基于FPGA的合成子孔径技术与全聚焦方法的研究

发布时间：2017-08-19 22:17

  本文关键词：基于FPGA的合成子孔径技术与全聚焦方法的研究

  更多相关文章： 全聚焦算法 全矩阵采集 超声相控阵 FPGA 超声合成孔径

【摘要】：在高速铁路、核工业、石化等领域中,由于工件的疲劳、摩擦和应力所产生的缺陷,随着时间生长或断裂,从而导致重大的安全事故。所以这对实时在线检测金属工件中的缺陷,消除安全隐患,提出了越来越高的要求。在高速铁路方面,轮轨的内部缺陷的无损检测采用常规超声技术和相控阵超声技术,落轮和非落轮的定时检测得到了现场的广泛应用。目前,基于常规超声相控阵的工业无损检测,虽然实现容易且处理简单,但设备较复杂,集成度不高。近年来,全聚焦算法(Total Focusing Method)技术因为其高覆盖率和灵活性成为研究热点,能够实现对各种复杂材料的高精度检测。为了获得清晰度更好、分辨率更高的缺陷成像,本文基于超声相控阵技术,以全矩阵采集技术(Full Matrix Capture)作为采集原始缺陷数据,以全聚焦算法(Total Focusing Method)作为数据后处理的数学模型,在FPGA平台上加速了全聚焦算法速度,实现数据的高速处理,并将相控阵作为合成孔径的子孔径,进行了分布式步进来构造了更大的综合合成孔径,进一步提高了缺陷成像质量。首先,对全矩阵采集进行了算法建模,考虑到TFM算法实现简单且成像精度高,将其作为FMC的成像算法,并通过Matlab平台进行验证和分析。分析验证算法建模正确,缺陷成像精确高,单MATLAB算法的时间消耗较长。然后,为了提高成像速度,以FPGA这样具有并行处理能力的平台来设计和实现全聚焦算法系统。经过对比验证分析,FPGA全聚焦算法系统既保证了缺陷成像的高精度,又大幅缩短全聚焦算法处理时间。最后,将超声合成孔径技术与全矩阵采集-全聚焦算法相结合进行缺陷成像,并从API和图像信噪比两方面进行分析。分析结果表明在超声探头阵元数不变的情况下,进一步提高了全聚焦算法成像的质量,验证了超声合成孔径技术对全聚焦算法成像质量优化的有效性。本论文研究为实现全聚焦算法的高质量快速成像提供了坚实的基础,对基于全聚焦算法的实时缺陷成像的发展具有很好的促进意义。
【关键词】：全聚焦算法 全矩阵采集 超声相控阵 FPGA 超声合成孔径
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB559;TN791
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 论文的研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.3 论文的结构及内容安排14-16
• 第2章 超声相控阵原理与全矩阵采集技术16-21
• 2.1 超声相控阵技术概述16-18
• 2.1.1 超声相控阵发射与接收16-17
• 2.1.2 超声相控阵接收17-18
• 2.2 超声相控阵关键技术18-19
• 2.3 全矩阵采集技术19-20
• 2.3.1 全矩阵采集技术简介19-20
• 2.4 本章小结20-21
• 第3章 TFM算法及仿真验证21-29
• 3.1 TFM全聚焦算法21-23
• 3.1.1 全聚焦算法概要21
• 3.1.2 全聚焦算法原理21-23
• 3.2 全聚焦算法Matlab程序设计23-26
• 3.2.1 数据源采集方案23-24
• 3.2.2 算法实现24-26
• 3.3 Matlab仿真结果与验证26-28
• 3.4 本章小结28-29
• 第4章 基于FPGA的全聚焦算法实现29-55
• 4.1 FPGA简介29-30
• 4.2 全聚焦算法FPGA系统设计30-32
• 4.2.1 FPGA芯片选择30-31
• 4.2.2 FPGA设计方案分析31-32
• 4.3 FPGA全聚焦算法系统的具体实现32-48
• 4.3.1 系统的FPGA总体设计方案32-34
• 4.3.2 ALU运算单元的实现34-37
• 4.3.3 索引值运算单元的实现37-41
• 4.3.4 整体算法控制与运算单元的实现41-47
• 4.3.5 整体系统的实现47-48
• 4.4 成像算法FPGA系统的验证48-49
• 4.5 处理速度分析49-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第5章 基于合成孔径的全聚焦成像优化55-69
• 5.1 合成孔径技术简述55-56
• 5.2 超声合成孔径原理56-58
• 5.3 基于超声合成孔径的全矩阵采集系统58-61
• 5.3.1 数据采集系统设计58
• 5.3.2 搭建数据采集平台58-61
• 5.4 基于成像质量分析61-67
• 5.4.1 成像分辨率的影响63-65
• 5.4.2 图像信噪比的影响65-67
• 5.5 本章小结67-69
• 总结与展望69-71
• 论文总结69
• 论文工作的不足和展望69-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-77
• 攻读硕士期间发表的论文及科研成果77

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本文编号：703256