CN103207391A - 一种基于现场可编程门阵列的微变测量数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于现场可编程门阵列的微变测量数据处理方法，分别对第一个回波信号和第二个回波信号进行IFFT，以得到目标物的高分辨率一维距离像；使用目标抽取算法消除距离模糊现象，然后设置门限判决阀值，提取目标物的散射点；运用坐标旋转计算机算法，提取出目标物散射点的相位，然后计算出相位差，最后得出目标物体的位移。本发明方法节约成本，减小微变检测系统体积，节约功耗，结果精度更高。

Description

一种基于现场可编程门阵列的微变测量数据处理方法

技术领域

本发明属于微变检测领域，涉及一种微变测量数据处理方法。

背景技术

微变检测是基于微波雷达系统和干涉测量技术的一种检测系统，其可以实现对目标物微小形变进行监测和检测，方便于建筑物的日常维护和安全运营。特别是近年来，高大建筑物的快速发展，更需要对这些建筑物进行无损检测NDT（Non-destructiveTesting），微变检测系统正是在这一要求下发展起来的。

进入20世纪末以后，无损检测更是进入了一个蓬勃发展的时期。随着现代传感与通信技术的发展，出现了一大批新的无损检测方法和检测手段，使得现代无损检测正在向着智能化、快速化、系统化的方向发展。

目前比较先进的无损检测技术是IBIS系统，它是利用步进频率连续波雷达，将目标物的反射信号输入计算机，使用IBIS系统软件进行数据处理。IBIS系统软件包括IBIS Controller数据采集软件和IBIS Guardian数据实时分析软件。

在IBIS系统处理数据时，先将第一个回波采样信号经过IFFT，在IFFT结果中确定目标点的峰值，之后计算该目标点的距离和相位当目标的第二个回波的采样数据经过相同的计算后得相位

得到两次回波信号目标点的相位后通过下式计算目标物的微动。

IBIS系统采用软件实现处理雷达回波信号。使用软件进行信号处理速度比较慢，效率较低，并且用软件处理数据需要用计算机数据处理终端，成本高且体积大不易携带。

IBIS系统采用的是连续波雷达信号体制。连续波雷达功耗大，且接收和发送天线相互存在干扰，限制了雷达的发射功率。同时为了获得高距离的效果，雷达信号的带宽较大，增加了回波信号接收机的实现难度。

发明内容

技术问题：本发明提供一种采用现场可编程门阵列进行微变检测数据处理，使得输入的是基带回波数字信号，输出的结果是被检测物形变量的基于现场可编程门阵列的微变测量数据处理方法。

技术方案：本发明的基于现场可编程门阵列的微变测量数据处理方法，包括以下步骤：

1）在现场可编程门阵列中，分别对步进频率脉冲雷达第一个回波的基带数字信号和第二个回波的基带数字信号进行逆傅里叶变换，得到目标物的第一个回波高分辨率一维距离像和第二个回波高分辨率一维距离像，所述逆傅里叶变换采用流水线结构和乒乓操作；

2）对所述目标物的第一个回波高分辨率一维距离像和第二个回波高分辨率一维距离像分别进行目标抽取，得到目标物的第一个回波真实一维距离像和第二个回波真实一维距离像，从而消除距离模糊现象，然后设置门限判决阀值，分别采用取极值的方法从所述第一个回波真实一维距离像和第二个回波真实一维距离像中提取散射点，得到目标物的第一个回波散射点和第二个回波散射点；

3）在现场可编程门阵列中，采用流水线形式实现坐标旋转计算机算法，分别提取出目标物的第一个回波散射点和第二个回波散射点的相位，然后计算出每个目标物的第一个回波散射点和第二个回波散射点的相位差，最后利用下述公式得出目标物的位移：

其中，d表示目标物的位移，c是光的传播速度，f₀是发射信号的频率，是第一个回波信号的相位，

是第二个回波信号的相位。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明是基于现场可编辑门阵列的微变检测数据处理方法，数据处理采用硬件形式实现。硬件实现数据处理要比软件实现数据处理速度快，所以硬件实现的微变检测数据处理的实时性更好。数据处理使用现场可编辑门阵列芯片实现，比起原先的使用计算机方法更节约成本，减小微变检测系统体积，节约功耗。本发明采用硬件实现，因而能够克服软件实现速度慢的不足，提高微变检测系统数据处理的实时性。

2.本发明中，回波的基带数字信号经过基于现场可编程门阵列的微变检测数据处理方法的处理可以得到目标物的微小位移。本发明的微变检测数据处理方法的结果精度很高，当发射信号的频率十几GHz，即发射信号的波长为毫米波时，利用本发明的相位提取算法，提取相位的精度可以到达1°，则微变检测系统对目标物位移变化的检测精度可以达到毫米级别。

附图说明

图1为本发明方法的逻辑流程图；

图2为本发明方法采用现场可编程门阵列实现的数据处理结构原理图；

图3为本发明方法中采用的蝶形运算单元现场可编程门阵列实现的流程图；

图4为本发明方法中采用的坐标旋转计算机算法的旋转原理图；

图5为本发明方法中采用的相位提取现场可编程门阵列实现的原理图。

具体实施方式

本发明涉及微变检测的一种数据处理方法，下面结合本发明具体实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细、具体的说明。

本发明实施例中采用步进频率脉冲雷达（SFIR），步进频率脉冲信号是宽带雷达信号，它通过使相参脉冲串中各个脉冲的载频跳变来获得较大的带宽，同时由于它的瞬时带宽小，便于接收机的设计。步进频率脉冲信号的形式如下：

$x\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{rect}\left(\frac{t-i{T}_r-\mathrm{\τ}/2}{\mathrm{\τ}}\right)\cos (2\mathrm{\π}(f_0+\mathrm{i\Δf})t+{\mathrm{\θ}}_i)$

上式中τ为脉冲宽度，T_r为脉冲重复周期，f₀为信号的起始频率，Δf为频率步进量，θ_i为信号的初始相位，N为脉冲个数。

本发明的数据处理模块包括逆傅里叶变换、目标抽取、散射点提取、相位提取、相位差计算和位移计算。

分别对第一个回波的基带数字信号和第二个回波的数字基带信号进行逆傅里叶变换（IFFT）。采用按时间抽取（DIT）的基-4算法，应用流水线结构完成1024点的IFFT运算。

图3为蝶形运算单元现场可编程门阵列实现的结构原理图。

所设计的蝶形运算单元的输入数据分为两类，一类是所需要处理的数据，使用16位有符号二进制表示；另一类是旋转因子，使用9位有符号二进制表示。运算过程分为三个步骤：

第一步输入的7对复数数据要进行3次复数乘法运算，采用了12个实数乘法并行处理的结构，以更多的硬件资源来换取数据处理的速度。为防止乘法过程中的数据溢出，相乘出来的结果存储在长度为25位的存储器中；

第二歩是将第一步的运算结果依照复数乘法运算公式进行再组合，复数乘法公式的表达式如下所示：

Y＝A·B＝(a_r+ja_i)·(b_r+jb_i)＝(a_rb_r-a_ib_i)+j(a_rb_i+a_ib_r)

实数部分和虚数部分要分开，不以复数的形式输出，其结果仍然存储在25位的存储器中，是为了下一级蝶形运算的方便；

第三歩就是对第二步数的结果进行四舍五入，负数变换为反码输出。

到此一个蝶形运算完成，输出的结果存入随机存储器RAM中，蝶形运算的输出输入数据采用乒乓操作控制。

回波基带数字信号经过IFFT运算后的结果即为目标物的一维距离像，采用目标抽取算法消除距离模糊现象，得到目标物的真实一维距离像，目标抽取具体方法如下：

第n个采样点的IFFT结果的第k个点有目标出现，该目标出现在任意一个采样点IFFT结果的第k点上都是可能的。对于第n个采样点，将其IFFT结果进行M个周期延拓（M为采样点的总个数），得到一个长度为MR_u的序列。该序列起点代表距离0终点代表距离MR_u，然后提取距离范围为[nR_s,nR_s+R_τ]的一段，可以得到长度为R_τ的真实一维距离像，也就是得到将这个采样点中所有的距离信息。

对M个采样点表示的距离范围[0,R_τ]，[R_s,R_τ+R_s]，...，[(M-1)R_s,(M-1)R_s+R_τ]，如果只提取其中最开始的R_s一段，则得到[0,R_s]，[R_s,2R_s]，...，[(M-2)R_s,(M-1)R_s]，[(M-2)R_s,(M-1)R_s+R_τ]，这就是同距离舍弃法。

对M个采样点表示的距离范围[0,R_τ]，[R_s,R_τ+R_s]，...，[(M-1)R_s,(M-1)R_s+R_τ]提取后进行叠加，这就是同距离叠加法。

目标物散射点的提取是从真实一维距离像中选取出极值，一个极值点可能是目标物的一个散射点。

单目标物只有一个散射点，选择最大值即可。多目标物的散射点多，极值提取比较复杂，具体方法如下：

使用一组移位寄存器，将IFFT结果输入移位寄存器中，移位寄存器中间位的数与它前后两个数进行比较，当这个中间数为最大时，可以确定这个值是一个极值。然后再与预先设置的阀值比较，如果这个极值比预设的阀值大，则说明这个值是目标物的一个散射点。

目标物的散射点被提取后，应用坐标旋转计算机算法对散射点进行相位提取，图4为流水线实现坐标旋转计算机算法的迭代原理图。

旋转迭代过程中，有一个旋转因子d_k，它的符号由第k次旋转的Y_k决定。它的角度的旋转过程可以这样描述：

1.如果d_k＝-1，即Y_k＜0，那么角度在前一个角度的基础上进行累加增，即加上这一次旋转的角度。

2.如果d_k＝+1，即Y_k≥0，那么角度在前一个角度的基础上进行累加减，即减去这一次旋转的角度。

图5为相位提取现场可编程门阵列实现的原理图。相位信息提取时旋转迭代次数取值为16，其旋转迭代的角度精度可以达到0.017188°，完全满足微变检测系统对相位精度的要求。

应用坐标旋转计算机算法从第一个回波信号中提取相位信息，把相位信息存储起来；然后用同样的方法从第二个回波信号中提取相位信息，也存储起来。比较这两个信号之间的相位差异，如果前后两个回波信号的相位没有变化，则说明目标物没有位移；如果相位有变化，根据位移公式即可计算出目标物的位移变化。

Claims (1)

1.一种基于现场可编程门阵列的微变测量数据处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在现场可编程门阵列中，分别对步进频率脉冲雷达第一个回波的基带数字信号和第二个回波的基带数字信号进行逆傅里叶变换，得到目标物的第一个回波高分辨率一维距离像和第二个回波高分辨率一维距离像，所述逆傅里叶变换采用流水线结构和乒乓操作；

2)对所述目标物的第一个回波高分辨率一维距离像和第二个回波高分辨率一维距离像分别进行目标抽取，得到目标物的第一个回波真实一维距离像和第二个回波真实一维距离像，从而消除距离模糊现象，然后设置门限判决阀值，分别采用取极值的方法从所述第一个回波真实一维距离像和第二个回波真实一维距离像中提取散射点，得到目标物的第一个回波散射点和第二个回波散射点；

3)在现场可编程门阵列中，采用流水线形式实现坐标旋转计算机算法，分别提取出目标物的第一个回波散射点和第二个回波散射点的相位，然后计算出每个目标物的第一个回波散射点和第二个回波散射点的相位差，最后利用下述公式得出目标物的位移：

其中，d表示目标物的位移，c是光的传播速度，f₀是发射信号的频率，

是第一个回波信号的相位，

是第二个回波信号的相位。

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