基于FPGA的超声相控阵发射系统设计

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。     

基于FPGA和以太网的超声相控阵发射系统研究

为了实现水下超声成像系统中超声信号的相控发射和高速实时的数据传输,设计了一种超声相控阵发射系统。分析了超声相控聚焦原理以及UDP通信协议,利用FPGA和以太网实现了数据的高速传输和32通道超声相控阵激励信号的发射,并设计了高压脉冲发射电路来驱动超声换能器。实验表明,该系统可以高速实时传输数据,实现了相控聚焦发射并且延时精度达到了1.25 ns,发射信号稳定,可以应用于水下物体的实时成像的实现。     

管道导波时反聚焦检测系统的设计与实现

在分析管道中超声导波时反聚焦原理的基础上,设计并实现了一套适合激励压电换能器阵列,并对管道中超声导波能量在缺陷处进行时间-空间聚焦的时反聚焦检测系统.该系统实现的关键技术为:改进DDS( direct digital synthesis)结构,实现脉冲激励电路对时反特征信号进行合成发射;采用脉冲方式,实现小体积大输出功率的宽带线性功放电路;通过时反聚焦检测过程,实现管道中超声导波能量在缺陷处的时间-空间聚焦.采用该系统进行八通道时反聚焦检测实验,其结果表明,对于所用的含缺陷的管道而言,在特定的检测条件下,缺陷回波信号的幅值相对常规检测可提高246％,并且很好地抑制了导波的频散和多模态特性,提高了回波信号的信噪比.     

基于FPGA的超声相控阵系统接收装置设计

分析了线性排列超声换能器超声信号聚焦的延时算法,运用DSPBuilder将延时算法用软件加以描述并通过实验验证。提出了一种基于FPGA技术,VHDL语言描述的8通道超声相控阵系统接收装置的硬件设计方法,将延时运算部分与系统控制部分合为一体,实现延时算法与数据采集控制的单片集成,缩小了装置体积。以QuartusⅡ为开发平台,对装置各模块进行了时序与功能仿真。通过StratixⅡ系列FPGA的高速时钟运算,将延时分辨率提高到约2 ns.结果表明:运用先进的FPGA技术可同时实现算法与控制,节省硬件空间,运算更加精确,是实现多通道高速数据控制的新的有效思路。     

超声换能器阵列的多路激发电路设计

设计了一种应用DDS技术的多路超声相控阵列激发电路，该电路可以产生任意波形的激励信号。同时还利用FPGA设计了相控阵的相位延时数字逻辑电路，利用该电路可以方便的实现高精度的相位延时。经实验室验证，该电路成功的达到了设计要求。     

石油钻井中超声相控阵井壁成像检测技术研究*

针对石油钻井中井壁成像的现状,在对柱面线性相控阵(Cylindrical linear phased array,CLPA)换能器辐射声场研究的基础上进行换能器的参数优化和选择,设计并制作了一种基于CLPA换能器的井下超声相控阵井壁成像检测系统。该系统包括声系短节、电路短节和地面系统等,声系短节由CLPA换能器组成,避免了常规声系中探头绕井轴的机械旋转方式,电路短节由高集成度的发射接收模块和基于FPGA+DSP架构的数字信号处理模块组成,完成对井壁回波信号幅度和到时信息的提取,最终实现实时高效的井壁成像显示。利用该系统在试验井中对存在不同尺寸缺陷的套管进行现场测试,结果表明：该系统对套管井的成像结果能够反映缺陷的基本位置及尺寸等信息,具有良好的成像效果。     

多视点输送带纵向撕裂检测系统采集控制模块的研究

文中针对输送带纵向撕裂检测问题,提出一种基于FPGA的多视点输送带纵向撕裂检测系统采集控制模块的研究方案。采用FPGA XC3S500E芯片设计了采集控制模块硬件电路,包括CMOS图像传感器电路、信号调理电路、模数转换电路、信号采集控制电路和数据传输接口电路等。采用VHDL语言设计了FPGA软件,包括CMOS传感器驱动模块、模数转换驱动模块、乒乓存储模块等,并采用Modelism仿真工具对程序进行了时序仿真。经实验验证,该采集控制模块能够实现对多路线性CMOS信号的高速采集、实时存储和处理,满足系统对实时性和同步性的要求,可用于对多视点采集的同步性和实时性要求较高的工业检测系统。     

基于FPGA的高分辨超声快速扫描成像系统研制

针对超声C扫描成像系统步进式扫描方式速度慢的缺点,研制了一套基于FPGA技术的超声快速扫描成像系统,实现超声换能器在扫描平台连续运动过程中回波信号的快速采集与传输。系统将高精度点聚焦超声显微测试平台和FPGA硬件化信号采集和处理技术相结合,采用FPGA技术进行数位信号的高速采集和处理,利用幅值法和时间法进行回波信号特征值提取,实现了超声快速扫描成像。利用该系统分别对特制试件幅值法和时间法的成像分辨率进行分析;并对硬币和电子封装芯片进行扫描成像测试。结果表明,系统扫描速度快,检测结果直观,成像分辨率高,横纵向分辨力可达50μm,不仅可实现快速清晰成像,而且可进行微小结构的检测,为材料内部缺陷快速检测成像奠定了基础。     

基于FPGA的电磁超声测厚仪

为了改善测厚系统抗干扰能力、降低系统复杂度、提高测量效率,研制了一种基于FPGA的电磁超声测厚仪。设计了基于FPGA的回波信号处理模块,实现了电磁超声回波信号的实时处理;采用SOPC技术,增强了软件灵活性,简化了系统硬件电路。实验结果表明:该测厚仪具有无需声耦合剂、抗干扰能力强、检测效率较高等特点,分辨力可达0.1 mm.     

基于FPGA的超声相控阵相控发射系统的研究

相控阵超声发射波束形成的关键环节是对各阵元发射相位延时进行精确控制,文中研究了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现超声相控延时算法和相位延时控制集成的相控发射系统.分析了超声相控阵系统中线性阵列换能器相控聚焦延时算法,完成了相控聚焦算法设计并通过实验进行了验证;相控延时控制部分以数字波形发射技术为基础,研究了基于系统时钟的相控发射粗延时,延时分辨率可达15 ns;以及基于数字波形相位差的相控细延时,可达到0.35°的相位分辨率,对应250 kHz发射信号下3.75 ns的相位延时.     

相控阵天气雷达探测晴空回波能力分析

为了研究相控阵天气雷达探测晴空回波能力,在现有多普勒天气雷达探测晴空回波的基础上,统计晴空回波出现的距离范围、强度、高度等特征,建立起晴空回波一般性模型。相控阵天气雷达采用相扫体制,其扫描速度快;同时,采用了脉冲压缩技术,保证了雷达探测能力的对比和距离分辨率。通过对比采用脉冲技术和没有采用脉冲技术的相控阵天气雷达探测能力,发现采用脉冲压缩技术后能有效地提高弱信号检测能力。在多普勒天气雷达的探测晴空回波能力模拟分析的基础上,通过与采用脉冲压缩技术的相控阵天气雷达进行对比,得出相控阵天气雷达有能力探测到50km范围内的晴空回波。     

缺陷散射对相控阵超声全聚焦成像的影响研究

相控阵超声全聚焦成像充分利用了检测信号,具有成像精度高、可进行缺陷识别等特点,是未来最具应用前景的相控阵成像算法之一。然而,目前相控阵超声全聚焦成像仍不能实现缺陷的高分辨率成像,无法对缺陷进行准确的定性、定量分析。为此,采用有限元仿真相控阵传感器的全阵列采集(FMC)过程,在全矩阵数据的基础上设计全聚焦成像程序,对圆孔和裂纹两种典型缺陷进行TFM成像,研究典型缺陷的TFM成像规律,从缺陷散射的角度分析影响相控阵超声全聚焦成像的因素。结果表明,实际检测中相控阵超声传感器只能接收到缺陷的部分散射信息,而相控阵超声在缺陷处的散射场分布与缺陷的类型、尺寸、角度及入射波类型、入射角度等因素有关,因此能否接收到缺陷散射的主要能量是影响全聚焦成像精度的关键。     

大型固定式相控阵雷达阵面安装方式研究

随着洲际弹道导弹、潜射弹道导弹、多弹头分导再入式导弹等进攻性武器和各种卫星的发展,对覆盖距离远、分辨率高、跟踪目标多的多功能探测系统装备——大型相控阵雷达的需求日益增加。近年来,大型相控阵雷达得到了长足的发展,远程预警雷达、远程相控阵雷达、远程防空监测雷达等均已完成阵地布设。不同的天线阵面安装结构形式对雷达装备的架设、阵面精度的控制带来了不同的影响。文中通过对比2部大型固定式相控阵天线阵面安装与阵面精度控制过程,分析了过渡骨架和调整机构2种连接结构形式对天线阵面的安装与精度控制的影响,阐述了两者的优劣之处,对今后大型相控阵雷达的高效、低成本研制和部署具有借鉴意义。     

基于全聚焦相控阵超声的叶根槽裂纹检测

汽轮机转子受复杂应力和高温的多重作用,常在反T型叶根槽部位产生疲劳裂纹,导致断裂事故。针对此问题,提出全聚焦相控阵超声的检测方法。推导了全聚焦相控阵超声的采集及成像公式,制备了专用试件,在端壁上倒圆（F1）采用线切割方法预制人工缺陷,采用全聚焦相控阵超声检测,并与常规超声进行了对比。结果表明,全聚焦相控阵超声检测精度高,适应性强,具有较好的工程应用价值。     

某模拟雷达的天线结构设计与仿真分析

针对模拟雷达低成本的设计需求,在天线设计时采用基础框架与相控阵阵面相结合的复合天线结构,用较少单元的相控阵阵面模拟真实雷达的相控阵阵面。相控阵阵面采用喇叭空馈。这种馈电形式为封闭式,因而能量漏失小,馈电效率高。阵面的输入单元和辐射单元采用开口波导。该波导结构简单,加工成本低。它们通过轴向阶梯面与移相器连接,连接处不会产生电磁波泄漏和空间耦合。文中还建立了天线的有限元模型,进行静力分析,得到了天线在各工况下的应力云图和变形云图。结果表明,天线结构在各种工况下均能满足设计指标要求。     

基于超声相控阵技术的粘接性能检测研究

介绍超声相控阵技术的基本原理、特点及换能器的分类。通过研制的超声相控阵检测系统对复合材料的粘接性能实现检测,说明了超声相控阵技术在检测复合材料粘接性能上的应用及前景。     

基于压电超声相控阵方法的结构多损伤监测

基于超声相控阵的主动结构健康监测是飞行器结构健康监测领域一个新的发展方向,也是当前研究的难点之一,超声相控阵结构健康监测在国内还处于起步阶段。在已有应用超声相控阵技术对单损伤定位的基础上,进一步研究飞行器结构中多损伤的监测。通过控制信号的延时,进而控制波束指向,实现对结构的多方位、多损伤扫描。在铝板上进行了实验研究,通过对比不同角度延时前后的损伤散射信号及其合成信号,验证了超声相控阵对多损伤信号的延时叠加能够有效地提高多损伤信号的能量,同时减少非损伤处的能量,从而增强了信号的信噪比,并且对多损伤识别具有较高精度     

Operation of a model of a transducer with a 2D-phased array in the transmission mode

Signals from a normal transducer with a phased array, whose shape was varied from linear to square, were simulated. The results of calculating the change in the normalized signal amplitude from a 2D-phased-array transducer as a function of the distance along the acoustic axis were compared using an analytical expression and via numerical summation of signals from transmitting elements with consideration of their focusing and their coincidence was shown. As a result of the comparative simulation of a signal from a linear phased array and a signal from a standard transducer with comparable directivity characteristics, it was established that the latter amplitude is 10 dB larger. The influence of incomplete focusing and focusing at a fixed distance was studied.     

复合材料曲面构件缺陷超声三维成像方法

针对目前复合材料曲面结构缺陷检测技术存在的检测结果不直观、效率低等问题,提出一种基于超声相控阵的缺陷三维成像方法。使用三维激光扫描仪获取曲面的点云模型,通过平行截面法规划检测路径,然后使用相控阵轮式探头采集超声图像数据。利用均匀三次B样条函数拟合检测路径与曲面,根据扫查步长和图像序列关系计算超声图像数据点的空间位置以生成超声点云集。最后利用体素化降采样方法对超声检测结果进行重建,实现复合材料内部缺陷的三维成像。实验结果表明,本文方法的缺陷成像结果与CT检测结果的平均误差为1.14 mm,能够快速准确地重建缺陷的位置、形状与尺寸信息,实现复合材料曲面样件内部缺陷的精确表征。     

某有源相控阵气象雷达天线结构设计

随着科学技术的进步和现代雷达的发展,有源相控阵雷达因功能全面,战术指标优良,越来越多地运用在气象领域。但由于大型相控阵天线成本很高,限制了该类型天线的应用,因此能否研发出高性能、低成本的有源相控阵天线关系到其在民品市场中的应用与推广。文中以有源相控阵气象雷达天线为例,分析其结构设计需求,针对其结构设计难点,设计了一种性价比高的天线结构,并对天线阵面进行总体优化布局,对天线骨架,高频箱,裂缝波导,天线阵面吊装和三维布线等方面进行了详细叙述。