一种穿墙雷达信号处理及成像显示系统的制作方法

1.本实用新型涉及图像处理技术领域，具体涉及一种穿墙雷达信号处理及成像显示系统。


背景技术：

2.穿墙雷达探测人体技术在军民两用方面有着广泛的应用前景，合成孔径天线通过方位向的运动可以获得较高的分辨率，进而simo天线发射和接收带宽信号可得到与合成孔径等效的成像效果。考虑到uwb穿墙成像主要适用于反恐防暴、灾害救援等场合，成像分辨率与便携性是穿墙雷达的重要考核指标。原始合成孔径需要大的孔径长度，这与便携性的要求相矛盾，因此需要在有限合成孔径长度下提高成像分辨率。
3.常用sar成像技术基于自由空间中电波直线传输模型，但在穿墙雷达模型中雷达与目标之间存在介质阻挡，为了提高成像精度，有必要研究能够解决介质存在时的数学成像模型。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种穿墙雷达信号处理及成像显示系统，以克服现有技术的缺陷，本实用新型采用多硬件模块架构实现信号处理系统的设计，最终可实现具有标准可扩展通信接口、高速数据处理功能、数据传输和存储功能的成像系统。
5.为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种穿墙雷达信号处理及成像显示系统，包括依次连接的射频模块、 stm数据采集及成像处理模块以及液晶成像模块，还包括用于为射频模块、 stm数据采集及成像处理模块以及液晶成像模块供电的电源模块；
7.所述的射频模块用于发射及接受信号；所述stm数据采集及成像处理模块用于从射频模块获取数据流信号，所述数据流信号即为墙后目标物体的回波信号时延信息，并将获取的所述数据流信号进行处理，得到能够在液晶屏上显示的点目标数据；所述液晶成像模块用于将stm数据采集及成像处理模块得到的点目标数据进行成像显示操作。
8.进一步地，所述stm数据采集及成像处理模块采用stm32f1。
9.进一步地，所述电源模块包括降压电路和稳压电路，所述降压电路和稳压电路用于对220v电压进行电压转换工作，得到能够用于stm数据采集及成像处理模块和液晶成像模块工作的5v直流稳压电源。
10.进一步地，所述的液晶成像模块包括液晶显示屏、液晶显示配置信号线、同步时钟配置信号线、水平垂直同步信号线和en信号线；
11.所述液晶显示配置信号线利用系统内部已经编写完成的函数库与液晶显示屏显示所需的信号线进行连接和控制，以实现准确的成像显示操作；
12.所述同步时钟配置信号线用于对系统内部的工作起始状态和外部接收速率进行同步，以实现对外部数据流的正确接收以及系统内部各指令的顺序组合与关联；
13.所述水平垂直同步信号线用于对已接收的信号进行垂直和水平向的扫描操作，以实现液晶屏最终的成像展示效果；
14.所述en信号线用于对液晶成像模块整体进行控制和启动工作。
15.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
16.本实用新型采用多硬件模块架构实现信号处理系统的设计，具有标准可扩展通信接口、高速数据处理功能、数据传输和存储功能的硬件成像系统，该硬件系统通过所述射频模块对墙体后目标物体进行探测，其次通过所述 stm数据采集及成像处理模的pb11和pb10通信串口与所述射频模块的通信串口tx和rx进行相连，并由此完成对回波信号的采集和硬件算法处理的功能，最后通过所述液晶模块完成对信号处理结果的显示功能。
附图说明
17.图1为本实用新型穿墙雷达信号处理系统的组成示意图。
18.图2为本实用新型硬件成像算法模型。
19.图3为本实用新型成像系统时延信息存储结构。
20.图4为本实用新型stm数据采集及成像处理模块的组成示意图。
21.图5为本实用新型液晶成像模块的组成示意图。
22.图6为本实用新型电源模块的组成示意图。
23.图7为本实用新型穿墙雷达信号处理及成像显示系统整体架构图。
24.其中，1、stm数据采集及成像处理模块；2、电源模块；3、液晶成像模块；4、射频模块；5、信号线；6、电源线。
25.图8为本实用新型第一组硬件平台算法仿真验证结果。
26.图9为本实用新型第二组硬件平台算法仿真验证结果。
具体实施方式
27.下面结合附图对本实用新型作进一步的描述：
28.本实用新型是一种基于操作系统的成像系统，主要针对超宽带穿墙雷达成像的装备研究和成像算法，包括后向投影算法和压缩感知成像方法等，使用者根据系统自动探测和回波信号处理即可观察成像结果，简化了操作者的工作量，保证了雷达成像在实际应用中的灵活度。
29.如图1所示，一种基于多通道穿墙雷达数据采集的高分辨目标成像系统，包括stm数据采集及成像处理模块、液晶成像模块和电源模块；电源模块为stm数据采集及成像处理模块和液晶成像模块供电；stm数据采集及成像处理模块主要将从射频模块得到的数据流信号进行数制转化及算法处理操作，从而得到可以在液晶屏上进行显示的点目标数据；液晶成像模块将所述 stm数据采集及成像处理模块的点目标数据进行成像显示操作，通过底层函数对目标进行方位向和距离向的精准成像显示操作。
30.如图2所示，本设计采用了收发同置的单站雷达射频模块，该模块自身对墙体反射回波和目标回波进行数据处理，再将二次生成的数据进行串口传输，因此在本设计中需要对时延信息进行二次数据开发，通过将得到的时延量进行整合，从而构成相应的可进行硬件算法处理的回波数据。该过程基于经典的后向投影成像算法，采用keil c语言的成像处
理程序实现。首先，在成像空间中定义探测对象的坐标为(x,y)，将墙面离散成n个位置单元，并用离散点坐标x(n),n＝1,2...n表示墙面的坐标值；设置雷达移动m个位置且每一个位置处的坐标用x(m),m＝1,2...m表示，则可得到相应的目标回波信号；
[0031][0032][0033]
上式即为整体雷达的接收信息所共同构成的目标时延信号，其中τ
m
为目标时延信号，d1为墙体厚度，ε
r
为相对介电常数，c为电磁波在真空中的传播速度。式中描述的时延信号获取方法及过程在基于keil c语言的成像处理程序中可实现。
[0034]
如图3所示，在嵌入式平台上设置横向范围为[0,x
n
]，纵向范围为[0,y
n
]，在系统程序中设置存储函数，将时延信息存储在定义的数组空间当中，从而可以在每一个雷达接收信号处存储有效的数据信息。
[0035]
如图4所示，所述的stm数据采集及成像处理模块采用stm32作为核心信号处理单元，stm开发平台有多款开发芯片，本实用新型采用stm32f1 基础系列作为数据接收和算法处理模块；通过对射频模块的回波进行接收，再利用硬件平台下的后向投影算法对回波信号进行算法处理，从而实现对目标点的精准成像处理操作。
[0036]
该模块中，主要包括了数据流接收、硬件算法、成像数据流和数据流输出等四个次级功能结构。
[0037]
数据流接收功能与雷达射频模块的串口速率调整功能相对应，由串口速率调整得到的适合于stm开发平台接收信息的数据码流，通过stm数据采集及成像处理模块的数据流接收功能进行正确接收，从而保障后续功能结构的正常处理工作。
[0038]
硬件算法是stm数据采集及成像处理模块的核心功能单元，该部分是将基于后向投影的穿墙雷达成像算法移植到本实用新型中所使用的stm开发环境中，其中后向投影穿墙成像算法可用matlab软件、java、kell c等语言实现。在移植过程中，要注意根据原有平台下实现的成像算法程序，依次对应着在新的编程环境下进行实现和调整，从而保障stm环境下的成像处理与原开发环境的处理结果一致。
[0039]
成像数据流是前述硬件算法功能在对原始数据进行处理后得到的点目标成像数据流，这些数据流是多维数据阵列，在该阵列中，目标点的方位位置信息由阵列中的某行某列对应的信号幅值所体现。
[0040]
如图5所示，所述的液晶成像模块包括液晶显示配置信号线、同步时钟配置信号线、水平垂直同步信号线和en信号线。液晶显示配置信号线是利用系统内部自带的已经编写完成的函数库与液晶屏显示所需的信号线进行连接和控制，通过信号线组可以实现准确的成像显示操作；同步时钟配置信号线是用于对系统内部的工作起始状态和外部接收速率进行同步的重要信号线，利用该信号可实现对外部数据流的正确接收以及系统内部各指令的顺序组合与关联；水平垂直同步信号线主要是对已接收的信号进行垂直和水平向的扫描操作，通过该信号线可实现液晶屏最终的成像展示效果；en信号线作为开始信号，负责对整体液晶成像模块进行控制和启动工作。
[0041]
本模块中，主要包含了几条重要的信号线，分别是：液晶显示配置信号线、同步时钟配置信号线、水平垂直同步信号线和en信号线。
[0042]
液晶显示配置信号线由操作系统内部发出，可通过stm的ide集成开发环境进行修改，通常，该组信号线应遵循系统自身提供的成像显示配置，即图像色彩和比例调配参数。如设计者有其他的设计需求，可以通过不同信号线之间的色彩组合或是命令整合，来实现不同成像效果。
[0043]
同步时钟配置信号线是由系统本身的晶振所确定的，一般按照stm开发平台的信息传输速率要求进行定时设置。同步信号用于将不同平台的信息接收时间和同一平台内控制信号间的递进性进行有序地排列，从而保证各个功能有序地进行执行操作。
[0044]
水平垂直同步信号线是由系统内的函数库所确定的，设计者应直接使用扫描信号和扫描函数，来实现对所述stm数据采集及成像处理模块中的成像数据流进行正确成像的操作。
[0045]
en信号线是液晶成像模块的总体开关控制信号线，该信号线可简便地设置在系统主函数当中，或是通过外部硬件控制引脚的方式，实现地液晶成像模块的整体控制操作。
[0046]
如图6所示，所述的电源模块包括降压电路和稳压电路部分。降压与稳压部分负责对220v电压进行电压转换工作，从而得到可用于stm数据采集及成像处理模块和液晶成像模块工作的5v直流稳压电源。
[0047]
降压电路可利用常用的in4007二极管和阻容耦合电路来对整体电路进行初步滤波和整流效果，再通过稳压二极管配合耐压电容，实现稳定5v电源输出供给保障。在实际应用中，可适当对电源模块增加保护电路，以实现安全稳定的系统工作状态。
[0048]
图7展示了本实用新型穿墙雷达信号处理及成像显示系统的整体架构图，图中分别标明了stm数据采集及成像处理模块、液晶成像模块和电源模块之间的信号连接和电源连接关系，并对整体设计结构框架进行了展示，设计者可根据实际情况，对不同模块进行适当调整，以满足实际应用需求。
[0049]
在图7中，首先通过射频模块4完成墙后目标的探测功能，将射频模块 4的串口通信信号线与stm数据采集及成像处理模块1的pb10和pb11进行相连，从而完成回波数据的采集工作，并在stm数据采集及成像处理模块1中利用后向投影算法进行回波数据的算法处理和成像工作，最后将成像结果通过液晶成像模块3进行显示，完成最终的穿墙成像功能目标。
[0050]
图8与图9分别是在上述完成的硬件设备下，进行的前期仿真数据测测试与验证。该仿真数据由电脑中的软件生成，然后将该回波数据下载到stm 开发平台当中，在进行上电初始化操作后，得到相应的成像结果。由图8和图9的左右对比图可以看出，左图中的目标点的位置示意图与右图中的实际电路成像效果相吻合，说明了本硬件处理电路的实际有效性。
[0051]
在实际测试场景下，随砖体墙和木板墙进行测试，其中，砖体墙的介电常数较大，因此对回波信号产生的干扰就为严重，而木板的介电常数较小，因此在进行实际测试后得到的结果与真实目标所在位置的吻合程度更高。实际测试的三个目标点的位置分别是(0.5m,2.5m)，(0.75m,1.0m)，(1.5m,2.0m)，四个目标的位置结果为(0.5m,2.0m)，(1.0m,1.0m)，(1.2m,1.5m)，(1.5m,2.5m)，可以看出本实用新型的实际硬件电路具有较好的成像
效果和成像质量。