CN103267965B - 一种多目标微变测量数据处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多目标微变测量数据处理系统及方法，所述方法是先对两次雷达回波信号的多组数据进行重新排序；然后将排好顺序的数据进入基2²IFFT模块进行距离细化得到目标的一维距离像；接着将距离细化后的数据进入多目标极值选取模块找出目标点；之后，依据目标点的信息分别在多目标距离计算模块和去微动模糊模块，计算出目标点与雷达的距离；数据经去微动模糊模块进入相位测量模块计算出两次回波多个目标点的相位差；最后通过微动计算模块计算出两次回波多个目标点的位移。本发明方法可以减少硬件资源节约成本，缩小微变检测系统体积，能够得到高精度的处理结果。

Description

一种多目标微变测量数据处理系统及方法

技术领域

本发明涉及属于微变检测领域，涉及一种微变测量数据处理方法及系统。 

背景技术

几年来，我国国内发生了多起由于桥梁、房屋坍塌造成重大的人员、财产的损失，因此对建筑物进行实时监测十分重要。建筑物的微动变化是建筑物监测的重要数据，对于维护工作中来说是极为重要的，因此如何实现建筑物微动的实时监测是很现实的问题。 

运用步进频率雷达可以对建筑进行微动测量，这种方法不受天气的影响，作用距离也可通过增加雷达功率来提高。所以步进频率雷达能够更全面的反映建筑的微动特性。 

现有的微变干涉监测系统IBIS是由意大利IDS公司和佛罗伦萨大学共同研制，它是一种远程监控系统。该系统结合了步进频率连续波技术（SF-CW）和干涉测量技术（Interferometric Survey），能够实现对目标物微小形变或者位移变化的检测。SF-CW技术在一段时间内通过雷达发射一组步进频率的连续波信号。干涉测量技术是把同一个目标在不同时刻的反射波中的相位进行比较，通过相位的变化得到目标体的位移信息。 

现有技术IBIS系统将步进频率连续波雷达的反射信号输入计算机，然后在计算机中用IBIS系统软件对数据进行处理。IBIS系统软件的组成为IBISController采集软件及IBIS Guardian数据实时分析软件。 

在IBIS系统处理数据时，先将第一次回波采样信号经过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；当目标的第二次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公式(1)计算目标物体的位移。 

其中：d为两次回波目标物体的位移， 分别为两次回波的目标点的相位，λ为雷达的波长。 

现有技术采用的是软件处理雷达回波信号，软件处理信号效率低、处理速度慢，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。现有技术使用的是连续波雷达信号，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。现有技术在最后计算位移d时没有考虑到计算公式存在的微动模糊，限制了位移测量的范围。 

发明内容

技术问题：现有技术中对雷达回波信号的处理方法存在处理信号效率低、处理速度慢，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的问题，同时现有技术没有考虑位移计算存在的微动模糊问题，为此，本发明提供了一种多目标微变测量数据处理系统及其方法。 

技术方案：一种多目标微变测量数据处理系统，所述系统基于现场可编程门阵列，其特征在于，包括：数据缓冲模块、基2²的IFFT模块、多目标的极值选取模块、多目标距离计算模块、去微动模糊模块、相位计算模块、微动计算模块以及延迟模块；其中，数据缓冲模块，用于对两次雷达回波采样信号进行数据排序并以组为单位按序输出；基2²的IFFT模块，用于对数据缓冲模块输出的数据进行距离细化，获得目标点的一维距离像，一维距离像中包含目标点的距离信息和相位信息；多目标的极值选取模块，用于接收所述一维距离像，并通过选择所述一维距离像中的极值确定目标点；所述目标点输入到多目标距离计算模块；多目标距离计算模块用于计算多目标点各自的距离；同时，所述目标点输入到去微动模糊模块，并依次通过相位计算模块、微动计算模块计算多目标点各自的位移；去微动模糊模块用于消除相位距离模糊；延迟模块，用于将多目标点各自的距离与对应的多目标点各自的位移一同输出。 

优选的，所述的数据缓冲模块采用流水线结构和乒乓操作。 

优选的，所述的基2²的IFFT模块采用基2²的多路延迟逆傅里叶变换结构，实现流水线操作；所述的基2²的IFFT模块包括延迟单元、2点蝶形单元、控制单元、多路选择器、CORDIC乘法器和数据缓冲单元；延迟单元用于延迟控制单元向2点蝶形单元发出信号；多路选择器用于实现转接器功能；蝶形单元两路输出连接到CORDIC乘法器；CORDIC乘法器用于实现复数乘法功能。 

优选的，所述多目标的极值选取模块包括平方器、加法器、移位寄存器、比较器、与门、延迟单元和控制单元；数据经过平方器和加法器计算出信号幅度的平方，进入移位寄存器；移位寄存器中选取一个数据，所述数据通过比较器与其他数据进行比较，并通过与门向控制单元发送信号。 

优选的，所述多目标距离计算模块两个乘法器和1个加法器，目标距离的计算公式为：R=n R_s+kΔr，其中n=0代表第一个采样点，雷达的频率步进量为Δf，脉冲宽度为τ，满足：τΔf＝1；每个采样点所能代表的最大距离范围是R_τ＝cτ/2，每个采样点的距离信息R_s＝cTs/2，Ts为采样周期，满足：R_τ＝R_s。 

优选的，所述去微动模糊模块和相位计算模块将两次回波的目标点信号先进行共轭相乘，再进行相位计算。 

一种多目标微变测量数据处理方法，包括： 

步骤一、在现场可编程门阵列中，分别对两次雷达回波采样信号进行数据排 序，再将多组混合的数据按顺序以组为单位输出； 

步骤二、在现场可编程门阵列中，对排序后的数据采用基2²的多路延迟逆傅里叶变换结构和坐标旋转计算机算法进行距离细化，得到目标点的一维距离像，一维距离像中包含目标点的距离信息和相位信息； 

步骤三、在现场可编程门阵列中，选取一个数据与其前后各两个数据进行比较、选取极值，同时所述数据再与设定的阀值比较，从而确定目标点； 

步骤四、在现场可编程门阵列中，依据确定的目标点，计算出多目标点各自的距离，同时将两次回波的目标点信号共轭相乘去除位移计算中的距离模糊；依据去微动模糊后的数据再依次计算出两次回波的相位差和多目标点各自的位移。 

优选的，所述步骤一中采用流水线结构和乒乓操作。 

优选的，所述步骤四中，多目标点距离的计算公式为：R=n R_s+kΔr，其中n=0代表第一个采样点，雷达的频率步进量为Δf，脉冲宽度为τ，满足：τΔf＝1；每个采样点所能代表的最大距离范围是R_τ＝cτ/2，每个采样点的距离信息R_s＝cTs/2，Ts为采样周期，满足：R_τ＝R_s。 

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：1.本发明可以通过现场可编程门阵列实现在流水工作方式下对步进频率脉冲雷达回波信号进行处理，计算出多目标点的距离和位移量；减少了硬件资源节约了成本，缩小微变检测系统体积，能够得到高精度的处理结果。2.本发明采用基2²多路延迟结构的IFFT，这种结构相对于乒乓操作的基4结构节省了大量的RAM单元，而相比于基4的多路延迟结构不仅运用RAM单元少，其转接器设计要简单很多，本发明中的结构只用两个多路选择器就能实现转接器功能。本发明中将基2²多路延迟逆傅里叶变换结构与CORDIC乘法器相结合，减少了硬件资源的利用，提高了硬件资源的利用率；且内部运算只要加减和移位操作，硬件实现非常简单。 

附图说明

图1为本发明实施例的数据处理总体结构框图； 

图2为本发明实施例的数据缓冲模块结构框图； 

图3为本发明实施例的基2²的IFFT模块结构框图； 

图4为本发明实施例的CORDIC乘法器结构框图； 

图5为本发明实施例的多目标的极值选取模块结构框图； 

图6为本发明实施例的多目标距离计算模块结构框图； 

图7为本发明实施例的去微动模糊模块结构框图； 

图8为本发明实施例的相位计算模块结构框图； 

图9为本发明实施例的微动计算模块结构框图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

图1为本发明实施例步进频率雷达回波基带信号的数据处理流水线硬件结构图，由数据缓冲模块、基2²的IFFT模块、多目标的极值选取模块、多目标距离计算模块、去微动模糊模块、相位计算模块和微动计算7个模块组成。下面逐一进行详细说明： 

数据缓冲模块结构框图如附图2所示，其内部由RAM块和控制单元组成。RAM块分为上下两组共四个小RAM块。由于雷达回波在采样的时候，不是一个脉冲重复周期采样一个点；而是每个脉冲周期采样多个点，所以在进行IFFT处理之前需要重新排序，然后输入到IFFT模块中。附图2中n的大小取决于雷达信号在采样时一个脉冲重复周期T_r内所采样的点数，即每次回波采样数据的组数。数据缓冲模块的存储顺序为：假设每组数据有N个，则I通路的第一个数据存入上面一组RAM块的I的第一个单元，Q通路的第一个数据存入上面Q的第一单元；I通路的第二个数据存入上面一组RAM块的I的第N+1个单元，Q通路同样操作，之后按照这个规律，到第n个数据存完后，再从I的第二个单元按上面规律存储。当n组数据存完后，就按照上面所述规律将信号存入下面一组数据；同时，上面一组数据I和Q按地址递增的顺序同时向下一个模块输出数据。上下两组RAM块进行乒乓操作。控制单元的输入信号只有开始信号start，输出信号有2个地址信号a1、a2，2个写命令w1、w2，2个读命令r1、r2和start、first、last。上面一组I和Q共用地址线a1，写命令w1和读命令r1；下面一组I和Q通道共用地址线a2，写命令w2和读命令r2。start为下一级模块开始信号；first当每组第一个数据输出时置1，其他时间为0；last当每组最后一个数据输出时置1，其他时间为0。 

基2²的IFFT模块结构框图如附图3所示，其内部结构由延迟单元，2点蝶形单元、控制单元、多路选择器、CORDIC乘法器和数据缓冲单元组成，图中每根数据传输线代表一个数据的实部和虚部两个信号。本发明采用的基2²多路延迟结构的IFFT，这种结构相对于乒乓操作的基4结构节省了大量的RAM单元，而相比于基4的多路延迟结构不仅运用RAM单元少，其转接器设计要简单很多，本发明中的结构只用两个多路选择器就能实现转接器功能。本发明中还将传统的复数乘法用CORDIC算法实现，CORDIC乘法器相对于传统的复数乘法，需要 存储的数据少，且内部运算只要加减和移位操作，硬件实现非常简单。数据到达这级模块时，先将数据转换成其共轭，即虚部变换正负号；输出时也同样输出数据的共轭。 

当一组数据到来，第一级的控制单元接收到上一级的start信号，此时控制单元不向2点蝶形运算发送start开始命令；当第N/2+1个数据到来时，控制单元才向2点蝶形运算发送start信号，这样2点蝶形运算的两路输入信号便按DIF要求的输入顺序输入。当2点蝶形运算下面一路输出第N/4+1个数据时控制单元发出en信号，使下路数据乘上复数-j。数据进入转接器，下面一路数据要经过N/4周期延迟，上面一路直接接入多路选择器。当2点蝶形运算输出第1个到第N/4个数据时，多路选择器将上一路数据接上一路，下一路数据接下一路；当第N/4+1个到N/2个数据时多路选择器将上一路数据输入到下一路，下一路数据输入到上一路。经过多路选择器后，上一路数据将经过N/4周期的延迟，连接到下一级2点蝶形单元。这样数据通过转接器后，数据的顺序就能按照DIF要求的第二级数据顺序排列了。当数据到达第二级2点蝶形运算时，第二级的控制单元发出start信号，蝶形单元开始工作。蝶形单元两路的输出都连接到CORDIC乘法器。CORDIC乘法器结构框图如附图4所示，其由数据预处理单元、ROM块和p级CORDIC单元组成。由于CORDIC算法旋转角度有限不能满足IFFT需要角度的要求，因此在进入CORDIC单元前先进行数据预处理。预处理的方法如表1所示： 

表1：数据预处理 

判断条件	计算公式
		s<64	X0=X，Y0=Y，s′=s
64<s<128	X0=Y，Y0=-X，s′=s-64
		128<s<190	X0=-X，Y0=-Y，s′=s-128

表中的s为旋转因子上的指数，由控制器提供给CORDIC乘法器。数据经过预处理后s′作为地址输入到ROM块中，提取ROM中预存的偏转角度z0。由于数据进行了预处理，因此ROM中只需存储N/4个角度值即可，而传统的乘法器至少存储实部和虚部各N/4个值共N/2个值；因此运用CORDIC算法能够节省存储单元。每个CORDIC单元通过上一级的zn的正负作为判断条件，选择本单元的旋转方向。 

数据经过CORDIC乘法器后进入到本级的转接器，与上一级转接器不同的是本级的转接器延迟单元为N/8，多路选择器也变为在蝶形运算单元每输出N/8个数据时改变通路。之后的每级结构与前两级的类似，只是在en信号发送时间、转接器的延迟单元和多路选择器改变时间按上述规律做调整。当数据到达最后一级数据缓冲模块时，存储数据按顺序存储在上面两块RAM中，当上面存满后存 入下面两块，同时从第一块中按倒序的输出数据，然后是第二块、第三块，最后是第四块。于此同时控制单元在第一个数据发出时发出开始信号start，还有与数据对应的本组IFFT结果的位置和本组数据是T_r周期中第几个采样点n。 

多目标的极值选取模块结构框图如附图5所示，其由平方器，加法器、移位寄存器，比较器，与门、延迟单元和控制单元组成。数据经过平方器和加法器计算出信号幅度的平方，进入移位寄存器。移位寄存器中的第三个数据通过比较器与其他数据进行比较，其中f0为设置的阀值，作为系统输入现场可根据情况进行调节。当第三个数据大于其他数据和阀值时，与门将会受到5个来自比较器置1的信号，此时控制模块将会受到置1的信号，向下一个模块发出一个周期的start信号；而其发出的k和n是与第三个数据对应。同时I和Q信号经过延迟单元发出与第三个数据向对应的Id和Qd。由于每n组数据的第一个和第二个点不可能出现目标，所以当这两个数据到达寄存器第三单元使与门置1，控制单元要屏蔽这个信号。 

多目标距离计算模块结构框图如附图6所示，其由两个乘法器和1个加法器组成。本实施例中，假设雷达的频率步进量为Δf和脉冲宽度为τ满足：τΔf＝1；且每个采样点所能代表的最大距离范围是R_τ＝cτ/2和每个采样点的距离信息R_s＝cTs/2(Ts为采样周期)满足：R_τ＝R_s。此时目标距离的计算公式为：R=nRs+kΔr（n=0代表第一个采样点）。因此多目标距离计算模块按照这个公式进行设计，图中的加法器和乘法只有当start信号置1时工作。计算的得到的R经过延迟单元与其对应的微动计算结果一同输出。 

去微动模糊模块结构框图如附图7所示，其由一个RAM块、复数乘法器和控制单元组成，图中RAM块上的m决定本发明能存储的最大目标点数。由于实际输出的相位在[-π,π]之间，且微动距离d可正可负，设第一次回波目标点输出相位目标微动的输出相位为按式(2)计算所得微动距离为 

下面分析d'和d的关系： 

①当时，此时

②当时，此时 

③当时，此时 

由以上推断可知： 

所以如果直接提取 并根据式(2)计算微动距离，将会产生一个λ/2的距离模糊。主要是因为分别提取第一次回波目标点相位和第二次回波目标点的相位造成相位模糊二带来微动模糊。可以将第一次和第二次所得的回波信号进行共轭相乘，即 

$z\left(k\right)=y_1\left(k\right)*y_2^{*}\left(k\right)---\left(6\right)$

取z(k)相位θ 

$\mathrm{\θ}=\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}---\left(7\right)$

因为桥梁微动距离比较小，一般小于所以不会产生相位模糊问题，θ即为实际取出的相位，可得： 

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\mathrm{\θ}---\left(8\right)$

根据上面的数学模型，本发明为了消除微动模糊在进行相位计算前先将两次回波的目标点信号共轭相乘，再去进行相位计算。 

当每n组第一个数据到达此模块时，不进行复数乘法操作，而是先将数据存入RAM块中。当控制单元接收到的n信号重新从0开始递增时，则此时下一个n组数据即第二次回波信号到来。此时，控制单元控制RAM块按顺序将上一个n组的目标信号输入到复数乘法器中，同时将到来的数据按顺序存入其中。乘法器将上一组数据和到来的这组数据的共轭进行复数相乘，输出到下一模块。控制单元当复数乘法器输出一个值时，输出一个start信号同时输出对应的目标点编号m'即第m'个目标点。 

相位计算模块结构框图如附图8所示，其结构与CORDIC乘法器类似。数据在预处理时将被变为正数，同时用i标记数据的象限。每个CORDIC算法单元通过y的正负来选择数据的旋转方向，同时通过zn的加减记录旋转的角度。数据到达最后一级时，数据旋转的角度和zp，进入角度调整单元。角度调整单元通过i的值对角度进行象限的调整。 

微动计算模块结构框图如附图9，其只有一个乘法器组成。上级来的θ与常数λ/4π相乘得到微动结果d。 

根据以上实施例，多目标微变测量数据处理方法，包括如下步骤： 

步骤一、在现场可编程门阵列中，分别对两次雷达回波采样信号进行数据排序，再将多组混合的数据按顺序以组为单位输出； 

步骤二、在现场可编程门阵列中，对排序后的数据采用基2²的多路延迟逆傅里叶变换结构和坐标旋转计算机算法进行距离细化，得到目标点的一维距离 像，一维距离像中包含目标点的距离信息和相位信息； 

步骤三、在现场可编程门阵列中，选取一个数据与其前后各两个数据进行比较、选取极值，同时所述数据再通过与设定的阀值比较，从而确定目标点； 

步骤四、在现场可编程门阵列中，依据确定的目标点，计算出多目标点各自的距离，同时将两次回波的目标点信号共轭相乘去除位移计算中的距离模糊；依据去微动模糊后的数据再依次计算出两次回波的相位差和多目标点各自的位移。 

Claims (9)

1.一种多目标微变测量数据处理系统，所述系统基于现场可编程门阵列，其特征在于，包括：数据缓冲模块、基2²的IFFT模块、多目标的极值选取模块、多目标距离计算模块、去微动模糊模块、相位计算模块、微动计算模块以及延迟模块；其中，

数据缓冲模块，用于对两次雷达回波采样信号进行数据排序并以组为单位按序输出；

基2²的IFFT模块，用于对数据缓冲模块输出的数据进行距离细化，获得目标点的一维距离像，一维距离像中包含目标点的距离信息和相位信息；

多目标的极值选取模块，用于接收所述一维距离像，并通过选择所述一维距离像中的极值确定目标点；

所述目标点输入到多目标距离计算模块；多目标距离计算模块用于计算多目标点各自的距离；

同时，所述目标点输入到去微动模糊模块，并依次通过相位计算模块、微动计算模块计算多目标点各自的位移；去微动模糊模块用于消除位移计算模糊；

延迟模块，用于将多目标点各自的距离与对应的多目标点各自的位移一同输出。

2.根据权利要求1所述的一种多目标微变测量数据处理系统，其特征在于，所述的数据缓冲模块采用流水线结构和乒乓操作。

3.根据权利要求1所述的一种多目标微变测量数据处理系统，其特征在于，所述的基2²的IFFT模块采用基2²的多路延迟逆傅里叶变换结构，实现流水线操作；所述的基2²的IFFT模块包括延迟单元、2点蝶形单元、控制单元、多路选择器、CORDIC乘法器和数据缓冲单元；延迟单元用于延迟控制单元向2点蝶形单元发出信号；多路选择器用于实现转接器功能；蝶形单元两路输出连接到CORDIC乘法器；CORDIC乘法器用于实现复数乘法功能。

4.根据权利要求1所述的一种多目标微变测量数据处理系统，其特征在于，所述多目标的极值选取模块包括平方器、加法器、移位寄存器、比较器、与门、延迟单元和控制单元；数据经过平方器和加法器计算出信号幅度的平方，进入移位寄存器；移位寄存器中选取一个数据，所述数据通过比较器与其他数据进行比较，并通过与门向控制单元发送信号。

5.根据权利要求1所述的一种多目标微变测量数据处理系统，其特征在于，所述多目标距离计算模块包括两个乘法器和1个加法器，目标距离的计算公式为：R＝n R_s+kΔr，其中n＝0代表第一个采样点，雷达的频率步进量为Δf，脉冲宽度为τ，满足：τΔf＝1；每个采样点所能代表的最大距离范围是R_τ＝cτ/2，每个采样点的距离信息R_s＝cTs/2，Ts为采样周期，满足：R_τ＝R_s。

6.根据权利要求1所述的一种多目标微变测量数据处理系统，其特征在于，所述去微动模糊模块和相位计算模块将两次回波对应的目标点信号先进行共轭相乘，再进行相位计算。

7.一种多目标微变测量数据处理方法，其特征在于，包括：

步骤一、在现场可编程门阵列中，分别对两次雷达回波采样信号进行数据排序，再将多组混合的数据按顺序以组为单位输出；

步骤二、在现场可编程门阵列中，对排序后的数据采用基2²的多路延迟逆傅里叶变换结构和坐标旋转计算机算法进行距离细化，得到目标点的一维距离像，一维距离像中包含目标点的距离信息和相位信息；

步骤三、在现场可编程门阵列中，选取一个数据与其前后各两个数据进行比较、选取极值，同时所述数据再与设定的阀值比较，从而确定目标点；

步骤四、在现场可编程门阵列中，依据确定的目标点，计算出多目标点各自的距离，同时将两次回波的目标点信号共轭相乘去除位移计算中的距离模糊；依据去微动模糊后的数据再依次计算出两次回波的相位差和多目标点各自的位移。

8.根据权利要求7所述的一种多目标微变测量数据处理方法，其特征在于，所述步骤一中采用流水线结构和乒乓操作。

9.根据权利要求7所述的一种多目标微变测量数据处理方法，其特征在于，所述步骤四中，多目标点距离的计算公式为：R＝n R_s+kΔr，其中n＝0代表第一个采样点，雷达的频率步进量为Δf，脉冲宽度为τ，满足：τΔf＝1；每个采样点所能代表的最大距离范围是R_τ＝cτ/2，每个采样点的距离信息R_s＝cTs/2，Ts为采样周期，满足：R_τ＝R_s。