（电路与系统专业论文）探地雷达信号处理机的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

abs tract g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r ( g p r ) i s a p p l i e d i n m i l i t a r y a n d p u b l i c fi e l d w i d e 3y i t d o e s n o h a r m t o t h e o b j e c t d e t e c t e d , h a s s m a l l v o l u m e a n d i s c o n v e n i e n t t o o p e r a t e a n d m o v e . a lo n g w it h m y s t a t e s c o n t i n u o u s s u p p o r t o f b a s i c c o n s t r u c t i o n i n r e c e n t y e a r s , m o r e a n d m o r e g p r s a r e d e m a n d e d a n d a p p l i e d t o m o r e f i e l d s . t h i s p 即e r d e a l s w i t h t h e d e s i g n p r o c e s s , 血“ 吻 i d e a s a n d o u t c o m e i n a l g o r it h m h a r d w a r e p l a t f o r m a n d s o f t w a r e a r c h it e c t u r e o f p o r t a b l e g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r s i g n a l p r o c e s s o r . f i r s t , i t m a i n ly d i s c u s s e s h o w t o m a k e u s e o f a d a p t i o n a n d w a v e l e t s t o r e d u c e c l u t t e r ; t h e n t r e a t s h o w t o u s e e m b e d d e d s y s t e m d e s i g n id e a s t o d e v i s e a a p p r o p r i a t e s y s t e m t a k i n g i n t o a c c o u n t o f t h e s y s t e m s p e r f o r m a n c e , c o s t , v o lu m e , p o w e r , e t c . f i n a l l y , it d e a l s w i t h h o w t o a p p l y e m b e d d e d r e a l- t i m e o p e r a t i n g s y s t e m t o d e s i g n a s o f t w a r e a r c h i t e c t u r e s a t i s f y i n g t h e r e q u i r e m e n t s o f r e a l - t im e m u h it a s k d u r i n g t h e c o u r s e o # w r it i n g t h i s p a p e r , i d e e p l y f e e l t h a t t h e r e a r e s o m e d e f i c i e n c i e s i n t h e p r o t o t y p e . f o r i n s t a n c e , t h e d r iv e r s o f c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n u s b a n d h o s t c o m p u t e r a n d i m a g e d i s p l a y in g o n c o lo r l c d h a v e n t b e e n i m p l e m e n t e d . t h e a l g o r i t h m o f p a t t e r n r e c o g n it i o n a n d t r i d i m e n s i o n a l d i s p l a y i n g h a v e n t b e e n s t u d i e d . s o t h e s y s t e m s h o u l d b e f u r t h e r p e r f e c t e d i n t h e f u t u r e k e y w o r d : g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r s i g n a l p r o c e s s i n g e m b e d d e d s y s t e m r e a l - t i me o p e r a t i n g s y s t e m 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 ii) 日 l. 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以 外，论文中小 包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电 子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申 请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人 签名: 卫 鱼丛日 期2 w 辛 冬 1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了 解西安电 子科技大学有关保留 和使用学位论文的规定， 即:学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密 后遵守此规定) 本 人 签 名 :2 怪 已 区 生压 日 期 - s a d 单 2 l 导师签名: 袒n日 期劣沁夕、 / 犷 绪论 第一章绪论 kl . 1探地雷达概述 雷达探测技术用于地下，是在高频微电子技术以及计算机数据处理方法迅速 发展的近代，才得以极大提高，应用领域也迅速开拓。与探空或通迅雷达技术类 似， 探地雷达也是利用高频电磁脉冲波的反射探测目 标和地质现象的，它是从地 面向 地下发射电 磁波来实现探测目 的，故亦称之为探地雷达或地质雷达 ( g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r , g p r ) o 冲击脉冲探地雷达是根据磁波法控地原理， 利用特制的天线向 地下发射无载 波毫微秒脉冲信号，同时接收地下目 标的反射波。 采用时域处理技术，用微机或 d s p 进行信号处理， 然后识别出地下一定深度的目 标， 并显示目 标的灰色或彩色电 平图。它适用于地下管道、电缆和空洞等的深度探测，在城建、交通、 水利及考 古等部门具有广泛的应用前景。 1 . 2探地雷达的国内外发展情况 用电 磁波进行地下目 标探测起源于1 9 0 4 年， 德国 科学家h u l s m e v e r 首先用电 磁波发现地表的金属体， 六年后， l e i m b a c h 和l o w y 在德国专利中提出了 探测埋藏 物体的方法，他们将偶集子天线埋于地表，发射天线发射电磁波后， 将接收天线 接收到的一组信号进行幅度比 较，利用高导电 率媒质对电 磁波的衰减作用对媒质 中导电率高的部分进行定位。通过这种方法，就可以 把一组天线区域内的浅层地 表面组成一 个粗糙的图 像。 l e i m b a c h 和l o w y 同时也指出， 上述方法可以 用在地面 上独立的天线探测地层的方法来代替，通过检查反射信号衰减程度来探测地层和 地下物体的深度。他们使用的是连续波 ( c w ) ，根据地下结构的反射和衍射效应， 同 时依据传导率的变化所引 起的散射特性得到了 许多专利。 在1 9 2 6 年t i u l s e n v e c k 第一次使用了 脉冲技术来检测地层结构和地下目 标。 他指出介电 物质的变化不仅 使传导率发生变化， 同时 也 使电 磁波在其表面发生反射，由 于能 方便 地控制脉冲 的方向，使得这种方法比 地震的方法 ( 一种探测地下结构的方法)更优越。 脉冲技术在随后的5 0 年内得到了发展，人们使用脉冲技术成功地对多冰层的 厚度、地下水的深度、地下盐的沉积处、沙漠中沙的深度、岩石的组成进行了探 测。同时对煤炭也作了 探测，虽然由于煤炭的对电子波的高衰减率 使得探测深 度受了 很大的限制。 m o r e y 在民 用工 程应用上作了 一系列的探讨。 i a 7 0 年代早期，月球勘探和登月计 划大大推动了 探地雷达的发展。 在随后的 几 探地雷达信号处理机的设计与实现 十年中，高速脉冲技术、取样技术即计 算机技术的发展使得探测地下目 标的分辨 率、 所成图像的直观性都大大提高。由于应用的需要，对探地雷达的研究也取得 了长足的发展， 在建筑、 道路和铁路的 地下结构估计，查找或定位地下管道、电 缆、 地雷甚至是对星 球进行遥感方面都 取得了 很大的发展。 目 前，探地雷达技术特别是无载波脉冲探地雷达在世界上发展较快， 各种形 式的雷达设备、商用机器相继出现，美国的m ， 人联合公司最早生产了地下扫描仪 m k系列， 这种探地雷达以正交偶极子天线作为发射天线与接收天线，用微处理器 作中心运算和控制单元。主要用于地下管道和电缆探测，并用特殊符号显示地下 不同 深度的界面和异常的 探测结果。 美国的g s s i 公司生产的s i r 系列地下界面探 地雷达功能较强， 性能在探地雷达产品中 较好。 英国 雷迪公司推出了r d 4 0 0新型 系列先进的管线探测仪， 用于探测金属管线。 对于非金属管， 加拿大探头与软件 ( s s i )公司推出了e k k o i v , 1 0 0 0 型探地雷达进行探测。 我国对探地雷达的研究起步较晚，直到 1 9 9 7年，北京爱迪尔公司研究的 c b s - 9 0 0 0 探地雷达才通过了部级鉴定，并运用在公路、铁路、机场、隧道等工程 项目 中。 另 外， 新乡的中国电 波传播研究 所 ( 信息 产业部第二十 二研究所) 、 西安 电 子科技大学、 西安交通大学等科研单位也研制出了 非产品化的 探地雷达样机。 1 1 3项目的背景和意义 探地雷达应用的不断发展，主要是探地雷达在探测地下结构和地下物体有它 的优越性。这些优越性通常包括以下几个方面: ( 1 ) 发射天线和接收天线都不必和地面接触，从而可以 将天线设计成车载、手 拉或手推等不同的方式，使得检测系统的移动很方便， 检测简单易行。 ( 2 )可以 设计不同 的天 线和信号 源，以 适应 不同的 探测目 的， 满足 探测深度和 分辨率的要求。一般来说， 频率越高， 地下媒质对信号的衰减就越大， 所 以 对浅层地表进行探测， 可以 提高信号源的频带己 取得更高的分辨率，反 之，可以降低信号源的频带以提高探测深度。 ( 3 )对探测目 标的性质基本上没有限制，只要探测的目 标与周围媒质的电 磁参 数不同即可。 地下物体的 形状、 材料可以 通过反射信号取得 ( 这部分还有 待更 深入地研究) . 地下物体有各种几何形状， 基本的形状包括方形、 球形、 管道形等，从而可以得到更优的效果。 ( 4 ) 由于发射接收基带脉冲，非调制信号，具有极宽的频带，能利用信号处理 技术.提高探测能力和分辨率并进行目 标识别，并期望能够进行三维图像 显示 目前，国 家 投 了 大 量 资 金 用 于 高 速 公 路 、 铁 路 、 水 利 、 堤 坝 等 基 础 建 设 ， 而 绪论 这些一 i二 程是国家长久、稳定发展的重要保证，对人民的生产、生活也会产生重要 的影响，所以，工程质量是必须保证的。而相关的检测手段非常有限，比如说长 江堤防还主要是依靠密集的人力拉网式的检查，费时费力，还不能从根本上解决 问题。因此，国内对探地雷达的需求量非常大，需求的面也非常广。目 前市场上 的探地雷达价格太高，功能也比较单一，无法被一般用户接受，所以，开展对探 地雷达的研究，跟踪世界先进技术水平，开发自 有知识产权的探地雷达是有现实 意义的。 1 . 4本论文主要工作 本论文是在参考了西安电 子科技大学张祥云老师探地雷达样机的基础上完成 川 ， ，但由 于他的样机是以 个人力量开发，而且主要研发时间集中 在二十世纪九 十年代中期，是利用计算机系统构成硬件、软件平台，所以 有以下几点不足: ( 1 ) 个人开发有很多没有注意到的地方，主要表现在资料、文档很不 齐全、完 整。比如我所要参考的电路图中有错误的、和实际电路不符合的 地方;软 件只有部分打印的源程序，没有相应的说明文件。这些对今后的开发造成 非常大的困 难， 许多工 作因此要从头来。 ( 2 ) 从技术角度看，样机的 研发时间较早，没有采用目 前流行的 d s p技术和大 规模可编程技术， 这使样机的体积过大，功耗过高，成像质量还不令人满 意。 ( 3 ) 从设计思想来看， 没有采用最新的嵌入式系统设计的手段和理念，主要还 是计算机加插卡这一思路，造成系统的总体成本比 较高，功能的 灵活性不 够。 针对以上的不足，我主要做了以下工作: ( 1 ) 整理、理解、消化了 大量关于探地雷达方面的资料、论文， 研究了 相关的 原理、 算法，其中包括探地雷达的系统组成、成像原理、采样变换原理、 去杂波算法等等。 ( 2 ) 算法设计 对 先前用到的自 适 应 去噪声 方法 进行了 改进和仿真， 提高了 运算 速度，还 研究了小波去噪声的方法，通过仿真，比较和分析了算法的可行性。 ( 3 ) 硬件平台设计 在硬 件平台 设计中， 综合运用了 最新的嵌入式系统设计的思想， 从成本、 体积、 功耗、 性能四大 指标入手， 对多个平台比 较分析后， 采用了d s p + f p g a 平台结构。 并且使用了 高效的e d a 开发工具， 利用了d s p 技术和f p g a 技术。 探地雷达信号处理机的设计与实现 硬件设计包括硬件平台设计、采样电路设计、控制电路设计、测试电路设 计、 d s p 外围电 路设计等。 1 软件系统设计 软件系统中 针对实时多 任务的 要求， 引入了嵌入式实时操作系统d s p / b i o s 并 在该 操作系 统上构造了 软 件总体 框架。 软件 编程采用t i 公司的c c s ( c o d e c o m p o s e r s t u d i o , v e r s i o n 2 . 0 ) 编程环境， 使用 c语言和汇编语言混合编 程。 第二章探地雷达原理 第二章探地雷达原理 探地雷达信号处理机是探地雷达系统的一个组成部分，同时，了解无载 彼脉 冲探测地下状况的原理对于后期的信号处理和成像方面的软硬件设计有很大的作 用，因此，本章首先介绍了整个探地雷达的系统结构，然后讲述了探地雷达的成 像原理，最后介绍了 在探地雷达回波信号接收中用到的特殊的变换采样原理。 k 2 . t雷达系统结构 用无载波脉冲电 磁波探测地下目 标是向地下发射脉冲电磁波，然后接收从地 下不均匀界面或目标反射的电磁波 得到较为直观的地下目 标探测结果 对反射电磁波进行分析与处理并显示，最后 探地雷达系统组成如图2 . 1 1 所示。 地下部分 发射天线 发射脉冲 地面 ( 泥土、沙 石或冰层等) 地下 目标 地下 目标 反射信号 接收天线 控制器 信号采样，将模拟 信号数字化 同步信号 信号处理 显示器 图2 . 1 1 探地雷达系统结构 无载波脉冲探地雷达主要由 五部分组成: ( 1 ) 脉冲发生器，用以 产生 可重复的脉冲前沿陡峭， 脉冲宽度很窄， 拖尾小、 幅度高的n s 级脉冲。 探地雷达信号处理机的设计与实现 发射与接收天线，收发天线要求能保真的辐射与接收高速脉冲电 磁波，即 具有较宽的幅频特性与较好的相位特性，同时有尽可能高的效率与方向性 取样接收与数模转换模块。完成将接收的射频信号变换成音频信号并数模 转换成数字信号供后端使用。 主控制电路。主控制器不仅要完成信号的数据采集过程，还要对数据进行 预处理，尽量减少信号处理部分的压力。 信号处理电路。完成对模数转换后的数字信号的处理，去噪声、去杂波， 并以适合的方式显示地下目 标的探测结果。 1了、1 今介j 了、r、 、月j、j 乃号尸、 了、廿l 2 . 2成像原理 探地雷达发射天线发射的电 磁波在地下介质中传播，当传播电 磁波的介质特 性 ( 介电常数、传导率)发生变化时，一部分电 磁波在介质的表面发生反射，发 射的信号由 接收天线接收、采样。探地雷达的发射天线和接收天线以及电 磁波的 传播示意图见图2 . 2 1 . x , y 轴组成地平面坐标， z 轴代表地表深度。 本节陈述的 探 地雷达的成像原理是基于 k i r c h h o f f标量衍射理论与均匀介质下电磁波传播特性 的一些知识的。 发射天线接收天线 z图 2 . 2 1探 地 雷 达 发 射 、 接 收 示 意 图 第二章探地雷达原理 当收发天线相对位置固定在地表进行一维扫描时，接收波形与电磁波在地下 传播路径如图2 . 2 2 所示，图2 . 2 3 所示，用几何光学分析方法对于孤立目 标而言， 由于目 标表面法线方向随收发天线扫描而变化较大，可以为是象点目标，所以其 反射波的出现时间点为一双曲线包络，而对地下分界面，由于其法线方向相对收 天线扫描方向变化不大，而呈现与实际形状基本吻合的包络。 图2 ， 2 2 电 磁波在地下的 传播路径 位 贫 。十 云一 于 于一 三 三 二 ， ， _ _ ， 长 一 背- 一- 多 、 一 一一一一 佘一 、 _i， 图2 . 2 3 接收波形示意图 探地雷达信号处理机的设计与实现 设发射天线t 和接受天线r 的地面坐标分别为: 门自 匕，八乙 几乙.j x t = (l ， 一 % y lo ) x r = (x , + / 2 ,3 , ,o ) x为x : 和x ， 的 中 间 点 ， 发 射 天 线 和 接 受 天 线 作一 维 或二 维 扫描， 下 面讨 论 二 维的 情况。由f r e s n e i - k i r c h h o f f 衍射理论和均匀介质下电 磁波传播特性导出: e.xr,t)- 2a co j 2 - xmzz,e -(,+.)u t- z v , 2-3s r 它的符号定义如下: a 是衰减常数， v 传播速度 p (x ) 表 示 物 体 s 表 面 的 反 射 强 度 b , 和6 , 分别 表示入 射角和反射角 - i (为 发 射 脉 冲的 导 函 数 其它的符号参见图 ( 2 . 2 1 ) 假设 地e 的 传 导 率 为。 ， 相 对介 电 常 数为二 ， 。 发 射 天线 发射 一系 列宽 频 带窄 脉 冲 u ( t j x ， 处 的 场 强 为 e , x , , t 。 并 且 有 : 二 x - x r 二 一x 一 、 : 卜一% y 十 。 ; 一 小刁 ic(x， 一% y 。 : 一， )2 一 ) 2 - 4 假 设 发 射 天 线 发 射 的 脉 冲 频 带 宽 带( 5 0 m h z f 1 g h z ) 和 传 导 率 ， “ 一 ， 殊， 以 及介电 常 数 ( 5 e , ( 5 0 ) ， 则我 们可以 得到: 一6 一一 qq t a n 低通重建滤 波器和高通重建滤波器正 交。 大部分正交小波基是无限 支集的， 这在计算上是不可 行的。 非对称滤波器的非线形相位在图 象编码时所产生的误差易导致边缘错位， 形 成巨大的感观误差。因此希望滤波器是有限支集的而且是对称或反对称的。对称 的滤波器结构有运算简单， 便于边界处理的特点。但遗憾的是， 紧支集的小波一般 不具有对称性， 但除h a a r 系 外， 一切具有紧支集的规范正交小波基以 及与 之相关的 尺度函 数都不可能以 实轴上的 任何点为 对称轴或反对称轴。 因此， 我们只能放松对 正交性的要求来保持线形相位( 对应于小波函数的对称或反对称性) 而采用双正交 小波基。 双正交是指低通分析滤波器和高通重建滤波器正交， 低通重建滤波器和高 通 分 析 滤 波 器 正 交 ， 即 满 足 下 列 公 式 : h = 个 l y g ， h 一 (- 1) 十， s . h a a r , d b n , c o i f 小波都有正交性， b i o r 没有。 它们四个都有双正交性. 总地来看， 双正交小波应用 范围要广泛一些， 特别是在二维图像中， 视觉上不会感到过多的变形， h a a r小波则 能有效检测出信号中的瞬变点。 h a a r 小波具有最高的时间分辨率， 能够对信号的瞬 态特征进行很好的识别; 而正交和双正交小波具有二阶的消失矩， 对信号的逼近精 度高。 但正 交小波缺乏对称( 反 对称) 性， 有可能造成较多的失真。 因此， 一般而言， 双正 交小 波综合性能是最好的。 若能够根据信号不同的特征， 自 适应地选择小 波基 就能够达到最佳的滤波效能。 可以 选用的小波有h a a r 小波， d a u b e c h i e s ( d b n )小波， c o i f l e t ( c o i f n ) 小波， s y m l e t s ( s y m n ) 小 波， b i o r 小波， r b i o 小波和d m e y 小波。 探地雷达信号处理机的设计与实现 x 3 . 5 3小波去噪的方法 到目前为止，小波去噪的方法大概可分为三类: 第一类方法是基于小波变换模极大值原理的，最初由m a l l a t 提出，即根据信 号和噪声在小波变换各尺度上的不同传播特性，提出由噪声产生的模极大值点， 保留信号所对应的模极大值点，然后利用所余模极大值点重构小波系数，进而恢 复信号。 第二类方法是对含噪信号做小 波变换之后， 计算相邻尺度之间各点小波系数 的相关性，根据相关性的大小区别小波系数的类型，从而进行取舍，然后直接重 构信号。 第三类方法是d o n o h 。 提出 软闻 值和硬闽值去噪方法，即在众多小波系数中， 把绝对值较小的系数置为零，而让绝对值较大的系数保留或收缩，分别对应于硬 阂值去噪和软闽值去噪方法，得到估计小波系数，然后利用估计小波系数直接进 行信号重构，即可达到去噪的目的。 在实际工程中， 第二种和第三种方法应用的比 较多 目 。 小波相关去噪的原理 小波变换将全部时频空间 划分为大小不同的一系列子空间，小波变换的系数 反映了在相关空间上的能量强弱.对一般的加性高斯白噪声，其能量均匀散布在 时频空间各处， 表现为幅值的杂散系数。 对于图 像中有较多能量，较大面积的 低 频区 ( 一般为 背 景 ) ， 它 们的 能 量在时 空 域的 粗 分辨率下的 低频空间 上 积累 起来。 图 像的 边 缘、 强 奇 异点 等 信号 ， 它 们 含 有 较 多 的 频 率 分 里 ， 因 而 在 相 邻的 频 率 子 空 间的 相应位置处，都存在有较强的相关性。 从上面的分析可以 看出， 小 波分析对 信号进行了多层次、 多角度的 特征提取， 不同的图 像信息，在小波分析的不同级数的系数域上，表现出不同的分布特征。 这样我们便可以按照背景、小目 标和噪声在相邻的子空间所表现出的不同的相关 性 这一 特点 来进行背 景、 小目 标 和噪 声的 分 析 川 。 软阐 值和硬a 值去噪的原理 设有如下观测信号 a l) = s (t ) + 沁 )( 3 - 3 6 ) 其 中 ， s (t ) 为 原 始 信 号 ， n (t ) 为 方 差 为 。 ， 的 高 斯 白 噪 声 ， 服 从 n (o , 6 z ) . 我 们 首 先 对 其 进 行 离 散 采 样 ， 得 到n 点 离 散 信 号.f 价 ) ， k 二 0 , 1 , 2 , . . . , n 一 1 ， 设 w t f ( m , n ) 为 f ( k ) 经 过 小 波 变 换 后 的 小 波 系 数 ， 为 了 方 便 起 见 ， 简 记 为 w m , 由 小 波 变 换 的 线 性 性 质 可 知 ， 分 解 得 到 的 小 波 系 数w . ,， 仍 然由 两 部 分 组 成， 一 部 分 是 s ( k ) 对 应 的 小 波 系 数 w t , ( m , n ) ， 记 为 u m , ， 另 一 部 分 是 n ( k ) 对 应 的 小 波 系 数 第三章信号处理算法的设计与选择 附 几 伽 , n ) ， 记 为 v . .n 小波闷值去噪的基本思路是: i 2 的小; 3 先 对 含 噪 信 号 f ( k ) 进 行 小 波 变 换 ， 得 到 一 组 小 波 系 数 * ， .。 ; 通 过 对 ， 。 下。 进 行 闽 值 处 理 ， 得 到 估 计 小 波 系 数 气。 ， 使 得 jam . 。 一 11- , 尽 川 能 利 用 w 。 一* 进 行 小 波 重 构 ， 得 到 估 计 信 号 f 征 ) ， 即 为 去 噪 之 后 的 信 号 。 d o n o h 。 认为，在小波域上， 所有的小波系数都对噪声有贡献，所以 可以把小 波系数分为两类: 第一类小 波系数仅仅由 噪声变换后得到， 这类小波系数幅值小， 数目 较多;第二类小波系数由 信号变换得到， 并包含噪声的变换结果， 这类小波 系数幅值大，数目 较少。从 这点出发， 可以 通过这种小波系数幅值上的差异构造 一 种降 噪 方 法。 对信 号的 小 波系 数， 设 置一 个阔 值 ，大 于 这个闭 值的 小 波系 数 认 为属干第二类系数， 可以 适当 保留，而小于这个阐值的小波系数， 则认为是第一 类小波系数，去掉这些系数， 就达到了降低噪声的目 的。 s ik w m .n h w m ,n一 力 ，卜 、 。 : : ， jw ， 卜 t ( 3 - 3 7 ) 了j，、夕11 -一 月 成 八w 其 中 ， t 为 闽 值 ， w , ,， 为 估 计 小 波 系 数 硬阐 值去噪的 基本 思 路 和软闽 值去 噪 是一 样的， 唯一不同的 是 直接 把小于阐 值的小波系数置零，而大于阅 值的小波系数保持不变 1 3 . 5 4小 波去杂 波的 实 现- m4*w#m7 r f #d 7 千 婆对图 袅做名 层的 分解， 算法实现复杂， 需 要很大的 运算量， 而这些 算法最 终 是 努 在d s p芯 片中 实现， 很 难满足实时 要求， 所以 本文 中没有采用 川 。 图3 . 5 1 一 图3 .5 8 是用h a a r , b i o r t h g o n a l , c o i fl e t s , m e y e r 四 种小 波基 分别 对 箱 子 和 管 道图 二 维 小 波 分 解 后 的 图 形。 从 对 箱 子 图 分 解 的 结 果 来 看 ， 小 波 变 换 能 有 教 19 到 地 塞 信 息( 从 对 箱 子 图 分 解后的 左上方的l l 分 量图 中 可以 看出) 和物体 信 息( 从 对箱子图 分解 后的 右_ 1_ 方 的l h 分 量 图 中 看 到 黑 色 椭 圆 状 物 体 ) ， 并 且 轮 廓 清 楚 ， 效 果 明 显 ， 远 远 好 于 去 平 均 和自 适 应 去 杂 波 的 效 果 。 从对管 道图 分解的 结果 来 看， 我 们也 可以 从 小 波分解后的l l 分 量图 ( 左上 方) 中明显的 看到条状的管道轮廓信息，有比较好的效果。 我们还可以 看出，不同小波基对于同样图形分解的效果是不完全一样的， c o i fl e t 小波分解后的图 形相对来说并不清楚， m e y e : 小波分解后的图形要比h a a r 和b i o r t h g o n a l 小波分解的能反映更多的细节信息，但是又显得杂乱。 探地雷达信号处理机的设计与实现 第四章信号处理机的设计 本章介绍了课题的整体电路设计思想、设计过程，并对各个单元电路逐一进 行了讨论。重点讨论了嵌入式系统设计方法和设计思想在本课题中的应用。 x 4 . 1嵌入式系统的介绍 嵌入式系统的定义: 以 应用为中心， 以 计算机技术为基础， 软件、 硬件可裁减， 适 应应用系统对功能、 可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统具有以 下特点 s ) 1 ,嵌入式系统一般用于特定的任务，而不是一个通用的平台。嵌入式系统微 处理器专用于某个特定的任务， 或者是很少几个任务。 如果要更改其任务， 就要废弃整个系统并重新进行设计。 例如用在雷达信号处理机上的处理器 用不着运行电子表格或字处理软件。相比 之下，通用处理器必须支持大量 需要多种处理需求的应用软件。 z 、 嵌入式系统通常极其关注成本。 嵌入式系统一般是为大的、批量生 产而设 计的， 在大多数情况下需要注意系统成本. 处理器成本固然是一个因素， 但是， 如果使用高度集成的处理器，而不是微处理器与分立外设的组合， 就能节省许多印制电路板、连接器，并能使用功率更小的电 源，从而节约 相当多的成本。 3 ,嵌入式系统有实时约束。实时约束一般分为两类:时间敏感性约束和时间 关键性约束. 如果任务是时间关键性约束的，它必须在某个时间范围内 完 成，否则由 其控制的功能就会失 效。 例如控制导弹飞行的控制系统就是个 典型，如果反馈速度不够快， 其控制算法就会失效，导弹就会失去目 标。 而时间敏感任务就能以平和得多的方式处理超时引起的后果。例如打印 机 处理超时的后果只不过是打印速度下降而己。 4 , 嵌入式系统使用的操作系统一般是实时操作系统( r t o s ) a 5 、嵌入式系统大多都有功耗约束.嵌入式系统很多是用于便携式设计，设计 人员必须考虑在有限的电量下尽量延长系统运行时间这一问 题。功耗约束 影响了 系统设计决策的方方面面。功耗约束影响处理器的选择、内存体系 结构的设计。系统要求的功耗约束很有可能决定软件是用汇编语言编写， 还是用 c或 c + + 语言编写，这是由于必须在功耗预算内使系统达到最高性 能。功耗需求由c p u时钟以及使用的其他部件( r a m , r o m , i / 0设备等) 的 数量决定。 第四章 信号处理机的设计 不同于标准平台上的应用软件设计， 嵌入式系统设计意味着软件与 硬件的并行 设计，这种同时设计直接关系到怎样设计嵌入式系统。 嵌入式系统设计的七个具体阶段: 1 、产品定义 2 、软件与硬件划分 3 、跌代与实现 4 , 详细的硬件与软件设计 5 、 硬件与软件集成 6 、 产品测试与发布 7 、 持续维护与升级 嵌入式系统项目 不同于普通的应用软件开发，它的硬件不是固定不变的，嵌 入式项目 设计是一项优化活动，它力图同时建立硬件与软件，使两者互相补充， 共同完成系统功能。 x 4 . 2总体方案设计 x 4 . 2 1设计方案比 较 本项目 是 一个典 型的 嵌 入式 系 统， 它的 应用最先由 军 事目 的 而 来， 但目 前主 要 是针对民用，所以必须考虑成本;探地雷达的探测地点普遍在野外，供电只能是 便携式电 源， 所以 功耗、体 积是重要因素; 它探测时必 须自 身运动，一般是放在 人 推的小 车或汽 车中， 所 以 可 靠性是必 须 考虑 的。 针对探地雷达的以上特点，在总体方案设计中，本文以成本、功耗、 体积和 可靠性这四大因素为核心，分析和比较了几种常见的嵌入式系统结构的优缺点， 并选择了d s p十f p g a为硬件平台的设计方案。以下是几种典型的设计方案: 1 、 p c 机 + 插卡方案 p c机 十 插卡的设计 方案 是指以 通用计算机作为控制、 运算、 处理、 显示的 核心， 配以 用于 特定目 的的前端硬件， 通过i s a . p c i , e p p , r s 2 3 2 等接口与 计算机连接， 构成一个完成 特定目 的 专用系统的设计方案。 它的兴起得益于 微 型计算机 ( p c )的出 现和发展， 最典型的应用就是虚拟仪器 ( 个人 仪器) 。 它的优点 在于 利用一 个成熟的 硬件平台 和软件系统，只需添加少量的软件 和硬件就可以 构成一个完整的系统，开发的时间和速度较快，而且界面友好、 操作简易，与其它设备集成方便灵活。 它的缺点在于由于通用计算机必须满足多种需要， 所以系统中 有许多资-d llls 和设备是我们所不需要的， 这使系统的成本、 功耗较高，而且通用计算机中有 象硬盘之类的容易损坏的 外设，可靠性也不高。 探地雷达信号处理机的设计与实现 2 、单片机 + c p l d方案 单片机 十c p l d方案是以单片机作为控制、运算的核心，用c p l d大量取代 7 4系列中 小规模集成电 路，完成接口 、驱动功能，并配以 外围电路， 构成专 用系统的设计方案。如8 4 年代末兴起的mc s 5 1 单片机系统就是一 个代表。 它的优点在于系统构成灵活、 成本低， 控制能力强，目 前在国内 应用的时间较 长，有众多的设计资源和积累。 缺点在于单片机的处理速度，特别是对 d s p 算法的运算能力不够，一般不能满足对算法性能要求比 较高的 应用。 3 、d s p阵列方案 这种方案是指由 两片以上的d s p为核心，配以其他功能电 路，构成专用系统 的设计方案。 它的出现是由于某些情况对数据处理速度的要求很高，比如， 在 通常情况下， 在通信和语音信号处理中需要每秒儿干万到几亿次运算; 在视频 和图 象处理中， 每秒需要几亿到几十 亿运算: 在雷达、 声纳信号处理中， 常需 要每秒几十至几百 亿次运算。 而单个信号处理芯片 ( d s p ) 的处理速度又是有 限的， 不能满足要求的， 所以 将处理任务分解成多个较小的任务由不同的d s p 来完成。 脉动阵和波前阵是两种典型的阵列处理机。 它的优点是运算能力， 特别是数字信号处理能力强。 缺点是系统成本太高， 一 般只用于雷达信号处理 机、大型交换机等对价格不敏感的 应用中。 4 . d s p + f p g a方案 随着大规模可编程器件的发展， 采用d s p + f p ga结构的信号处理系统显 示出了 其优越性， 正逐步得到重视。与 通用集成电路相比， f p ga芯片具 有 体积小、 重量轻、 功耗低、 可靠性高 等几个方面的 优势， 而且在大批量应用时， 可降低成本。 现场可编程门阵列 ( fpga) 是在专用asic 的基础上发展出来的， 它克服了专用asi c 不够灵活的缺点。 与其他中小规模集成电路相比， 其优 点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置， 对电路的修改和维护很方便.目 前，fpga 的容量己经跨过了百万门级， 使 得fpga 成为 解决系统级设计的 重要选择方案之一。 dsp +fp ga 结 构最大的 特点 是结构 灵活， 有较强的 通用性， 适于模 块化设计， 从而能 够提高算法效率; 同时其开发周期较短， 系统易于维护和扩 展， 适合于 实 时 信号 处 理9 川 。 实时信号处理系统中，底层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速 度的要求高， 但运算结构相对比 较简单， 适于用fpga 进行硬件实现， 这样 能同时兼顾速度及灵活性。 高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法 少， 但算法的控制结构复杂， 适于用运算速度高、寻址方式灵活、 通信机制强 大的dsp 芯片来实现。 第四章信号处理机的设计 以万 是各种方案的特点列表: 成本功耗可靠性体积性能 p c机 + 插 卜 较高大低大较高 单片机 + c p l d 低刁 、高刁 、低 d s p阵列高较大 较高较小高 ds p + f p ga较低较小高小较高 x 4 . 2 2设计方案选择与设计 通常的 情况下， 单片机 十 c p l d方案无法满足本系统对于运算性能的 要求; p c 机 +插卡方 案由 于 在 成 本、 功耗上 和可靠性上的 缺点也没 有采用; 而d s p 阵列 方案过高的成本使得设计无法批量为民用目的生产，所以也不能采用; 最终，本 设计采用了d s p 十 f p g a方案。 以下是硬件设计总体框图: 图4 .2 1 总体硬件框图 探地雷达信号 处理机的设计与实现 d s p 选用了 德州仪器公司 ( t i ) 最新推出的t mx 3 2 0 v c 5 5 0 9 , t m x表示该型 号的d s p 还处于小批量生 产阶段， 每片的 购买价3 6 0 r m b ( 2 0 0 2 年1 2 月西安) ， 内部具有双 a l u和双 ma c单元，内 核时钟最大可以到 2 0 0 m,运算性能可达 4 0 0 m i p s ，与典型的以 a d s p 2 1 0 6 0组成的六片共享总线式 d s p阵列的性能 ( 2 4 0 m i p s )相当，在运算性能上满足信号处理的要求。 f p g a选用了a l t e r a公司低成本f p g a -a c e x i k 1 0 0 ， 它内部有4 9 9 2 个逻 辑 单 元 和1 2 个4 k b it s 的 嵌 入 式阵 列 块 ， 容 量 达到1 0 万门 ， 购买 价3 0 0 r m b ( 2 0 0 3 年6 月 西 安 ) 。 由 于 有 大 量 的 资 源， 可以 完 成 控制电 路、 接口 电 路和 信号 预 处理电 路。 除了 液晶、 采样头之外的信号采 集和处理部分的单板成本不到两千元， 对于整 机价格从五万到一百多 万的探地雷达产品 而言，非常有竞争力。 本 信 号 处 理 机以t m x 3 2 0 v c 5 5 0 9 作 为 整 个 系 统 的 核 心， 由 于 考 虑 到 图 像的 缓 存 需 要 较大的 存 储空间， 所以 扩展了 三星公 司的1 6 m - b i t 的s d r a m - 一 一 m 4 1 6 s i o 2 0 c 作为扩展存储器。整个系统的工作流程是由 控制器和 d / a提供给前端采样头所需 的信号， 并启动a / d 采样从采样头来的模拟信号， d s p 接收之后作相应的信号处理， 根据键盘的设定 将图 像按照一定的要求显示到彩色图形液晶上并通过 u s b接口 将 数据传到p c 机存储以 便做进一步的 处理和显示。 总体硬件框图 如图4 .2 1 所示。 t 4 . 3 d s p 及外围电路设计 4 . 3 1 d s p 的介绍 t m x 3 2 0 v c 5 5 0 9 数字信号处理器是德州仪器公司 ( t i ) t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列中 新推出的 一种， 它极大幅度降 低了 功耗， 达到了 每个m i p s 只需0 . 0 5 m w的 水平， 与市场上主流的 产品t m 5 3 2 0 c 5 4 x 相比， 功耗降低了6 倍。 t m x 3 2 0 v c 5 5 0 9 的内 核是 从t m s 3 2 0 c 5 4 x 上发展而 来的， 所以 可以 完 全兼容 现在 市 场主 流的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系 列 处 理 器 的 指 令 ， 既 保 护 了 用 户 在 软 件 方 面 的 投 资 ， 又 使 得 熟 悉t m s 3 2 0 c 5 4 x 编 程 的 软 件人员 几乎 不用再 学习 就 可以 编 写 它的 软 件。 同 时， t k x 3 2 0 v c 5 5 0 9中 还集成 了大量诸如a d , u s b 控制 器之类的片内 外设， 使其成为了 一款具有s o c ( 片上系统) 性质的处理器， 用户只需 外加很少的 辅助器件就可以 构成一个较完整的d s p 系统。 从以 上特点 可以 看出， t m x 3 2 0 v c 5 5 0 9 非常适合于 应用在便携式系统中。 以 下是t m x 3 2 0 v c 5 5 0 9 数字 信号处理器的主要特性: . 两 个算术 逻辑单 元 ( a l u ) ， 双乘 法器， 运 算能力高达4 0 0 m i p s . 1 2 8 k x 1 6 - b i t 片内r a m ( 6 4 k b y t e s d a r a m和 1 9 2 k b y t e s s a r a m ) 3 2 k x 1 6 - b i t片内r o m . 外部并行总线接口 支持异步s a r m ,异步e p r o m ,同步s d r a m 第四章 信号处理机的设计 . 两个2 0 - b i t定时器和一个看门狗定时器 . u s b i . 0 个速 ( 1 2 m )从端f l 控制器 . 2 - 4 通道的 1 0 - b i t片内集成的a / d . 片内独立实时钟 . 片内集成的尸c总线接口 . 能分别提供3 个m c b s p s 串口、2 个wc / s d 串日、2 个存储棒( m s ) 串口 4 . 3 2 s d r a m 接口电路 由于t m x 3 2 0 v c 5 5 0 9 的e m i f( 外部储存器接