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超声成像由于其灵活性高、实用性强、检测结果直观等优点,在无损检测领域应用广泛。在一些新兴的超声无损检测应用领域,如复合材料粘接质量检测、电力绝缘子疲劳损伤评估等,设备和材料的缺陷形成原因以及老化机理与既有行业不同。需要根据行业应用特点,结合采集的原始超声射频(RF)数据进行研究和分析,从而提出更加合理的成像方法和缺陷评估方式。尽管目前国内超声的理论研究和商用超声设备逐渐完善,但缺乏性能优异、可灵活应用于各种新兴无损检测领域科学研究的开放式超声成像设备。针对以上情况,本文结合国内外超声成像无损检测设备的特点、科学研究及实际应用的需求,研制了基于“AFE+FPGA+DSP+USB3.0”架构的便携型32通道开放式超声成像系统的信号采集与传输平台。该平台能够灵活读取各通道实时射频数据和数字信号处理过程中关键环节的原始数据,用于设备和材料的缺陷形成原因以及老化机理的研究。本文对信号采集与传输平台的硬件进行了设计和测试,并对超声成像算法在FPGA的实现进行了研究,具体工作如下:(1)研究并提出开放式超声成像系统的信号采集与传输平台硬件设计方案,将系统硬件分为超声发射电路板和超声接收电路板两部分进行设计。完成超声前端发射电路、高速数据采集电路、高精度时钟电路、FPGA核心电路、USB3.0接口电路等硬件电路的原理图和PCB设计。对硬件电路进行测试,系统各个硬件模块能够正常工作。(2)设计了基于FPGA和DSP的超声回波信号处理与控制程序,包括:超声回波接收控制FPGA程序、超声回波数字信号处理FPGA程序、USB3.0的FPGA控制程序以及系统DSP控制程序等。完成了超声接收电路板上32通道600Mbps的LVDS信号串并转换;实现了灵活读取各通道实时射频数据和数字信号处理过程中关键环节的原始数据;完成了硬件平台与上位机的USB3.0数据高速稳定传输,使用USB3.0芯片的官方软件Streamer测得实时传输速率约为304Mbyte/s。(3)设计了融合动态孔径的误差约束分段聚焦方法在FPGA中的实现方案。在MATLAB软件下对相关算法进行仿真,将探测声场在10ns的误差约束下共分为61段聚焦区域,并将得到的延时聚焦参数和分段边界参数用于FPGA电路设计,从而完成超声回波信号接收分段聚焦。(4)将CORDIC算法应用于超声成像系统的对数压缩处理,提出了基于运算融合的扩展双曲CORDIC算法定点数优化方法在FPGA电路设计中的实现方案。利用CORDIC算法在双曲坐标系向量模式下的运算特点实现对数运算。结合扩展双曲CORDIC算法和本系统中超声数据特点,选择了合适的扩展收敛域条件。在MATLAB软件下对算法进行仿真,并对扩展双曲CORDIC算法进行了误差分析。在FPGA的电路设计中采用基于运算融合的扩展双曲CORDIC算法定点数优化方法进行对数压缩处理,能够避免浮点数运算和后续乘除法运算。通过流水线架构的设计方式完成了算法在FPGA中的电路实现,并对FPGA的输出结果进行了分析。FPGA的对数压缩处理结果与理论值的最大相对误差的绝对值仅为0.14%,满足设计需求。