基于FPGA的超声相控阵检测系统的研究与设计

发布时间：2017-09-11 01:20

  本文关键词：基于FPGA的超声相控阵检测系统的研究与设计

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【摘要】：随着现代工业的发展,各类工业设备所面临的工作环境越来越苛刻,这对无损检测的发展提出了很多新的要求。超声相控阵检测技术作为无损检测领域的一个新的研究热点,以其可视化成像、检测分辨率高、操作便捷等特点而得到重视,并开始承担更多的检测任务,这也是无损检测技术的一个发展趋势。本文旨在完成超声相控阵检测系统硬件平台的设计,并以此硬件平台为基础,对超声相控阵检测的相关技术进行实验验证,主要研究工作如下:(1)学习超声相控阵检测技术的基本原理,在此基础上研究了超声相控阵收发电路的设计以及数字信号处理的相关知识,并提出了硬件平台的解决方案。(2)根据超声回波脉冲信号的特点,研究了基于数字式正交包络检波的接收声束形成算法,该算法可以将射频信号转换为基带信号,降低采样率,缓解系统的存储压力,同时还可以保留回波信号的幅值信息,结果表明该算法明显优于传统的超声相控阵接收算法。(3)完成了对超声相控阵检测系统收发电路的设计,使其可以发射高压脉冲用来激励超声阵列换能器,同时对于接收到的超声回波信号可以进行放大、滤波、模数转换等处理。(4)完成了FPGA内部数字信号的设计与处理。主要包括延时激励、LVDS接口、延时补偿以及声束合成、正交包络检波等模块的设计,并对这些模块进行了仿真验证,获得了预期的效果。结果表明,超声相控阵检测系统硬件平台的相关模块运行正常,均符合设计要求,可以实现超声波的发射、回波信号的处理等功能,为超声相控阵检测系统的应用打下了坚实的基础。
【关键词】：无损检测 超声相控阵 收发电路 接收声束形成 FPGA
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH878.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 注释表14-15
• 缩略词15-16
• 第一章 绪论16-21
• 1.1 研究背景16-17
• 1.2 研究现状与发展趋势17-20
• 1.2.1 国外研究现状18-19
• 1.2.2 国内研究现状19
• 1.2.3 发展趋势19-20
• 1.3 本文主要研究工作及组织结构20-21
• 第二章 超声相控阵检测技术原理21-31
• 2.1 超声波的基本概念21-23
• 2.1.1 描述声场的物理量21-22
• 2.1.2 波动方程22-23
• 2.1.3 超声波的物理特性23
• 2.2 超声相控阵检测技术原理23-26
• 2.2.1 超声相控阵发射原理23-25
• 2.2.2 超声相控阵接收原理25
• 2.2.3 超声相控阵扫查方式25-26
• 2.3 超声相控阵发射延时值的计算与分析26-28
• 2.3.1 超声相控阵发射延时值的计算26-27
• 2.3.2 延时控制精度对系统的影响27-28
• 2.4 数字式正交包络检波算法28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 超声相控阵检测系统硬件电路设计31-47
• 3.1 超声相控阵检测系统总体设计31-32
• 3.1.1 系统设计要求31
• 3.1.2 系统总体设计方案31-32
• 3.2 超声阵列换能器32-33
• 3.3 发射前端电路33-34
• 3.4 收发隔离电路34-35
• 3.5 信号接收与采集电路35-39
• 3.6 数字信号处理电路39-43
• 3.6.1 FPGA器件的配置方式40-41
• 3.6.2 I/O管脚资源分配41-43
• 3.7 电源系统设计43-45
• 3.7.1 发射前端电源43
• 3.7.2 信号接收与采集电路电源43-44
• 3.7.3 数字信号处理电路电源44-45
• 3.8 PCB设计45-46
• 3.8.1 去耦电路的设计45-46
• 3.8.2 LVDS信号线的设计46
• 3.9 本章小结46-47
• 第四章 超声相控阵检测系统FPGA总体设计47-58
• 4.1 FPGA各功能模块综述47-48
• 4.2 发射延时模块设计48-50
• 4.2.1 延时模块48-49
• 4.2.2 激励信号发射模块49-50
• 4.3 LVDS接口模块设计50-52
• 4.4 延时补偿及声束合成模块设计52-53
• 4.5 数字式正交包络检波设计53-56
• 4.6 SPI控制模块56-57
• 4.7 本章小结57-58
• 第五章 硬件系统调试及结果分析58-68
• 5.1 电源系统调试58-59
• 5.2 FPGA模块调试59-60
• 5.3 发射前端调试60-61
• 5.4 收发隔离电路调试61
• 5.5 信号接收与采集电路调试61-65
• 5.5.1 时钟电路调试62-63
• 5.5.2 可控增益放大器控制调试63
• 5.5.3 SPI控制电路调试63-64
• 5.5.4 LVDS输出验证64-65
• 5.6 综合调试65-67
• 5.7 本章小结67-68
• 第六章 总结与展望68-71
• 6.1 总结68-69
• 6.2 展望69-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文76

【参考文献】

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本文编号：827775