利用NILabVIEW和PXI進行診斷聲納的獲取與超聲相控陣列圖像數據的處理

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:
創建一個用于快速采集面向高級無損探傷應用的超聲相控陣列回波信號的、可伸縮的、低成本系統。

The Solution:
利用NI PXI 控制器與機箱、多通道高速量化儀和可重新配置的I/O FPGA 實時控制器，以及NI LabVIEW 軟件，設計一個具有嚴格定時與同步的可擴展的采集系統，以執行面向實時超聲圖像處理的相控陣列數據采集。

背景
超聲相控陣列已經在醫學圖像處理領域內應用多年，但由于成本和復雜度的限制，該技術直到最近才在無損探傷（NDE）領域實現有限的成功應用。診斷聲納有限公司在航空NDE的實時圖像處理中已經有三十年的陣列技術應用經驗。這一背景支持我們率先研究一項新的主要功能――所謂的完全原始數據（FRD）的收集與處理，它賦予客戶顯著的技術優勢，但也對數據采集軟硬件提出了新的挑戰。

傳統的脈沖回波超聲陣列圖像處理技術涉及超聲陣列中一組元素的相位激勵――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相組合。這些時延可以隨時間變化，以便接受焦點跟蹤傳輸脈沖，這個過程稱為動態聚焦。圖像由一個掃描興趣區域所得的光束序列組成。如果幀速率超過15 赫茲，用戶則認為這是實時性能。然而，區域覆蓋則要求高得多的數據速率，通常要達到100 赫茲。

與之相反，FRD收集所有發送和接收元素組合的脈沖回波數據，并通過后續處理生成所得到的結果圖像，進而支持發送及接收的動態聚焦以獲得最佳精度。該項新技術還提供了數項獨特的可能處理，例如非線性光束成形與后向散射分析。

先前的系統局限
我們先前的圖像處理系統“裂紋探測系統”是基于PC 的，使用NI圖像采集板卡以及LabVIEW采集非標準視頻格式的超聲圖像數據。我們選擇LabVIEW，是因為它滿足了我們的初步需求――能夠快速開發簡單而強大的用戶界面、方便地控制現成可用硬件、定制硬件以及利用NI 視頻開發模塊實現實時圖像采集與處理。這樣的軟硬件組合非常適合“傳統的”實時脈沖回波圖像處理應用。然而，圖像處理板塊的單通道特性限制了FRD 的區域覆蓋速率。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，設計了一個面向實時超聲圖像處理的相控陣列數據采集系統。

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

每臺NI PXI-5105 通過八個通道進行數據采集，支持單個模塊替換八個圖像采集板卡的任一個，并顯著降低成本、減小尺寸。我們可以僅利用四個模塊實現一個32-通道的采集系統。PXI-5105還實現了性能的提高――相比我們先前系統的40 MS/s采樣率下10-位的精度，該系統為60 MS/s 采樣率下12- 位的精度。

所有采集板卡間的嚴格同步基本是必需的，因此，我們在星形觸發器插槽內使用一個NI PXI-7830R，用于早先在定制FPGA 中實現的關鍵定時與控制功能。

利用每個模塊的八個通道、高精度采樣（幅值與時間）、多記錄格式和一個面向LabVIEW的標準化的驅動程序接口，PXI-5105憑借其靈活性與模塊性實現了一個通道容量幾乎不受限制的堅固系統，因此，我們可以方便地配置系統以滿足客戶的性能需求與預算要求。

挑戰
FRD方法引入了兩大主要挑戰。第一個挑戰便是數據中數量級的增長，這可能遠遠超出總線傳輸的容量。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。當對較小區域進行非常快速數據采集時，我們會超過這一速率；在此情況下，一旦采集數據溢出時，板上內存足以容納所有傳輸數據。第二個挑戰便是在采集過程中將數據重構成圖像的必要性。我們發現NI 視覺開發模塊的速率足以實時執行這一基本圖像處理操作。

總結
NI硬件與NI LabVIEW軟件已經在面向無損探傷應用的診斷聲納公司的“裂紋檢測系統”超聲相控陣列圖像處理設備最新系列中證明了其自身價值。我們新的FRD 數據采集方式為客戶提供了許多技術優勢，但現有的單通道配置會導致區域覆蓋速率的顯著下降。我們需要多個數據采集通道，但多個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展以滿足客戶的需求，還具有提供簡單的軟件移植方式的記錄功能。