超声相控阵实验系统的研制

超声相控阵实验系统的研制

超声相位控制技术是当前医疗超声领域的研究热点。其原理是将不同的换能器排列以一定的形状组成超声矩阵换能器。每个矩阵都可以发射或接收超声波，并调整每个矩阵的发射和接收相位的延迟，以产生不同相位的超声波束叠加在空间上，以产生聚焦和扭转噪声。它的优点是采用电控方式聚焦,能非常灵活、便捷地改变声束形状、指向和焦点,而且精度容易保证。在无损检测中相控阵超声技术能提高信噪比、检测灵敏度及检测效率。超声相控阵系统中相控发射和同步是一个关键环节,下面阐述研制的PCI总线16通道相控阵超声实验系统的相控发射机理,并对同步问题展开了详细讨论和误差分析。1超声发射单元相控阵超声发射利用了声场的叠加干涉原理。超声阵列换能器内部含有多个压电晶片,每个压电晶片形成一个发射/接收阵元,多个阵元排列成一定形状,如线阵、方阵和环阵等。单个阵元的尺寸都很小,它的近场范围小而发散角大,可以看作点波源辐射声波。根据波动理论,如果各点波源发射的超声波为相干波,则在空间能够叠加干涉而形成稳定的声场,即在空间某些点的声压幅度由于同相叠加得到增强,而在另一些点的声压幅度由于反相抵消而削弱。相控发射就是调整馈送到各个阵元的电激励信号的延迟,从而产生多路具有不同相位的相干超声波在空间合成声场。相位控制的方法主要有机械式调相和电子式调相,前者基于声延迟块结构,复杂笨重且精度低;后者经历了模拟调相阶段而发展到数字调相阶段,数字调相由于灵活精确且易于计算机控制而被广泛采用。该实验系统中就采用了数字调相电路作为相控阵超声发射的核心单元,图1为系统超声发射部分的原理框图。有别于传统超声探伤仪中采用高压电脉冲激励探头(压电晶片)的方法,该系统采用了波形发射方式驱动各晶片阵元,其实现原理是,将事先计算或编辑好的波形数据存入波形SRAM(静态读写存储器)中,在一个同步触发信号的作用下,由波束控制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送给D/A转换器(DAC)变为模拟波形信号,经后级电路进行幅度放大和功率驱动后去激励压电阵元激发超声波。波形发射的优点是,激励压电阵元的信号不仅相位延迟可调,而且频率、幅度、波形和持续时间等参数均可任意调节,既可为连续波也可为单脉冲。这就给系统的相控发射带来了极大的灵活性,利于在空间合成各种声场;缺点是目前波形激励信号的幅度还比较低。如图1所示,每个PCI插卡上有四个并行的超声发射/接收通道,对应阵列换能器中的四个阵元。四个波形SRAM均为128kByte容量,以60MHz输出时钟计算,可连续存储近2ms的波形数据或200段10μs波形数据。在波束控制CPLD内部设计了四个地址计数器,各地址计数器的起始计数时刻和持续计数时间都由外部计算机写入,写入这些参数后计算机再发一个同步触发信号,CPLD内的地址计数器就按各自设定的起始时刻和持续时间计数产生地址,分别接至四个波形SRAM读出波形数据,产生不同相位延迟的信号激励各压电阵元,从而达到相控目的。2阵列换能器各阵元相位延迟问题根据波动理论可知,形成相干波要有两个条件,一是频率相同,二是相位差恒定。前面已阐述了阵列换能器各阵元相位延迟的实现,即能产生不同的相位差。但这些相位差能否在超声发射过程中保持不变,这就牵涉到各通道输出时钟的一致性及通道间同步问题。以下进行具体讨论,在分析前先作一个简化,设各波形SRAM中具有相同的波形数据。2.1选择附加相位差板内同步是指在同一块PCI插卡上四个超声发射/接收通道的同步。四个发射通道的采样时钟源于同一个60MHz晶振,因而它们产生的激励信号频率是相同的;各通道相位延迟采用CPLD内的数字电路实现,所以具有很高的精度和稳定性。例如,各通道(阵元)发射2MHz超声信号,则由波形SRAM中的30点数据经D/A转换合成一个周期的激励信号,相位控制分辨力为360°/30=12°,各通道相位差能以最小间隔12°进行调整。在60MHz输出时钟的每一个上升沿,CPLD内四个地址计数器同时加1输出,所以相位参数一旦写入CPLD,其后各通道读出波形数据都是同步的,即通道间相位差保持不变。波形数据读出后还要经D/A转换成模拟波形,再经功率放大后驱动压电阵元。这两个环节也要产生延时,而且各通道的D/A转换器和功率放大电路所产生的延时是不同的,这会产生附加的相位差,使得最终馈送到各压电阵元的激励信号的相位差并非是最初的设定值。但是各通道附加的相位差在系统稳定工作的情况下是固定的,和原先设定的相位差叠加得到的总相位差也是固定的,因此仍然满足相干条件。至于造成的偏离初始设定相位差,可通过对编程设定的相位延迟进行调整而得到补偿。可见,同一块PCI插卡上的四个通道容易同步而满足相干条件。图2所示是同一块板上两个通道发射相干超声波的实测波形,每个通道发射四个周期的正弦波,频率为3.125MHz,峰-峰值幅度约为27V,每个通道发射持续时间为1.28μs,两个通道间的相位延迟为180ns。由图可见开始发射和结束发射时两个通道间的相位差不变,它们发射的超声波满足相干条件。2.2用光纤或同轴电缆传递实验系统主机箱内插有四块PCI插卡,每块插卡上有四个超声发射/接收通道,共构成16通道的相控阵系统。插卡间的同步问题比同一插卡上的四个通道的同步问题复杂一些。该系统的规模还不大(16通道),对于更大规模的实用系统其阵元数可达几十甚至几百个,显然更不可能将所有的通道都集中在一块电路板上,必然要以分组的形式将全部发射/接收通道做在若干块板上,这样板间同步问题的解决就具有普遍意义。在该系统中,采用一个简单易行的方法实现了板间同步,即设计了一根板间同步信号线或称之为全局同步线,这根信号线通过电缆连到各个PCI插卡。其中一块PCI插卡作为主控卡,卡上CPU发出全局同步信号(正脉冲),作为四块插卡16个通道的同步信号。前面已经阐述过同一PCI插卡上的四个通道之间都能很好地同步,而插卡与插卡间的同步精度主要取决于各卡所使用的时钟频率的差异。对于相控阵系统而言为保证各通道间的相位差恒定需要系统有很高的定时精度,最好是使用统一的时间基准。但是该系统使用单一的时间基准存在困难,因为该系统是由多块PCI插卡构成,PCI总线并不提供专用的时钟信号线(其33MHz时钟不是为仪器应用而设计,使用困难),如要使用单一时钟,则必须用电(光)缆在插卡间传递60MHz的时钟信号,这么高频率的信号只有用光纤或同轴电缆传递才能保证质量,但这会增加系统的复杂性。该系统是一个相控阵超声实验系统,为实现方便,没有使用光纤和同轴电缆,而是在四块PCI插卡上各使用了一个60MHz的晶振,由以下分析可知在一定使用条件下这种时钟方案是足可满足各通道发射相干超声波的条件的,分析推导如下ϕm=ωmt+θm+γm(1)ϕm=ωmt+θm+γm(1)式中ϕm——第m个阵元发射超声波的相位值ωm——发射角频率t——以全局同步信号为零点的时间变量θm——对阵元编程设定的相位初值γm——因D/A转换、功率放大等环节造成的附加相位延迟同样可得到第n个阵元发射的相位值表达式ϕn=ωnt+θn+γn(2)ϕn=ωnt+θn+γn(2)式(1)和(2)相减,得到第m个阵元和第n个阵元的发射相位差ϕm−ϕn=(ωm−ωn)t+θm+γm−θn−γn(3)ϕm-ϕn=(ωm-ωn)t+θm+γm-θn-γn(3)式(3)中θm,γm,θn和γn都为常数,在整个发射过程中保持不变,而(ωm-ωn)t项则有可能在发射过程中变化。若第m和第n个阵元在一个PCI插卡上则采用同一个60MHz时钟,故有ωm=ωn使得总相位差在发射过程中恒定;若两者不在一个PCI插卡上则有ωm≠ωn,总相位差将在发射过程中变化,从而破坏相干条件。可作进一步误差分析Δ(ϕm−ϕn)=(ωm−ωn)Δt=2π(fm−fn)Δt30(4)Δ(ϕm-ϕn)=(ωm-ωn)Δt=2π(fm-fn)Δt30(4)式中fm,fn——第m和第n个阵元所在PCI插卡的晶振频率上式分母中的30表示在60MHz的时钟频率下合成2MHz的激励信号,则每个周期包含30个波形数据。一般普通无补偿晶振的频率准确度可达到50×10-6以内,则|fm-fn|≤60×106×2×50×10-6=6000Hz,那么在100μs时间内|Δ(ϕm-ϕn)|≤0.04π,即相位差的变化≯7.2°,对应于2MHz激励信号0.01μs的时间误差内,钢中的纵波声程为59μm。这么小的误差不会破坏相干条件,声场的叠加干涉依然有效。更进一步,在超声相控阵检测的应用条件下,系统工作在非连续超声发射状态,此时2MHz的激励信号持续20个周期只有10μs,在这么短的时间段内因晶振频率不同造成的相位差变化又要小一个数量级,因而完全能达到同步精度要求。在超声医学治疗的应用条件下,系统工作在连续超声发射状态,这时因晶振频率不同造成的相位差变化会随时间累计到相当大的误差而破坏相干条件。可以通过选用同一批次的高精度晶振(如5×10-6)将误差减小一个数量级,使1ms时间段内的相位差变化维持在7.2°,仍然在允许误差范围内,但更长时间段内的累计误差仍会超过允许范围。图3所示是不同板上两个通道发射相干超声波的实测波形,两个通道间的相位延迟为320ns,其余条件同图2。由图3可见,虽然两个通道在不同板上且使用的是两个独立的60MHz晶振,但在不太长的时间段内(四个周期持续发射时间为1.28μs)通道间相位差仍保持不变,它们发射的超声波满足相干条件,能够进行相控阵叠加合成稳定声场。3大规模超声相控阵治疗相关理论研究如前所述,在小规模超声相控阵系统中以及在短时发射超声波的情况下,上述同步措施是有效的,能够满足产生相干波在空间叠加的要求。但对于大规模系统使用一根电缆连到各电路板传递同步信号就比较勉强,因为跨越空间范围大造成传输延时,更重要的是作为全局同步信号负载较大容易造成波形劣化,另外走线太长也容易受到干扰。这时可以考虑更换系统硬件平台。PXI总线和VXI总线都是专门的仪器总线,它们都包括专门的同步信号线用以同步各个模块,将系统移植其上可以解决全局同步信号问题。前面已论证在采用高精度晶振的条件下在1ms时间段内可得到相干的连续波,那么对于长时间段可以设法将其分成若干个1ms的时间段,使每个1ms时间段都重新同步一次,则总的效果就是在长时间段内也满足相干条件(图4)。由图4可见,全局同步信号不再是一个正脉冲,而是以1ms为周期的若干个负脉冲。在第一个脉冲正沿到来时,启动了系统中所有的阵元按各自设定的相位延迟发射超声波,1ms过后各阵元的发射波形还保持为相干波但已累计了一定的相位误差;此时全局同步信号产生一个5μs的负脉冲,关闭了系统中所有发射通道并将波束控制CPLD中的地址计数器均清零,5μs过后同步信号正沿再次启动第二个1ms时间段的波形发射,如此继续下去。由于在5μs的负脉冲期间所有地址计数器清零,于是累计相位误差也清零,在下一个脉冲正沿到来时又获得了严格的同步。长时间的连续波发射被打断成短时间段发射,电路的工作/间歇比为1000/5=200,完全不影响功率超声治疗的效果。前面已经推导证明,破坏相干波形成条件的主要因素在于各电路板(插卡)采用不同的晶振,由于各晶振之间频率有微小差异造成随时间增加的相位误差不断累积而超出允许值。如果各电路板都采用同一个采样时钟,则在理论上就可将相位误差完全消除。大规模超声相控