[发明专利]超宽带微波目标检测的FPGA成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及超宽带、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。

背景技术

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。

发明内容

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，本发明采取的技术方案是，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，r_m和r_n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，ε_fat代表脂肪组织介电常数。τ_m,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S_m,n(τ)被叠加成为r点处像素强度：

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

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。