超声相控阵系统中高精度相控发射的实现

超声相控阵系统中高精度相控发射的实现摘要:相控阵超声发射波束形成中的关键环节是对各阵元的发射相位延时进行精确控制。提出了一种新颖的高精度相控发射电路,它采用波形激励方式,通过d/a转换器将任意复杂的数字波形转换成模拟信号,经放大驱动后激励各阵元发射超声。以波形激励为基础,采用d/a输出时钟和直接数字频率合成(directdigitalsynthesis,dds)技术相结合的方法实现了高精度的发射相控延时。基于d/a输出时钟的相控发射粗延时分辨率为15ns。基于dds的相控发射细延时可达到1.41°的相位分辨率,对应3.096mhz发射信号下1.25ns的相位延时。实验表明,该相控发射电路能够达到很高的相控发射精度。超声相控阵技术的核心是对换能器各阵元发射/接收的相位进行精确控制,以得到指向性良好、焦点尺寸细小的聚焦声束,从而获得被检物体的清晰成像。过去的超声检测系统中一般使用模拟延迟线(比如lc网络)来实现相位延迟,用电子开关来分段切换以获得不同的延迟量[1,2]。这种延迟方式的缺点是:延迟量不能精细可调,需要庞大的lc网络和电子开关矩阵,而且电气参数难以稳定,容易发生漂移以及被噪声干扰。数字式发射延时由于精度高、控制方便、稳定性好而成为近年来的研究方向。本文探讨了一种数字化超声相控发射电路,阐明了其电路结构和工作原理,并借鉴当今相控阵雷达研究领域中的热点技术dds(directdigitalsynthesis)[3,4],将其应用到超声相控阵中来,可以实现很高的发射相位分辨率。1超声相控发射的实现原理超声相控发射是通过分别调整阵列换能器中各阵元的发射相位(延时),使得各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成,形成所需的声束聚焦和(或)偏转效果,如图1所示[5]。图1a中,阵列换能器各阵元的激励时序是两端阵元先激励,逐渐向中间阵元加大延迟,使得合成的波阵面指向一个曲率中心p,这就是发射相控聚焦。图1b中,阵列换能器各阵元的激励时序是等间隔增加发射延迟,使得合成波阵面具有一个指向角,就形成了发射声束相控偏转。对于波束的旁瓣声压,文[6]表明,延时量化误差产生离散的误差旁瓣,从而降低超声成像的动态范围。其均方根(rms)延时量化误差与主瓣幅值之比为中心频率所对应一个周期与最小延时量之比。式中:;n表示阵元数目;μ表示中心频率所对应一个周期与最小延时量之比。由式(1)可知,在系统阵元数目一定的条件下,合成声束的旁瓣声压与相控延时分辨率成反比,即延时分辨率越高、旁瓣越小,因此采取各种措施努力提高相控延时分辨率就具有重要意义。本系统中相控发射(一个通道)的原理如图2所示[7]。有别于传统超声仪器中采用高压电脉冲激励方式,本系统采用了波形发射方式驱动各阵元,其原理是:先将计算或编辑好的波形数据存入波形sram中,然后在一个同步信号的触发下,由发射控制cpld(复杂可编程逻辑器件)内的地址发生器计数,产生顺序地址访问波形sram,将其中的数字波形数据读出,由d/a转换器变为模拟波形信号,经后级电路放大驱动后去激励压电晶片发射超声。波形发射的优点是:激励信号的频率、幅度、相位、波形等参数均可调,可以获得任意复杂形状的发射波形。这就给系统的相控发射带来了极大的灵活性,有利于在空间合成各种声场。2基于d/a时钟的相控发射粗延时相控发射数字延时的实现可以分成粗延时和细延时,粗延时一般基于d/a采样时钟计数,延时值为采样周期的整数倍,通常为几十ns以上。细延时量为采样周期的小数倍,一般应达到10ns以内的延时分辨率。以图2为例可以说明相控发射粗延时的实现原理。相控发射cpld的内部为每一个超声发射通道提供了一个12bit延时计数器,一个12bit地址计数器,一个高5bit地址预设寄存器,还有一个12bit的发射长度计数器。在cpld内还设计了一个16bit的参数输入寄存器,用于暂存外部dsp(数字信号处理器)对cpld写入的参数。一次相控超声发射开始之前,dsp通过cpld内的参数输入寄存器设置各通道发射延时值和波形sram高5bit地址预设值,以及共同的发射长度计数值。然后,dsp发出一个同步信号,启动cpld内各通道延时计数器开始计数。当各通道预定延时值计满后,分别启动各自的地址计数器产生地址信号,读取4个波形sram中的波形数据,送相应d/a转换器转换成模拟波形信号,经放大、驱动后去激励各阵元发射超声。通过对各通道预设不同的延时值,就能分别控制它们从波形sram中读出波形数据的起始时刻,从而达到相控发射粗延时的目的。延时计数器与d/a转换器采用同一个66mhz时钟,则延时分辨率为15ns。延时计数器为12bit,可算出最大延时值为62ls。3基于dds的相控发射细延时要提高相控发射延时分辨率,可以将d/a时钟与延时计数时钟分离,并采用更高的延时计数频率。但由于受硬件速度的限制,要超过100mhz(延时分辨率为10ns)就很困难了。为此设计了一种基于dds原理的相位细调方法,充分利用本系统波形激励方式的优点,采用数字波形相位差的方法实现相位延时细调。3.1dds的原理dds是近年来发展的新技术,它从相位的概念出发进行信号合成,采用数字化结构,具有精确的频率和相位分辨率、快速频率转换时间和低相位噪声等优点。dds的结构和原理一般如图3所示,它由标准参考频率源、相位累加器、相位加法器、波形存储器、数字相乘器、d/a转换器和低通滤波器组成。图3中,参考频率源是一个高稳定的晶体振荡器,产生频率为fc的全局时钟。相位累加器是一个位数为n的二进制加法器,在fc时钟的每一个周期内对输入的频率控制字k进行累加,累加结果又在位数为m相位加法器中与相位控制字p相加,结果输出到波形存储器。波形存储器中存储的的是一张正弦(或余弦)函数表,在相位加法器相加结果的寻址下输出对应表格单元的函数幅值,再与幅度控制字相乘后送d/a(数/模)转换器,得到所需频率、相位、幅度的正弦(或余弦)阶梯波,经低通滤波器平滑后输出。dds的输出信号频率fout和频率分辨率δfmin可以分别表示为相位控制字p的作用是在相位累加器的输出上再加一个偏移量,因而实现了数字移相,移相分辨率为由式(2)和(3)可以看出,相位累加器的位数n越大,dds的频率分辨率越高;相位加法器的位数m越大,dds的移相分辨率越高。而dds都是数字化的结构,当今的集成电路工艺很容易实现较大的字长。以相位加法器为例,容易做到m≥12,相应的移相分辨率≤0.09°。由于雷达和超声的相控阵技术在原理上是一致的,因此将dds技术应用到超声相控阵中来是完全可行的。3.2本文实现的dds相控发射细延时本文在超声相控发射通道中设计了一个dds环节,体现在构造了一个256点长度、8bit幅度的一个周期正弦函数表,如图4所示。当需要发射某个频率的正弦波时,先从这张正弦函数表中按一定间隔取出波形数据送入相应通道的波形sram,再经d/a转换发射出去。比如,要发射3mhz的正弦信号,则每隔3mhz×256/(66mhz)≈12点取出一点波形数据,在66mhz的d/a时钟下就得到了约3mhz(实际是66mhz×12/256≈3.094mhz)的发射信号。当需要两个通道发射不同相位的波形时,可以从这张256点正弦函数表中错开地址取数。仍以发射3.094mhz正弦信号为例,第m个阵元通道可从0、12、24、…等地址单元里取数送入波形sram,第n个阵元通道可从1、13、25、…等地址单元里取数送入波形sram。当然,第m个和第n个阵元可以错开不止一个地址单元,从而产生不同的数字波形相位差。可见,在256点正弦函数表的条件下,波形数据的相位分辨率为将式(4)与式(3)对比,可知本系统中设计的dds的相位加法器的m=8。此dds所实现的相位分辨率仅取决于正弦函数表的长度(m值),而与发射信号频率无关。在3.094mhz的发射信号频率下,它对应着1/(12×66mhz)=1.25ns的时差。显然,正弦函数表越长,波形数据的相位分辨率越高。因此,可以构造512点(m=9)、1024点(m=10)……的正弦函数表,以求更高的发射相位分辨率。但是,在工程实际上能否实现这些长度下的理论精度,还需经过实验验证。本文对256点正弦函数表所实现的相位分辨率进行了验证,如图5所示。图5a中,两通道的波形数据是从256点正弦函数表中错开6点取数,对应3.094mhz发射信号的时差应为7.5ns,实测为7.0ns;图5b中,两通道发射相位差为2点,对应3.094mhz发射信号的时差应为2.5ns,实测为2.5ns。另外本文还做了3～11点预设数字波形相位差与实测相位延时的实验对比,其中最大相对误差为8.6%,理论和实验还是符合得较好的。4结论本文构造了数字化的高精度超声相控发射电路,在发射控制cpld内部设计了相位控制逻辑电路,方便有效地实现了相控发射粗延时,其延时分辨率为d/a时钟的倒数。当使用66mhz时钟时,相控发射粗延时分辨率为15ns。但是受硬件速度的限制,进一步提高延时分辨率的余地不大。本文初步尝试将相控阵雷达中的dds技术引入到超声相控阵领域中来,实现了相控发射细延时。在文中采用256点长度的正弦函数表的条件下,理论相位分辨率可达1.41°,对应3.094mhz发射信号频率下1.25ns的延时值。本文对基于dds的相控发射细延时做了一组实验进行验证,结果表明理论与实验符合得相当好,最大相对误差为8.6%。参考文献(references)[1]高上凯,程克正,宋松.医学超声诊断设备中的若干新技术[j].现代科学仪器,1995,1:11-13.gaoshangkai,chengkezheng,songsong.somenewtechnologiesinmedicalultrasonicdiagnosisequipment[j].jmodernscienceinstrument,1995,1:11-13.(inchinese)[2]何正权,邹平.数字化超声成像设备中的几项关键技术[j].中国超声医学杂志,1995,11(3):211212.hezhengquan,zouping.severalkeytechnologiesindigitalultrasonicimagingequipment[j].jofchineseultrasonicmedicine,1995,11(3):211-212.(inchinese)[3]金松,安建平,费元春.基于dds的高精度移相器的实现[j].北京理工大学学报,1998,18(3):355358.jinsong,anjianping,feiyuanchun.realizationofhigh-precisionphaseshifterbasedondds[j].jbeijingunivoftech,1998,18(3):355358.(inchinese)[4]安建平,金松.dds在相控阵雷达系统中的应用[j].现代雷达,2000,22(2):78-82.anjianping,jinsong.theapplicationofddsinphasedarrayradarsystem[j].jmodernradar,2000,22(2):7882.(inchinese)[5]冯若.超声诊断设备原理与设计[m].北京:中国医药科技出版社,1993.fengruo.theprincipleanddesignofultrasonicdiagnosisequipment[m].beijing:chinesemedicalscienceandtechnologypress,1993.(inchinese)[6]petersondk,kinogs.real-timedigitalimagereconstruction:adescriptiveofimaginghardwareandanalysisofquantitativeerrors[j].ieeetransonultrasonics,1984,31(2):337-338.[7]鲍晓