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超声相控阵无损检测技术中的全矩阵-全聚焦算法因其成像精度高、聚焦范围广的特点被称为超声无损检测技术中的“黄金算法”,但由于其成像过程中所需的全矩阵数据规模较大且成像算法复杂,因此在实际扫查过程中成像帧率低、实时性不佳,导致其在工业现场的应用受限。为实现单层和双层介质下超声全聚焦成像系统的实时扫查,本文在调研了目前国内外常用的单层介质全聚焦成像方案的基础上,针对双层介质下声程难以实时并行计算且索引矩阵规模过大无法压缩的问题,提出了基于DDR3分级索引存储的分块成像方案。通过高并行度的Block RAM和高带宽的DDR3外部存储的两级存储结构,将完整全聚焦图像的合成过程拆分为若干128×128分辨率分块图的分时合成。为优化全聚焦图像的合成时间,引入索引更新隐藏技术以减小子图像合成的时间消耗,推导得出此时外部存储模块的最小读取速率应大于5GB/s,存储容量应大于512Mb。在完成DDR3-SODIMM内存模组的布局布线后,分别对单一信号和总线网络进行信号完整性仿真,TDR、S参数等仿真结果表明互连设计能够满足DDR控制器和内存模组的电平和时序要求;电源完整性仿真结果表明各电源轨直流压降和电流密度均满足要求,(1电源轨在110mΩ的目标阻抗下PDN阻抗上限频率达到50MHz。在DDR3分级索引存储的分块成像算法的FPGA实现中,将索引矩阵的下发、存储及合成过程划分为索引缓存模块、索引更新模块和索引存储模块。索引缓存模块和索引更新模块使用异步FIFO分别实现USB 3.0、DDR3与系统时钟间的跨时钟域数据传输,索引存储模块通过控制32个双口RAM实现分块索引数据的写入与读取。使用Model Sim仿真工具实施RTL仿真后,验证了各模块的功能正确性。使用PRBS数据流验证了DDR3外部存储模块在1600MT/s和800MT/s速率下均能实现正确稳定的数据传输,模块带宽可达12.8GB/s,容量可达4GB。在实际扫查测试中,系统在256×256、512×512以及1024×1024分辨率下,双层介质全聚焦图像的阵列性能指标（API）分别为6.31、6.29和3.58,对应成像帧率分别为31.2fps、7.02fps和1.87fps,与计算机中离线分析结果相比,平均API误差约为6.4%。测试结果表明,硬件设计中的DDR3外部存储模块能够满足快速合成聚焦中索引更新隐藏的读写速率和存储容量要求;本文设计的超声相控阵全聚焦探伤系统在保证与离线分析成像质量接近的情况下实现了单层介质和双层介质下的全聚焦实时扫查。