利用NILabVIEW和PXI進(jìn)行診斷聲納的獲取與超聲相控

Author(s):
David Lines - Diagnostic Sonar Ltd.

Industry:
Machine Vision/Imaging, Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW, LabVIEW FPGA Module, Vision, PXI/CompactPCI, Digitizers/Oscilloscopes

The Challenge:
創(chuàng)建一個(gè)用于快速采集面向高級(jí)無損探傷應(yīng)用的超聲相控陣列回波信號(hào)的、可伸縮的、低成本系統(tǒng)。

The Solution:
利用NI PXI 控制器與機(jī)箱、多通道高速量化儀和可重新配置的I/O FPGA 實(shí)時(shí)控制器，以及NI LabVIEW 軟件，設(shè)計(jì)一個(gè)具有嚴(yán)格定時(shí)與同步的可擴(kuò)展的采集系統(tǒng)，以執(zhí)行面向?qū)崟r(shí)超聲圖像處理的相控陣列數(shù)據(jù)采集。

背景
超聲相控陣列已經(jīng)在醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用多年，但由于成本和復(fù)雜度的限制，該技術(shù)直到最近才在無損探傷（NDE）領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)有限的成功應(yīng)用。診斷聲納有限公司在航空NDE的實(shí)時(shí)圖像處理中已經(jīng)有三十年的陣列技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。這一背景支持我們率先研究一項(xiàng)新的主要功能――所謂的完全原始數(shù)據(jù)（FRD）的收集與處理，它賦予客戶顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但也對(duì)數(shù)據(jù)采集軟硬件提出了新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的脈沖回波超聲陣列圖像處理技術(shù)涉及超聲陣列中一組元素的相位激勵(lì)――不同元素之間匹配不同傳播路徑的延遲以生成具有特定聚焦和方向的光束。模擬接收過程涉及在插入不同的延遲后將一組相似元素的信號(hào)相組合。這些時(shí)延可以隨時(shí)間變化，以便接受焦點(diǎn)跟蹤傳輸脈沖，這個(gè)過程稱為動(dòng)態(tài)聚焦。圖像由一個(gè)掃描興趣區(qū)域所得的光束序列組成。如果幀速率超過15 赫茲，用戶則認(rèn)為這是實(shí)時(shí)性能。然而，區(qū)域覆蓋則要求高得多的數(shù)據(jù)速率，通常要達(dá)到100 赫茲。

與之相反，F(xiàn)RD收集所有發(fā)送和接收元素組合的脈沖回波數(shù)據(jù)，并通過后續(xù)處理生成所得到的結(jié)果圖像，進(jìn)而支持發(fā)送及接收的動(dòng)態(tài)聚焦以獲得最佳精度。該項(xiàng)新技術(shù)還提供了數(shù)項(xiàng)獨(dú)特的可能處理，例如非線性光束成形與后向散射分析。

先前的系統(tǒng)局限
我們先前的圖像處理系統(tǒng)“裂紋探測(cè)系統(tǒng)”是基于PC 的，使用NI圖像采集板卡以及LabVIEW采集非標(biāo)準(zhǔn)視頻格式的超聲圖像數(shù)據(jù)。我們選擇LabVIEW，是因?yàn)樗鼭M足了我們的初步需求――能夠快速開發(fā)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的用戶界面、方便地控制現(xiàn)成可用硬件、定制硬件以及利用NI 視頻開發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像采集與處理。這樣的軟硬件組合非常適合“傳統(tǒng)的”實(shí)時(shí)脈沖回波圖像處理應(yīng)用。然而，圖像處理板塊的單通道特性限制了FRD 的區(qū)域覆蓋速率。唯一的解決方案便是并行采集，但并行采集多個(gè)圖像處理板卡的成本高得驚人。診斷聲納公司利用NI LabVIEW 軟件與PXI 硬件，設(shè)計(jì)了一個(gè)面向?qū)崟r(shí)超聲圖像處理的相控陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

NI 系統(tǒng)解決方案
該解決方案便是移植至NI PXI-5105 多通道數(shù)字化儀/ 基于PC 的示波器，該產(chǎn)品的靈活性足以處理我們需要的圖像格式，并提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的軟件更新方式。

每臺(tái)NI PXI-5105 通過八個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，支持單個(gè)模塊替換八個(gè)圖像采集板卡的任一個(gè)，并顯著降低成本、減小尺寸。我們可以僅利用四個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)32-通道的采集系統(tǒng)。PXI-5105還實(shí)現(xiàn)了性能的提高――相比我們先前系統(tǒng)的40 MS/s采樣率下10-位的精度，該系統(tǒng)為60 MS/s 采樣率下12- 位的精度。

所有采集板卡間的嚴(yán)格同步基本是必需的，因此，我們?cè)谛切斡|發(fā)器插槽內(nèi)使用一個(gè)NI PXI-7830R，用于早先在定制FPGA 中實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵定時(shí)與控制功能。

利用每個(gè)模塊的八個(gè)通道、高精度采樣（幅值與時(shí)間）、多記錄格式和一個(gè)面向LabVIEW的標(biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動(dòng)程序接口，PXI-5105憑借其靈活性與模塊性實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通道容量幾乎不受限制的堅(jiān)固系統(tǒng)，因此，我們可以方便地配置系統(tǒng)以滿足客戶的性能需求與預(yù)算要求。

挑戰(zhàn)
FRD方法引入了兩大主要挑戰(zhàn)。第一個(gè)挑戰(zhàn)便是數(shù)據(jù)中數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，這可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出總線傳輸?shù)娜萘?。PXI-5105 的板上提供了緩存功能，使得傳輸受限于平均速率而不是峰值速率。當(dāng)對(duì)較小區(qū)域進(jìn)行非?？焖贁?shù)據(jù)采集時(shí)，我們會(huì)超過這一速率；在此情況下，一旦采集數(shù)據(jù)溢出時(shí)，板上內(nèi)存足以容納所有傳輸數(shù)據(jù)。第二個(gè)挑戰(zhàn)便是在采集過程中將數(shù)據(jù)重構(gòu)成圖像的必要性。我們發(fā)現(xiàn)NI 視覺開發(fā)模塊的速率足以實(shí)時(shí)執(zhí)行這一基本圖像處理操作。

總結(jié)
NI硬件與NI LabVIEW軟件已經(jīng)在面向無損探傷應(yīng)用的診斷聲納公司的“裂紋檢測(cè)系統(tǒng)”超聲相控陣列圖像處理設(shè)備最新系列中證明了其自身價(jià)值。我們新的FRD 數(shù)據(jù)采集方式為客戶提供了許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)有的單通道配置會(huì)導(dǎo)致區(qū)域覆蓋速率的顯著下降。我們需要多個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，但多個(gè)單通道板卡帶來的額外成本與尺寸并不可行。PXI-5105 所提供的解決方案不僅可以擴(kuò)展以滿足客戶的需求，還具有提供簡(jiǎn)單的軟件移植方式的記錄功能。