本发明属于超声层析成像技术领域，涉及一种基于超声投射和反射原理的超声平面波扫描成像系统。
背景技术：
多相流动现象广泛存在于生物工程、油气开采、化工产业、冶金工业、食品加工等现代工业过程中，对其流动过程参数的准确检测对生产过程的监控、管理、分析与设计，以及确保装置可靠运行、提高生产效率具有十分重要的意义。在科学研究与工业应用中，多相流的检测手段需要对被测流体不产生任何扰动，而超声法由于其结构简单、非扰动、造价低而备受关注。
超声检测是一种应用较为广泛的技术，在医学监测、流体测量中有其独特的优势，超声波在流体中传播时不会破坏流体的流场，没有压力损失，且对于人体无害安全性较高。同时若将检测元件置于管道外壁，可以避免与流体直接接触，降低传感器的腐蚀程度。由于超声波在不同声阻抗介质中的传播速度不同，可以利用超声在多相流介质中的传播特性获取传播通路上的相介质分布信息，如介质的平均声阻抗或声速等。特别是气相与液相界面处声阻抗的巨大差异，使得超声在气液界面的反射特性极为明显(可达99％)，因此超声对气液分界面有极好的分辨能力。超声相控阵层析成像方法可通过安装于管道同一截面处的多个超声相控阵探头，以非扰动的形式获得被测截面内部不同声阻抗介质的分布信息，如能有效利用超声在多相流中的透射和反射效应，可准确、全面地实现多相流相分布的可视化重建以及分布参数的估计。
传统的基于单晶片超声探头的层析成像技术具有一定的局限性：单探头发射声波为扇形(锥形)，扫描范围窄，宽发射角条件下的旁瓣衰减较大，且超声路径中的气泡投影存在着扩大趋势，不能够实现方向扫描，凹陷面和多气泡情况下图像重建效果精度不高。
超声相控阵技术由于其优越的声束可达性，具有探测范围广、探测角度灵活、探测效率高、探测效果好、探测结果可视等优良特性。其技术核心在于由若干压电晶片组合而成的相控阵阵列探头，通过对探头中每个阵元被激发时间的控制，来实现超声波的相控发射，进而实现波束的偏转和聚焦。
近年来国内相继推出了一些用于工业检测的超声相控阵仪器系统，但此类产品主要用于金属探伤或焊缝检测，扫描方式比较固定且只能连接单个超声相控阵探头进行检测。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于多相流测量的阵列式超声扫描成像系统，针对目前用于多相流测量的超声层析成像系统通道数较少、成像精度较低的问题，采用超声相控阵探头提高检测通道数量，使用模块化的设计方案简化大量通道系统的复杂度，同时便于系统的扩展和维护。本发明的技术方案如下：
一种用于多相流测量的阵列式超声扫描成像系统，采用模块化的设计方案，包括超声相控阵传感器、主控模块、m个收发前端模块和背板，其特征在于，
所述的超声相控阵传感器由m个超声相控阵探头均匀分布在被测管段的相同截面位置，每个超声相控阵探头由n个阵元线性排列而成，各个阵元均能够单独进行激励和接收。依据设定的扫描方式产生不同角度的平面波进行扫描，每个超声相控阵探头发射一组不同角度的平面波扫描结束后，切换至其相邻的下一个超声相控阵探头进行激励，直至所有超声相控阵探头按顺序扫描一圈后，完成一幅截面数据的激励与采集；
所述的主控模块，包括fpga、dsp、数据存储芯片、usb管理芯片和srio交换芯片；通过usb对外接收配置参数，在dsp中依据配置的阵元间距d，波束偏转角度θ和介质声速c计算出相邻两阵元的激励时延间隔δt：
通过4xsrio总线将计算得到的激励时延间隔δt经背板发送给收发前端模块；由fpga对各个收发前端模块的收发工作模式进行配置；接收收发前端模块发送的回波数据并进行存储，在dsp中通过成像算法将回波数据处理为图像数据，通过usb将图像数据发送到计算机显示图像；
所述的收发前端模块，包括fpga、超声激励单元和超声接收单元，每个收发前端模块连接一个超声相控阵探头，能够实现n通道的超声收发控制；fpga将主控模块发送的时延数据配置到超声激励单元；激励单元包括波束成形芯片和高压脉冲发射芯片，波束成形根据fpga配置的参数产生相应的控制信号，产生相应的脉冲激励信号，此脉冲激励信号使超声相控阵探头各个阵元在不同时刻发射相同频率的超声波，这些超声波经过叠加会形成带有波束偏转角度的平面波，接收单元将模拟回波信号转换成数字信号发送回fpga中进行解调，fpga将解调后的数据发送给主控模块；
所述背板，用于连接主控模块和收发前端模块，并对各个模块提供供电。
背板的设计基于vita46.0中的vpx背板设计标准。
本发明针对管道内多相流检测方面提出一种阵列式超声扫描成像系统，采用多个超声相控阵探头均匀排布在管道同一截面的形式，每个超声相控阵探头由单独的收发模块控制，各个收发模块由主控模块统一调配，提高了系统的集成度与灵活性，有益效果及优点如下：
1、采用多个超声相控阵探头环绕的形式进行成像，与传统的单探头相控阵检测系统相比，可以实现透射和反射两种模式的成像。
2、采用模块化的设计方案，降低系统的设计和制作成本，便于系统的扩展与维护。
3、采用4xsrio总线进行板间数据传输，最高数据传输速度能够达到5gbps，使系统具有较高的实时性和快速性。
4、背板的设计基于vita46.0中的vpx背板设计标准，使系统具备很强的抗震性与抗电磁干扰能力，保证了系统能够在复杂多变的环境中稳定工作。
附图说明
以下描述了本发明所选择的实施例，均为示例性图而非穷举或限制性，其中：
图1是本发明实施例阵列式超声扫描成像系统的说明框图；
图2是实施例中超声相控阵探头的排布方式示意图；
图3是单个超声相控阵探头发射带有偏转角度的平面波束的示意图；
图4是实施例中主控模块的结构示意图；
图5是实施例中收发前端模块的结构示意图；
图6是实施例中背板的拓扑结构图；
图7是实施例中阵列式超声扫描成像系统单次扫描成像的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：
本发明提供的用于多相流测量的阵列式超声扫描成像系统，采用模块化的设计方案，包括超声相控阵传感器、主控模块、收发前端模块和背板.
本实施例中每个收发前端模块连接一个16阵元超声相控阵探头，共有八个收发前端模块控制128通道的超声收发。各个收发模块的工作模式和扫描方式由主控模块统一调配。
图1描述了本发明的整体结构框图，包括主控模块、收发前端模块、背板连接模块和超声相控阵传感器。系统通过usb与工控机进行数据交换。
图2描述了超声相控阵探头在管道周围的排布方式，八个16阵元超声相控阵探头均匀嵌入到管壁相同深度处，以保证每个阵元产生的超声波在经过耦合剂、管壁等过程中的折射角度可计算。
图3描述了单个超声相控阵探头发射带有偏转角度的平面波的示意图，首先根据设置的阵元间距d，波束偏转角度θ和介质声速c计算出相邻两阵元的激励时延间隔δt，表示如下：
只需将各个通道的激励时延设为t1＝0，tn＝tn-1 δt，n＝1，耀，…8,即可产生偏转角度为θ的平面波束。
图4描述了系统主控模块的结构框图，包括fpga、dsp、数据存储芯片、usb管理芯片和srio交换芯片。所述usb管理芯片对usb的数据读写进行控制，与计算机进行数据交换；srio交换芯片具有多个srio终端节点，通过对各个终端节点的地址分配，可以实现一个节点发送、一个或多个节点接收数据；fpga负责对整个系统各个模块及整体工作流程的协调控制；dsp负责数据计算、分配和传输，其主要功能包括与计算机之间的usb数据传输、与各前端模块间的srio数据传输、通过延时算法依据偏转角度计算各通道的激励延时、通过成像算法由回波的幅值和时间信息计算出最终的图像数据。
图5描述了系统收发前端模块的结构框图，包括fpga、超声激励单元和超声接收单元，所述超声激励单元包括波束成形芯片和高压脉冲发射芯片，接收单元包括收发开关、rc滤波电路、单端转差分电路和超声模拟前端芯片。fpga接收来自主控模块的波束信息数据，并将其配置到波束成形芯片的内部寄存器中；波束成型芯片会根据这些数据产生相应频率和延时的控制信号；高压脉冲发送芯片内部集成了缓冲隔离电路、mosfet驱动电路及mosfet开关，缓冲隔离电路将高压模拟信号和数字控制信号隔离开，防止高压信号对数字信号造成损坏，波束成形芯片产生的控制信号经隔离电路给到mosfet驱动电路，控制mosfet的导通和关断来产生相应的高压脉冲激励信号；高压脉冲发射芯片的输出端与超声相控阵探头相连，产生的高压脉冲信号会激励探头产生相应偏转角度的平面波束；由超声相控阵探头接收到的回波信号经过收发开关和rc滤波电路滤除掉高压激励信号和高频噪声信号，在经由单端转差分电路转换为差分信号传送到超声模拟前端芯片；超声模拟前端芯片内部集成了滤波器、可编程增益放大器和模数转换器，可将模拟回波信号转换为数字信号；转换后的数字信号被发送到fpga中进行解调得到模拟回波信号的幅值及渡越时间。
图6描述了本实施例中背板的拓扑结构，共有slot1-9九个插槽，其中slot5连接主控模块，slot1-4、6-9连接收发前端模块，各个模块之间形成以主控模块为核心的星型连接结构，背板设计依据vita46.0中vpx背板设计标准，板间连接稳固，具有较强的稳定性和抗震性。
图7描述了系统的整体工作流程：
第一步：由计算机将平面波角度信息发送给主控模块、由主控模块的dsp依据角度信息和延时算法计算出每次激励的各通道延时数据，并将这些数据通过srio总线发送给收发前端模块的fpga。同时，由主控模块的fpga选择slot1连接的收发前端模块的工作模式为收发模式，其余收发前端模块为接收模式。
第二步：slot1连接的收发前端模块的fpga将第一个偏转角度的延时数据配置到波束成型芯片的寄存器中，波束成型芯片会产生相应的控制信号控制高压脉冲芯片产生带有延时的脉冲激励信号，其连接的超声相控阵探头被激发产生带有相应偏转角度的平面波。
第三步：所有超声相控阵探头接收到的模拟回波信号都会发送给与其相连的收发前端模块，由超声模拟前端芯片进行滤波、放大和模拟/数字转换成数字信号，并将转换后的数字信号发送给fpga进行解调，提取出回波信号的幅值信息和渡越时间信息，并将其存储起来。
第四步：slot1连接的收发前端模块的fpga将下一个偏转角度的延时数据配置到波束成型芯片的寄存器中，重复第二、三步的过程，直至发射完单次扫描中所有扫描角度的平面波，完成一个探头的扫描。
第五步：由主控模块的fpga选择slot2连接的收发前端模块的工作模式为收发模式，其余收发前端模块为接收模式。由第二个超声相控阵探头进行上述扫描过程，以此类推，直至所有探头均完成扫描激励，完成一次循环扫描过程。
第六步：各个收发前端模块将存储的全部幅值和时间信息经srio总线发送到主控模块，在主控模块的dsp中对这些数据进行处理，依据成像算法将幅值和时间信息转换为最终的图像信息，由usb将得到的图像信息上传到计算机中显示出成像结果。
1.一种用于多相流测量的阵列式超声扫描成像系统，采用模块化的设计方案，包括超声相控阵传感器、主控模块、m个收发前端模块和背板，其特征在于，
所述的超声相控阵传感器由m个超声相控阵探头均匀分布在被测管段的相同截面位置，每个超声相控阵探头由n个阵元线性排列而成，各个阵元均能够单独进行激励和接收。依据设定的扫描方式产生不同角度的平面波进行扫描，每个超声相控阵探头发射一组不同角度的平面波扫描结束后，切换至其相邻的下一个超声相控阵探头进行激励，直至所有超声相控阵探头按顺序扫描一圈后，完成一幅截面数据的激励与采集。
所述的主控模块，包括fpga、dsp、数据存储芯片、usb管理芯片和srio交换芯片；通过usb对外接收配置参数，在dsp中依据配置的阵元间距d，波束偏转角度θ和介质声速c计算出相邻两阵元的激励时延间隔δt：
通过4xsrio总线将计算得到的激励时延间隔δt经背板发送给收发前端模块；由fpga对各个收发前端模块的收发工作模式进行配置；接收收发前端模块发送的回波数据并进行存储，在dsp中通过成像算法将回波数据处理为图像数据，通过usb将图像数据发送到计算机显示图像；
所述的收发前端模块，包括fpga、超声激励单元和超声接收单元，每个收发前端模块连接一个超声相控阵探头，能够实现n通道的超声收发控制；fpga将主控模块发送的时延数据配置到超声激励单元；激励单元包括波束成形芯片和高压脉冲发射芯片，波束成形根据fpga配置的参数产生相应的控制信号，产生相应的脉冲激励信号，此脉冲激励信号使超声相控阵探头各个阵元在不同时刻发射相同频率的超声波，这些超声波经过叠加会形成带有波束偏转角度的平面波，接收单元将模拟回波信号转换成数字信号发送回fpga中进行解调，fpga将解调后的数据发送给主控模块；
所述背板，用于连接主控模块和收发前端模块，并对各个模块提供供电。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，背板的设计基于vita46.0中的vpx背板设计标准。
技术总结