全聚焦超声成像算法在FPGA中的实现文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. 超声相控阵检测技术

超声检测技术是一种典型的无损检测技术。无损检测技术是指利用光，声波，电磁等物理方法对物体内部结果结构进行检测而不会对物体结构造成破坏的检测技术^[4,5]。超声波在待测物体中传播的过程中会发生折射，反射以及衍射等物理过程，超声检测技术通过这些物理过程获取物体内部的结构信息进行图像重建^[6,7]。超声相控阵检测技术是超声无损检测技术中的一个重要分支。他的原理迁移自国防工业中的相控阵雷达技术^[8]。最初的超声检测只利用一个阵元进行超声波的发射与接收^[9]。现在的超声检测系统则一般会采用多阵元的相控阵结构对超声波进行控制。在相控阵超声探伤系统中，采用阵列式排布的压电阵元代替传统超声探伤系统中的单一发射阵元，可以通过模拟或者数字电路精确控制探头中各个子阵元的发射与接收延迟^[10]。超声相控阵系统可以实现发射聚焦与接收聚焦，因此可以获得具有较高的信噪比的回波信号^[11]。除此之外，相控阵系统可以由数字系统控制以实现声束的偏转因此可以获得更大的扫查范围，从而更容易适应复杂的检测场景^[12]。

1. 数据后处理成像技术

超声探伤系统数据后处理技术是指基于超声数据采集并对所得数据进行后处理从而对待检测物内部结构进行图像重构的技术^[13]。超声检测系统中的数据后处理成像技术衍生自国防工业中的合成孔径雷达技术。合成孔径技术的实现方式是设定单阵元在不同的位置向待测的物体发射超声波，并将接收到的回波数据进行存储，然后根据划定的成像区域对存储的数据进行延时叠加处理，最终获得被测物体内部成像信息^{[14 15 16]}。相较于传统的由下位机完成超声数据实时处理成像，数据后处理成像技术由于能够实现对划定成像区域的逐点聚焦，且能够应用算法实现发射与接收的双向聚焦，因此在成像效果上要优于传统的超声数据处理方式^[17]。使用数据后处理成像技术时，需要将采集的回波数据进行存储，在这个过程中可以方便地对数据进行各种数字信号处理 ^[14]。第一台数字式合成孔径超声成像系统于1978年由美国斯坦福大学Edward L.Ginzton实验室研制成功^[18]。Levin F.Nock等人于1992年提出了合成接收孔径算法，并证实相同条件下合成接收孔径的成像分辨力要比普通的相控阵延时聚焦方法高^[19]。1997年SverreHolm提出了合成发射孔径的成像方法，这种方法在提升回波信号大小的同时，抑制了声波波束旁瓣对成像效果的影响^[20]。

1. 全聚焦超声成像技术

全矩阵全聚焦超声成像技术是一种基于全矩阵采集的数据后处理成像技术，由Caloline Holmes等人在2005年提出。全矩阵采集的工作思想是控制相控阵系统的各个阵元依次发射，然后所有阵元进行回波信号接收与存储得到一个以发射阵元编号，接收阵元编号，采样时间为三个维度的矩阵^[21]。通过这种方式可以得到所有发射与接收阵元对的回波信息完备集^[22]。通过全聚焦算法对全矩阵数据进行处理，可以对成像区域每一个像素点进行虚拟聚焦，可以有效抑制回波信息中的噪声获得较高的信噪比。全聚焦算法没有相控延时控制，可以灵活调整成像范围^[23]。因为全聚焦算法充分利用了发射阵元与接收阵元的所采集到的信息，所以全聚焦算法得到的缺陷图像具有较高的分辨率。

全聚焦算法的实现需要进行大量数据的运算处理，为提升其运行速度国内外学者进行了大量的研究工作。2008年，Hunter等人利用相控阵雷达中的波数算法将全矩阵数据转换到频域进行运算，这使算法的运行速度提升了几个量级^[24]。Svetoslav Ivanov Nikolov等人利用CORDIC算法将复杂的乘法运算简化为移位和加减运算^[25]，从而提高了数据处理的速度。但是这种方法降低了数据精度，使成像分辨率低于-86dB^[26]。2010年，Moreau等人利用稀疏矩阵的方法减少了全矩阵采集的数据量从而减少了算法的运行时间^[27]。同年，Lexander Verlichko等人对全聚焦算法进行了理论分析，得出结论表明全聚焦算法可以进行并行运算加速。一些研究机构开始利用GPU以及FPGA等具有并行运算能力的处理芯片进行算法加速，使全聚焦算法的实时性得到了提升。2015年，Joao Amaro等人实现了基于Opencl语言的FPGA超声合成孔径成像算法加速模块。基于Opencl的编译系统可以直接将GPU的设计语言应用于FPGA设计，从而减少了FPGA设计的困难^[28]。2016年，HJ Huang、YY Yu、JJ Wang等人通过并行处理设计，用FPGA实现对全聚焦算法的加速，实验采用128阵元进行成像，处理时间为2.8毫秒，可以用于实时成像。2017年，中科院声学所王冲等人利用FPGA对全聚焦算法进行并行加速，对于分辨率为100x100的图像，成像帧率可达312.5Hz^[29]。目前国内外已经出现了利用全聚焦方法的探测仪器，如法国M2M公司的MULTI2000系列；国内汕头超声的CTS-PA22T相控阵全聚焦成像系统，可以实现64通道并行检测成像。

1. CORDIC算法

平方根运算作为一种基本运算，在工程应用中应用广泛。但是在FPGA中进行平方根运算比较复杂，需要研究高效的运算方法。CORDIC算法是坐标旋转数字计算方法的缩写，它最初用于三角函数的坐标变换，经过一定的推广可以用于计算线形函数和双曲线函数。CORDIC算法在计算过程中只涉及加减以及移位操作，所以它是一种硬件效率很高的算法^[25]。在FPGA中应用CORDIC算法代替传统的查表法进行正余弦函数等复杂函数的运算，将极大减少系统对FPGA内部存储资源的消耗，降低超声相控阵仪器的开发成本，提高相控阵仪器的数据处理能力^[30]。

参考文献：

[1] 李喜孟.无损检测[M].北京:机械工业出版社,2001:1-5.

[2] Asano S, Maruyama T, Yamaguchi Y. Performance comparison of FPGA, GPU and CPU in image processing[C]. Maruyama T. International Conference on Field Programmable Logicand Applications, Prague, 2009. CzechRepublic, IEEE,2009: 126-131.