基于多FPGA的超声相控阵数字波束形成器设计

随着超声相控阵技术的发展,其系统往往不仅支持的可同时工作的通道数量越来越多,而且回波数字化频率也越来越高,这将使得超声相控阵检测系统在运行中产生需要实时处理与实时传输的海量回波数据,给系统的数字接收波束形成器设计带来了挑战。为此,设计并实现一种基于多硬件处理核心的两级结构的数字波束形成器:一方面,波束形成器的硬件处理核心采用多个现场可编程逻辑门阵列(Field programmable gate array,FPGA)来实现多通道海量的回波数据处理,并且硬件处理核心间通过专用机制保证可靠地同步;另一方面,引入高速串行总线来保证多硬件处理核心间的高速海量回波数据的实时传输。结果表明该设计能够满足64通道、200 MSPS数字化频率下的实时数字波束形成实现。     

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。     

超声相控阵系统中高精度相控发射和相控信号并行处理的实现

为了实现超声相控阵系统中换能器各阵元发射和接收相位的精确控制以及多路相控回波信号的实时处理,提出了一种基于FPGA的高精度相控发射和相控信号并行处理的实现方式。分析结果表明,拥有高速计数器以及丰富高速I/O引脚和DSP硬核资源的FPGA,特别适合相控阵系统的实现;采用FPGA中的高速计数器来实现高精度相控发射,可获得高达2ns的延时精度,采用FPGA中的高速I/O引脚以及DSP硬核资源,可实现16路回波信号的全并行信号处理,并且可以利用首先2 ns插值、然后10 ns延时补偿的方法来实现高精度相控接收。实测结果表明,该实现方式可以较好地对钢管的缺陷进行实时和清晰的扫描成像。     

小口径薄壁管超声检测系统中发射接收电路的设计与实现

针对小口径薄壁管曲率大、缺陷小、回波幅度小、衰减大等问题设计了一种超声发射接收电路。主要包括两个方面:一方面设计优良的发射电路以最有效的方式激励超声探头;另一方面设计具有较低噪声的接收电路。所设计的发射电路能够产生幅度-120 V、前沿时间8 ns的高压激励脉冲;接收电路的增益可调范围为80 dB。将研制的发射接收电路应用于超声检测系统中,并进行试验研究,检测试样为钛合金管,最小尺寸为φ6 mm×0.5 mm,样管上的最小人工缺陷尺寸为0.05 mm×0.11 mm×2.9 mm的内伤,试验结果表明,所设计的超声发射接收电路具有足够高的信噪比来对小尺寸钛合金管进行实时检测。     

超声相控阵技术在管材检测中的应用

针对管材检测中常规超声波探伤设备稳定性差、检测效率低、探伤时声束灵活性差、信噪比低等问题,研究了超声相控阵技术在管材检测中的应用方法,并研制出一套管材超声相控阵在线检测系统。该系统拥有6套发射接收及采集处理板,每套拥有16个独立通道,共96个发射接收及采集通路。系统还拥有一套超声相控阵在线检测系统显示控制软件,能够以多种成像方式实时显示检测结果并报警。通过对两种不同尺寸的无缝钢管进行了试验分析,结果表明该试验系统具有高效、灵活和可靠等优点。     

超声相控阵系统中PCI驱动开发研究

超声相控阵系统的数据传输速率很大程度上决定着其检测速度,因而在PCI总线的超声相控阵系统中,PCI驱动执行效率至关重要。详细阐述了利用Win Driver、Driver Studio和WDK(Windows Driver Kit)三种工具开发PCI驱动程序的方法及实现。在驱动效率和兼容性等方面上比较这三种不同的驱动开发方案。分析及测试结果表明,使用Driver Studio开发的驱动能够高速稳定地工作,满足超声相控阵系统对于数据传输速率和稳定性的要求。由于不同的应用有着不同的开发需求,提出根据特定的开发需求选择不同的开发方案,从而得到需要的驱动及其应用程序。