本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的合成子孔徑技術(shù)與全聚焦方法的研究

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【摘要】：在高速鐵路、核工業(yè)、石化等領(lǐng)域中,由于工件的疲勞、摩擦和應(yīng)力所產(chǎn)生的缺陷,隨著時間生長或斷裂,從而導(dǎo)致重大的安全事故。所以這對實(shí)時在線檢測金屬工件中的缺陷,消除安全隱患,提出了越來越高的要求。在高速鐵路方面,輪軌的內(nèi)部缺陷的無損檢測采用常規(guī)超聲技術(shù)和相控陣超聲技術(shù),落輪和非落輪的定時檢測得到了現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用。目前,基于常規(guī)超聲相控陣的工業(yè)無損檢測,雖然實(shí)現(xiàn)容易且處理簡單,但設(shè)備較復(fù)雜,集成度不高。近年來,全聚焦算法(Total Focusing Method)技術(shù)因?yàn)槠涓吒采w率和靈活性成為研究熱點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)對各種復(fù)雜材料的高精度檢測。為了獲得清晰度更好、分辨率更高的缺陷成像,本文基于超聲相控陣技術(shù),以全矩陣采集技術(shù)(Full Matrix Capture)作為采集原始缺陷數(shù)據(jù),以全聚焦算法(Total Focusing Method)作為數(shù)據(jù)后處理的數(shù)學(xué)模型,在FPGA平臺上加速了全聚焦算法速度,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速處理,并將相控陣作為合成孔徑的子孔徑,進(jìn)行了分布式步進(jìn)來構(gòu)造了更大的綜合合成孔徑,進(jìn)一步提高了缺陷成像質(zhì)量。首先,對全矩陣采集進(jìn)行了算法建模,考慮到TFM算法實(shí)現(xiàn)簡單且成像精度高,將其作為FMC的成像算法,并通過Matlab平臺進(jìn)行驗(yàn)證和分析。分析驗(yàn)證算法建模正確,缺陷成像精確高,單MATLAB算法的時間消耗較長。然后,為了提高成像速度,以FPGA這樣具有并行處理能力的平臺來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)全聚焦算法系統(tǒng)。經(jīng)過對比驗(yàn)證分析,FPGA全聚焦算法系統(tǒng)既保證了缺陷成像的高精度,又大幅縮短全聚焦算法處理時間。最后,將超聲合成孔徑技術(shù)與全矩陣采集-全聚焦算法相結(jié)合進(jìn)行缺陷成像,并從API和圖像信噪比兩方面進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明在超聲探頭陣元數(shù)不變的情況下,進(jìn)一步提高了全聚焦算法成像的質(zhì)量,驗(yàn)證了超聲合成孔徑技術(shù)對全聚焦算法成像質(zhì)量優(yōu)化的有效性。本論文研究為實(shí)現(xiàn)全聚焦算法的高質(zhì)量快速成像提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),對基于全聚焦算法的實(shí)時缺陷成像的發(fā)展具有很好的促進(jìn)意義。
【關(guān)鍵詞】：全聚焦算法 全矩陣采集 超聲相控陣 FPGA 超聲合成孔徑
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB559;TN791
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-16
• 1.1 論文的研究背景及意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3 論文的結(jié)構(gòu)及內(nèi)容安排14-16
• 第2章 超聲相控陣原理與全矩陣采集技術(shù)16-21
• 2.1 超聲相控陣技術(shù)概述16-18
• 2.1.1 超聲相控陣發(fā)射與接收16-17
• 2.1.2 超聲相控陣接收17-18
• 2.2 超聲相控陣關(guān)鍵技術(shù)18-19
• 2.3 全矩陣采集技術(shù)19-20
• 2.3.1 全矩陣采集技術(shù)簡介19-20
• 2.4 本章小結(jié)20-21
• 第3章 TFM算法及仿真驗(yàn)證21-29
• 3.1 TFM全聚焦算法21-23
• 3.1.1 全聚焦算法概要21
• 3.1.2 全聚焦算法原理21-23
• 3.2 全聚焦算法Matlab程序設(shè)計(jì)23-26
• 3.2.1 數(shù)據(jù)源采集方案23-24
• 3.2.2 算法實(shí)現(xiàn)24-26
• 3.3 Matlab仿真結(jié)果與驗(yàn)證26-28
• 3.4 本章小結(jié)28-29
• 第4章 基于FPGA的全聚焦算法實(shí)現(xiàn)29-55
• 4.1 FPGA簡介29-30
• 4.2 全聚焦算法FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)30-32
• 4.2.1 FPGA芯片選擇30-31
• 4.2.2 FPGA設(shè)計(jì)方案分析31-32
• 4.3 FPGA全聚焦算法系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)32-48
• 4.3.1 系統(tǒng)的FPGA總體設(shè)計(jì)方案32-34
• 4.3.2 ALU運(yùn)算單元的實(shí)現(xiàn)34-37
• 4.3.3 索引值運(yùn)算單元的實(shí)現(xiàn)37-41
• 4.3.4 整體算法控制與運(yùn)算單元的實(shí)現(xiàn)41-47
• 4.3.5 整體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)47-48
• 4.4 成像算法FPGA系統(tǒng)的驗(yàn)證48-49
• 4.5 處理速度分析49-54
• 4.6 本章小結(jié)54-55
• 第5章 基于合成孔徑的全聚焦成像優(yōu)化55-69
• 5.1 合成孔徑技術(shù)簡述55-56
• 5.2 超聲合成孔徑原理56-58
• 5.3 基于超聲合成孔徑的全矩陣采集系統(tǒng)58-61
• 5.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)58
• 5.3.2 搭建數(shù)據(jù)采集平臺58-61
• 5.4 基于成像質(zhì)量分析61-67
• 5.4.1 成像分辨率的影響63-65
• 5.4.2 圖像信噪比的影響65-67
• 5.5 本章小結(jié)67-69
• 總結(jié)與展望69-71
• 論文總結(jié)69
• 論文工作的不足和展望69-71
• 致謝71-72
• 參考文獻(xiàn)72-77
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文及科研成果77

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