚焦，从而完成一条线扫查。对扇形中的所有采样线重复以上步骤，便完成了一次完整的扇形二维扫描。

　　2　软件设计

　　系统是一套基于嵌入式平台的超声相控阵无损检测系统，实现扇形扫描，线性扫描等。硬件采用ARM11+SPARTAN6架构。其中FPGA(现场可编程门阵列Field　Programmable　Gate　Array)实现控制发射超声波、接收回波并处理，ARM(先进的RISC处理机Advanced　RISC　Machines)负责与FPGA通信，配置系统参数，读取成像数据，进行成像处理，以及人机交互，控制整个系统的正常运行等。整个软件系统分为驱动层软件和应用层软件。驱动层软件是Linux内核的重要组成部分，是对硬件层的统一抽象接口。通过该接口，用户程序可以对设备象对普通文件一样进行读写操作，从而实现用户程序与底层硬件的数据通信功能。应用程序负责获取回波数据，处理成像。