全聚焦超声成像算法在FPGA中的实现

论文总字数：32801字

摘 要

基于相控阵全矩阵采集的全聚焦算法是一种计算复杂度较高的数据后处理成像技术。利用全聚焦算法进行缺陷检测可以获得较高的成像质量，较为真实地反映缺陷的物理特征。本文利用FPGA的并行运算特性对全聚焦算法进行加速，实现了16阵元全聚焦实时成像。

本文首先介绍了超声检测的基础理论，包括利用超声反射波进行缺陷定位的原理以及超声波发射声束的形状对成像质量的影响。然后完成了对合成孔径、多阵元合成孔径、全聚焦、多阵元全聚焦算法的成像仿真与效果比对。最后设计并实现了基于FPGA的全聚焦成像算法：为了保证成像帧率，在声程计算模块中利用CORDIC算法实现距离计算，并在此基础上进行了流水线设计。为了减少FPGA中整数运算导致的信息丢失，在数据索引过程中加入了线性插值模块。采用真双口Ram构建数据存储单元，可以实现同时对两个不同地址单元进行数据读取，保证了成像的速度。在图像合成的过程中，利用双口Ram实现了多幅图像的叠加运算，减少了存储资源的消耗。

为了测试所设计的全聚焦算法的成像质量与成像帧率，本文搭建了基于16X64相控阵系统的测试平台。原始的成像结果具有射频波特征，经过上位机的包络检波处理后，成像质量得到了明显地改善。当系统时钟频率设置为100MHz时，全聚焦算法能够达到152FPS的最大成像帧率，满足实时成像的要求。

关键词：超声检测、相控阵、全聚焦算法、FPGA、实时成像

Abstract

The total focusing algorithm based on phased array full matrix acquisition is a computationally complex data post-processing imaging technique. Defect detection using the full focus algorithm can achieve higher imaging quality and more realistic reflection of the physical characteristics of the defect. In this paper, the total focus algorithm is accelerated by the parallel computing property of FPGA, and 16-element total focus real-time imaging is realized.

This paper first introduces the basic theory of ultrasonic testing, including the principle of using ultrasonic reflected waves for defect localization and the influence of the shape of ultrasonically emitted sound beams on imaging quality. Then the imaging simulation and effect comparison of synthetic aperture, multi-array synthetic aperture, total focus, multi-array total focus algorithm are completed. Finally, the FPGA-based total focus imaging algorithm is designed and implemented. In order to ensure the imaging frame rate, the CORDIC algorithm is used to calculate the distance in the sound path calculation module, and the pipeline design is carried out. In order to reduce the information loss caused by integer operations in FPGA, a linear interpolation module is added in the data indexing process. By using the real dual-port Ram to construct a data storage unit, data reading can be performed on two different address units at the same time, and the imaging speed is ensured. In the process of image synthesis, the dual-port Ram is used to realize the superposition operation of multiple images, which reduces the consumption of storage resources.

In order to test the imaging quality and imaging frame rate of the designed total focus algorithm, this paper builds a test platform based on 16X64 phased array system. The original imaging results have radio frequency characteristics. After the envelope detection process of the host computer, the imaging quality is significantly improved. When the system clock frequency are set to 100 MHz, the all-focus algorithm can achieve a maximum imaging frame rate of 152 FPS, meeting the requirements of real-time imaging.

KEY WORDS: Ultrasonic detection, Phased array, TFM, FPGA, Real-time imaging

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景简介 1

1.2研究现状及发展动态 1

1.3论文组织与结构安排 2

第二章 数据后处理算法的理论研究及建模仿真 3

2.1超声检测原理 3

2.1.1缺陷定位原理 3

2.1.2超声探头的发射声束 4

2.2数据后处理成像算法的原理 4

2.2.1合成孔径成像算法的原理 4

2.2.2全聚焦成像算法的原理 5

2.3数据后处理成像算法的建模与仿真 7

2.3.1仿真参数的设置 7

2.3.2合成孔径成像算法 8

2.3.3多阵元合成孔径成像算法 9

2.3.4全聚焦成像算法 11

2.3.5多阵元全聚焦成像算法 12

2.4本章小结 14

第三章 基于FPGA的全聚焦超声成像算法的设计与实现 15

3.1全聚焦成像算法的整体架构 15

3.1.1算法并行结构的设计 15

3.1.2功能模块的划分 19

3.2 A扫数据存取模块的设计与实现 20

3.2.1工作模式的设计 21

3.2.2存储单元容量的确定 21

3.2.3存储单元结构的选择 22

3.3索引生成模块的设计与实现 23

3.3.1坐标生成模块 24

3.3.2声程计算模块 25

3.3.3声程转换模块 27

3.4图像合成模块的设计与实现 29

3.4.1子图像像素生成模块 29

3.4.2子图像叠加模块 29

3.5本章小结 30

第四章 测试系统的搭建及实验结果分析 32

4.1测试系统的搭建 32

4.2全聚焦算法的成像测试 34

4.2.1成像效果的分析与优化 34

4.2.2成像帧率的测试 39

4.3本章小结 40

第五章 总结与展望 41

5.1总结 41

5.2展望 42

致 谢 43

参考文献 44

第一章 绪论

1.1课题背景简介

无损检测是一种能够在不对被测物体的结构、功能产生破坏的前提下，对物体内部缺陷进行检测与表征的技术^[1]。在现代工业生产过程中，无损检测技术是确保工业产品质量达标的重要工具，是确保工业安全的重要保障之一。

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