基于CORDIC算法的超声相控阵信号处理技术研究

发布时间：2020-05-08 07:10

【摘要】：超声相控阵技术是超声检测中的重要手段,目前基于串行处理的中央处理器或传统数字信号处理难以满足大量超声检测数据实时处理需求。本文利用坐标旋转数字计算方法(CORDIC)在硬件层面上实现超越函数求解,对超声相控阵仪器中关键函数计算或数据处理算法进行优化,以“基于CORDIC算法的超声相控阵信号处理技术研究”为题,重点研究基于CORDIC算法的超声回波正交解调技术、动态FIR滤波技术、时间增益控制技术,对降低超声相控阵仪器系统硬件复杂度,促进无损检测技术发展,具有重要学术价值和实际意义。研究工作得到国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ230575)资助。论文研究基于CORDIC算法的超声相控阵信号处理技术,从CORDIC算法原理与评价指标、CORDIC算法在超声相控阵中应用两方面综述国内外研究进展,确定研究内容。论文主要工作包括:(1)研究SF CORDIC改进算法,并应用于正交解调技术中本振信号产生器设计,产生同频正交正余弦本振信号,并在FPGA上实现。仿真表明,改进SF CORDIC算法减少29%全加器和61%寄存器资源消耗,基于改进SF CORDIC算法的超声相控阵正交解调模块峰值相对误差为0.37%。(2)提出基于基-4 CORDIC算法的滤波系数动态计算,研究其FPGA实现架构,并进行仿真分析。结果表明,基于CORDIC算法滤波系数输出绝对误差不超过-2.94×10~(-3);基于分割表的分布式算法设计数字滤波模块,阻带衰减可达-50d B。(3)提出采用指数CORDIC算法将超声d B增益曲线转换为实际放大倍数,设计基于CORDIC算法的d B-放大倍数求解器,研究CORDIC算法时间增益控制模块FPGA实现。仿真结果表明指数CORDIC算法在FPGA上输出平均相对误差小于0.1%,计算超声回波实际增益最高相对误差不超过0.014%。(4)搭建基于FPGA的超声相控阵仪器实验平台,对基于CORDIC算法的超声相控阵信号正交解调、动态滤波、时间增益控制FPGA模块进行功能验证,设计基于CORDIC算法的超声信号处理模块综合应用试验,对气化炉管等径T型焊缝管进行S扫检测,验证本文所研究的基于CORDIC算法的超声信号处理技术在相控阵仪器上应用的有效性和实际应用价值。
【图文】：

超声相控阵

第一章绪论激励、接收超声波，调整每个阵元收、发时间延迟，实现相位控制目的，可产生声波在声场内发射聚焦与接收聚焦效果。①发射阶段：FPGA 从 SDRAM 读取聚焦法则(延时参数)，产生对应相位的低压脉冲，，驱动外围高压电路，进行幅值放大，再激励探头，发出超声波，进入被测工件内部，遇到内部缺陷则产生声波反射；②接收阶段：反射超声回波经相同或不同的超声探头进行声电转换，再经信号调理电路(高压钳位、信号滤波放大、时间增益控制(Time Gain Control,TGC))，最后通过 ADC 数字化进入 FPGA 进行处理。

实时求解,超越函数,笛卡尔坐标,超图

波据器需实时变换，通过 CORDIC 算法实时数存储单元，提高滤波器系数实时求解性度时，其超声回波幅值不同，为使反射增加不同增益使得相应回波都处于相同幅参数生成一条分贝数(dB)表示的增益曲线法运算(乘以原始放大倍数)实现，即有转超越函数，可通过 CORDIC 算法求解，坐标或笛卡尔坐标两种形式存储。如超图 1-5 超声回波图
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB553

【参考文献】