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1、密级：公开 年级三Q 二Q 级 姓名韭焦 申请学位级别工猩亟 专业光堂工猩 指导教师王鍪塾援 二零一二年五月 一苓一一，平丑月 C l a s s ：2 0 1 0 C a n d i d a t e ：Z h a n gW e i A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r ：M a s t e ro fE n g i n e e r i n g M a jo r ：O p t i c sE n g i n e e r i n g S u p e r v i s o r ：P r o f W a n gL i M a y ，2 0 1 2 O G
2、 Y Y 意学校保留并 借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密蛳猹用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 纱 ， 名 签 师 老 ： 导期指日 书 球厂 名厂D 签 彰彬 佑加 文论 ： 位期 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 论文通过对超声相控阵系统发射与接收的基本原理的研究，搭建了系统的总体平 台，对模拟平台作简要阐述，对系统的主控平台进行了设计与实现。 论文对
3、基于F P G A 的主控平台各个模块结构与功能进行了详细阐述，并对各个模块 进行了时序分析。平台的各模块主要包括通信模块、总线控制模块、相控阵发射部分( 发 射控制、算法实现、扫描模块、延时模块) 及相控阵接收部分( A D 采样控制、延时补偿、 高速数据缓存、波束合成) 。 设计的主控平台能够实现1 6 通道的超声相控阵的发射与接收，具有三种扫描方式， 能通过U S B 接口实现与上位机的通信。最后对基于F P G A 的相控阵聚焦法则算法实现 与理论值进行了详细比较，分析了影响误差的因素。 论文为进一步实现整个超声相控阵系统奠定了一定的基础，对相控阵系统的设计具 有一定的参考价值。 本人
4、郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：狱书 日期：乃l 上、易f 第1 页 测技术的发展 来，在无损检 超声相控阵检测技术是一种先进的自动化检测技术，该技术通过对超声阵列换能 器中的各个阵元通过一定的聚焦法则算法进行相控阵控制，可获得灵活可控的合成波 束，并可以随意控制聚焦点的位置。超声相控阵具有动态聚焦、电子扫查、扇形扫描 等多种特性，
5、可检测较为复杂的形状物体，能有效提高检测灵敏度。 本次课题通过对超声相控阵发射与接收原理的研究，利用F P G A 为开发平台，设 计并实现了超声相控阵系统的主控平台。主控平台具有以下基本功能：能够完成相控 阵聚焦法则算法，得到1 6 通道的触发脉冲延时数据；拥有三种相控阵扫描方式( 扇形 扫描、深度聚焦及手动定位) ；通过对各个通道延时触发脉冲的控制实现波束的聚焦； 对各个通道进行并行采样，实现回波信号的延时补偿，并对补偿后波束进行合成，最 终将数据运用U S B 2 0 传输给上位机。 本次论文对相控阵主控平台的各个模块进行了详细的阐述及仿真时序的分析，其中 包括：U S B 2 0 通信
6、模块、总线控制模块、算法实现模块、扫描模块、延时模块、延时 补偿模块、A i D 采样控制模块、波束合成模块及高速缓存模块等。论文最后还对基于 F P G A 实现的相控阵聚焦算法与理论值进行了详细的误差分析。 论文为进一步实现整个超声相控阵系统奠定了一定的基础，对相控阵系统的设计具 有一定的参考价值。 关键词：超声相控阵；聚焦法则算法；关键技术；F P G A ； t e c h n o l o g y ，w h i c hc a l lc o n t r o lt h ee a c hc h i pi nu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ra c c
7、 o r d i n gt of o c u sl a w t oc h a n g es y n t h e t i cw a v ef l e x i b l ya n dc o n t r o lf o c u sp o s i t i o ne a s i l y T h es y s t e mo fu l t r a s o n i c p h a s e da r r a yh a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sd y n a m i cf o c u s i n g ，e l e c t r o n i cs c a n n i n g
8、，s e c t o r c a n n i n g , m a k i n gi t s u i t a b l ef o rd e t e c t i n gc o m p l e x - s h a p e do b j e c tw i t hh i g hi n s p e c t i o n s e n s i t i v i t y B a s i n g o nr e s e a r c ho fp r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cp h a s e da r r a ye m i t t i n ga n dr e c e i v i
9、 n g t e c h n o l o g y ，t h em a s t e rc o n t r o lp a n e lo ft h eu l t r a s o n i cp h a s e da r r a ys y s t e mi sd e s i g n e do n F P G Ad e v e l o p i n gp l a t f o r m T h i sm a s t e rc o n t r o lp a n e lh a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：c o m p l e t e u l t r a s
10、o n i cp h a s e da r r a yf o c u sa l g o r i t h m ，w h o l ed e l a yd a t ao ft h e16 t hc h a n n e l Sp u l s e ；t h r e e k i n d so fu l t r a s o n i cp h a s e da r r a ys c a n n i n gm o d e ( s e c t o rs c a n n i n g ，d e p t hf o c u s i n ga n dm a n u a l p o s i t i o n i n g ) ；
11、c o n t r o lo fe a c hc h a n n e l Sd e l a y p u l s et oa c h i e v e t h ef o c u s i n go fu l t r a s o n i cb e a m ， p a r a l l e ls a m p l i n go fe a c hc h a n n e l ，d e l a yc o m p e n s a t i o no ft h ee c h os i g n a l ，a n a l y s i so ft h e b e a m ，a n dt r a n s m i s s i o
12、 no fd a t at ot h eP Cb yU S B 2 0 T h i st h e s i sg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h em a s t e rc o n t r o lp a n e lo ft h eu l t r a s o n i c p h a s e da r r a ys y s t e m ，a n d d o e st h es i m u l a t i o no fe a c hm o d u l e ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n
13、g c o n t e n t ：c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，b u sc o n t r o lm o d u l e ，a l g o r i t h mm o d u l e ，s c a n n i n gm o d u l e ， d e l a y p u l s em o d u l e ，d e l a yc o m p e n s a t i o nm o d u l e ，A Ds a m p l i n gc o n t r o lm o d u l e ，s y n t h e s i z e d b e a mm o d
14、 u l ea n dh i 曲一s p e e dc a c h em o d u l e F i n a l l y ，t h i st h e s i sm a k e st h ee r r o ra n a l y s i s b e t w e e nt h ea l g o r i t h mo fu l t r a s o n i cp h a s e da r r a yb a s e do nF P G Aa n dt h et h e o r e t i c a lv a l u e I naw o r d ，t h i sd i s s e r t a t i o nl
15、 a y st h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d i e so fu l t r a s o n i cp h a s e d a r r a ys y s t e m I tp o s s e s s e sc e r t a i nr e f e r e n t i a lv a l u ef o rs y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n K e yW o r d s ：U l t r a s o n i cp h a s e da r r a y ；F o c u sa l g o r i t h m ；K e yt e c h n o l o g y ；F P G A 第1 H 页 1 1 ：! ：! ：； ：； ：； 1 3 2 本课题研究内容4 第2 章超声相控阵聚焦原理概述5 2 1 超声波声场理论5 2 2 超声检测原理7 2 3 超声相控阵检测原理：_ 8 2 3 1 超声相控阵探头
