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        相控陣檢測系統

        作為現代工業的基礎技術之一,無損檢測被譽為工業界的“質量衛士”。早在明朝時期,科學技術著作《天工開物》就記載了根據聲音頻率變化來判斷物體內部結構的檢驗方法。當前,超聲檢測因檢測靈敏度高、聲束指向性好、對裂紋等危害性缺陷檢出率高、適用性廣泛等優點,在無損檢測領域占有重要的地位。

        近日,中國科學院聲學研究所超聲技術中心研發了基于現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的全并行計算架構,有效加速了超聲全聚焦檢測(Total Focusing Method,TFM)成像,實現實時成像的無損檢測,可廣泛應用于工業檢測領域。

        全聚焦檢測是基于超聲全數據采集的后處理成像方法,在每一個成像位置均利用完備的檢測信息進行聚焦成像,檢測分辨率和靈敏度顯著高于常規相控陣檢測技術,被稱為“黃金法則”。由于數據量和計算量巨大,長期以來全聚焦檢測無法實時成像,難以應用于實際工業檢測。國內外學者曾采用圖形處理器(Graphic Process Unit,GPU)等計算平臺對TFM算法加速,但受制于傳輸時間消耗和平臺并行化程度,實時TFM成像始終不能達到檢測要求。

        據此,聲學所超聲技術中心檢測聲學和NDT課題組研發出相控陣檢測系統,采用現場可編程門陣列,針對TFM算法專門設計了并行計算架構,利用FPGA芯片內部的DSP資源對計算結果進行實時數字信號處理。該計算架構可并行獨立合成多個TFM像素,極大地提高了成像計算效率,同時又能保證成像質量。整個TFM算法可完全在該FPGA架構內完成計算,最后只需將成像結果傳輸至顯示軟件,即可進行圖像觀察、分析診斷等。在同樣的檢測條件下,相比國內外現有的TFM計算方案,基于FPGA的并行計算平臺將TFM計算效率提高了4.3倍,同時大幅降低了TFM成像系統復雜度、軟件計算壓力以及對帶寬傳輸的需求。驗證實驗以鋼內橫通孔為模擬缺陷,實驗結果顯示,基于FPGA的TFM算法可對橫通孔實現良好成像,成像效率可達312.5Hz。在增加成像區域和提高成像像素數量時,計算效率維持穩定,具有較好的魯棒性和實用性。

        該研究成果改變了傳統成像計算方式,充分利用了目前高速發展的可編程集成電路優勢,而不再需要處理器進行繁重的疊加運算,顯著提高了TFM成像計算效率,有利于促進超聲全聚焦檢測應用于工業現場,滿足現代工業無損檢測的高分辨率、快速自動化檢測需求。


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