可扩展8通道超声相控阵信号接收单元的初步研究与实现
发布时间：2021-10-13 08:13
超声相控阵技术是结构损伤无损检测技术的重要组成部分。其基本原理是利用多阵元组成的阵列发射、接收超声波从而对被检测对象缺陷进行成像。相控阵发射端,严格控制每个阵元激励信号的幅度和激发时间来实现超声波声束的聚焦和偏转,以改变合成波束的偏转角度与聚焦的焦点位置等,可以实现对被测物体整体结构与局部结构的全面和多角度的扫查;相控阵接收端,通过调整接收信号的时间延迟并叠加使缺陷位置回波信号合成的幅度最大,并抑制其他位置的能量与回波,获得缺陷的位置和形状等信息。借助于高精度的接收延时控制还可以实现动态聚焦等效果,从而获得高分辨率和高质量的超声波成像。然而,现有的超声相控阵接收检测系统通常是利用PLL（Phase Locking Loop）、线性插值等回波延时方法,这些处理方式导致接收系统的不灵活、数据处理慢等缺点。在研究超声相控阵接收系统相控延时等关键技术的基础上,本文提出了基于FPGA技术的超声波相控阵检测回波信号接收方法,设计了以8通道为基础的便于扩展的超声相控接收硬件单元,实现了回波接收信号的同步接收与精确延时。结合FPGA高速、并行数据处理的特点,本文提出一种将超声相控阵信号接收单元的控制、...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景与意义
1.2 相控阵接收单元及信号处理研究现状
1.3 本文研究的主要内容
第二章 超声相控阵原理及关键技术
2.1 超声检测声学基础
2.1.1 声学理论
2.1.2 波动方程
2.2 阵列信号处理
2.2.1 频率-波数响应
2.2.2 线性阵列
2.2.3 相控偏转
2.2.4 相控聚焦
2.3 相控阵延时精度影响
2.3.1 延时精度与对比度
2.3.2 延时精度与声束偏转
2.3.3 延时精度与焦距
2.4 本章小结
第三章 超声相控阵接收单元硬件电路设计
3.1 总体设计方案
3.1.1 接收单元设计的总体要求
3.1.2 系统的总体框架
3.2 信号调理模块的设计
3.2.1 前置放大器的设计
3.2.2 滤波电路的设计
3.3 高速模数转换电路设计
3.3.1 模数转换芯片的选择
3.3.2 ADC外围电路的配置
3.4 FPGA核心电路设计
3.4.1 FPGA芯片选型
3.4.2 FPGA下载配置模块设计
3.4.3 并行数据接口配置
3.5 主控MCU电路设计
3.5.1 主控MCU接口配置
3.5.2 MCU通信模块
3.6 接收单元公共电路设计
3.6.1 时钟模块设计
3.6.2 电源模块的设计
3.7 PCB板的设计
3.8 本章小结
第四章 超声相控阵接收单元软件设计
4.1 总体设计
4.2 多速率信号处理
4.2.1 信号插值
4.2.2 信号抽取
4.2.3 Nobel恒等式
4.3 CIC内插滤波器
4.3.1 单级CIC数字滤波器
4.3.2 多级CIC数字滤波器
4.4 基于CIC的FPGA延时模块
4.4.1 缓存模块
4.4.2 CIC插值模块的FPGA实现
4.4.3 抽取延时模块
4.5 接收单元对外数据接口设计
4.5.1 接收单元对外数据接口需求
4.5.2 FPGA控制ADC模块
4.5.3 主控MCU接口设计
4.5.4 数据累加传输系统结构
4.6 本章小结
第五章 接收单元硬件试验与软件测试
5.1 FPGA调试
5.2 前端硬件电路测试
5.2.1 放大电路测试
5.2.2 AD采样电路测试
5.3 延时算法测试
5.4 系统整体测试
5.5 数据传输测试
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内外相控阵超声检测标准比较与分析[J]. 郑阳,郑晖,潘强华,杨齐. 无损检测. 2016(07)
[2]相控阵超声检测中的高速实时数据通讯系统[J]. 李杏华,张晶,林雪慧. 控制工程. 2016(04)
[3]基于FPGA的超声相控阵接收系统的研究[J]. 陆铭慧,胡梦雪,孙霓,祁晓凤. 压电与声光. 2015(05)
[4]超声相控阵延迟时间的声速校正及在复合材料中的检测[J]. 徐娜,沙正骁,史亦韦. 材料工程. 2015(09)
[5]采用FIR滤波器实现高精度延时的连续实时声纳阵列信号仿真[J]. 马小瑜. 中国新通信. 2015(10)
[6]相控阵接收组件自动测试平台设计[J]. 钟军涛,习强. 计算机与网络. 2014(14)
[7]基于多级半带滤波器的超声相控阵聚焦延时[J]. 刘桂雄,唐文明,谭大基. 光学精密工程. 2014(06)
[8]基于NiosⅡ的超声相控阵数据采集系统[J]. 刘书文,骆英. 仪表技术与传感器. 2014(06)
[9]超声相控阵高精度延时设计的FPGA实现[J]. 杨先明,王海涛,赵大丹,郭瑞鹏,沈立军. 无损检测. 2014(05)
[10]超声无损检测技术的现状和发展趋势[J]. 李灼华. 硅谷. 2013(21)
硕士论文
[1]32通道模块化超声相控阵硬件系统的研究[D]. 骆晓祥.西南交通大学 2016
[2]模拟延时单元集成电路设计[D]. 曹裕荣.东南大学 2016
[3]数字下变频的设计与实现[D]. 周晓乐.西安电子科技大学 2015
[4]超声相控阵高压发射与接收电路设计与仿真[D]. 邓鹰飞.华南理工大学 2014
[5]基于多芯片组装的Ka波段相控阵接收组件的研究[D]. 翟克园.南京理工大学 2013
[6]窄带阵列信号处理算法研究[D]. 陈华.天津大学 2012
[7]超声相控阵探伤仪FPGA模块设计[D]. 马骏.上海交通大学 2012
[8]超声相控阵可控强度发射系统相关技术的研究[D]. 王伟.江苏大学 2010
[9]超声相控阵检测关键技术的研究[D]. 程继隆.南京航空航天大学 2010
[10]超声相控阵技术及其应用研究[D]. 燕会明.中北大学 2008
本文编号：3434285
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
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摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景与意义
1.2 相控阵接收单元及信号处理研究现状
1.3 本文研究的主要内容
第二章 超声相控阵原理及关键技术
2.1 超声检测声学基础
2.1.1 声学理论
2.1.2 波动方程
2.2 阵列信号处理
2.2.1 频率-波数响应
2.2.2 线性阵列
2.2.3 相控偏转
2.2.4 相控聚焦
2.3 相控阵延时精度影响
2.3.1 延时精度与对比度
2.3.2 延时精度与声束偏转
2.3.3 延时精度与焦距
2.4 本章小结
第三章 超声相控阵接收单元硬件电路设计
3.1 总体设计方案
3.1.1 接收单元设计的总体要求
3.1.2 系统的总体框架
3.2 信号调理模块的设计
3.2.1 前置放大器的设计
3.2.2 滤波电路的设计
3.3 高速模数转换电路设计
3.3.1 模数转换芯片的选择
3.3.2 ADC外围电路的配置
3.4 FPGA核心电路设计
3.4.1 FPGA芯片选型
3.4.2 FPGA下载配置模块设计
3.4.3 并行数据接口配置
3.5 主控MCU电路设计
3.5.1 主控MCU接口配置
3.5.2 MCU通信模块
3.6 接收单元公共电路设计
3.6.1 时钟模块设计
3.6.2 电源模块的设计
3.7 PCB板的设计
3.8 本章小结
第四章 超声相控阵接收单元软件设计
4.1 总体设计
4.2 多速率信号处理
4.2.1 信号插值
4.2.2 信号抽取
4.2.3 Nobel恒等式
4.3 CIC内插滤波器
4.3.1 单级CIC数字滤波器
4.3.2 多级CIC数字滤波器
4.4 基于CIC的FPGA延时模块
4.4.1 缓存模块
4.4.2 CIC插值模块的FPGA实现
4.4.3 抽取延时模块
4.5 接收单元对外数据接口设计
4.5.1 接收单元对外数据接口需求
4.5.2 FPGA控制ADC模块
4.5.3 主控MCU接口设计
4.5.4 数据累加传输系统结构
4.6 本章小结
第五章 接收单元硬件试验与软件测试
5.1 FPGA调试
5.2 前端硬件电路测试
5.2.1 放大电路测试
5.2.2 AD采样电路测试
5.3 延时算法测试
5.4 系统整体测试
5.5 数据传输测试
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内外相控阵超声检测标准比较与分析[J]. 郑阳,郑晖,潘强华,杨齐. 无损检测. 2016(07)
[2]相控阵超声检测中的高速实时数据通讯系统[J]. 李杏华,张晶,林雪慧. 控制工程. 2016(04)
[3]基于FPGA的超声相控阵接收系统的研究[J]. 陆铭慧,胡梦雪,孙霓,祁晓凤. 压电与声光. 2015(05)
[4]超声相控阵延迟时间的声速校正及在复合材料中的检测[J]. 徐娜,沙正骁,史亦韦. 材料工程. 2015(09)
[5]采用FIR滤波器实现高精度延时的连续实时声纳阵列信号仿真[J]. 马小瑜. 中国新通信. 2015(10)
[6]相控阵接收组件自动测试平台设计[J]. 钟军涛,习强. 计算机与网络. 2014(14)
[7]基于多级半带滤波器的超声相控阵聚焦延时[J]. 刘桂雄,唐文明,谭大基. 光学精密工程. 2014(06)
[8]基于NiosⅡ的超声相控阵数据采集系统[J]. 刘书文,骆英. 仪表技术与传感器. 2014(06)
[9]超声相控阵高精度延时设计的FPGA实现[J]. 杨先明,王海涛,赵大丹,郭瑞鹏,沈立军. 无损检测. 2014(05)
[10]超声无损检测技术的现状和发展趋势[J]. 李灼华. 硅谷. 2013(21)
硕士论文
[1]32通道模块化超声相控阵硬件系统的研究[D]. 骆晓祥.西南交通大学 2016
[2]模拟延时单元集成电路设计[D]. 曹裕荣.东南大学 2016
[3]数字下变频的设计与实现[D]. 周晓乐.西安电子科技大学 2015
[4]超声相控阵高压发射与接收电路设计与仿真[D]. 邓鹰飞.华南理工大学 2014
[5]基于多芯片组装的Ka波段相控阵接收组件的研究[D]. 翟克园.南京理工大学 2013
[6]窄带阵列信号处理算法研究[D]. 陈华.天津大学 2012
[7]超声相控阵探伤仪FPGA模块设计[D]. 马骏.上海交通大学 2012
[8]超声相控阵可控强度发射系统相关技术的研究[D]. 王伟.江苏大学 2010
[9]超声相控阵检测关键技术的研究[D]. 程继隆.南京航空航天大学 2010
[10]超声相控阵技术及其应用研究[D]. 燕会明.中北大学 2008
本文编号：3434285
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3434285.html
