超聲波自動探傷設備運算單元

FPGA 可以高速處理大量并行運算算法，然而并行計算是以耗費更多的硬件資源為代價的，設計時需要著重考慮，實際應用中通常采用串行加并行的算法結構。基于超聲波數字信號處理理論的算法有很多，許多都可以采用并行結構來完成，如譜分析，小波分析等。在一次超聲波脈沖從觸發到回波接收的整個過程中，波形信號是非周期的，時域中信號的相關階數不大，所以在綜合考慮硬件資源的情況下，該類型信號的濾波算法結構一般都可以設計成并行加串行處理方式的結構。對于頻譜分析來說，FFT 頻譜分析還是目前最常用的方法，FPGA 實現 FFT 算法——2 基 FFT 算法速度很快。本設計中運算單元只涉及到 FIR 與 FFT 這兩種信號處理方式。

超聲回波經超聲波探頭轉換為電壓信號，由于該信號微弱（μV 級），其不可避免的會受到噪聲干擾，如電源波動、元件的工作噪聲，線路布線抗性元件近場效應，線路及元件間傳導噪聲，信號地線引入的噪聲（共模信號）等，超聲波信號檢測的工作就是對我們所關心的信號特征進行分析，那么就要求信號特征不能因為噪聲的存在而無法分辨，通常小信號的時域波形的某些特征往往可能被噪聲掩蓋，所以需要對離散化的數字信號進行濾波，抑制的噪聲的干擾。與模擬濾波器相比，數字濾波器有著精度高、設計靈活、無阻抗匹配等優點，且不會引入外噪聲，性能穩定可靠。

FFT 變換是為了得到信號的頻譜信息，根據第 2 章所述，超聲波信號在傳播過程中由于介質吸收衰減或是介質的非均勻性（材質、構造、溫度、形狀等），波形、幅值及波型都將發生變化，通常在時域下許多特征不顯著，為此需要借助頻譜來分析這些特征。