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超声相控阵仪器具有空间声场完整覆盖(无须移动探头)、准确度高、抗干扰能力强、全方位实时超声成像等特点,是适用于材料参量定征、材料失效机理分析与寿命预测等科研工作的重要科学仪器。大阵元超声相控阵多组扫查系统可增加扫查灵活性、图像对比度、聚焦法则多样性,实现分布式扫查,但会产生大量不同到达时间、长度、形式的回波信号,需要耗用仪器大量硬件资源处理。为提高资源利用率、实时性,减少仪器硬件开销,避免信号处理混叠冲突,需研究资源复用、数据处理协同调度问题。论文以“大阵元超声相控阵多组扫查系统的局部调度建模与优化”为题,重点研究延时聚焦、信号处理等方面的调度理论方法与实现技巧,并应用于超声相控阵多组扫查仪器研制中。论文研究旨在提高无损检测仪器的实时性、利用率、协同性和扫查方式多样性。论文从大阵元超声相控阵多组扫查系统的多组延时聚焦调度算法、多组同构流水信号处理调度算法、异构分层多DAG(Directed Acyclic Graph)信号处理调度算法等方面,论述国内外研究进展,确定研究内容。论文主要工作包括:(1)大阵元超声相控阵多组扫查系统延时聚焦调度与优化算法研究。为解决延时精度、资源利用率矛盾,提出基于时分复用超声相控阵多组扫查架构,抽象出延时聚焦同等并行机调度问题,对其数学模型和时间复杂度进行分析;研究基于同等并行机问题BF(Bound Fit)算法,提出IBF(Improved Bound Fit)算法,减少全聚焦方法(Total Focus Methos,TFM)帧任务数据调度的最大完成时间;仿真实验对比SPT(Shortest Processing Time)、BF、IBF算法,大阵元超声相控阵多组扫查延时聚焦调度架构和IBF算法使最大完成时间缩短8.76~21.48%,硬件资源减少30~40%,提升最高运行频率6.72%~11.22%;现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)仿真实验表明,相比于LIST算法节约帧任务时间12.26%。(2)大阵元超声相控阵多组扫查系统同构流水信号处理调度与优化算法研究。分析超声相控阵延时聚焦和扫查时间,推导出帧任务信号开始时间;提出基于时分复用超声相控阵多组扫查信号处理架构,抽象出分布流水线车间调度问题,研究其带开始时间的同构简化模型,即带开始时间车间任务调度问题,并根据该问题提出开始与执行时间合并近邻算法(The sum of start time and processing time adjacent,SSPA);通过仿真算法实验,最大完成时间提高4.00~36.84%,资源利用率提高1.01~21.67%;虚拟逻辑分析仪实验,与FCFS、SPT算法比较,SSPA算法使最大完成时间缩短11%,资源利用率提高9.72%,并通过架构增加阵元分组灵活性。(3)大阵元超声相控阵多组扫查系统异构分层多DAG信号处理调度与优化算法研究。为增加分布式扫查方式的多样性,提出片上总线异构多组扫查信号处理架构;基于该架构,针对多组扫查超声相控阵系统中不同分组扫查方式产生的不同信号处理工作流,与其在特定功能信号处理模块中的分层处理,抽象出一种异构分层多DAG工作流问题(Heterogeneous Hierarchical Multi DAG Problem,HHMDP)。基于改进的异构最早完成时间(HEFT)算法,提出一种具有前任指针调整的异构前任最早完成时间(Heterogeneous Precedent Earlist Finish Time,HPEFT)算法。与SPT、Round-Robin、HEFT(Heterogeneous Earlist Finish Time)、RHEFT(Reverse Heterogeneous Earlist Finish Time)进行仿真实验比较,采用最大完成时间、空闲时隙比RITS(Idle Time Slot Ratio)、截止期相对裕量RLD(Relative Laxity with Deadline)和错失截止期率MDR(Missing Deadline Rate)等指标,HPEFT算法最大完成时间缩短3.87~57.68%,RITS最大降低4.32~6.82%,RLD增加2.27~8.58%,在严重负荷条件下MDR降低25%~58%;FPGA前仿真验证表明,希尔伯特变换模块调度帧率相比于HEFT算法增加3.56%。(4)大阵元超声相控阵多组扫查仪器实验验证与分析。基于自行设计的超声相控阵传输测速平台,在给边界条件下,多组延时聚焦采用LIST算法、IBF算法,多组同构流水信号处理采用SPT算法、SPA算法,异构分层多DAG信号处理采用HEFT、HPEFT算法比较,总体帧率提高2.95~9.36%;将新机型用于成像,对比原机型有更窄的盲区,更好的穿透力和分辨力;阵元数量成像对比实验得到64阵元A扫成像对比度是32阵元2.30倍;64阵元TFM扫查相比于32阵元最大信号强度提高22.09%,得出阵元数量越高,信噪比越好;比较多组扫查成像,可以看出成像效果与单组扫查无明显差异,并且多组扫查能保证实时帧率,从而验证多组扫查调度的可行性和有效性。