基于FPGA的超声相控阵发射系统设计

崔 娟，王红亮，何常德，薛晨阳

(1.中北大学电子测试国家重点实验室，山西太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)



基于FPGA的超声相控阵发射系统设计

崔 娟1,2，王红亮1,2，何常德1,2，薛晨阳1,2

(1.中北大学电子测试国家重点实验室，山西太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

为了实现水下超声成像系统中超声信号的相控阵发射，提出并设计了一种基于FPGA的超声相控阵发射系统。分析了相控聚焦的发射原理，利用FPGA丰富的I/O引脚和内部逻辑资源实现了八通道超声相控阵激励信号的发射，并设计了信号调理电路对激励信号进行D/A转换及放大，以有效驱动压电换能器。通过实验测试表明，该系统可以实现超声信号的相控聚焦发射，相控延时精度达到2.5 ns，发射信号稳定，系统集成度高，可以应用于水下超声成像的实现。

水下超声成像；相控阵；相控聚焦；FPGA；信号调理电路；压电换能器

0 引言

超声成像技术，特别是水下超声成像，由于能够直观地反映水下被测物体性能，对被测物体进行定性定量分析，成为近年来的研究热点。超声相控阵检测技术是超声成像的关键技术，是通过控制阵列换能器中各阵元发射信号和接收信号的相位延时，实现波束聚焦和偏转等效果，从而完成相控阵波束合成，形成清晰的图像[1-2]。目前水下超声探测采用单一通道控制单个换能器发射超声波，本文利用超声相控阵检测技术设计了1套相控阵超声发射系统。它采用多阵列换能器，实现了水下超声发射波束的聚焦和偏转等效果，为后续成像实验提供技术支持。

1 相控聚焦发射原理

超声相控阵发射的原理是，通过控制换能器阵列各阵元激励信号的延迟时间，使得各阵元发射的超声波束产生一定的相位差，在空间叠加形成波束聚焦和波束偏转等效果[3-5]。相控聚焦发射时，换能器阵列各阵元的激励信号延时从两端到中间逐渐增大，各个独立波阵面产生干涉并指向1个曲率中心，形成聚焦波束[6]，声波在该点处同相叠加增强，在该点以外的空间反相叠加减弱甚至抵消，该点即为发射聚焦点。这样就在聚焦点产生最强波，形成成像扫描。

图1 相控发射聚焦原理图

超声相控阵发射聚焦原理如图1所示。设阵元数为2n+1，阵元中心距为d，则换能器孔径为2nd。若使各阵元发射的声波聚焦点P距离阵列的垂直距离为L，则各阵元激励信号的延迟时间为[7]：

(1)

2 超声相控阵发射系统设计

基于FPGA的超声相控阵发射系统包括PC机、电源、串口、FPGA主控单元、信号调理电路和换能器阵列探头等。其中FPGA作为整个发射系统的主控单元，承载着相控发射的延时控制。信号调理电路由D/A转换、运算放大和功率放大电路组成，目的是对激励脉冲进行放大处理以有效驱动换能器。系统的整体结构框图如图2所示。

图2 超声相控发射系统结构框图

2.1 硬件设计

CPLD和FPGA都是可编程逻辑器件，但FPGA在编程上比CPLD具有更大的灵活性，集成度也更高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现，同时FPGA比CPLD功耗要小很多。本文选用的FPGA芯片是XC3S200芯片。该芯片集成度较高，具有195个最大用户I/O和高达520 K分布式RAM，最高系统时钟为340 MHz。

基于FPGA的超声相控阵发射系统的设计思想是，利用FPGA丰富的I/O引脚资源和高速计数功能，实现换能器阵列发射波束的聚焦深度控制和自动偏转角度控制[8]。FPGA相控发射模块结构框图如图3所示。

图3 相控发射模块结构框图

相控延时技术是实现超声相控阵发射的关键技术。相控延时精度和分辨率影响着超声相控的成像效果。其均方根(RMS)延时量化误差与主瓣幅值之比[9]为

(2)

可以看出，在阵元数目一定的前提下，提高相控延时的精度和分辨率，可以有效抑制声束旁瓣，提高成像质量。

现在相控延时的实现一般采用数字式发射延时。与过去的模拟延迟线相比，数字式发射延时具有精度高、可调性好、稳定性高等优点[10～11]。数字式延时的实现分为粗延时和细延时。实现粗延时比较简单。粗延时一般由采样时钟控制，延时值为采样周期的整数倍。本文选用100 MHz晶振作为系统的采样时钟，延时精度为10 ns。这个精度并不算很高。提高采样时钟可以提高延时精度，但同时会对硬件电路有更高的要求，由于硬件电路的限制，粗延时精度一般很难达到10 ns以上。因此必须进行细延时设计。

本文采用数字脉冲相位差法实现系统的精细延时。思想是通过产生频率相同、相位不同的时钟信号，控制他们之间的相位差减小来提高延时精度。首先将100 MHz的采样时钟进行2倍频产生200 MHz信号，再取200 MHz频率信号及其反相信号分别进行2分频，生成4路频率均为100 MHz，但相位依次相差90°的信号，如图4所示。这样，定义初值不变，在这4路信号中任意选择不同的信号，就能获得最小相差为2.5 ns的延时。因此得到精细延时的精度为2.5 ns。

图4 时钟分频延时输出信号图

2.2 电路设计

本文选用的D/A转换芯片是高速数模转换器AD9708。该芯片具有18位的分辨率，转换输出的模拟波形幅值为2 V，频率范围为0～6.5 MHz。FPGA将发射信号的数据传输给AD9708，同时输出一个时钟信号控制AD9708在每个时钟更新1次D/A输出。

D/A转换输出的模拟波形幅值仅为2 V，不足以激励换能器，因此还需对信号进行幅值和功率放大。运放芯片选用AD823，供电电压为±18 V，这样激励信号经运算放大后的幅值就达到36 V。采用大功率场效应管IRF740应用于高频功率放大电路，IRF740工作于开关状态，具有输入阻抗高、驱动电流小、开关速度快、高频工作特性好等优点[12]。功率放大电路处于D类工作状态。具体的放大电路设计如图5所示。

图5 发射信号放大电路设计

3 实验测试

为了验证以上系统设计是否满足相控发射的要求，搭建了实验平台对相控阵超声发射信号的特性及相控延时进行了测试与分析。设计了八通道FPGA相控阵超声发射板，FPGA作为系统的控制中心，主要作用是产生频率为200 kHz的数字信号及片上延时算法的实现。外接八路信号调理电路，完成数字信号到模拟信号的转换及信号放大，输出具有一定幅值和驱动能力的激励信号。

实验所用的换能器采用一种小型的水下超声压电换能器阵列，阵元数为32，阵元中心距3.8 mm，中心频率为200 kHz。发射换能器和接收换能器之间的距离为10 cm，编写程序产生200 kHz的四脉冲方波激励信号，用示波器测得发射端和接收端的信号如图6所示。可以看出发射波形比较稳定，幅值较大，接收信号波包明显，干扰和失真小，可以经采集卡采集进行后续数据处理。

图6 超声信号发射和接收波形

设定聚焦深度为20 cm，编写了六通道的相控聚焦延时程序下载到FPGA中，经过信号调理电路处理，得到六通道相控聚焦发射激励信号波形如图7所示。各通道设置的延时参数和实验测试的聚焦延时数据对比如表1所示。

结合实验结果分析表1数据可知，六通道相控聚焦延时发射实验测得的相对延时与理论相对延时之间的误差小于2.5 ns，说明该系统延时精度达到了2.5 ns的精度，满足设计要求。

表1 相控聚焦延时数据 ns

图7 相控聚焦发射波形图

4 结论

与原有的水下超声检测系统研究相比，设计的超声相控发射系统采用FPGA实现了多通道多阵列的超声相控发射，实物测试结果理想，延时精度更高。通过理论研究结合实验测试表明，发射信号稳定，干扰和失真较小，能够实现相控发射波束的聚焦，相控延时精度达到2.5 ns。同时由于FPGA具有系统可重配置性能，使设计控制和修改更加灵活方便，也有利于系统的集成。

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Design of Ultrasonic Phased Array Transmission System Based on FPGA

CUI Juan1,2,WANG Hong-liang1,2,HE Chang-de1,2,XUE Chen-yang1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Key laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，North University of China, Ministry of Education,Taiyuan 030051,China)

In order to enhance the ultrasonic signal phased array transmission of underwater ultrasonic imaging system,the ultrasonic phased array transmission system based on FPGA was designed.The transmission principle of phased focus was analyzed,and the eight channel ultrasonic phased array transmission system was achieved by using FPGA with rich I/O pins and internal logic resources.Then the signal conditioning circuit for excitation signal D/A conversion and amplification were designed to motivate the piezoelectric transducer effectively.The actual test results show that the system realizes ultrasonic signal phased array focus transmission,and the phase delay precision is 2.5 ns.The system is with high integration and stable transmission,and it can be applied to the underwater ultrasonic imaging implementation.

underwater ultrasonic imaging; phased array; phased focus; FPGA; signal conditioning circuit; piezoelectric transducer

国家自然科学基金项目(61127008)

2014-11-19 收修改稿日期：2015-02-13

TN552

A

1002-1841(2015)07-0054-03

崔娟(1992- )，硕士研究生在读，主要研究方向为超声换能器设计和超声成像系统。E-mail：cjj0229@sina.com. 王红亮(1978- )，副教授，硕士生导师，主要研究方向测试系统集成和水声成像。E-mail：wanghongliang@nuc.edu.cn.