超声波自动探伤设备运算单元

FPGA 可以高速处理大量并行运算算法，然而并行计算是以耗费更多的硬件资源为代价的，设计时需要着重考虑，实际应用中通常采用串行加并行的算法结构。基于超声波数字信号处理理论的算法有很多，许多都可以采用并行结构来完成，如谱分析，小波分析等。在一次超声波脉冲从触发到回波接收的整个过程中，波形信号是非周期的，时域中信号的相关阶数不大，所以在综合考虑硬件资源的情况下，该类型信号的滤波算法结构一般都可以设计成并行加串行处理方式的结构。对于频谱分析来说，FFT 频谱分析还是目前最常用的方法，FPGA 实现 FFT 算法——2 基 FFT 算法速度很快。本设计中运算单元只涉及到 FIR 与 FFT 这两种信号处理方式。

超声回波经超声波探头转换为电压信号，由于该信号微弱（μV 级），其不可避免的会受到噪声干扰，如电源波动、元件的工作噪声，线路布线抗性元件近场效应，线路及元件间传导噪声，信号地线引入的噪声（共模信号）等，超声波信号检测的工作就是对我们所关心的信号特征进行分析，那么就要求信号特征不能因为噪声的存在而无法分辨，通常小信号的时域波形的某些特征往往可能被噪声掩盖，所以需要对离散化的数字信号进行滤波，抑制的噪声的干扰。与模拟滤波器相比，数字滤波器有着精度高、设计灵活、无阻抗匹配等优点，且不会引入外噪声，性能稳定可靠。

FFT 变换是为了得到信号的频谱信息，根据第 2 章所述，超声波信号在传播过程中由于介质吸收衰减或是介质的非均匀性（材质、构造、温度、形状等），波形、幅值及波型都将发生变化，通常在时域下许多特征不显著，为此需要借助频谱来分析这些特征。