超声检测中常用激励波形的高精度相控发射实现∗

蔡明飞　师芳芳　孔超　张碧星

（中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室　北京　100190）

超声检测中常用激励波形的高精度相控发射实现∗

蔡明飞†师芳芳孔超张碧星

（中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100190）

超声无损检测根据不同的检测需求使用不同的激励波形，而超声相控阵技术的应用则要求各通道的激励波形能够相控发射。本文分析了不同检测对象、不同检测方法对激励信号的波形类型要求，研究了基于FPGA主控的数字式超声检测平台下实现单通道方波脉冲、尖脉冲、正弦波形和任意波形等的发射方法，以及以上各种波形在多通道高精度相控发射时的实现方法。实验表明，各种波形的激励信号都实现了高精度相控发射，最高可达1 ns的延时精度。

超声检测，激励波形，波形类型，相控发射

1　引言

超声检测技术兼具适用性广、检测深度大和安全性好等优点，是五大常规工业无损检测方法中应用最广泛的一种［1］。超声检测时，发射电路产生高压激励信号加载到超声换能器产生发射声波，该声波在被检件中传播，如果遇到缺陷会产生反射、散射、透射等，反射、散射、透射波被超声换能器接收得到检测信号，该检测信号携带了被检件内部的缺陷信息，可通过分析得到检测结果［2］。

由于被检件的类型繁多，缺陷种类多样，因此在不同的检测应用中为了得到较易判断检测结果的检测信号，需要选择不同类型的激励信号。最常使用的激励信号是尖脉冲或方波脉冲，而在一些特定的超声检测应用中，激励信号可能是正弦脉冲、调频信号、非规则任意波形等的一种或几种［3］。除了激励信号的类型要求外，超声检测技术中相控阵技术的发展对激励信号提出了通道数量、通道间延时精度等方面的要求，多路激励信号遵循延时法则激励阵列换能器的相应阵元发射声波，形成聚焦声场，以进一步提高超声检测的灵敏度和信噪比等［4］。

目前数字式超声检测技术已经普及，这类方案中激励信号的产生大致可以分为两个步骤：首先是主控模块产生低压触发信号，然后触发信号经过高压放大模块产生高压激励信号。激励信号的波形类型产生以及多通道时的通道间延时都是由主控模块来实现的，主控模块一般是基于FPGA或CPLD平台构成的［5］。本文分析了超声检测中，几种典型应用时的激励信号波形类型的要求，以及相控阵技术中的延时精度要求，在此基础上，研究了在基于FPGA平台下，波形类型为尖脉冲、方波脉冲、正弦脉冲以及任意波形等的单通道和多通道相控发射时激励波形的生成方法，并充分利用FPGA内资源，实现了以上各种类型激励波形的高延时精度相控发射。

2　激励信号的要求分析

2.1波形类型要求

超声检测中常用的激励信号是尖脉冲或方波脉冲：前者具有较大的带宽，适用于需要宽带窄脉冲检测信号的情形；后者可以有效提高换能器灵敏度。

为了解决工程实践中微裂纹/微缺陷、复杂形状零件等的检测，非线性超声检测技术逐步发展，该技术常用激励信号与缺陷作用产生的谐波成分作为检测信号，或者采用两列波调制得到的新频率的信号作为检测信号，因此要求激励信号的频率单一，同时具有足够的功率产生非线性效应，所以一般使用单频正弦脉冲串来激励换能器［6］。

超声波在介质中传播时，一方面衰减使得能量减小，另一方面由于发散使得能量分散，造成了超声检测中检测深度与检测分辨率的矛盾，为了解决这一矛盾，研究人员发展了脉冲压缩技术，需要使用线性调频信号、非线性调频信号等具有较大时间带宽积的信号作为激励源［7］。此外，在空气耦合超声检测中，脉冲压缩方法也被采用以提高耦合信号的能量，使用调频信号作为激励源［8］。

适用于对管、杆、板等进行长距离大范围检测的超声导波检测宜选择频散小、容易分辨的模态，因此激励信号以频率、相位可控的窄带脉冲信号为宜，一般使用时域加窗的正弦脉冲串［9］。

此外在一些应用中，为了得到指定形状的检测信号，通过自适应滤波方法求解获得对应的激励信号［10］，这种激励信号一般也是非规则的任意波形。

2.2延时精度要求

超声相控发射利用了声场的叠加原理，通过调整加载到各个阵元的电激励信号的时间延迟，从而改变阵元发射声波到达被检件内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化。一般的超声相控阵检测中使用多通道的尖脉冲或方波脉冲作为激励信号，而当非线性技术、脉冲压缩技术、导波检测等与相控阵技术相结合时，相应的激励波形也将变为多通道的正弦脉冲、调频信号或任意波形等［11-13］。

超声相控阵检测系统的声束延迟控制并不是连续的，而是量化离散的，从而会产生相位控制误差，导致误差旁瓣的产生，进而影响系统的对比度分辨率。在换能器中心频率对应的周期T≫延迟精度Δτ的情况下，误差旁瓣与声束主瓣幅值之比S与延迟精度Δτ近似成线性关系，如式（1）所示：

其中，N为激励信号的通道数量。因此Δτ数值越小，误差旁瓣也将线性变小，系统的对比度分辨率将得到提升。此外，系统的延迟精度还会直接影响声束的偏转和聚焦控制。研究表明，以一维线阵为例，焦点在纵向的分辨率ΔF∝Δτ，声束偏转分辨率Δθ∝Δτ，从而延时精度越高，系统的空间分辨率也将越高［5］。

3　高精度相控发射的实现

3.1尖脉冲和方波脉冲激励信号

尖脉冲和方波脉冲激励波形的触发信号一般与FPGA引脚输出的信号数字电平标准一致，该信号经过驱动芯片后驱动由分立的场效应管或集成脉冲发生器为主要器件搭建的高压模块，从而产生激励波形。多路相控发射时，不同通道的延时通过FPGA内部逻辑编程实现，其引脚扇出的触发信号携带延时信息，而不同通道高压模块则尽可能地在电气参数上做到一致。

目前，大多数超声相控阵检测设备的发射延时精度在10 ns左右，少数高精度的可以达到2.5 ns。从FPGA的实现上来说，要实现10 ns的延时精度，可以通过在100 MHz时钟下逻辑编程，通过整数周期的延迟即可实现；要实现2.5 ns的延时精度，则在400 MHz时钟下进行，一般的中高性能FPGA都支持这一频率的逻辑运行。

当延时精度要求更高时，这种整数周期的延迟方式将很难实现。本文实现的最高延时精度为1 ns，而FPGA没有能够运行在1 GHz时钟下的，因此需要调用特殊的资源来实现。在设计中，一个触发信号在250 MHz时钟的内部逻辑中分为四股数据流，在Xilinx公司的FPGA中通过调用引脚的输出并串转换器（OSERDES）资源，将四股并行数据在500 MHz引脚时钟下通过双倍数据率（DDR）方式在单引脚上依次串行扇出，从而使得扇出的触发信号可以以1 ns为时间单位变化高低电平。表1为OSERDES仿真用的两路延时起始时间和脉冲宽度值，仿真结果如图1所示，Emit_p_chn为250 MHz的Clk_Div逻辑时钟下根据延时值解析得到的4路并行数据，Emit_s_chn为经OSERDES并串转换后在500 MHz的Clk_DDR引脚时钟下的1路DDR串行数据，可以看到发射起始信号Emit_Start有效上升沿到来后的延时值解析占用18 ns（=128—110）的固定延迟，OSERDES进行并串转换延占用6 ns（=134—128）的固定延迟，整个模块只有24 ns的延时，实时性良好。

表1　两通道延时参数值Table 1 Delay parameters for 2 channels

图1　1 ns延时精度触发信号仿真Fig.1 Simulation of 1 ns time delay resolution triggering signals

一些集成脉冲发生器支持三电平、五电平的脉冲激励波形产生，单个通道需要多个满足特定控制时序的触发信号，而FPGA强大的并行计算能力使得其适合这样的设计。

3.2正弦波形激励信号

正弦波形的激励信号由正弦波形的低压触发信号经过高压宽带放大器或宽带射频变压器变换到要求的幅度，放大器或变压器的带宽应包含超声换能器的带宽，且具有足够的驱动能力，这是触发信号无损放大的基本条件。

脉冲宽度调制（Pulse width modulation，PWM）技术是产生正弦波形的常用方法之一，如文献［14］，超声专用的波束形成源驱动器通过接收PWM逻辑信号，转换后输出幅度可调制的正弦信号，同时接收通过SPI协议写入的每次发射前可更新的整体幅度与相位信息，而FPGA逻辑负责产生所需波形的PWM信号以及符合协议的幅度、相位信息并发送给驱动器，不过这种方式下延时精度受驱动器的时间分辨率参数限制，文献［14］中最高为3 ns。

为了实现更高精度的延时控制，本文采用了直接数字合成（Direct digital synthesis，DDS）技术来产生正弦信号，该技术具有相位变换连续、频率稳定、集成度高及控制灵活等多种优点［15］。DDS技术通过相位累加原理直接合成所需的波形，典型的DDS模型由相位累加器、加法器、波形存储器、数字-模拟转换器（Digtal to analog converter，DAC）和低通滤波器组成，如图2所示。其中前两个模块负责数字波形的产生，后两个模块负责将数字波形转变为模拟波形。典型的DDS集成芯片只需要接收频率控制字K和相位控制字P等即可输出相应的模拟波形，具体来说是从一张2M个数据的单周期正弦表中从第P个数开始、每K个数取一个得到数字波形放入波形存储器再进行数字-模拟转换及滤波。而在FPGA平台下，更经济的做法是在FPGA内部例化数字波形产生的逻辑模块，通过引脚直接扇出数字波形到外加的DAC进行数模转换。

图2　DDS原理框图Fig.2 DDS block diagram

DDS方式合成的正弦波频率由频率控制字K决定，为

其中，fc为参考时钟频率，也等于DAC的采样频率，M为数据位宽，设定DAC的位宽也等于M。奈奎斯特采样定律决定了K2M-1，而为了最后合成的模拟波形稳定起见，K取2M的1/10～1/5为宜。由此，对于超声无损检测常用的500 kHz～20 MHz频率范围，100 MSPS的DAC采样率将满足要求。

虽然通过FPGA引脚扇出的每个正弦波形是以DAC采样率来数字化的，但波形的相位分辨率由相位控制字P决定，P为整数，因此相位分辨率和对应的延时精度分别如式（3）和式（4）所示：

其中，T为信号周期。当M=12时，对于500 kHz的波形频率，延时精度Δτ=1/（212×500 kHz）≈0.5 ns，且频率越高，Δτ越小。因此，相控发射多路正弦波形时，ns级的延时精度可通过相位控制字P来实现。具体地，在FPGA内，控制逻辑调用每个通道的延时值，将其划分为粗延时和精延时，其中前者由采样时钟经过整数周期的延时完成，而后者则通过数值计算得到对应的P并写入到DDS逻辑模块，从而实现精确的延时控制。

如超声导波检测等，激励波形往往是加窗的多周期正弦波形，相应的触发信号也是如此，只在幅度上有所差别。使用DDS技术产生这种触发信号需要对其基本模型进行改进，即在数据从波形存储器发送到DAC之前，对每个数字波形值乘以数字化的窗函数值，完成幅度加权。这一操作在FPGA内完成，数字化的窗函数值需要预先存在FPGA的存储资源内，以便高速实时调用。

3.3任意波形激励信号

目前，大多数超声相控阵检测仪只支持脉冲形式的激励波形发射，少数可支持正弦信号的激励波形发射，而任意波形的激励发射则少有实现。事实上，正弦波形可以认为是任意波形的一种特例，它们都是低压的触发信号经过放大器或变压器从而实现幅度变换，产生高压激励输出；不同的是正弦波形频率单一、相位连续，易于使用DDS技术通过频率、相位等参数控制波形，而一般的任意波形则频率、相位、幅度等参数的一个或几个在一定范围内变化，在这种情况下通过频率、相位等参数来控制波形将变得不够高效。

与DDS技术通过相位累加器和加法器等产生正弦波形不同的是，本文中任意波的数字波形产生不在FPGA内执行，而是外部数字化完成后导入至FPGA内丰富的存储资源中，存储资源则相当于波形存储器，其后的数字波形到模拟波形的转换则与DDS技术实现时一致。

上节中通道间延时精度比DAC采样频率对应的周期要高是因为完整的数据表是以2Mf0的频率来数字化的，而由于正弦波是周期重复的，因此存储一个周期的数据也可以支持多周期的发射。一般的任意波形则多不具备周期重复的特点，从而需要按照激励波形的时宽长度来完整存储波形数据。波形数字化频率比DAC采样频率高以追求高延时精度的方法仍旧适用，但鉴于FPGA内存储资源的限制以及实际检测的精度要求，对波形的数字化频率需综合考量。目前，中高性能FPGA内存储资源一般在数Mb～数十Mb之间，以单片FPGA控制16个通道的任意波形发射为例，每个波形时长10µs，按1 ns的精度量化为12位数据，则至少需要占用16×10µs/1 ns×12 bits=1920000 b≈1.831 Mb的存储空间；10µs长度等于100个周期的10 MHz中心频率的信号，1 ns精度则相当于1%的信号周期。需要发射更长的激励信号时，往往信号的频率会较低，由式（1）可知，对延时精度的要求也会相应降低，因此这一存储空间也能满足时宽更长的激励波形发射要求，从而使得系统能够满足大多数的检测要求。

在波形发射时，与DDS技术一样，通过采样时钟的整数倍延迟实现粗延时，通过调用不同的数据起始点并间隔取数来实现精延时，间隔量相当于DDS中的K，这一方法可以使得DAC的采样率降低到延时精度对应频率的1/K，代价是FPGA必须具备足够的存储资源。

4　测试结果

4.1触发信号测试

本文采用型号为XC5VSX95T的FPGA，通过硬件编程在250 MHz逻辑时钟+500 MHz引脚时钟的组合下实现了1 ns延时精度的脉冲触发信号，图3为经过电平转换后的两个通道的触发信号，由于1 ns延时相对图3（a）中显示的总时间长度来说过小，因此难以分辨两路波形，展开后如图3（b）所示可以分辨出两通道间约1 ns的延时。

图3　延时1 ns的两路方波触发信号测试Fig.3 Testing of 2 channels square-wave triggering signals at the delay interval of 1 ns

通过FPGA内部硬件编程以及对DDS软核的调用，并经过DAC的数字波形到模拟波形的转换，实现了1 ns延时精度的正弦波形触发信号的产生，图4为由汉宁窗进行幅度调制的10周期正弦信号，信号频率为10 MHz。图4（a）中，1 ns延时相对总时间长度过小，展开后在图4（b）中，以两路波形的过零点作为延时衡量，可见延时为1.00 ns，误差为0%。

通过FPGA内部波形数据的预存储及硬件编程，并经过DAC的数字波形到模拟波形的转换，实现了最高1 ns延时精度、最长10µs时宽的任意波形触发信号的产生，图5为起始频率为2 MHz、截止频率为8 MHz的线性调频正弦波，两路波形形状一致是为了便于分辨1 ns的延时。其中，图5（a）为触发信号外部数字化后的数据画图结果，图5（b）为示波器采集到的两通道触发信号，局部展开后如图5（c）所示，可见两通道实测延时差为1.13 ns，误差为13%。

图4　延时1 ns的两路加窗正弦波触发信号测试Fig.4 Testing of 2 channels windowed sinusoidal-wave triggering signals at the delay interval of 1 ns

图5　10µs时宽的线性调频信号数据产生与波形实测Fig.5 Data generation and waveform testing of 10 µs-width linear frequency modulation signals

降低延时精度到2 ns，则可实现最长20µs时宽的任意波形触发信号的产生，图6为起始频率为1 MHz、截止频率为5 MHz的线性调频正弦波。其中，图6（a）为触发信号外部数字化后的数据画图结果，图6（b）为示波器采集到的两通道触发信号，局部展开后如图6（c）所示，可见两通道实测延时差为1.95 ns，误差为-2.5%。

图6　20µs时宽的线性调频信号数据产生与波形实测Fig.6 Data generation and waveform testing of 20 µs-width linear frequency modulation signals

4.2激励信号测试

将上节中10µs时宽、1 ns延时精度的两路线性调频信号输入到定制的高压线性放大模块，得到输出为两路幅值在±20 V以内的线性调频激励波形，如图7（a），展开来如图7（b）所示，经放大后得到的激励信号两通道间的延迟为1.15 ns，误差为15%，延时精度特性得到了保持。

图7　10µs时宽的线性调频信号激励波形测试Fig.7 Testing of 10µs-width linear frequency modulation excitation signals

5　结论

本文在对不同激励波形类型要求和通道间延时精度需求的分析基础上，研究了方波脉冲、尖脉冲、正弦信号和任意波形等的单通道发射及多通道高精度相控发射实现方法。

通过FPGA逻辑编程及对引脚专属资源的充分利用，实现了脉冲触发信号的产生，通道间延时精度和脉冲宽度的调节精度可达到1 ns。通过FPGA逻辑编程及调用内部DDS软核，辅以DAC的数模转换等，实现了幅度调制正弦触发信号的产生，信号长度不受限制，通道间延时精度设定为1 ns；使用FPGA内的存储资源来替代DDS软核，实现了线性调频触发信号的产生，最高延时精度为1 ns，信号长度为10µs，也可通过牺牲延时精度来实现信号长度的增加。幅度调制正弦触发信号和线性调频触发信号经过高压线性放大模块后，相应的激励信号延时精度特性得到保持，能够达到设计指标，为开展超声相控阵检测的应用研究与前沿探索奠定了基础。

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High precision phased transmission of commonly used excitation waveforms in ultrasonic testing

CAI MingfeiSHI FangfangKONG ChaoZHANG Bixing
（State Key Laboratory of Acoustics，Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

Excitation waveforms vary according to the testing requirements in ultrasonic nondestructive testing，and ultrasonic phased array technology demands the phased transmission of excitation waveforms among channels.Analyzed the wave type requirements of diverse testing specimens and methods，and studied the implementation of square-wave pulse，sharp pulse，sinusoidal wave and arbitrary wave of single channel in digital ultrasonic testing platform based on FPGA，as well as the method of high precision phased transmission of multiple channels of the waveforms above.Experiments show that all the excitation waveforms can be transmitted at the time resolution of 1 ns，respectively.

Ultrasonic testing，Excitation waveform，Wave type，Phased transmission

TB51+7

B

1000-310X（2015）06-0526-07

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.06.008

2015-04-14收稿;2015-04-25定稿

∗国家自然科学基金项目（11174321，11374324）

蔡明飞（1987-），男，浙江湖州人，博士研究生，研究方向：超声传播与成像。

E-mail：caimingfei10@mails.ucas.ac.cn