1. 绪论
1.1. 研究背景
超声相控阵技术作为一种重要的超声波波束形成技术，已广泛应用于医学影像、物理治疗、无损检测等多个领域。传统的超声成像系统通常使用单一或少量的探头进行成像，其探测精度和图像质量受到一定的限制。而超声相控阵系统通过多个阵列元件的协同工作，可以实现更精确的波束控制和成像，提高了超声波的分辨率与准确度。FPGA (现场可编程门阵列)作为一种高性能的硬件平台，具有高度并行处理能力和实时控制能力，特别适用于超声相控阵系统中的信号处理与控制任务。基于FPGA的超声相控阵系统能够实时计算各个通道的相位与延迟，精确控制超声波的发射与接收，从而实现高效的波束形成与图像重建。随着技术的不断发展，FPGA的应用不仅在传统的医疗领域得到广泛使用，还扩展到其他高精度、高可靠性的工业应用中。
超声相控阵技术近年来经历了显著的技术突破，特别是在分辨率、成像方式、智能化处理以及设备小型化等方面的创新。这些进展在医疗成像、工业检测等领域产生了深远的影响。
高分辨率和高频率成像：新型超声探头材料，如钛酸钡陶瓷和铌酸铅压电材料，通过提高声源的稳定性和声能的转换效率，极大提升了超声成像的分辨率。例如，近年来的研究表明，采用钛酸钡陶瓷压电材料的超声相控阵探头，其分辨率提高了30%以上[1]。此外，借助微电子加工技术，超声成像系统能够实现更高频率的成像，进而提高细节的捕捉能力。这一技术的进步使得超声不仅可以更精准地检测心脏、血管等动态器官的微小变化，还能够在微创手术和早期疾病诊断中发挥重要作用[2]。
三维与四维成像：传统二维超声成像已逐步向三维和四维成像系统过渡，尤其在产科、心脏病学以及肿瘤诊断等领域，三维成像提供了更加直观和立体的解剖结构。四维成像进一步扩展了超声的功能，增加了时间维度，使得医生能够实时观察器官运动和组织动态，提升了诊断的精确度[3]。这对于动态疾病监测和实时诊断具有极大的临床价值。
智能化处理与人工智能集成：近年来，人工智能技术特别是卷积神经网络(CNN)和深度学习算法的引入，使得超声图像的自动分析和诊断成为可能。通过AI算法，超声图像不仅能够自动分类和识别组织结构，还能自动检测异常病变，如肿瘤和结节等。研究表明，AI辅助的超声诊断系统比传统人工诊断提高了约20%的准确性[4]。此外，机器学习算法在图像去噪、自动图像增强方面的应用，也显著提升了图像的清晰度和诊断价值。
微型化与便携化：随着材料微加工和集成电路技术的发展，超声设备正朝着更小型、便携的方向发展。最新的微型超声相控阵探头和便携式设备，使得超声诊断能够更广泛地应用于基层医院、急诊及远程医疗领域。基于超声相控阵技术的便携设备能够提供与传统设备相媲美的成像质量，但其体积和重量大大减小，易于携带，适用于复杂的诊疗环境[5]。
FPGA技术以其高并行计算能力、灵活性和低功耗特性，在超声相控阵技术中发挥了重要作用。随着FPGA硬件和开发工具的不断进步，其在超声系统中的应用得到了广泛的关注。
实时波束形成与信号处理：FPGA能够在极短的时间内处理大规模的并行数据，使其成为超声波束形成和信号处理的理想选择。传统的数字信号处理器(DSP)虽然可以执行复杂的算法，但其处理速度和数据传输能力较低。而FPGA通过并行处理架构，能够在毫秒级别内完成数百个信号通道的波束形成处理，极大提升了超声系统的实时性[6]。最新的FPGA芯片，如Xilinx ZCU102，已经能够支持1000个以上的传感器通道，并实现实时高清图像生成。
高速数据传输和接口集成：FPGA支持多种高速数据传输协议(如PCIe、Serial RapidIO等)，能够实现超声数据的大带宽传输。与传统的基于CPU的系统相比，FPGA提供了更高效的计算资源和更低的延迟，从而更好地满足超声相控阵系统对实时性和数据量的需求。此外，FPGA的灵活性使得系统设计可以根据应用需求进行高度定制，增加了系统的扩展性和适应性[4]。
能效优化和低功耗设计：FPGA在低功耗设计上的优势尤为突出。通过动态电压调节(DVS)和时钟门控等技术，FPGA能够在保持高效处理能力的同时降低能耗，这对便携式和嵌入式超声设备至关重要。研究表明，采用FPGA平台的超声设备在功耗控制方面相较于传统CPU/GPU平台降低了约30% [7]。这使得FPGA在长时间工作的便携设备中成为首选。
深度学习加速：FPGA在超声图像处理中的深度学习加速也取得了显著进展。例如，FPGA可以用来加速卷积神经网络(CNN)的推理过程，极大提高图像分类、特征提取和异常检测的实时性。这种加速能力为超声相控阵技术的智能化处理提供了强大的支持，尤其是在基于深度学习的自动诊断和预警系统中[8]。
1.2. 研究目的
本研究旨在设计并实现一个基于FPGA的64通道超声相控阵系统。传统超声相控阵系统常面临系统成本高、硬件结构复杂、实时性能差等问题，尤其是在大规模通道的设计与控制上。本文通过选用FPGA平台，采用高度并行的数据处理方式，优化系统硬件结构，克服了传统设计中的局限性。系统设计将从硬件和软件两方面进行全面探讨，重点解决64通道超声相控阵中的相位控制、延时计算以及数据采集等关键技术问题。通过设计并实现一个高效且具有较高精度的64通道相控阵系统，本研究不仅为超声医学成像提供了一种新的思路，也为FPGA技术在其他领域的应用提供了参考。
1.3. 研究意义
随着超声技术的发展，超声相控阵系统的性能要求越来越高，尤其是在医学影像领域。基于FPGA的超声相控阵系统具有硬件可编程性和高效的实时处理能力，能够大幅度提升超声成像的质量和速度。通过将64通道设计引入相控阵系统，能够实现更精细的波束控制和成像，从而提高图像的分辨率与清晰度，尤其在高频率成像和复杂环境下具有明显的优势。此外，本研究的技术创新不仅解决了超声相控阵系统中多通道处理和数据传输的难题，而且在硬件设计上采用了高度集成化的方案，进一步降低了系统的复杂性和成本。因此，本文的研究具有重要的理论意义和实际应用价值，为超声医学设备的开发和推广提供了新的思路，也为FPGA在医学和工业应用中的拓展提供了技术支持。
2. 超声相控阵原理及系统设计要求
2.1. 超声相控阵基本原理
超声相控阵技术利用多个超声探头元件阵列，并通过精确控制每个元件的发射信号的时序与相位，实现在不同方向上的超声波聚焦和波束扫描[9]。相控阵系统的基本原理是通过调整每个阵列元件的激励信号的相位和延迟时间，从而实现对声波的波束形成和方向控制。通过这种方式，超声波可以被聚焦到不同深度的目标区域，实现对目标的精确探测。具体来说，当每个阵列元件的信号在空间上相位差被适当调节时，超声波在某一特定区域内的波前将发生干涉，从而产生较强的波束，这一过程被称为波束形成(Beamforming)。相控阵技术不仅能提高超声波的空间分辨率，还能够调整波束的方向和形状，实现对不同区域的动态扫描。在实际应用中，相控阵系统能够灵活地选择扫描方向、聚焦深度、波束形状，从而在不移动探头的情况下，快速实现大范围、高精度的成像和治疗[10]。
2.2. 系统设计要求
为了满足超声相控阵系统在医学成像、物理治疗等领域的应用需求，系统设计必须具备高精度、高效率和高可靠性。系统的设计要求在硬件和软件上能够处理大量的信号，并具备实时性，特别是在64通道设计中，每个通道都需要精确控制其相位和延迟时间，以确保波束形成的准确性和稳定性。超声相控阵系统的设计应考虑到功耗、尺寸和成本等因素，力求在保证系统性能的同时，实现硬件的高集成度和低功耗。对于FPGA作为系统核心控制单元，其时钟频率、处理能力以及并行计算能力是系统设计的关键指标。为了适应不同深度和不同类型的医学影像需求，系统还需要具备较好的可扩展性和灵活性，以便在不同的应用场景下调整系统参数。系统的信号处理能力应达到实时处理要求，能够同时处理多个通道的数据流，并将处理结果通过高效的数据接口传输到成像系统或其他设备。系统设计必须保证超声波的发射和接收过程稳定可靠，避免信号干扰或延迟导致的图像质量下降。
2.3. 超声信号处理的基本理论
超声信号处理的核心目标是从复杂的声波信号中提取出有用的信息，如目标物体的位置、形状、组织的特性等。信号处理的基本步骤包括信号的采集、放大、滤波、去噪以及信号增强等。在超声相控阵系统中，信号采集主要依赖于超声接收阵列的每个通道，采集到的原始信号通常是经过多次反射的回声信号，具有较低的信噪比，需要通过前端模拟电路进行放大和滤波，去除高频噪声和干扰[11]。信号处理的核心是延时控制和波束形成技术。通过延时处理，可以将各个阵列元件的信号时间对齐，实现不同方向的波束扫描。此外，信号的成像过程也依赖于回声信号的相位信息，波束形成算法通过对各通道信号的相位调整，合成一个具有特定指向性的波束。在实际应用中，常见的信号处理方法包括时域滤波、傅里叶变换、数字波束形成等技术。这些技术能够有效地提高信号的质量，去除不必要的噪声，并提升图像的分辨率和对比度。数字信号处理还涉及到图像重建与显示，将超声回波信号通过图像处理算法转换成可视化的医学图像或治疗图像。在该过程中，信号的相位、频率和幅度信息被用来构建超声波的传播模型，从而生成高精度的图像[12]。
3. 64通道超声相控阵系统硬件设计
3.1. 硬件设计概述
64通道超声相控阵系统的总体框架由前端硬件模块、控制与处理模块和后端通信模块组成，如图1。前端硬件模块包括超声发射阵列和接收阵列，负责与介质之间的声波发射和接收。控制与处理模块主要由FPGA芯片和其他处理单元组成，FPGA作为核心，处理来自前端的信号并控制每个通道的相位与延迟，最终形成合适的波束输出。后端通信模块则负责数据的传输和显示，处理后的信号通过高速数据接口传输到成像系统或显示单元，实现图像重建和展示。
该系统采用模块化设计，每个模块独立开发和调试，确保系统的整体性能和模块间的兼容性与扩展性。模块化结构使得系统能够灵活适应不同应用场景和性能需求，同时确保系统稳定性和可靠性，避免在复杂信号环境中出现误差或干扰。
Figure 1. The overall system architecture
图1. 系统总体框架
64通道超声相控阵系统的硬件由多个核心模块组成，如图2，包括信号采集模块、FPGA控制模块、模拟前端(AFE)模块、数据转换与传输模块、功率放大模块和外部接口模块。信号采集模块接收超声探头阵列的回波信号，每个通道通过传感器捕捉信号并传递给后续处理模块。FPGA控制模块负责信号的时序控制、延迟计算和相位调整，确保超声波束的精确聚焦与扫描。
模拟前端模块用于信号的初步放大、滤波和模数转换，提升信号质量。数据转换与传输模块将经过处理的数据转换为适合显示的格式，并确保高速数据的实时传输。功率放大模块用于超声波信号的发射，确保信号稳定传输到目标区域。外部接口模块与外部设备进行通信，将处理后的数据传输至成像系统或显示设备。通过模块化设计，系统能够灵活调整以满足不同的应用需求，提升整体性能。
Figure 2. Decomposition of hardware modules
图2. 硬件模块分解
3.2. FPGA芯片的选择与设计
在设计64通道超声相控阵系统时，选择合适的FPGA芯片对于系统的性能至关重要。FPGA芯片的资源配置和处理能力直接影响到系统的实时性、信号处理精度和稳定性，如表1。为满足64通道并行处理和高精度控制的要求，选用了Xilinx XC7K160TFFG676-2芯片作为系统的核心控制单元[13]。
该FPGA芯片提供了400个用户I/O口，足以支持64通道信号的输入输出，确保每个通道的独立控制和数据传输。其查找表(LUT)和触发器(FlipFlops)分别有101,400个和202,800个，能够支持高并行计算任务，确保64通道系统中的信号处理和延迟计算能高效进行。芯片的片上RAM (325 KB)提供了高速存储支持，满足了处理超声信号时对带宽的需求。芯片内置的8个锁相环(MMCM)模块有效地管理系统时钟同步，确保各个模块的协调运行，避免了时钟失配带来的问题。此外，GTX收发器的配置支持高速数据传输，保障了信号采集和处理过程中的实时数据流畅传输[14]。
Table 1. FPGA Resource Configuration Selected.
表1. 选用的FPGA资源配置
芯片型号 |
资源类型 |
数量 |
xc7k160tffg676-2 |
用户I/O |
400 |
|
查找表(LUT) |
101,400 |
|
触发器(FlipFlops) |
202,800 |
|
片上RAM |
325KB |
|
锁相环(MMCM) |
8 |
|
GTX收发器 |
1 |
在系统中，FPGA芯片负责所有通道的时序控制和延迟计算，确保每个阵列元件的信号时序精确，以实现超声波束的精准聚焦。FPGA还通过相位控制来调节波束的聚焦深度和方向，满足实时波束形成的高要求。其强大的并行计算能力使得多个通道的数据可以同时处理，提高了系统的整体性能。同时，FPGA也确保系统的稳定性，利用时钟管理和错误检测机制提高了信号的传输精度和系统的可靠性。
3.3. 超声发射硬件设计
超声发射硬件设计的核心目标是确保超声波信号的精确发射，以便有效地传递到目标区域。该设计通常包括信号源、驱动电路和功率放大器模块。信号源生成经过调制的信号，该信号被传递至驱动电路，进一步放大以驱动超声阵列元件进行波束发射。功率放大器用于将信号放大至足够的功率，使其能够穿透人体或其他介质并被接收阵列探测。设计时需特别注意系统的频率响应、功率输出、信号稳定性和波形精度，以确保超声波束具有高精度的聚焦效果。此外，为了降低噪声和误差，发射电路的设计还需要有效地屏蔽外界干扰，确保信号的清晰度和稳定性[15]。
3.4. 超声接收硬件设计
超声接收硬件的设计主要任务是接收回波信号，并将其转换为可供后续处理的数据。每个接收通道通常配备传感器和模拟前端(AFE)模块，以提高信号的质量。接收到的回波信号通常较弱，需要通过AFE模块进行放大、滤波和模拟–数字转换。放大器将信号增益至适合处理的电平，滤波器则去除高频噪声，确保信号的纯净度。模数转换器(ADC)则将模拟信号转化为数字信号，便于FPGA进行处理。接收硬件设计需要处理高灵敏度和宽带宽要求，以确保从不同深度和位置的信号都能被清晰地接收到，并通过精确的时间标定和相位控制，使得后续的数据处理能够准确重建目标信息[16]。
3.5. 系统接口与通信设计
系统接口与通信设计是确保各个模块之间高效、稳定连接的关键。该设计主要包括超声信号数据的输入输出接口、控制信号的传输和与外部设备的连接。高速数据接口，如LVDS或其他高速串行接口，用于将经过处理的超声信号实时传输至外部成像系统或计算机进行图像重建和显示。控制信号则通过标准通信接口(如I2C、SPI或GPIO)与其他模块进行交互，确保各个子系统能够同步工作。系统接口的设计要保证数据传输的实时性、可靠性和准确性，避免因时延或干扰导致的数据丢失或传输错误。此外，为了确保系统的扩展性和兼容性，接口设计应考虑未来设备或技术的兼容性，以适应不同应用场景下的需求。
4. 64通道超声相控阵系统软件设计
4.1. 软件设计概述
64通道超声相控阵系统的软件设计通过模块化结构高效地管理信号处理、控制算法和数据流。在该系统中，软件的主要任务是利用FPGA的并行计算能力来处理来自多个通道的超声信号，精确控制波束的生成并实时调整系统状态。为了实现这一目标，系统被划分为多个功能模块，如信号采集、相位控制、波束形成、数据存储和传输等。各模块紧密合作，通过高效的通信机制进行数据交换，确保系统在实时性和高效性方面的表现。软件架构需要与硬件平台紧密配合，特别是在信号采集和处理过程中，实时性要求极高。因此，系统需要精心设计调度机制，确保处理单元能够高效分配任务，避免资源瓶颈。与此同时，系统的软件设计还要具备容错机制，确保在复杂的信号环境下，系统依旧稳定运行，能够在出现问题时及时调整工作状态，保持信号的准确性和波束的聚焦效果[17]。
4.2. 相位控制算法设计
相位控制是超声相控阵技术的核心，其目的是通过精确调整每个阵列元件的发射时机和信号相位，实现超声波束的聚焦与扫描。在本系统中，相位控制算法根据阵列元件的几何位置、目标深度和角度等信息，计算出每个通道的延迟时间和相位调节值。通过这些计算，系统可以控制每个阵列元件的信号发射时刻，确保不同通道的信号相位对齐，从而形成精准的波束。该算法的设计充分利用了FPGA的并行计算能力，使得所有64通道的信号控制可以同步进行，大大减少了计算延时，提升了实时性。相位控制不仅需要满足特定的聚焦要求，还应具备动态调整的能力，以应对不同的成像或治疗需求。例如，在不同的深度或角度下，系统能够自动调整每个通道的信号相位和延迟，确保超声波束的灵活性和适应性，使其适应多种应用场景。
4.3. 数据采集与图形生成
在数据采集过程中，系统通过多个通道实时采集超声回波信号，并将模拟信号转换为数字信号以供后续处理。每个通道的信号通过模拟前端模块(AFE)进行放大、滤波和模数转换(ADC)，从而获得更清晰的信号数据。随后，这些信号通过高速数据接口传输至FPGA，进行波束形成和信号处理。FPGA对来自各个通道的数据进行并行处理，计算延迟、相位调整等关键参数，最终将处理后的信号用于图形生成。图形生成模块将处理后的数据转化为可视化的图像或波束图，通常采用灰度映射技术，将回波的强度和信号的深度信息转化为像素，生成超声图像。在这个过程中，系统需要保证数据的高带宽传输与实时性，确保图像的清晰度和准确性。通过实时的信号处理和图像重建，系统能够提供准确的超声成像，如图3，为医疗诊断和治疗提供可靠的支持。
Figure 3. Beam pattern
图3. 波束图
4.4. 系统优化与调试
系统优化与调试是确保64通道超声相控阵系统达到高性能、高精度和稳定性的重要环节。由于该系统涉及到64个通道的信号采集、实时处理、波束形成以及图像生成等复杂任务，优化的工作需要针对各个环节进行细致的改进。优化过程不仅关注硬件的高效利用，也需要对软件算法进行深度调优，以满足实时性和精度的要求。
在优化过程中，信号处理速度是首要关注的目标之一。64通道超声相控阵系统需要快速处理来自多个通道的数据，并实时计算每个通道的相位和延迟。为了减少信号处理的延迟，系统对相位控制算法和数据传输路径进行了优化。通过提高数据流的处理效率，减少了系统内各个模块之间的传输时延，从而提高了整个系统的响应速度和实时性。尤其是在信号传输过程中，优化数据接口的带宽和减少信号瓶颈，提高了每个模块的工作效率，确保系统能够在短时间内完成所有信号的处理和图像的生成。
在硬件优化方面，FPGA作为核心处理单元，其资源管理和任务调度的优化至关重要。64通道系统的并行计算要求FPGA能够高效地分配计算资源，避免多个任务之间的资源冲突。通过合理的任务调度和负载均衡，系统能够充分发挥FPGA的并行处理能力，确保多个通道的数据处理能够同步进行，同时最大化利用硬件资源。针对FPGA的内存和运算能力进行了精细的调整，使得系统在高负载情况下仍能保持高效的处理能力，避免了过载和资源不足的情况。
调试阶段主要是对硬件和软件的协同工作进行逐步验证和调整。在调试过程中，特别是在多通道信号的实时采集和处理方面，任何微小的延迟或误差都可能导致波束形成精度的下降，因此需要严格的测试和监控。为了确保系统的稳定性，采用了高精度的测试工具和实验设备，对每个模块的性能进行了详细测量和校准。系统的每个子模块都经过多次验证，确保信号采集、处理、波束形成等各环节能够协同工作，达到设计要求。在高噪声环境和长时间运行的条件下，系统能够持续提供高质量的成像和治疗功能。
通过系统优化与调试，最终实现了高效、精确和稳定的超声成像和治疗功能。优化后的系统不仅能够快速响应不同的工作条件，还能在长时间运行和复杂信号环境下维持其高稳定性和高精度。这为超声医学诊断和治疗提供了可靠的技术支持，同时也为未来在更多领域的应用奠定了坚实的基础。
5. 系统实验与结果分析
5.1. 实验设计与方法
本实验的主要目的是评估64通道超声相控阵系统在不同工作条件下的性能，尤其是信号采集、波束形成、成像精度及系统响应速度等关键指标。实验过程包括以下几个关键步骤。信号采集阶段使用超声发射阵列和接收阵列，通过精确控制阵列元件的激励信号，实时采集不同深度和角度的超声回波信号。为了确保波束能够覆盖更广泛的扫描范围，系统需要对不同的扫描角度和深度进行实时调节，以测试系统的灵活性和精度。波束形成阶段，FPGA实时处理来自64个通道的信号，通过延迟计算和相位控制实现超声波束的精确聚焦。FPGA利用其强大的并行计算能力，确保在处理多通道信号时，不仅可以实时进行波束调整，还能维持高效的数据流。然后，图像生成阶段，系统通过采集到的超声回波信号生成图像，并进行精度评估。生成的图像通过灰度映射技术反映出组织结构的不同密度，从而实现组织对比度的提升和成像质量的优化。通过性能评估实验对比不同系统配置下的成像清晰度、波束精度和延迟响应等性能指标，进一步验证系统的有效性和稳定性。在这些测试过程中，实验使用了模拟超声模型以及实际组织样本，确保了测试环境的多样性和实际应用的可靠性。
5.2. 实验结果分析
实验结果表明，64通道超声相控阵系统在各项性能指标上表现优异，尤其在成像精度、波束聚焦深度和信噪比方面，系统能够达到预期的设计要求。具体来说，图像分辨率为0.5 mm，通过标准超声模型测试，能够清晰地分辨细小的结构差异，适用于高精度的医学成像需求。在聚焦深度精度方面，系统在测试10 cm深度区域时，误差控制在±1 mm以内，能够确保波束在不同深度的准确聚焦。成像清晰度方面，通过与模拟图像和实际图像对比，系统的成像清晰度达到了95%，证明了系统在处理回波信号时能够高效地消除噪声并提高图像质量。此外，系统的信噪比为40 dB，通过标准噪声测试设备测试，显示系统具有较高的抗干扰能力，能够在高噪声环境下维持较好的信号质量。这些实验数据表明，如表2，64通道超声相控阵系统在信号采集、波束形成和成像方面具有较高的精度和稳定性，能够满足现代医疗领域对超声诊断设备的严格要求。通过这些关键性能指标的测试与验证，系统展示了其在医疗成像中的广泛应用潜力，尤其是在需要高分辨率图像的场景中，具有显著的优势。
Table 2. 64-Channel ultrasound phased array system imaging accuracy test results
表2. 64通道超声相控阵系统成像精度测试结果
测试项目 |
结果 |
备注 |
图像分辨率 |
0.5 mm |
通过标准超声模型测试 |
聚焦深度精度 |
±1 mm |
测试聚焦深度为10 cm的区域 |
成像清晰度 |
95% |
对比模拟图像和实际图像 |
信噪比 |
40 dB |
使用标准噪声测试设备 |
5.3. 系统稳定性与精度验证
为了验证系统的稳定性与精度，特别是在长时间工作和复杂环境下的表现，进行了长时间运行测试和高噪声环境下的测试。实验的目的是评估系统在实际工作过程中是否能够保持稳定的波束精度和成像质量，以及其在高噪声干扰条件下的抗干扰能力。在长时间运行测试中，系统连续工作24小时，结果表明系统的波束精度误差小于1%，即使在长时间运行的情况下，系统依然能够保持高度的稳定性。在高噪声环境测试中，系统在环境噪声大于50 dB的条件下，仍能维持40 dB的信噪比，表现出良好的抗噪声能力。这些实验数据验证了系统在复杂信号环境下的表现，确保了系统能够在实际应用中长期稳定运行并提供可靠的成像结果，如表3。此外，波束精度稳定性方面的测试表明，在连续运行6小时后，系统的聚焦深度误差保持在1 mm以内，进一步证明了系统的高精度和可靠性。系统响应速度方面，从信号采集到图像显示的时间为0.5秒，确保了实时性和高效性，能够满足医疗诊断中的快速响应需求。通过这些测试，系统的稳定性和精度得到了充分验证，能够在长时间运行和高干扰环境下提供高质量的超声图像。
Table 3. System stability and accuracy verification test results
表3. 系统稳定性与精度验证测试结果
测试项目 |
测试条件 |
结果 |
长时间运行测试 |
运行24小时 |
稳定，误差 < 1% |
高噪声环境测试 |
环境噪声大于50 dB |
信噪比仍保持在40 dB |
波束精度稳定性 |
运行时间：6小时 |
聚焦深度误差 ≤ 1 mm |
系统响应速度 |
从采集到显示图像的时间 |
0.5秒 |
6. 结论
本文提出并设计了一种基于FPGA的64通道超声相控阵系统，通过对系统硬件和软件的详细分析与设计，实现了超声波束的精确控制和实时成像。实验结果表明，该系统在信号采集、波束形成、图像生成以及系统稳定性等方面均表现出优异的性能。通过采用FPGA平台，系统能够高效地处理64通道的并行信号，实时计算每个通道的延迟和相位，成功实现了超声波束的精准聚焦，满足了高分辨率成像的需求。同时，系统在长时间运行和复杂信号环境下的稳定性验证表明，该系统具备较强的抗干扰能力和可靠性，能够适应临床应用中的多种复杂场景。基于FPGA的硬件设计，使得系统具有较高的可扩展性和灵活性，能够根据不同的临床需求进行定制和优化，具有广阔的应用前景。
尽管目前的系统已经在精度和稳定性上取得了较好的成果，但仍然存在进一步优化的空间。未来，随着硬件技术的发展，FPGA的处理能力将进一步增强，可以进一步提升系统的并行处理能力，从而支持更高通道数的超声相控阵系统。此外，随着超声成像技术的进步，系统的软件算法也可进一步优化，尤其是在信号处理、图像重建和实时数据传输方面。通过引入更加智能化的算法和深度学习技术，未来的系统能够实现更加精细的组织成像和病灶检测，提高诊断的准确性和效率。随着系统集成度的提升，硬件体积有望进一步缩小，使得该技术可以在更多移动设备和便携式超声仪器中得到应用，从而使得超声成像技术更加普及，降低医疗成本，提高医疗服务的可及性。总之，基于FPGA的64通道超声相控阵系统具有广泛的应用前景，在医疗、工业无损检测等多个领域都能发挥重要作用，未来将在技术、性能和应用范围等方面得到更大的发展。