高集成度水声相控阵发射系统设计

崔 娟，王红亮，张 睿，何常德，薛晨阳

（中北大学 电子测试国家重点实验室 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

近年来世界各国对海洋资源的争相开发，使得水声成像技术得到了飞速发展。目前比较常见的水声成像声纳主要有侧扫声纳、前视声纳、多波束声纳、合成孔径声纳等，但都是以单探头进行移动发/收来合成阵的效应从而获得性能的提高[1-3]。相控阵超声成像作为一种新型的水声成像检测技术，使用换能器阵列，无需移动探头就可以实现对物体一定声场范围内的扫查，具有很高的检测灵敏度和分辨率。同时能灵活控制焦点位置、大小、焦深等多个参数，从而得到物体均匀清晰的成像[4-5]。

由于水下特殊的声信道和复杂的噪声环境[6]，因此水声成像系统中超声发射信号的强弱直接影响着水声成像的分辨率。文中利用FPGA设计了一种新型的高集成度超声相控阵发射电路，包括FPGA相控延时设计及脉冲信号放大电路设计，可以产生高频高压脉冲信号，激励换能器阵列实现超声波束的相控发射。

1 系统总体设计

超声相控阵发射系统的任务是：按照一定的相控延时算法产生相位不同、频率相同的脉冲信号，激励压电换能器阵列各阵元发射超声波。为了保证水下成像质量和考虑实际应用需求，要求发射系统电源电压低、发射信号强、各通道之间一致性较高、易于模块化等。系统采用FPGA（现场可编程门阵列）作为信号发生模块及主控单元，用于16路不同延时波形数据的产生，波形数据经D/A转换、运算放大及功率放大后激励压电换能器阵列产生超声波。发射电路的整体设计框图如图1所示。

图1 超声相控阵发射电路设计框图Fig.1 Design diagram of ultrasonic phased array transmitting circuit

2 FPGA主控模块设计

2.1 脉冲信号发生模块

系统电路设计选用ALTERA公司的CycloneⅣ系列EP4CE115F29，该芯片具有114480个逻辑单元，4个锁相环（PLL）资源，便于进行延时精度设计。考虑到超声换能器对激励信号的要求以及系统稳定性，采用状态机产生脉冲信号。这样，实现多通道脉冲信号输出只需由一片FPGA芯片内部设计多个并行的状态机构成，并能对脉冲个数、脉冲重复频率和脉宽等进行灵活控制。

图2所示为8通道脉冲发生状态机的工作时序图，显示了一个完整的采样周期。以第一个通道状态p_state为例。第二个时钟上升沿后状态机进入状态“010”，sig1 输出高电平，在状态“010”，等待了20个clkc01时钟后，sig1变为低电平，进入状态“011”，继续等待 20 个 clkc01 时钟。 在状态“010”里的20个clkc01时钟即为输出脉冲信号的脉宽。

图2 脉冲发生状态机工作时序Fig.2 Working time sequence of pulse generating state machine

由于FPGA直接输出为数字信号，而超声换能器激励信号为模拟信号，因此设计超声发射系统时，需将FPGA输出的信号通过D/A转换电路将数字信号转换为模拟信号。AD9708是采用单电源供电的低功耗电流输出型高速数模转换器，转换位数为14位，同时兼容8位、10位和12位数据输入。应用时在2个输出端加上匹配的负载电阻，将电流值转换为电压值。D/A转换电路如图3所示。

图3 D/A转换电路Fig.3 Digital-to-analog convert circuit

2.2 FPGA相控延时设计

相控延时技术是实现超声相控阵发射的关键技术。时间延迟的精度决定着系统的相位控制精度[7]，而相位误差会导致超声波束产生误差旁瓣，从而影响系统后续的成像分辨率。因此，提高相控延时精度，可以有效抑制声束旁瓣，提高成像质量[8]。

目前普遍采用数字式发射延时实现相控发射。数字式发射延时具有精度高、可调性好、稳定性高等优点[9]。数字式延时分为粗延时和细延时。粗延时由硬件系统采样时钟控制，保证了系统多通道发射的同步性，延时值为采样周期的整数倍。采用50 MHz晶振作为系统采样时钟，延时精度为20 ns。

细延时采用FPGA内部逻辑资源构建锁相环，锁相环是FPGA的基本模块之一，完全依靠芯片内部产生和构建时钟信号。这就大大降低了系统复杂性和元件数量，提高了系统集成度。设计采用PLL先倍频再分频，产生4路频率均为125 MHz、相位依次相差90°的时钟信号。将这4路时钟信号作为脉冲产生模块的采样时钟，就可以达到多通道细延时控制，最小延时时间为2 ns。相控细延时原理如图4所示。

图4 相控细延时原理Fig.4 Phased fine delay schematic

3 放大电路设计

传统的水声发射电路体积大、效率低，限制了声纳成像系统性能的进一步提高[10]。本文针对水声成像系统低供电电压、小体积、高频高压的性能指标，基于系统16路超声相控发射的要求，提出了一种采用18 V供电电压可以实现较强超声信号发射的高集成度发射电路。

FPGA产生的脉冲信号经D/A转换后输出电压幅值为2 V，这对于激励压电换能器来说是远远不够的，因此必须对信号进行放大设计。一般选用运放芯片设计放大电路。但是由于系统电源电压只有18 V，钳制了芯片的电压放大性能，如果直接采用变压器提高脉冲信号的电压，虽然能达到放大电压的效果，但是不利于系统16通道发射电路的集成，同时也会对发射信号产生较大干扰，影响发射效果。

综合考虑电源电压、系统集成等问题，提出首先用变压器提高电源电压到±100 V，再将该±100 V电压提供给运放芯片及功率放大电路，这样就可以实现脉冲信号最大振幅为100 V的放大及发射功率放大。

根据放大电路供电要求，设计了2路升压电路分别产生±100 V直流电压，其中+100 V直流电压电路图如图5（a）所示。运放一般采用双供电电压，但是由于最终目的是激励换能器阵列发射超声波，因此只需要给运放芯片单供+100 V或-100 V电压产生单极性脉冲信号。由于变压后的电压较大，因此需要选择耐压值较高的运放芯片。PA85是一种高电压、高功率的带宽运算放大器，采用双供电设计输出电流高达200 mA，输出电压振幅可达±215 V。采用PA85芯片设计超声信号运算放大电路，可有效提高信号幅值。在运算放大后设计互补推挽功率放大电路，提高发射电路的带负载能力，具体设计原理图如图5（b）所示。

图5 单通道发射电路设计Fig.5 One channel transmitting circuit design

4 系统实验测试

针对水声发射电路低供电电压、高频、高压的设计要求，对所设计的超声相控阵发射电路进行仿真和实际测试。首先用Modelsim软件仿真16通道相控聚焦发射，仿真波形图如图6所示。

为了验证所设计的电路发射超声信号的能力，用Multisim软件对设计的发射放大电路进行了仿真实验。仿真时用信号发生器产生2 V方波模拟D/A转换芯片的输出波形，经PA85放大后波形放大为100 V单极性方波信号，仿真结果如图7所示。

图6 相控聚焦发射波形仿真Fig.6 Phased focus transmitting simulation

图7 发射电路仿真波形Fig.7 Transmitting circuit simulation

本文的设计目标是能够实现水下超声信号的相控阵发射，因此实际测试时采用一种中心频率为500 kHz的水下压电式超声换能器阵列作为设计电路的负载换能器。将水声相控阵发射硬件电路的16个发射通道分别与换能器16阵元连接，换能器置于水下，调整好换能器发射面与被测物体之间的距离，此处设定距离为20 cm。用示波器测得接收换能器接收到的回波信号如图8所示。

图8 超声回波信号Fig.8 Ultrasonic echo signal

观察图8波形信号可知，接收到的超声回波信号在滤波、放大之前已经达到可分辨的程度，这样的波形信号经信号调理电路滤波、放大之后送入计算机进行图像算法处理，可以得到分辨率较高的成像。

5 结语

本文提出了一种低供电电压、易于集成的水声相控阵发射系统，通过对FPGA主控模块和发射脉冲放大电路的设计，实现了超声信号的高频高压的相控发射，同时达到了低供电电压、高集成度的设计目标。实验结果表明，该设计电路能够实现延时精度2 ns的16通道相控发射，发射信号较强，为水声相控阵成像实验提供了硬件基础。电路采用了模块化设计，易于大规模多通道扩展，具有较强的应用价值。

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