基于fpga的超声相控阵发射接收聚焦算法的研究

《基于fpga的超声相控阵发射接收聚焦算法的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、国内图书分类号：丁车lf岁．≯寥国际图书分类号：易舅I．g西南交通大学研究生学位论文密级：公开年级二O一一级姓名黄军申请学位级别王猩亟±专业迸堂王猩指导教师直瞳蓥塾拯二零一四年五月c』优够i御h搬：Tqtl岁．以以．D，C／：绷．gSouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisTheResearchofSendingorReceivingFocusingAlgorithmsofFPGA--basedUltrasonicPhasedArrayClass：2011Candidate：HuangJunAcademicDegreeAp

2、pliedfor：MasterofEngineeringMajor：OpticsEngineeringSupervisor：Prof．GaoXiao_rongMay，2014西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密后适用本授权书；2．不保密一使用本授权书。(请在以上方框内打“4”‘

3、)学位论文作者签名：考事日期：沙略歹．2,71"指导老师签名：、—王D∥杉日期：30}q,．岁．2,Z／西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：探讨了相控阵系统的波束聚焦和偏转技术，对聚焦算法进行了研究，并建立了几何模型，并使用matlab对算法做了仿真，为FPGA的实现提供了一定的基础。完成了超声相控阵聚焦算法的FPGA实现。在使用matlab验证了聚焦算法以后，将其移植到FPGA里面，使用verilog语言实现各个算法模块。其中所有的算法模块都自主设计，没有调用IP核。为了提高延时精度，在算法模块中所涉及到的计算全部采用

4、浮点格式，包括浮点加法运算、浮点乘法运算、浮点除法运算以及浮点三角函数运算。数据的浮点格式参照IEEE-754标准，数据采用单精度浮点格式。用FPGA设计一些行为模块来模拟超声相控阵的特性，如脉冲模块、延时发射和延时接收控制模块、数据缓存模块和波束合成等，再联合聚焦算法模块进行功能仿真。最后将输出的数据送往DSP里进行平滑处理。本文所做的工作属于整个超声相控阵系统的关键技术之一，对整个超声相控阵系统的实现具有一定的参考价值。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过

5、的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名：菘事日期：Wf乍．厂．z沙西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要在传统的超声相控阵系统中，延时技术中的延时量是由pc机计算出来的，然后通过USB等总线技术把结果传输给延时控制电路，然后采用模拟方式如多路切换开关以及模拟延时线来完成每个通道的延时，所以这样的系统不仅体积庞大，而且集成度很低。为此本文重点研究了超声相控阵聚焦算法的FPGA实现，这种方法采用了数字系统来计算延时量，与传统方法相比，它可以并行地计算各通道延时值，极大

6、地提高了运算速度，降低了体积，提高了集成度。在实现基于FPGA的超声相控阵聚焦算法时，为了进一步提高计算精度，使用了IEEE一754标准的浮点格式来设计各个运算模块，包括加／减法模块，乘除法模块以及正余弦三角函数模块等。其中使用了CORDIC算法来实现浮点除法运算以及三角函数运算，相对于定点的CORDIC算法，在同样的迭代次数下，基于浮点的CORDIC算法的精度相对较高，有利于提高计算精度，从而改善了最后的聚焦和偏转效果。通过对不同迭代次数的结果进行分析，发现迭代次数为16时，能够满足5ns的计算精度。聚焦算法中的所有运算模块都采用了流水线设计以及并行化设计，这种设计方

7、式可提高时钟频率，从而提高了运算速度。然后本文用FPGA设计了一些行为模块来模拟超声相控阵的特性，如脉冲产生模块模拟超声探头发射的超声波形，在该模块中利用了DDS(直接频率合成技术)来发射脉冲；设计了延时发射和延时接收控制模块来控制脉冲的发射和接收，在该模块的设计中利用了DLL(数字锁相环)实现了细延时，提高了延时精度；设计了数据缓存模块来接收数据以及波束合成模块来对接收的数据进行波数合成，再联合聚焦算法模块进行功能仿真，最后将输出的数据送往DSP里进行平滑处理，效果良好。关键词：超声相控阵：聚焦算法；FPGA；CORDIC西南交通大学硕