超声相控阵探伤仪器硬件系统设计

余炎雄，陈智发，郑 鑫

（汕头市超声仪器研究所有限公司，汕头 515041）

1 超声相控阵技术特点

超声相控阵技术已成为工业超声无损检测的重要发展方向，广泛地应用于交通、能源、航空航天等多个领域；特别是利用相控阵声束偏转和聚焦特性，可以对大量使用传统探伤仪无法检测的工件进行检测，并可提高检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能［1］。

超声相控阵检测系统在发射信号时，控制加载到各个阵元上的延迟时间差，可以实现声束的聚焦和偏转，如图1（a）所示。在接收过程中，按照相同的规则控制接收阵元接收并合成信号，可以实现接收过程的连续动态聚焦［2］。图1（b）为超声相控阵换能器16个阵元发射声场聚焦示意图，从图中可看到，采用相控阵聚焦发射，能够实现声束的聚焦，提高超声波在检测区域的能量，进一步提高超声的分辨率和信噪比。

图1 相控阵技术发射聚焦和声束聚焦示意

笔者介绍了一种以FPGA 和ARM9为核心的工业超声相控阵硬件系统设计方案，并通过检测试验，对该系统的检测灵敏度和分辨力进行了验证。

2 硬件系统设计

系统基于嵌入式ARM9计算机平台，并具有相控阵电路和通用A 超电路功能，硬件系统框图如图2所示，其主要由三大部分组成：系统控制单元，相控阵单元和通用超声单元。以ARM9CPU 为核心的计算机平台，根据仪器的设置信息，产生各种超声控制参数，并通过图像参数总线下载到FPGA中。FPGA 根据接收到的参数来控制超声硬件电路，并对接收到的超声回波信号进行数字信号处理。ARM9CPU 根据接收到的回波数据进行字符图像合成并将其显示出来。

图2 仪器硬件系统框图

2.1 系统控制单元

系统控制部分由嵌入式ARM9计算机平台及显示电路构成。计算机平台以ARM9CPU 为核心，SDRAM（同步动态随机存储器）、Nor Flash（非易失闪存）为外围电路组成最小计算机系统，其中ARM9CPU 具有功耗低、控制功能强大和外设丰富的特点，目前已广泛应用于工业控制领域。结合超声相控阵检测设备的需求，对计算机平台功能进行了扩展和删减。系统控制部分主要完成人机交互控制和超声成像参数的计算与超声图像显示工作。其中，人机交互控制指系统的各种人机交互接口和界面控制，包括键盘、USB 接口、网络接口、VGA 接口等的响应控制；相控阵超声收发参数计算包括各种相控阵超声发射接收参数计算，例如聚焦法则计算等；相控阵图像显示控制部分完成各种超声相控阵图像显示参数的计算。

控制平台工作流程如图3所示。系统控制平台根据人机交互模块的控制信息，计算产生超声发射、接收控制以及显示控制的参数，并将这些参数下载到超声模块。超声显示控制模块将处理完成的超声图像传递到系统控制平台。系统控制平台将超声图像与字符进行合成，并将合成后的画面送至显示器进行显示。

图3 控制平台工作流程

2.2 相控阵单元

相控阵单元主要由发射电路、脉冲分配高压开关电路、前放及A／D 电路、相控阵FPGA 电路组成。FPGA 是相控阵单元的核心，具有强大的并行信号处理能力，与以ARM 为核心的系统单元互为补充，从而使整个系统在体积、功耗和运行速度等各方面达到平衡，以实现构建小体积、低功耗和高灵活性相控阵成像仪器的目标。

相控阵单元原理图如图4所示。

系统控制单元将客户设置的参数转换成相控阵部分的控制参数并传输到实时控制模块。实时控制模块根据系统设置，启动第1条扫描线的发射控制。发射脉冲模块根据设置来控制高压激励脉冲，根据延迟控制参数使高压开关模块闭合或断开，从而使换能器各阵元发射的超声波声束形成预期的波阵面，发射完毕后反馈回实时控制单元。超声波发射完成后，实时控制电路启动接收控制。高压开关模块根据顺序及延迟参数，控制高压开关组闭合或断开，将探头各阵元的信号接收进来，并通过模拟接收模块的放大器将信号放大，然后经模数转换后将数字信号送入回波处理模块。回波处理模块根据接收聚焦法则，将各阵元信号根据延迟合成一条扫描线并存储。经过多次的发射和接收处理，回波处理模块得到所有阵元的回波数据即多条回波扫描线数据，这些数据经过数字扫描变换（DSC）处理为可显示的线扫或扇扫（根据系统设置处理）后被送入系统控制单元，再经字符合成处理后送显示器显示。

图4 相控阵单元原理图

在上述系统中，回波处理模块是相控阵单元的核心。其主要完成数字信号的波束合成，信号滤波与检波处理，DSC扫描变换等功能。回波处理单元数据流程图如图5所示。

图5 回波处理单元数据流程

2.3 通用超声单元

通用超声单元主要由发射电路、接收电路及数据处理电路组成，完成通用单晶或双晶换能器的发射激励和回波处理，其原理图如图6所示。

系统控制单元将客户设置的参数转换成控制参数并传输到通用超声FPGA 中。通用超声FPGA 根据重复频率设置启动发射控制，控制发射驱动模块产生高压驱动脉冲。发射脉冲模块经过高压储能及充电后，在驱动脉冲作用下，产生高压发射脉冲并加载到换能器上。模拟接收电路对换能器接收到的回波信号经过限幅、放大器及模数转换后送入回波处理模块。数字信号在回波处理模块中（通用超声FPGA）经过滤波、压缩及检波后，得到的波形数据被送入系统控制单元，同样由系统控制单元将软件文字及界面与图像合成后送往显示器显示。

图6 通用超声原理图

3 研制的设备及成像效果

3.1 设备展示

应用嵌入式ARM9计算机平台成功开发一款工业超声相控阵仪器，外观如图7所示。该系统具有体积小、重量轻、防护等级高等特点，可广泛用于工业超声无损检测领域。系统主要特点是165.1mm（6.5英寸）TFT 液晶屏，分辨率640×480；能够支持16～128阵元的一维线阵探头；发射脉宽可调，发射能量强；发射单点聚焦，接收连续动态聚焦。同时具备常规和相控阵两种使用模式，一机两用，方便客户的检测和评估；具有线阵扫描、固定角度线阵扫描、扇形扫描、C 扫描和D 扫描等多种扫描成像方式；具备VGA 输出接口、USB 接口，扩展性强；操作简单，界面直观，简单易懂。

图7 设备外观图片

3.2 B型图像效果

使用B型相控阵试块对系统的灵敏度和图像分辨率进行了测试。试块尺寸规格如图8所示。该试块材料为低碳钢，在试块的不同位置加工了多个直径和排列方式不同的横通孔，其中最小孔径为1mm，孔径最小间距为1mm。图9展示了利用频率为5MHz的64阵元探头分别采用线扫、扇扫得到的图像。

图9（a）中横通孔孔径为1.5mm，两个横通孔之间的中心距为5mm。从图9（a）中可以看出，在探头扫描范围内，均可以清晰地观察到试块的缺陷。

图9（b）中横通孔孔径为2mm，圆弧上半部两个横通孔之间的最小距离为3mm，圆弧下末端两个横通孔之间最小距离为1mm。从图9（b）中可看出相控阵仪器成像效果与缺陷实物完全一致。

在图9（c），（d）中，使用扇形检测方式对试块进行了扫查，扫查试块的缺陷部位与图9（a），（b）中基本相同。从图中可以看出，检测结果可以清晰、准确地反映缺陷情况，检测效果与图9（a），（b）中使用0°，15°线扫的效果基本一致。

图8 试块尺寸示意

图9 试块的不同缺陷的线扫、扇扫成像

3.3 C／D 全数据记录图像

使用试块尺寸规格如图10所示。该试块材料为有机玻璃，在试块的不同位置加工A、B、C、D 四个字母，字母高度为35mm，间距为10mm，从左向右四个字母的深度分别是2，4，6，8mm。检测时，在图7所示的仪器上加装配有编码器的扫查架，扫查架带动相控阵探头进行移动，仪器全程记录扫查数据并实时生成A、B、C、D 图像。编码器精度为0.5mm，探头频率为7.5 MHz，阵元个数为128阵元，扫描方式为线扫，图11展示了其扫描效果。

图10 试块尺寸示意

图11 C／D 扫描图像

4 结语

介绍了一种以FPGA 和ARM9系列处理器为核心的工业超声相控阵硬件系统设计方案。该系统具有功耗低、体积小的特点，适应工业超声相控阵便携式的需求；通过验证试验表明，系统具有较高的检测灵敏度和分辨力，具有很强的实用性。

［1］黄桥生，陈红冬，龙毅，等.汽车机转子菌形叶根超声相控阵检测［J］.无损检测，2012，34（11）：77－79.

［2］刘建，徐大专.基于AD9273的超声相控阵检测系统设计［J］.无损检测，2012，34（2）：48－51.