劉桂雄，唐文明，李宇中

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0　引言

超聲相控陣檢測技術(shù)是在常規(guī)超聲UT基礎(chǔ)上應(yīng)用相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，通過電子偏轉(zhuǎn)技術(shù)產(chǎn)生不同相位電脈沖，分別激發(fā)多陣元晶片產(chǎn)生聚焦波束，完成對(duì)被測工件各方位掃查檢測[1]。基于超聲相控陣檢測技術(shù)研制而成的各類超聲相控陣儀器具有空間聲場完整覆蓋(無須移動(dòng)探頭)、準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)、全方位實(shí)時(shí)超聲成像等特點(diǎn)，是材料內(nèi)部缺陷分析、參數(shù)檢測、失效評(píng)估等研究的重要科學(xué)儀器[2]。近年來隨著新型材料、大規(guī)模集成電路、多任務(wù)操作系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，發(fā)射能量、聲束延時(shí)精度、信號(hào)處理能力、高速緩存與傳輸能力等方面都有較大提高，使得超聲相控陣檢測已逐漸成為氣輪機(jī)葉片(根部)裂紋、飛機(jī)雷達(dá)罩、石油天然氣管道焊縫、火車輪轂、核電站封頭、奧氏體焊縫檢測、風(fēng)力發(fā)電軸承復(fù)合材料等重要領(lǐng)域的檢測手段[3-4]。

目前國內(nèi)外超聲相控陣設(shè)備在發(fā)射能量[5]、聲束延時(shí)精度[6]、信號(hào)處理能力[7]、信噪比[8]、高速緩存與傳輸能力[9]等方面還有大量提升空間，開展提高超聲相控陣系統(tǒng)測量精度與實(shí)時(shí)性能關(guān)鍵技術(shù)研究意義重大。本論文研究提高超聲相控陣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，從超聲相控陣功能構(gòu)架入手，重點(diǎn)研究編碼激勵(lì)、聚焦延時(shí)精度、高速信號(hào)處理、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與緩存等方面的理論方法與實(shí)現(xiàn)技巧，并把這些應(yīng)用于超聲相控陣儀器的研制。

1　超聲相控陣檢測儀器架構(gòu)與關(guān)鍵模塊分析

圖1　超聲相控陣儀器結(jié)構(gòu)框圖

圖1為超聲相控陣儀器系統(tǒng)架構(gòu)圖，系統(tǒng)主要由超聲收發(fā)硬件系統(tǒng)、編碼激勵(lì)、延時(shí)聚焦、數(shù)字信號(hào)處理、傳輸調(diào)度等模塊組成。其中前端收發(fā)硬件系統(tǒng)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行升壓激勵(lì)，再對(duì)其回波調(diào)理；編碼激勵(lì)、延時(shí)聚焦完成超聲激勵(lì)信號(hào)控制、聚焦，信號(hào)處理模塊完成關(guān)鍵函數(shù)CORDIC算法實(shí)現(xiàn)以及分辨力提升、成像處理等，調(diào)度傳輸完成多組掃查數(shù)據(jù)以共享帶寬方式傳輸數(shù)據(jù)到外設(shè)，上位機(jī)(PC/ARM/DSP)完成圖像重建。

根據(jù)最新版美國鍋爐壓力容器法規(guī)ASM-E BPVC，超聲相控陣探傷儀系統(tǒng)包括聲束輪廓寬度、聲束變角范圍、陣元激活能力、聚焦能力、參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示的計(jì)算機(jī)控制能力、楔塊衰減和延遲校正精度、線性度等特性評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖2列出相控陣儀器指標(biāo)與主要關(guān)鍵處理模塊相互關(guān)系，具體包括：探頭及發(fā)射電路、編碼激勵(lì)因素方面主要是結(jié)合快速響應(yīng)的發(fā)射電路，可使得激勵(lì)后的波形振動(dòng)周期少(橫向分辨力高)；編碼激勵(lì)技術(shù)由多脈沖激勵(lì)間接提高發(fā)射能量，提高縱向分辨力，對(duì)儀器本身的聲束輪廓寬度、變角范圍、陣元激活能力、線性度均有直接影響；聚焦法則與聚焦精度因素方面各類聚焦法則(包括單點(diǎn)聚焦、動(dòng)態(tài)聚焦、合成孔徑)以及聚焦精度均直接影響聲束變角范圍、聚焦能力、數(shù)據(jù)顯示準(zhǔn)確性等指標(biāo)。聚焦精度是各類聚焦法則實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，決定焦點(diǎn)位置準(zhǔn)確性與能量聚合的有效性；數(shù)字采樣分辨力因素方面,超聲相控陣儀器存在模擬信號(hào)數(shù)字化量化誤差，基于儀器對(duì)缺陷尺寸判定法則，缺陷回波幅度峰值是直接判據(jù)。直接影響儀器聚焦能力、參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示的計(jì)算機(jī)控制能力、楔塊衰減和延遲校正精度、線性度；大數(shù)據(jù)處理與緩存、傳輸?shù)确矫?，在大陣元、多組掃查模式下，會(huì)直接影響到儀器收發(fā)系統(tǒng)控制、處理能力，包括陣元激活能力、聚焦能力、楔塊衰減和延遲校正精度，為儀器參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示的計(jì)算機(jī)控制能力、線性度以及實(shí)時(shí)性能提供重要保障。

圖2　相控陣儀器指標(biāo)與關(guān)鍵模塊對(duì)應(yīng)關(guān)系

2　提高系統(tǒng)性能關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1　準(zhǔn)單次正交Golay編碼激勵(lì)技術(shù)

與傳統(tǒng)單脈沖激勵(lì)相比，在相同硬件條件下，超聲相控陣系統(tǒng)編碼激勵(lì)技術(shù)的發(fā)射脈沖數(shù)量、相位、幅度具有多樣性，通過一定解碼能得到跟單脈沖一樣的橫向分辨力，縱向分辨力可大幅提高。目前編碼碼型中正交互補(bǔ)Golay碼編解碼效果較理想。圖3為超聲儀器信號(hào)收發(fā)模型，對(duì)應(yīng)參量設(shè)置見表1。

圖3　 超聲儀器信號(hào)收發(fā)模型

參量類型時(shí)域頻域編碼激勵(lì)序列函數(shù)cp(t)Cp(ω)發(fā)射電路系統(tǒng)傳遞函數(shù)ts(t)Ts(ω)超聲探頭沖激響應(yīng)pb(t)Pb(ω)聲波在介質(zhì)中傳遞函數(shù)uw(t)Uw(ω)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)傳遞函數(shù)rs(t)Rs(ω)解碼模塊沖激響應(yīng)fr(t)Fr(ω)整個(gè)硬件電路系統(tǒng)函數(shù)hd(t)Hd(ω)解碼模塊輸入信號(hào)di (t)Di (ω)解碼模塊輸出信號(hào)do(t)Do(ω)

以‘*’表示卷積運(yùn)算，若采用Golay A，B碼(時(shí)域表達(dá)式：a(n)，b(n)，頻域表達(dá)式：A(ω)，B(ω)進(jìn)行激勵(lì)，其激勵(lì)過程可分別表示為hd(n)a(n)，hd(n)b(n)。由于正交互補(bǔ)Golay碼需雙次激勵(lì)方能實(shí)現(xiàn)一次理想解碼，一定程度降低超聲相控陣儀器掃查效率，且在一些自動(dòng)化動(dòng)態(tài)掃查過程中，會(huì)產(chǎn)生超聲波激勵(lì)位置相對(duì)變化,導(dǎo)致兩次發(fā)射、接收波形不一致而影響解碼效果問題。為避免上述問題，需采用單次激勵(lì)模式。圖4為提出的準(zhǔn)單次激勵(lì)正交互補(bǔ)Golay碼編解碼方法總體框圖。

圖4　準(zhǔn)單次激勵(lì)正交互補(bǔ)Golay碼編解碼總體框圖

根據(jù)圖4中信號(hào)走向關(guān)系，超聲回波do(t)，Do(ω)可表示為

(1)

圖4所示準(zhǔn)單次激勵(lì)正交互補(bǔ)Golay碼編解碼方法，只需A碼激勵(lì)一次，通過軟件算法實(shí)現(xiàn)A→B碼激勵(lì)轉(zhuǎn)換，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

Hd(ω)·B(ω)=Hd(ω)A(ω)[B(ω)A(ω)-1](頻域)，?hd(n)b(n) = hd(n)a(n)·[b(n)-1a(n)] (離散時(shí)域)

(2)

圖4中脈沖壓縮與矢量合成模塊作為其核心內(nèi)容。其中，正交互補(bǔ)Golay碼合成器產(chǎn)生不同長度的Golay碼型；編碼電路控制器實(shí)現(xiàn)編碼調(diào)制；A→B碼激勵(lì)轉(zhuǎn)換因子，實(shí)現(xiàn)A碼到B碼激勵(lì)效果轉(zhuǎn)換，該過程易于FPGA硬件靈活實(shí)現(xiàn)。其編碼激勵(lì)具體實(shí)現(xiàn)方案見作者文獻(xiàn)[10-13]。

2.2　納秒級(jí)精度延時(shí)聚焦技術(shù)

超聲相控陣儀器通過增加楔塊增大聲波在介質(zhì)中折射角來擴(kuò)大掃查范圍，其檢測原理基于費(fèi)馬原理，聲束在介質(zhì)中以最短路徑進(jìn)行傳播，圖5為超聲相控陣儀器聲波聚焦原理圖，表2列出對(duì)應(yīng)的參數(shù)說明。聲波通過楔塊傳播到被測工件表面再折射到焦點(diǎn)F(x,y)形成聚焦。

圖5　超聲相控陣儀器聚焦原理圖

超聲相控陣儀器檢測流程包括發(fā)射聚焦與接收聚焦，都由聚焦法則所控制，下面將計(jì)算各陣元發(fā)出聲波傳播到焦點(diǎn)F的時(shí)間ti(i= 1,2,,N)。

圖5與表2參數(shù)說明，對(duì)楔塊上N陣元編號(hào)分別為0,1,,N-1，建立圖6所示帶楔塊延時(shí)聚焦坐標(biāo)系。

表2　發(fā)射聚焦的參數(shù)表

圖6　帶楔塊延時(shí)聚焦坐標(biāo)系

陣元為奇數(shù)時(shí)，中心陣元編號(hào)為N/2，以該陣元經(jīng)過y軸，折射界面為x軸(單位：mm)，H0=h0+(N/2)Psin(ω)，先算出中心陣元到達(dá)焦點(diǎn)F的時(shí)間tN/2(x0)，可列出發(fā)射聚焦延時(shí)計(jì)算式為

(3)

其中，x0∈[0,xF)。

基于聲束在介質(zhì)中以最短路徑傳播的原理，求解方程式(3)，等價(jià)于求解x0[0,xF)使得tN/2(x0)最小，對(duì)其求導(dǎo)數(shù)為

(4)

(5)

式(5)屬于一元高次方程，解x表達(dá)式異常復(fù)雜，故提出一種區(qū)間壓縮法求解一元高次方程的方法，具體實(shí)現(xiàn)方案文獻(xiàn)[14]。

聚焦法則計(jì)算器設(shè)計(jì)的時(shí)延值(發(fā)射脈沖聚焦)，下面通過CIC內(nèi)插濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)接收時(shí)延聚焦，與普通FIR濾波器不同，CIC濾波器存在特殊反饋結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)不能簡單地進(jìn)行多相分解，N階CIC濾波器數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(6)

N階CIC濾波器可等效為N個(gè)抽頭系數(shù)為1的FIR濾波器單元級(jí)聯(lián)，也等效為N個(gè)積分、梳狀濾波器組合。其參數(shù)說明：N為CIC濾波器階數(shù)，I為抽取或內(nèi)插系數(shù)，M為梳狀濾波延時(shí)因子，本文取1。

圖7為典型I倍內(nèi)插CIC濾波器結(jié)構(gòu)框圖，由梳狀濾波器、內(nèi)插器、積分器組成。

圖7　典型I倍內(nèi)插CIC濾波器結(jié)構(gòu)框圖

速率fs信號(hào)經(jīng)I倍內(nèi)插器后速率急劇提升為Ifs，使得后續(xù)積分器運(yùn)行在高速率環(huán)境(增加FPGA實(shí)時(shí)處理負(fù)荷)，須對(duì)內(nèi)插器、積分器部分進(jìn)行改造。使內(nèi)插、多相分解同時(shí)進(jìn)行，在fs(非Ifs)數(shù)字系統(tǒng)頻率下運(yùn)行，以減輕硬件負(fù)荷；對(duì)內(nèi)插、積分器進(jìn)行合并、重組，分成I相輸出，各相還是運(yùn)行在fs信號(hào)速率，經(jīng)改造后CIC濾波器多相分解信號(hào)流程圖如圖8所示(z-1表示存儲(chǔ)器、“”表示加法器)?？墒沟幂斎胨俾蔲s信號(hào)Xin經(jīng)I倍多相內(nèi)插后分別輸出Y(0)～Y(I-1)相，相鄰延時(shí)精度1/(Ifs)，為實(shí)現(xiàn)超聲相控陣回波聚焦做準(zhǔn)備。

令x=N(CIC濾波器階數(shù))，Y(y)為輸出相，可得CIC濾波器多相內(nèi)插公式為

圖8　CIC濾波器多相分解的信號(hào)流程圖

(7)

其中,y=0,1,2,…,I-1。

令y=I(內(nèi)插倍數(shù))可得下一個(gè)時(shí)鐘周期寄存器zx的值(反饋環(huán)路增益值)。

(8)

其中，x=1,2,3,…,N。

設(shè)計(jì)(fs= 100 MHz，N= 5，M= 1，I= 10) CIC多相內(nèi)插濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波可得到相鄰兩相延時(shí)ΔDt= 1/(Ifs) = 1 ns。圖9為FPGA實(shí)現(xiàn)CIC 10相內(nèi)插濾波實(shí)測部分波形圖，橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間(采樣周期10 ns)，縱坐標(biāo)為標(biāo)量幅度(12 bit數(shù)字分辨力)，輸出的1st～ 10th路相鄰間延時(shí)1 ns。

圖9　10相內(nèi)插濾波實(shí)測波形圖

同理可驗(yàn)證任意I倍CIC多相內(nèi)插濾波算法實(shí)現(xiàn)1/(Ifs)延時(shí)精度的有效性。具體實(shí)現(xiàn)方案見作者文獻(xiàn)[15-19]。

2.3　關(guān)鍵數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

1) 改進(jìn)CORDIC算法在TCG中應(yīng)用技術(shù)

CORDIC算法作為一種通用迭代算法，可在線性坐標(biāo)系、圓坐標(biāo)系和雙曲坐標(biāo)系下旋轉(zhuǎn)和定向操作，基于旋轉(zhuǎn)與向量模式可以求解很多超越函數(shù)。超聲相控陣儀器為了對(duì)不同探測深度(時(shí)刻)缺陷回波有統(tǒng)一的評(píng)判當(dāng)量，使得相同尺寸缺陷回波幅度與其在材料中的深度無關(guān)，對(duì)不同深度的反射波幅度進(jìn)行增益dB補(bǔ)償，將所有的深度補(bǔ)償值連成一條曲線，即TCG曲線。通過增益控制器實(shí)現(xiàn)dB到放大倍數(shù)A轉(zhuǎn)換。

dB = 20lgAA=e

(9)

在雙曲坐標(biāo)系下完成指數(shù)計(jì)算，其迭代公式為

(10)

若取初值x1=y1=1/K，z1=θ，則有：xn+1=yn+1=coshz1+sinhz1=eθ。迭代次數(shù)根據(jù)實(shí)際情況而定，這就是雙曲坐標(biāo)指數(shù)函數(shù)CORDIC算法求解機(jī)理。

使用超聲相控陣儀器對(duì)B型相控陣標(biāo)準(zhǔn)試塊中深度5，10 mm的φ1 mm平底孔進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)，通過式(9)做出一系列增益補(bǔ)償曲線，其TCG技術(shù)增益補(bǔ)償效果如圖10所示，橫坐標(biāo)：左半部分A掃圖表示回波幅度相對(duì)百分比(單位：%)、右半部分B掃圖表示水平掃查位移(單位：mm)，縱坐標(biāo)表示垂直掃查深度(單位：mm)，圖中B掃光標(biāo)位置對(duì)應(yīng)A掃圖，曲線列舉5個(gè)點(diǎn)增益補(bǔ)償連線，得出經(jīng)TCG曲線補(bǔ)償后不同深

圖10　TCG技術(shù)增益補(bǔ)償效果

度平底孔幾乎相同(圖中標(biāo)簽① ②所示)，為缺陷評(píng)判提供了有力保證。

當(dāng)然根據(jù)式(10)，指數(shù)函數(shù)求值器eθ，收斂域狹小(|θ|< 1.1182)，提出一種收斂域擴(kuò)張與迭代結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方法，可推廣為對(duì)任意輸入值θ進(jìn)行定點(diǎn)化壓縮以實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)CORDIC算法收斂域的擴(kuò)張，并通過FPGA實(shí)現(xiàn)此算法，該算法在運(yùn)算量、硬件資源、分辨力等方面具有較大優(yōu)勢。具體實(shí)現(xiàn)方案見作者文獻(xiàn)[20-27]。

2)數(shù)字分辨力提升技術(shù)

基于數(shù)值計(jì)算與數(shù)字信號(hào)處理特點(diǎn)，采用多項(xiàng)式內(nèi)插(細(xì)插)、內(nèi)插濾波法(粗插)插值相結(jié)合實(shí)現(xiàn)信號(hào)分辨力提升。圖11為超聲相控陣儀器任最優(yōu)化采樣算法原理框圖，任意升采樣倍數(shù)分解成整數(shù)I與小數(shù)nF乘積：= nFI。

圖11　超聲相控陣儀器任最優(yōu)化采樣算法原理框圖

基于改進(jìn)三次Spline + Hermite多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)nF倍插值、多相內(nèi)插濾波實(shí)現(xiàn)I倍插值，nF，I求解方案如式(11)。即通過最大化整數(shù)I、最小化小數(shù)nF方式進(jìn)行分配，其中，“”表示向下取整，nF[1,2)。

(11)

對(duì)數(shù)據(jù)量N的數(shù)據(jù)，給定任意升采樣倍數(shù)插值步驟如下：①第一級(jí)插值(多項(xiàng)式插值)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量拉伸，拉伸率為小數(shù)nF，NnF= [NnF]([ ]表示取整；NnF，NnF只存在一個(gè)樣點(diǎn)誤差)；②第二級(jí)插值(內(nèi)插濾波)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量拉伸，拉伸率為整數(shù)I。

定義在區(qū)間[t0,tn]上函數(shù)f(t)與n+1個(gè)坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)(t0,y0)，(t1,y1)，… (tn,yn)，則在t[ti-1,ti] 區(qū)間滿足函數(shù)式(12)。

(12)

(13)

Mi可由三彎矩方程[19]求解，有

(14)

表3　權(quán)重系數(shù)與

若取4.75 MHz頻率探頭進(jìn)行試驗(yàn)，fs=100 MHz，采樣率從fs升到4.75fs，由式(11)有nF=4.75/4 = 1.1875，I= 4，如對(duì)圖12中S掃與光標(biāo)處A掃波形插值(數(shù)據(jù)量N=390，內(nèi)插后數(shù)據(jù)量NX=N·nF=463)。圖13為三次Spline-Hermite插值FPGA顯示效果。輸入390樣點(diǎn)信號(hào)(時(shí)間差▽t1=3900 ns)、輸出463樣點(diǎn)信號(hào)(時(shí)間差▽t2=4630 ns)，實(shí)現(xiàn)樣點(diǎn)數(shù)390→463，即插值倍數(shù)nF= 1.1875效果。對(duì)實(shí)現(xiàn)I=4倍內(nèi)插濾波，在作者文獻(xiàn)[11-14，26]已詳細(xì)研究。

借助數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，提出數(shù)值內(nèi)插的任意倍升采樣算法，解決超聲相控陣儀器數(shù)字最優(yōu)化重采樣問題。采用小數(shù)倍nF多項(xiàng)式內(nèi)插法(細(xì)插)、整數(shù)倍I多相內(nèi)插濾波法(粗插)相結(jié)合模式，提高算法的可實(shí)施性、靈活性。

圖12　S掃與光標(biāo)處的A掃波形圖

圖13　Spline-Hermite插值法仿真與實(shí)際波形圖

3)超聲圖像快速重建技術(shù)

超聲相控陣儀器通常以極坐標(biāo)方式采集數(shù)據(jù)如S掃，在圖像重建過程須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與像素填充。

圖14　TCG技術(shù)增益補(bǔ)償效果

圖14為基于高基數(shù)CORDIC算法坐標(biāo)變換圖像重建框圖。在S掃扇形區(qū)域內(nèi)，以探頭為極點(diǎn)，垂直探頭表面的極軸建立極坐標(biāo)系，掃查區(qū)域內(nèi)每個(gè)聚焦波束都以此極坐標(biāo)形式存儲(chǔ)。圖15為極坐標(biāo)系、存儲(chǔ)坐標(biāo)、笛卡爾坐標(biāo)系模型，假設(shè)掃查扇形區(qū)域內(nèi)一個(gè)極坐標(biāo)P(ri，i)，ri表示極坐標(biāo)半徑，i表示極角。該點(diǎn)在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)表示為P(xi，yi)，其中xi和yi分

別表示橫縱坐標(biāo)，通過公式xi=ricosφi，yi=risinφi將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)成笛卡爾坐標(biāo)。

圖15　各種坐標(biāo)系

利用FPGA設(shè)計(jì)高基數(shù)CORDIC算法的超聲S掃坐標(biāo)變換計(jì)算模塊，將極坐標(biāo)表示的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成笛卡爾坐標(biāo)形式，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)模式下CORDIC算法模塊，基4-CORDIC算法迭代方程為

(15)

給定初始值x0=K-1a,y0=K-1b，n次迭代后，zn收斂到0，將獲得如下結(jié)果。

(16)

笛卡爾坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)都可通過式(4)映射到極坐標(biāo)點(diǎn)F(,故來自極坐標(biāo)F(,)點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)將被填充到笛卡爾坐標(biāo)F(x,y)位置，如圖16坐標(biāo)映射所示，笛卡爾坐標(biāo)下A，B，C，D點(diǎn)直接映射極坐標(biāo)A，B，C，D點(diǎn)，而坐標(biāo)F(x,y)映射坐標(biāo)F(,)，形成該像素點(diǎn)“漏點(diǎn)”，只能通過附近點(diǎn)如A，B，C，D插值算法得到。

圖16　坐標(biāo)變換原理

圖17為基4-CORDIC算法超聲S掃圖像重建效果，其中圖17(a)為圖像重建實(shí)驗(yàn)裝置，圖17(b)為圖像重建結(jié)果，相控陣試塊上φ1 mm孔以S掃圖像重建方式清晰顯示出。具體實(shí)現(xiàn)方案見作者文獻(xiàn)[31-32]。

由以上分析可得，經(jīng)過高基數(shù)CORDIC算法坐標(biāo)變換進(jìn)行圖像重建后，可以得到完整、高質(zhì)量超聲S掃圖像。且該算法非常適合于FPGA流水線快速實(shí)現(xiàn)，提高圖像重建的實(shí)時(shí)性、靈活性。

圖17　基4-CORDIC算法的S掃圖像重建效果圖

2.4　大數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)

多陣元、多組掃查超聲相控陣儀器同時(shí)產(chǎn)生多組數(shù)據(jù)流，根據(jù)最優(yōu)化采樣原理，對(duì)fp探頭回波按比例Kfp(K為比例因子)頻率采樣。N組掃查模式，產(chǎn)生N種速率(fs0～fsN-1) 數(shù)據(jù)流，通過高串行總線傳輸?shù)酵庠O(shè)。圖18為多組掃查共享帶寬超聲數(shù)據(jù)傳輸框架，通過帶寬資源調(diào)度器(由不同長度FIFO、總線仲裁器組成)經(jīng)Avalon總線寫入DDR3再共用PCIe帶寬傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，通過調(diào)節(jié)各FIFO長度與總線仲裁器的讀時(shí)序、中斷優(yōu)先級(jí)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)各組數(shù)據(jù)無時(shí)隙輪詢切換讀取，使得各組數(shù)據(jù)傳輸同步與帶寬利用率最大化。

通過多FIFO共享帶寬模式實(shí)現(xiàn)多組掃查數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度。表4定義N組掃查N-FIFO緩存參數(shù)。

圖18　多組掃查共享帶寬超聲數(shù)據(jù)傳輸框架

歷經(jīng)FIFOi數(shù)據(jù)空到滿(耗時(shí)并產(chǎn)生讀中斷(獲得Avalon總線讀使用權(quán))，另一方面，遍歷了第0, 1, …,i+1,i+2,…,N-1個(gè)FIFO滿數(shù)據(jù)被讀空過程，耗時(shí)圖19為N-FIFO讀操作時(shí)隙轉(zhuǎn)換圖。根據(jù)Ti=-Ti=0)，可列如式(17)的方程組。

圖19　N-FIFO讀操作時(shí)隙轉(zhuǎn)換圖

(17)

解式(17)得N個(gè)FIFO長度比：L(0)∶L(1)∶…∶L(N-1)=(VR-VW(0))VW(0)∶ (VR-VW(1))·VW(1)∶…∶(VR-VW(N-1))VW(N-1)，故只要根據(jù)表3的參數(shù)對(duì)不同組設(shè)計(jì)不同的緩存FIFO就可實(shí)現(xiàn)各組數(shù)據(jù)無時(shí)隙總線共享切換，最大化帶寬利用率。

本文相控陣儀器工作在頻率fs= 100 MHz下掛載4探頭(頻率fp= 2，2.5，5，10 MHz)實(shí)現(xiàn)4組掃查模式，軟件比例升采樣(fs= 10 ×fp)，各組掃查數(shù)據(jù)實(shí)際采樣率fs0～fs3分別為20，25，50，100 MHz，位寬B = 8 bit，F(xiàn)IFO輸入、輸出位寬相等BW=BR= 64 bit?？梢杂?jì)算出4 FIFO長度比L(0)∶L(1)∶L(2)∶L(3) = 14∶17∶29∶38,由式(10)計(jì)算出。表5列出4 FIFO數(shù)據(jù)緩存4組掃查帶寬利用率最大化調(diào)度參數(shù)，圖20為4組掃查讀總線切換SignalTap實(shí)際FIFO控制時(shí)序圖(橫軸：時(shí)間單位10 ns)，顯示4個(gè)FIFO控制時(shí)序，實(shí)現(xiàn)4個(gè)FIFO讀操作無時(shí)隙切換。

表5　4 FIFO數(shù)據(jù)緩存4組掃查帶寬利用率最大化調(diào)度參數(shù)表

圖20　4組掃查讀總線切換FIFO控制時(shí)序Signaltap顯示圖

經(jīng)過時(shí)間片輪詢調(diào)度后，由N組掃查NFIFO數(shù)據(jù)緩存共享傳輸帶寬利用率。

(18)

上述方法可用在任意多組掃查超聲相控陣系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)流傳輸共用帶寬，可以使得傳輸帶寬利用率最大化。具體實(shí)現(xiàn)方案見文獻(xiàn)[33]。

3　綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

采用前面研究的關(guān)鍵技術(shù)并以超聲相控陣儀器作為載體，對(duì)部分重要指標(biāo)(編碼激勵(lì)、聚焦延時(shí)、數(shù)字化頻率變采樣、調(diào)度傳輸?shù)?進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

采用超聲相控陣儀器作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制、采集，處理對(duì)速度較嚴(yán)格的算法(編碼、壓縮、拉伸、高速緩存與傳輸、特殊函數(shù)CORDIC算法)，以FPGA為核心運(yùn)算單元、DDR3為高速緩沖器、Altera公司Cyclone V GT FPGA 內(nèi)嵌PCIe模塊為高速傳輸接口，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)處理。實(shí)現(xiàn)表6中部分關(guān)鍵技術(shù)，并

表6　儀器主要考核驗(yàn)收指標(biāo)

對(duì)各部分功能加以綜合驗(yàn)證。圖21為超聲相控陣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝配圖。

圖21　超聲相控陣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用實(shí)物圖

根據(jù)上面應(yīng)用方案，設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電變槳螺栓孔缺陷檢測系統(tǒng)，涉及各模塊參數(shù)如表7所示。

圖22為樣件實(shí)物照片，圖22(a)和圖22(b)分別為風(fēng)力發(fā)電變槳螺栓孔缺陷斷面照片、螺栓孔內(nèi)壁寬2 mm深2 mm裂紋缺陷，通過超聲相控儀器對(duì)其裂紋進(jìn)行檢測。

表7　試驗(yàn)?zāi)K清單表

圖22　風(fēng)力發(fā)電變槳螺栓孔試塊

根據(jù)表8超聲相控陣儀器檢測參數(shù)設(shè)置，通過對(duì)比法進(jìn)行檢測，圖23為工件檢測對(duì)比實(shí)物圖，圖23(a)、圖23(b)分別為無、有裂紋工件檢查裝置。圖24為超聲相控陣對(duì)螺栓孔S掃查對(duì)比結(jié)果圖，圖中包含A掃波形區(qū)與S掃波形區(qū)，縱坐標(biāo)表示掃描深度(單位：mm)、橫坐標(biāo)表示水平掃描距離(單位：mm)，圖24(a)和圖24(b)分別為無、有裂紋缺陷掃查圖(S掃圖片顏色越深(紅)表示該位置缺陷越明顯)，可以清晰分辨出裂紋缺陷的掃描圖像，見圖24(b)中X信號(hào)。

表8　關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

圖23　探頭對(duì)螺栓孔檢測對(duì)比裝置圖

圖24　超聲相控陣對(duì)螺栓孔S掃查對(duì)比結(jié)果圖

根據(jù)圖24(b)超聲相控陣對(duì)螺栓孔掃查結(jié)果，采用-6 dB法則測得裂紋寬約2 mm(1.8～2.2 mm之間)，實(shí)驗(yàn)證明能夠達(dá)到相應(yīng)的檢測精度和靈敏度。(備注：根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)E2700-9《焊縫接觸式超聲相控陣檢測方法》缺陷當(dāng)量評(píng)判-6 dB法則。

該應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果涉及關(guān)鍵技術(shù)：

1)8bitGolay編碼激勵(lì)檢測5～20 mm厚的風(fēng)力發(fā)電變槳螺栓孔鋼在基準(zhǔn)增益23 dB基礎(chǔ)上，可使得缺陷回波高達(dá)到基準(zhǔn)波高相對(duì)顯示屏幕122%，間接增大發(fā)射功率；

2)S掃聚焦延時(shí)1 ns精度以及圖像重建,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電變槳螺栓孔內(nèi)壁全方位S掃成像；

3)16點(diǎn)TCG增益補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)曲線回波增益進(jìn)行補(bǔ)償，為實(shí)測缺陷尺寸提供依據(jù)；

4)動(dòng)態(tài)平均、高速緩存與傳輸技術(shù)實(shí)際上以大于PRF頻率(42 Hz)速度通過PCIe總線將一幅圖像數(shù)據(jù)(>4.9125×105B)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)(B= 12 bit)。

應(yīng)用表明：本文研究超聲相控陣儀器關(guān)鍵技術(shù)已在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果，較傳統(tǒng)的超聲相控陣儀器性能有較大提升。

4　總結(jié)

1)研究基于正交互補(bǔ)準(zhǔn)單次Golay(A，B)碼超聲相控陣編碼激勵(lì)技術(shù)，間接增大超聲發(fā)射功率，提出通過軟件算法使A，B碼兩次激勵(lì)合成A碼單次激勵(lì)方案，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單次正交Golay編碼激勵(lì)技術(shù)，提高掃查效率與信噪比，且該方法易于FPGA實(shí)現(xiàn)。

2)設(shè)計(jì)基于區(qū)域壓縮收斂法的聚焦法則計(jì)算器，通過內(nèi)插濾波實(shí)現(xiàn)超聲波接收延時(shí)，并在FPGA上實(shí)現(xiàn)基于CIC多相內(nèi)插1 ns的延時(shí)精度；推導(dǎo)出多相分解公式，使內(nèi)插、多相分解同時(shí)循環(huán)進(jìn)行。與其他經(jīng)典方法相比，CIC多相內(nèi)插技術(shù)消耗FPGA資源最少、精度高。

3)基于FPGA定點(diǎn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)CORDIC算法指數(shù)函數(shù)求值器eθ，提出一種收斂域擴(kuò)張與迭代結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方法，在運(yùn)算量、硬件資源、分辨力等方面具有較大優(yōu)勢；通過基4-CORDIC算法實(shí)現(xiàn)像素填充，完成S掃圖像重建；研究基于數(shù)值內(nèi)插高速采樣與多路并行峰值保持壓縮算法，實(shí)現(xiàn)任意倍升采樣；研究一種小數(shù)倍升采樣的分段滑動(dòng)三次Spline-Hermite插值方法，推導(dǎo)出一定精度條件下適合值Nsuit，特別易于FPGA的流水線快速實(shí)現(xiàn)。

4)通過多FIFO緩存與帶寬共用調(diào)度器有效提高PCIe傳輸帶寬利用率；設(shè)計(jì)多FIFO變長度調(diào)度算法，該算法比常見等時(shí)間片輪詢調(diào)度算法帶寬利用率提高1倍。

本文關(guān)鍵技術(shù)可應(yīng)用到相關(guān)無損檢測，研究的1 ns技術(shù)結(jié)合Golay編碼技術(shù)可檢查厚度達(dá)20 cm,φ1 mm缺陷鋼材料，以及對(duì)聲阻抗衰減較大材料(如壁厚≦3 cm，φ1 mm缺陷玻璃鋼材料)進(jìn)行安全評(píng)估，其誤差控制在10%內(nèi)(可滿足超聲相控陣無損檢查要求)，也可應(yīng)用到空氣耦合檢查(耦合距離達(dá)10 cm)技術(shù)等。

后續(xù)將會(huì)開展采用CORDIC算法的向量旋轉(zhuǎn)模式對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行直接相位旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)延時(shí)的研究，實(shí)現(xiàn)更高延時(shí)精度、高性價(jià)比；采用多核并行架構(gòu)對(duì)多路超聲回波進(jìn)行帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜調(diào)度系數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算，提高系統(tǒng)靈活性。