超宽带微波目标检测的FPGA成像系统技术方案

本发明专利技术涉及超宽带、目标检测、FPGA、成像系统，为提供超宽带微波目标检测的FPGA成像系统，完成成像输入输出系统的综合控制。设置顶层控制模块和输入输出端口，完整实现超宽带检测三维成像的FPGA数据输入和图像输出的流程。为此，本发明专利技术采取的技术方案是，超宽带微波目标检测的FPGA成像系统，包括固定位置的发射天线和接收天线、信号处理模块、时延计算模块、聚焦模块与图像重建模块；发射天线用于发送超宽带微波信号，接收天线用于接收被测组织反射回来的超宽带微波信号。本发明专利技术主要应用于探测、成像及医疗设备的设计制造。

FPGA imaging system for ultra wideband microwave target detection

The invention relates to an ultra wideband, target detection, FPGA and imaging system, and provides an integrated control of an imaging input and output system for providing an ultra wideband microwave target detection FPGA imaging system. The top control module and the input / output port are set up to realize the FPGA data input and image output process of ultra wideband detection. Therefore, the technical scheme of the invention is that the imaging system of FPGA ultra wideband microwave detection, including the fixed position of the transmitting antenna and receiving antenna, signal processing module, delay calculation module, focusing module and image reconstruction module; transmitting antenna for transmitting UWB microwave signal receiving antenna for receiving ultra wideband microwave signal measuring tissue reflected. The invention is mainly used for the design and manufacture of detection, imaging and medical equipment.

【技术实现步骤摘要】
超宽带微波目标检测的FPGA成像系统
本专利技术涉及超宽带、目标检测、FPGA、成像系统。具体讲，涉及超宽带微波目标检测的FPGA成像系统。
技术介绍
国际上已经在UWB(超宽带)目标检测领域取得多项研究进展，UWB目标检测应用十分广泛，该技术在探地雷达、材料探伤、穿墙雷达、乳腺肿瘤检测等诸多领域应用前景广阔，具有检测设备成本低、设备尺寸小、对人体无辐射伤害等诸多优点。随着目标检测方法研究的深入，检测实验也已经逐步开展，如何对检测结果进行成像成为一个亟待解决的问题。现今各研究团队普遍使用的方法是使用工作站运行成像程序，使用面向对象的语言如MATLAB语言、C语言、C++语言等对接收信号运算成像。但使用面向对象的语言即耗时且工作量大。无法完成目标检测所要求的快捷性，无法建设UWB目标检测成像系统。FPGA是一种具有硬件编程能力的计算工具，其具有的硬件编程能力是普通面向对象的语言所不具备的。硬件运算速度要远远高于面向对象的软件语言运算速度。FPGA硬件具有IP核资源，合理利用IP核资源能极大地提高硬件语言运行效率。FPGA具有端口输入输出自由灵活的特点，使用FPGA可以高效地导入、导出数据并输出检测成像图，对超宽带微波目标检测系统的小型化、快速化具有重要意义。但目前尚无成熟技术报道。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，提供超宽带微波目标检测的FPGA成像系统，完成成像输入输出系统的综合控制。设置顶层控制模块和输入输出端口，完整实现超宽带检测三维成像的FPGA数据输入和图像输出的流程。为此，本专利技术采取的技术方案是，超宽带微波目标检测的FPGA成像系统，包括固定位置的发射天线和接收天线、信号处理模块、时延计算模块、聚焦模块与图像重建模块；发射天线用于发送超宽带微波信号，接收天线用于接收被测组织反射回来的超宽带微波信号；信号处理模块以串行方式读入检测探头的数字信号，每次读取一个完整的信号，读取次数按采集的信号数目决定，然后送入内存中存储；延时计算模块，根据发射、接收天线位置，采用共焦算法计算成像点延时，并根据计算的逐点的时间延迟读取已经存入内存中所述数字信号，即在各个扫描点时延下的能量值，并输入至聚焦模块；聚焦模块把接收到的多组能量值在成像区域逐点叠加，实现图像的叠加放大；图像重建模块，用于将聚焦模块的结果进行输出显示。延时计算模块接收外来的目标点坐标point_location以及输入有效信号op_nd之后进入计算模式。计算模式中BlockRam依次输出1发1-6收，2发1-6收共36组天线的位置，在此期间目标点坐标保持不变，依次计算36组路径长度，将路径长度送入convert_2delay模块计算出路径对应的微波信号传递延时，convert_2delay模块运用MicroBlaze处理器调用模式。聚焦模块调用FSL总线完成成像算法中的点像素叠加数据传递功能，每扫描一个坐标点，主处理器读取协处理器发回来的延时，然后在内存中查找数据，将一组延时对应的能量值发往聚焦模块进行处理，此时聚焦模块同处理器通信，接收数据进行聚焦，在这整个过程中主处理器的作用相当于一个通道，在两个协处理模块之间进行数据的传输。具体地，共焦成像对整个成像区域进行逐点扫描，确定各点像素强度后合成一幅图像。位置r处的像素强度可计算如下：这里m和n分别代表发射和接收天线的编号，rm和rn分别代表发射和接收天线位置。v是微波信号在乳房中传播速度，c表示真空中的光速，εfat代表脂肪组织介电常数。τm,n(r)代表从发射天线发射脉冲，经聚焦点反射，再到接收天线接收反射信号的整个过程耗时，也称为信号延时。然后，各组接收信号在各自r点到达时间处的幅值Sm,n(τ)被叠加成为r点处像素强度：与已有技术相比，本专利技术的技术特点与效果：FPGA硬件实现的成像结果效果较好，成像位置准确，聚焦效果明显，周围干扰较低，能准确识别目标成像物体。FPGA对36组接收信号的处理速度为1分18秒，而使用intel@3.9GHz的Xeon处理器的软件运算速度为3分40秒。硬件算法实现要高于面向对象的语言算法实现速度。附图说明图1基于FPGA的EDK设计流程。图2硬件系统模块构成。图3延时计算模块内部构造。图4FSL总线结构图。图5FPGA输出成像图。图6成像系统硬件框架示意图。具体实施方式本专利技术提出一种超宽带目标检测的基于FPGA的三维共焦成像算法实现系统，本系统设计实现了FPGA硬件在三维共焦成像算法中的逻辑综合，时序约束，板级验证。利用FPGA内置的IP核资源，完成成像输入输出系统的综合控制。设置了顶层控制模块和输入输出端口，完整实现了超宽带检测三维成像的FPGA数据输入和图像输出的流程。本成像系统的硬件部分兼有嵌入式处理器及其外设，以及数个自定义外围FPGA硬件模块。整个成像系统由硬件和软件共同组成。硬件的设计在ISE中进行顶层模块的设计，系统将自动调用XPS进行处理器及外设的设计。软件设计部分从处理器软件规范文件开始，该文件记录了软件对应的硬件平台信息，软件操作系统信息，设备驱动以及库信息。(1)EDK部分以及软件部分的工作流程设计。如图1所示，EDK部分及软件设计流程是标准的FPGA设计流程，首先是设计输入，根据硬件平台规范设计并生成硬件平台，然后是仿真验证，修改设计直到功能仿真正确之后进行综合，翻译，布局，布线等等。查看每一个步骤的报告和结果，有错误就返回修改设计，直到正确。除去功能仿真之外的结构仿真与时序仿真对于对时序要求不高的场合是可以省略的，时序要求较高的时候，必须加上实现用户约束的UCF文件，查看约束是否满足以此来修改设计。(2)本系统分四个主要模块如图2所示，依次为：信号处理模块管理信号的读取、抽取和积分；时延计算模块是核心计算模块，这是由它对整个共焦成像的重要性决定的，同时也是由它所占有的硬件资源决定的。聚焦模块与图像重建模块主要负责参数和状态转移图，并使用伪代码的形式描述了内部的功能实现。信号处理模块以串行方式读入检测探头的数字信号，每次读取一个完整的信号，读取次数按采集的信号数目决定。信号处理模块在读取信号后，还负责肿瘤信号的抽取和积分处理。(3)图2所示完整工作原理如下：(a)由PC机向FPGA传输仿真的微波检测接收信号,同时每一组接收信号都是有固定位置的发射天线和接收天线产生的,发射天线和接收天线的位置也同步传送给计算时延模块,用于每组信号的时延计算。b)PC机输入的仿真信号经信号处理模块处理后(信号处理模块由信号读取、信号抽取、积分构成)，输出为肿瘤响应信号。多组肿瘤响应信号输入DDR2SDRAM中暂存。(c)PC机同步输入的仿真信号的天线位置信息被传递至延时计算模块计算每组信号对应的时间延迟，每组信号的时延计算都是在成像区域逐点扫描。(d)用计算的逐点的时间延迟读取已经存入DDR2SDRAM中该组肿瘤响应信号在各个扫描点时延下的能量值，并输入至聚焦模块。(e)聚焦模块把接收到的多组肿瘤信号能量值在成像区域逐点叠加，实现肿瘤图像的叠加放大。(f)最后经由HDMI控制器将图像输出至外接显示器上。(4)图3所示的是延时计算模块的共焦算法最核心的运算步骤，成像点延时计算。延时计算模块接收外来的目标点坐标point_location以及输入有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超宽带微波目标检测的FPGA成像系统，其特征是，包括固定位置的发射天线和接收天线、信号处理模块、时延计算模块、聚焦模块与图像重建模块；发射天线用于发送超宽带微波信号，接收天线用于接收被测组织反射回来的超宽带微波信号；信号处理模块以串行方式读入检测探头的数字信号，每次读取一个完整的信号，读取次数按采集的信号数目决定，然后送入内存中存储；延时计算模块，根据发射、接收天线位置，采用共焦算法计算成像点延时，并根据计算的逐点的时间延迟读取已经存入内存中所述数字信号，即在各个扫描点时延下的能量值，并输入至聚焦模块；聚焦模块把接收到的多组能量值在成像区域逐点叠加，实现图像的叠加放大；图像重建模块，用于将聚焦模块的结果进行输出显示。

【技术特征摘要】
1.一种超宽带微波目标检测的FPGA成像系统，其特征是，包括固定位置的发射天线和接收天线、信号处理模块、时延计算模块、聚焦模块与图像重建模块；发射天线用于发送超宽带微波信号，接收天线用于接收被测组织反射回来的超宽带微波信号；信号处理模块以串行方式读入检测探头的数字信号，每次读取一个完整的信号，读取次数按采集的信号数目决定，然后送入内存中存储；延时计算模块，根据发射、接收天线位置，采用共焦算法计算成像点延时，并根据计算的逐点的时间延迟读取已经存入内存中所述数字信号，即在各个扫描点时延下的能量值，并输入至聚焦模块；聚焦模块把接收到的多组能量值在成像区域逐点叠加，实现图像的叠加放大；图像重建模块，用于将聚焦模块的结果进行输出显示。2.如权利要求1所述的超宽带微波目标检测的FPGA成像系统，其特征是，延时计算模块接收外来的目标点坐标point_location以及输入有效信号op_nd之后进入计算模式。计算模式中BlockRam依次输出1发1-6收，2发1-6收共36组天线的位置，在此期间目标点坐标保持不变，依次计算36组路径长度，将路径长度送入convert_2delay模块计算出路径对应的微波信号传递延时，convert_2delay模块运用MicroBlaze处理器调用模式。3.如权利要求1所述的超宽带微波目标检测的FPGA成...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖夏，王梁，李涛，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12