【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工业上的无损探伤检测的，尤其涉及一种基于fpga全聚焦成像方法与系统。
技术介绍
1、现如今，随着科技的发展，超声波相控阵检测得到了显著的发展，现在被大量提及并应用于无损探伤检测领域，全聚焦成像算法是众多相控阵成像算法中先进算法之一，在全聚焦成像算法提出以来很长一段时间内，由于大量的数据采集和计算需求，它只能离线实现，而实时监测是无损探伤检测的一个重要指标，因此追求全聚焦成像运算效率的提升一直是人们努力的方向。
2、在现有全聚焦算法中有采用gpu、fpga等并行运算特性的平台来实现全聚焦算法，但gpu受到原始数据传输速度的瓶颈和固有的串行执行的性质的限制，因此其实时成像只能在低配置下实现，当阵元数量增加或者是成像像素点数量增加时，帧率将会严重下降。也有利用fpga实现全聚焦成像的设计，但是没有充分利用fpga的并行运算，导致效率低，并且通常飞行时间是由软件运算然后由fpga自外部内存获取，这消耗了不少时间，限制了带宽。
3、现如今还有很多全聚焦成像算法是利用超声相控阵采集到的全矩阵数据，然后在上位机进行采用相关的全聚焦算法对数据进行处理，即使采用了更好的成像算法压缩了成像时间，但是由于数据传输本身需要较多的时间，因此总体成像速度并没有得到太大的改善。
4、例如申请号为202410011837.x的专利技术专利涉及一种基于fpga和gpu的超声全聚焦波数域成像方法、系统及装置，使用波数域方法实现相控阵超声全聚焦成像以及平面波全聚焦成像，通过对全矩阵采集回波数据作快速傅里叶变换并作带
技术实现思路
1、针对现有技术中在fpga内部实现全聚焦成像并行度不高，成像效果不佳的技术问题，本专利技术提出一种基于fpga全聚焦成像方法与系统，加快了成像速率，可以实现高帧率实时成像，适用于多种应用场景。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于fpga全聚焦成像系统，包括依次连接的相控阵系统、fpga模块、fx3模块和上位机，fpga模块包括全局信号控制模块、数据收集模块、spi发送模块、时钟模块、飞行距离计算模块、数据索引模块、全聚焦运算模块、成像数据输出模块、寄存器配置模块和uart接收模块，全局信号控制模块、数据收集模块、spi发送模块均与相控阵系统相连接，数据索引模块和全聚焦运算模块均与数据收集模块相连接，飞行距离计算模块和数据索引模块相连接，fx3模块和全聚焦运算模块均与成像数据输出模块相连接，fx3模块和寄存器配置模块均与uart接收模块相连接，全局信号控制模块、数据收集模块、spi发送模块、飞行距离计算模块、数据索引模块、全聚焦运算模块、成像数据输出模块、寄存器配置模块和uart接收模块均与时钟模块相连接。
3、所述相控阵系统包括至少一个阵元，数据收集模块和spi发送模块均与阵元相连接。
4、所述基于fpga全聚焦成像系统的成像方法，步骤包括：
5、s1：由上位机通过控制fx3模块的内部的uart发送模块下发指令到fpga模块的uart接收模块配置寄存器配置模块中的相关寄存器；
6、s2：将成像区域划分为网格，每个网格代表一个像素点；
7、s3：在完成寄存器配置后，通过上位机发送全聚焦信号，接收到全聚焦信号的全局信号控制模块发送控制信号给相控阵系统，利用相控阵系统中的一个阵元向一个像素点发送声波信号并收集被反射的声波信号；
8、s4：将收集到的被反射的声波信号传输至fpga模块，并对声波信号进行成像运算，得到初步聚焦图像；
9、s5：利用相控阵系统的下一个阵元重复步骤s3-s4，并利用全聚焦算法将得到的得到初步聚焦图像进行叠加，直到所有阵元都发送过一次声波，完成一次全聚焦成像；
10、s6：将全聚焦成像数据传输给上位机，并进行第二帧数成像。
11、步骤s2所述利用相控阵系统发送声波信号并收集被反射的声波信号的方法为：
12、当相控阵系统接收到控制信号后，相控阵系统利用一个阵元对成像区域的一个像素点发射声波信号，随后，相控阵系统利用所有阵元对被反射的声波信号进行收集，在完成收集后，相控阵系统利用该个阵元对成像区域的下一像素点发射声波信号，重复上述周期步骤，直至所有该阵元对所有像素点均完成一次声波信号发射。
13、步骤s4所述对声波信号进行成像运算的方法为：
14、s41：利用fpga模块，基于探测区域以及声波传播速度将把每个阵元接收到的回波信号分别存储至数据收集模块中对应的块随机存储器；
15、s42：完成一个周期步骤后，利用飞行距离运算模块迭代计算，得到发送阵元发送声波然后到达聚焦范围内后被接收阵元接收的声波传输距离；
16、s43：完成所有周期步骤后，得到初步聚焦图像。
17、步骤s41所述于探测区域以及声波传播速度将把每个阵元接收到的回波信号分别存储至数据收集模块中对应的块随机存储器的公式为：
18、存储深度＝采样频率*(发射阵元到像素点的距离+接受阵元到像素点的距离的最大值)/声波传播速度。
19、步骤s42所述利用飞行距离运算模块迭代计算的方法为：
20、在一个周期步骤中，飞行距离运算模块在收集到一定数量回波信号之后，采用coridc算法对所聚焦的像素点进行迭代计算，得到一个像素点到每个阵元的距离，将一个像素点到每个阵元的距离相加得到相加后的飞行距离，即为发送阵元发送声波然后到达聚焦范围内后被接收阵元接收的声波传输距离。
21、步骤s43得到初步聚焦图像的方法为：
22、完成所有周期步骤后，将所有周期步骤中得到的声波传输距离在全聚焦运算模块进行一次累加，得到初步聚焦图像。
23、步骤s5所述全聚焦算法为：
24、聚焦的过程可以用公式表示为：
25、
26、其中，p(x,z)为像素网络中像素的坐标，tip和tjp分别是发送超声波的阵元和接收回波的阵元与像素点p之间的飞行时间，对每一个像素点p的重构都是对n2个选定样本的基本信号进行累加实现的。
27、步骤s6所述将全聚焦成像数据传输给上位机的方法为：
28、将全聚焦成像数据通过成像数据输出模块将成像数据通过usb协议以fx3模块为桥梁传输给上位机，上位机根据接收图像情况发送第二帧数据请求，fpga内部重复s1-s6，直至完成第二帧数成像。...
【技术保护点】
1.一种基于FPGA全聚焦成像系统，其特征在于，包括依次连接的相控阵系统、FPGA模块、FX3模块和上位机，FPGA模块包括全局信号控制模块、数据收集模块、SPI发送模块、时钟模块、飞行距离计算模块、数据索引模块、全聚焦运算模块、成像数据输出模块、寄存器配置模块和UART接收模块，全局信号控制模块、数据收集模块、SPI发送模块均与相控阵系统相连接，数据索引模块和全聚焦运算模块均与数据收集模块相连接，飞行距离计算模块和数据索引模块相连接，FX3模块和全聚焦运算模块均与成像数据输出模块相连接，FX3模块和寄存器配置模块均与UART接收模块相连接，全局信号控制模块、数据收集模块、SPI发送模块、飞行距离计算模块、数据索引模块、全聚焦运算模块、成像数据输出模块、寄存器配置模块和UART接收模块均与时钟模块相连接。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA全聚焦成像系统，其特征在于，所述相控阵系统包括至少一个阵元，数据收集模块和SPI发送模块均与阵元相连接。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA全聚焦成像系统的成像方法，其特征在于，步骤包括：
4.根据权利要
5.根据权利要求3或4所述的基于FPGA全聚焦成像系统的成像方法，其特征在于，步骤
6.根据权利要求5所述的基于FPGA全聚焦成像系统的成像方法，其特征在于，步骤S41所述于探测区域以及声波传播速度将把每个阵元接收到的回波信号分别存储至数据收集模块中对应的块随机存储器的公式为：
7.根据权利要求6所述的基于FPGA全聚焦成像系统的成像方法，其特征在于，步骤S42所述利用飞行距离运算模块迭代计算的方法为：
8.根据权利要求7所述的基于FPGA全聚焦成像系统的成像方法，其特征在于，步骤S43得到初步聚焦图像的方法为：
9.根据权利要求8所述的基于FPGA全聚焦成像系统的成像方法，其特征在于，步骤S5所述全聚焦算法为：
10.根据权利要求8或9所述的基于FPGA全聚焦成像系统的成像方法，其特征在于，步骤S6所述将全聚焦成像数据传输给上位机的方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于fpga全聚焦成像系统，其特征在于，包括依次连接的相控阵系统、fpga模块、fx3模块和上位机，fpga模块包括全局信号控制模块、数据收集模块、spi发送模块、时钟模块、飞行距离计算模块、数据索引模块、全聚焦运算模块、成像数据输出模块、寄存器配置模块和uart接收模块，全局信号控制模块、数据收集模块、spi发送模块均与相控阵系统相连接，数据索引模块和全聚焦运算模块均与数据收集模块相连接，飞行距离计算模块和数据索引模块相连接，fx3模块和全聚焦运算模块均与成像数据输出模块相连接，fx3模块和寄存器配置模块均与uart接收模块相连接，全局信号控制模块、数据收集模块、spi发送模块、飞行距离计算模块、数据索引模块、全聚焦运算模块、成像数据输出模块、寄存器配置模块和uart接收模块均与时钟模块相连接。
2.根据权利要求1所述的基于fpga全聚焦成像系统，其特征在于，所述相控阵系统包括至少一个阵元，数据收集模块和spi发送模块均与阵元相连接。
3.根据权利要求2所述的基于fpga全聚焦成像系统的成像方法，其特征在于，步骤包括：
<...【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，营笑，李苛，陈世利，曾周末，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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