一种基于超声相控阵的检测系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于超声相控阵的检测系统，所述系统包括：主机板(1)、时钟分发与数据汇总板(2)、若干个发射控制及采集处理板(3)、宽带高压放大板(4)和信号发射及回波接收板(5)；所述时钟分发与数据汇总板(2)用于将系统时钟分发给每个发射控制及采集处理板(3)，并把每个发射控制及采集处理板(3)发送的波束数据汇集后发送给主机板(1)；所述发射控制及采集处理板(3)用于产生不同类型的触发信号发送到信号发射及回波接收板(5)，并接收信号发射及回波接收板(5)的回波信号形成波束数据；所述接收信号发射及回波接收板(5)用于选择不同类型的触发信号发送给阵列换能器(6)，接收阵列换能器(6)的回波信号。

A Detection System Based on Ultrasound Phased Array

The invention discloses a detection system based on an ultrasonic phased array, which comprises a main board (1), a clock distribution and data summary board (2), several emission control and acquisition processing boards (3), a broadband high-voltage amplifier board (4) and a signal transmitting and echo receiving board (5); the clock distribution and data summary board (2) is used to distribute the system clock to each transmission control and acquisition processing board (3). The transmitting control and acquisition processing board (3) is used to generate different types of trigger signals and send them to the signal transmitting and echo receiving board (5), and receive the echo signals of the signal transmitting and echo receiving board (5) to form the beam data; the receiving signal transmitting and echo receiving board (5) is used to generate the beam data. It is used to select different types of trigger signals to send to the array transducer (6) and receive the echo signal of the array transducer (6).

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声相控阵的检测系统
本专利技术涉及超声相控阵
，具体涉及一种基于超声相控阵的检测系统。
技术介绍
超声相控阵检测技术由于其相对常规超声检测具有便捷高效、灵敏度高、信噪比高等优势，在无损领域得到了广泛的发展与应用。此外，一些新的超声检测与成像方法也大都是在超声相控阵技术的基础上开展的，例如自适应聚焦技术、导波聚焦检测等。目前，一些专研的超声相控阵设备往往只针对特定几种情形的检测，因而在部分技术规格上有一定的限定范围，而商用的超声相控阵检测仪虽然更为通用，但同样还是存在一些限制，例如大多数只支持脉冲激励波形的发射。由于被检件的类型繁多，涵盖机械制造、石油化工、航空航天等众多领域，且缺陷种类多样，包括分层、夹杂、裂缝等，此时的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。若要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，需要检测仪器能够选择不同类型的激励信号。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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服目前的基于超声相控阵的检测系统只支持脉冲激励波形的缺陷，设计了一种基于超声相控阵的检测系统，可支持多个独立通道的同时发射与接收，而且发射部分支持负尖脉冲、无限时长正弦波、有限时长任意波形的激励波形类型选择，接收部分支持的回波数字化频率最高为200MSPS，发射和接收的最高延时精度都可达1ns，系统带宽可满足0.5MHz～15MHz的超声检测常用频率范围内的换能器工作。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于超声相控阵的检测系统，所述系统包括：阵列换能器6，所述系统还包括：主机板1、时钟分发与数据汇总板2、若干个8通道的发射控制及采集处理板3、宽带高压放大板4和信号发射及回波接收板5；所述主机板1，用于设置检测参数和发射接收延时表，并接收所述时钟分发与数据汇总板2发送的数据并进行显示；所述时钟分发与数据汇总板2，用于将产生的系统时钟分发给每个发射控制及采集处理板3，并把每个发射控制及采集处理板3发送的波束数据汇集在一起；所述发射控制及采集处理板3，用于产生负尖脉冲激励的触发信号，发送到信号发射及回波接收板5，产生正弦波/任意波形的触发信号；发送到宽带高压放大板4；接收信号发射及回波接收板5发送的8通道回波信号并进行合成处理，形成波束数据；所述宽带高压放大板4，用于对正弦波及任意波形的触发信号进行放大，发送到接收信号发射及回波接收板5；所述接收信号发射及回波接收板5，用于选择不同类型的触发信号，并将信号发送给阵列换能器6，接收阵列换能器6的回波信号。作为上述装置的一种改进，所述宽带高压放大板4和接收信号发射及回波接收板5都为8通道的数据板，一个通道与阵列换能器6的一个阵元对应。作为上述装置的一种改进，所述时钟分发与数据汇总板(2)包括集成了若干个低功耗吉比特收发器的第一FPGA。作为上述装置的一种改进，所述发射控制及采集处理板3包括：第二FPGA。作为上述装置的一种改进，所述发射控制及采集处理板3将接收到的回波数据不发送给时钟分发与数据汇总板2，直接存储在第二FPGA的块存储器中。作为上述装置的一种改进，所述信号发射及回波接收板5包括：负尖脉冲发射单元、发射接收信号选择单元和回波信号的放大及滤波处理单元；所述负尖脉冲发射单元，用于接收负尖脉冲激励的触发信号产生负尖脉冲的激励波形；所述发射接收信号选择单元为单刀双掷的继电器，用于在负尖脉冲和正弦波/任意波这两种不同的激励信号间二选一；所述回波信号的放大及滤波处理单元，用于接收阵列换能器6的回波信号，进行放大和滤波处理后发送到所述发射控制及采集处理板3。本专利技术的优势在于：1、本专利技术的检测系统可在500KHz-15MHz频率范围内开展超声相控阵检测与成像的实验研究，对相关基础研究具有推进作用；2、使用本专利技术的检测系统可对超声相控阵换能器的声电性能进行测试与评价；3、通过本专利技术的系统可开展超声相控阵检测与成像新方法研究，该平台的通用性和高端性是超声检测与成像声场研究、相控阵换能器阵列性能评价以及检测与成像新方法的研究所必须的，是声学领域中带有基本方向性的需求设备。附图说明图1为本专利技术的基于超声相控阵的检测系统的结构图；图2为本专利技术的发射控制及采集处理板的框图；图3为DDS方式产生正弦波触发信号原理框图；图4为发射控制及采集处理板上的波束形成示意图；图5为单通道信号发射及回波接收板的工作框图。附图标识1、主机板2、时钟分发与数据汇总板3、八通道的发射控制及采集处理板4、宽带高压放大板5、信号发射及回波接收板6、阵列换能器具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细的说明。本专利技术设计了一种基于超声相控阵的检测系统，能够克服目前超声相控阵检测仪存在的诸多限制(如大多数检测仪只支持脉冲激励波形的发射)，使得对超声相控阵技术已有应用开展更为深入全面的研究以及对成像新方法的进一步探索成为可能。本专利技术设计的基于超声相控阵的检测装置，最多可支持64个独立通道的同时发射与接收。发射部分支持负尖脉冲、无限时长正弦波、有限时长任意波形的激励波形类型选择，接收部分支持的回波数字化频率最高为200MSPS，发射和接收的最高延时精度都可达1ns，系统带宽可满足0.5MHz～15MHz的超声检测常用频率范围内的换能器工作。如图1所示，本专利技术的系统包括：主机板1、时钟分发与数据汇总板2、八通道的发射控制及采集处理板3、宽带高压放大板4、信号发射及回波接收板5和阵列换能器6；所述主机板1，用于运行显控软件，并通过CPCI总线与时钟分发与数据汇总板2和8个发射控制及采集处理板3相连；主机板1上运行的显控软件的主要功能包括以下几项：a)设置扫描参数及发射接收延时表等到时钟分发与数据汇总板2和发射控制及采集处理板3的FPGA中；b)在实时模式下从时钟分发与数据汇总板2读取波束数据，在非实时模式下从发射控制及采集处理板3读取原始波形数据；c)显示扫描结果。显控软件与底层硬件之间的通信是在基于DriverStudio工具下开发的WDM(WindowDriverModel)驱动程序上，通过PCI9656芯片进行的。在寄存器读写模式下，显控软件进行非实时的参数设置，在DMA(DirectMemoryAccess)模式下，显控软件进行实时的波束数据传输。经实际测试，关闭扫描结果实时显示时，波束数据最大平均传输速率为121MB/s，而在实时显示开启的情况下，传输速率有所下降，但仍然满足超声检测成像的实时显示数据需求。所述时钟分发与数据汇总板2和发射控制及采集处理板3并称为检测系统的主控部分。主控部分是实现超声相控阵技术中相位控制、波束形成等关键技术的模块，以下重点介绍时钟板及控制处理板上的相关模块设计。所述时钟分发与数据汇总板2，通过高速串行总线和发射控制及采集处理板3相连，用于将产生的系统时钟分发给每个发射控制及采集处理板3，并把每个发射控制及采集处理板3的发送波束数据汇集在一起。所述时钟分发与数据汇总板2的核心器件是第一FPGA，第一FPGA型号为XC5VSX95T，超声相控阵所需的相控发射与相控接收处理等的功能主要由第一FPGA通过逻辑编程实现；在检测系统中，信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声相控阵的检测系统，所述系统包括：阵列换能器(6)，其特征在于，所述系统还包括：主机板(1)、时钟分发与数据汇总板(2)、若干个8通道的发射控制及采集处理板(3)、宽带高压放大板(4)和信号发射及回波接收板(5)；所述主机板(1)，用于设置检测参数和发射接收延时表，并接收所述时钟分发与数据汇总板(2)发送的数据并进行显示；所述时钟分发与数据汇总板(2)，用于将产生的系统时钟分发给每个发射控制及采集处理板(3)，并把每个发射控制及采集处理板(3)发送的波束数据汇集在一起；所述发射控制及采集处理板(3)，用于产生负尖脉冲激励的触发信号，发送到信号发射及回波接收板(5)，产生正弦波/任意波形的触发信号；发送到宽带高压放大板(4)；接收信号发射及回波接收板(5)发送的8通道回波信号并进行合成处理，形成波束数据；所述宽带高压放大板(4)，用于对正弦波及任意波形的触发信号进行放大，发送到接收信号发射及回波接收板(5)；所述接收信号发射及回波接收板(5)，用于选择不同类型的触发信号，并将信号发送给阵列换能器(6)，接收阵列换能器(6)的回波信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于超声相控阵的检测系统，所述系统包括：阵列换能器(6)，其特征在于，所述系统还包括：主机板(1)、时钟分发与数据汇总板(2)、若干个8通道的发射控制及采集处理板(3)、宽带高压放大板(4)和信号发射及回波接收板(5)；所述主机板(1)，用于设置检测参数和发射接收延时表，并接收所述时钟分发与数据汇总板(2)发送的数据并进行显示；所述时钟分发与数据汇总板(2)，用于将产生的系统时钟分发给每个发射控制及采集处理板(3)，并把每个发射控制及采集处理板(3)发送的波束数据汇集在一起；所述发射控制及采集处理板(3)，用于产生负尖脉冲激励的触发信号，发送到信号发射及回波接收板(5)，产生正弦波/任意波形的触发信号；发送到宽带高压放大板(4)；接收信号发射及回波接收板(5)发送的8通道回波信号并进行合成处理，形成波束数据；所述宽带高压放大板(4)，用于对正弦波及任意波形的触发信号进行放大，发送到接收信号发射及回波接收板(5)；所述接收信号发射及回波接收板(5)，用于选择不同类型的触发信号，并将信号发送给阵列换能器(6)，接收阵列换能器(6)的回波信号。2.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的检测装置，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：董晗，王俊，张碧星，师芳芳，孔超，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11