一种基于FPGA的高分辨率毫米波雷达RMA成像加速方法

一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法
技术领域
1.本发明涉及雷达成像技术领域，更具体地说，涉及一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法。


背景技术：

2.fpga即现场可编程门阵列，它是在pal、gal、cpld等可编程器件的基础上进一步发展的产物，它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，随着微电子技术的高速发展,fpga为数字图像信号处理在算法、系统结构上带来了新的方法和思路。
3.随着数字多媒体技术的不断发展，数字图像处理技术被广泛应用于航空航天、通信、医学及工业生产等领域中，新开发的产品在图像存储容量、图像质量、图像处理速度等方面有了新的要求；数字图像处理，一般是通过对像素的一些运算提高图像质量，在图像处理过程中，虽然处理算法简单，但参与运算的数据量大，数据需多次重复使用，因此，图像处理往往是图像处理系统中最为耗时的环节，对整个系统速度影响较大；由于图像中的所有元素均可施以同样的操作，存在固有的并行性，非常适合于映射到fpga架构中由硬件算法实现，使得图像的处理速度大大加快。
4.毫米波雷达是一种应用于无线通信、安全防范、交通管理等领域的高新技术，其具有高分辨率、抗干扰、非接触等优点，rma是一种常用的毫米波雷达成像算法，但其对计算资源要求较高，计算量较大，导致成像速度较慢，并且fpga芯片在进行成像加速时，设备与自身运行时会产生热量，对自身造成损耗的同时，导致其性能下降，从而降低使用寿命，也会导致成像速度变慢。
5.因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，以解决上述的问题。
7.为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
8.一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，包括以下步骤：
9.s1、接受高分辨率毫米波雷达回波数据；
10.s2、将高分辨率毫米波雷达采集到的回波数据进行预处理；
11.s3、采用rma算法对预处理后的回波数据进行成像处理；
12.s4、启动加速设备利用fpga的并行计算，对rma算法中计算模块进行硬件加速；
13.s5、最后将加速后的成像结果输出到外部设备。
14.作为本发明的进一步改进，所述步骤s2中数据预处理包括数据噪声过滤、数据校正和数据格式转换。
15.作为本发明的进一步改进，所述步骤s3中rma算法包括：
16.数据分块：用于将接收到的回波数据分成若干个区域；每个区域包含多个采样点
17.傅里叶变换：用于对每个区域进行傅里叶变换得到频域信号；
18.距离移动：用于将每个区域的频域信号按照距离进行移动；
19.信号叠加：用于将移动后的频域信号按照时间进行叠加；
20.数据成像：用于将叠加后得到距离域的成像结果。
21.作为本发明的进一步改进，所述步骤s3中fpga的并行计算包括逻辑单元的并行计算、存储器的并行访问、数据流的并行处理和dma的并行传输。
22.作为本发明的进一步改进，所述步骤s5中外部设备包括计算机、显示器或微型终端。
23.作为本发明的进一步改进，所述步骤s4中加速设备包括加速成像设备和降温机构，所述加速成像设备上端固定连接有显示设备，所述加速成像设备侧端镶嵌有散热设备，所述降温机构固定安装于加速成像设备内，所述降温机构包括吸热框，所述吸热框固定连接与加速成像设备内端，所述吸热框中间固定连接有fpga芯片，所述吸热框靠近散热设备一端固定连接有半导体制冷片，所述半导体制冷片下端固定连接有控制器，所述控制器侧端固定连接有点触开关，所述吸热框下端固定连接有导热板，所述导热板靠近点触开关一端固定连接有膨胀囊，且点触开关与膨胀囊处于同一水平面。
24.作为本发明的进一步改进，所述降温机构上端固定连接有递热管，所述递热管远离降温机构一端与散热设备固定连接，所述散热设备与递热管连接处镶嵌有触感开关。
25.作为本发明的进一步改进，所述递热管包括u型管体，所述u型管体固定连接于降温机构上端，所述u型管体内填充有热胀冷缩流体，所述u型管体内滑动连接有触板，且触板位于靠近触感开关一端，并与热胀冷缩流体相连接。
26.作为本发明的进一步改进，所述热胀冷缩流体采用热膨胀软体材料制成。
27.作为本发明的进一步改进，所述膨胀囊内填充有热膨胀气体，且膨胀囊采用耐高温膨胀材料制成。
28.相比于现有技术，本发明的优点在于：
29.本方案通过采用冷处理fpga作为主要处理芯片，对大量数字图像和底层图像进行快速处理，通过吸热框吸收由fpga芯片及设备部分热量，并将热量分别传递至热胀冷缩流体和导热板，导热板受热后使膨胀囊受热膨胀对点触开关进行触碰，从而启动半导体制冷片对吸热框进行降温，以此对fpga芯片进行有效的降温，同时热胀冷缩流体受热后在u型管体内膨胀，使触板移动触碰触感开关并启动散热设备对设备内部及降温机构整体进行风冷散热，从而大大降低了fpga芯片和设备内部的温度，有效的降低了fpga芯片的损耗，延长其使用寿命，以此大大提高了毫米波雷达成像的速度和效率，同时保持了高分辨率的成像质量。
附图说明
30.图1为本发明的加速方法流程示意图；
31.图2为本发明的成像设备整体结构示意图；
32.图3为本发明的部分成像设备正面剖视结构示意图；
33.图4为本发明的降温机构结构示意图；
34.图5为本发明的递热管结构示意图。
35.图中标号说明：
36.1、加速成像设备；2、显示设备；3、散热设备；4、降温机构；41、吸热框；42、fpga芯片；43、半导体制冷片；44、控制器；45、点触开关；46、导热板；47、膨胀囊；5、递热管；51、u型管体；52、热胀冷缩流体；53、触板；6、触感开关。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例1：
39.请参阅图1-5，一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，包括以下步骤：
40.s1、接受高分辨率毫米波雷达回波数据；
41.s2、将高分辨率毫米波雷达采集到的回波数据进行预处理；
42.s3、采用rma算法对预处理后的回波数据进行成像处理；
43.s4、启动加速设备利用fpga的并行计算，对rma算法中计算模块进行硬件加速；
44.s5、最后将加速后的成像结果输出到外部设备。
45.步骤s2中数据预处理包括数据噪声过滤、数据校正和数据格式转换。
46.步骤s3中rma算法包括：
47.数据分块：用于将接收到的回波数据分成若干个区域；每个区域包含多个采样点
48.傅里叶变换：用于对每个区域进行傅里叶变换得到频域信号；
49.距离移动：用于将每个区域的频域信号按照距离进行移动；并使得来自同一距离的信号在频域上重合；
50.信号叠加：用于将移动后的频域信号按照时间进行叠加，并使得来自同一距离的信号在频域上重合；
51.数据成像：用于将叠加后得到距离域的成像结果；
52.通过该算法可以将数据从时间域转换到距离域，从而得到高分辨率的成像结果。
53.步骤s3中fpga的并行计算包括逻辑单元的并行计算、存储器的并行访问、数据流的并行处理和dma的并行传输；逻辑单元的并行计算：fpga中包含大量的逻辑单元，可以同时执行多个计算任务，将复杂的计算任务分成多个子任务，分配到不同的逻辑单元上并行执行，从而提高计算效率；存储器的并行访问：fpga中包含多个存储器模块，可以同时访问多个存储器，实现数据的并行读写，提高存储器的访问效率；数据流的并行处理：fpga中采用数据流的方式进行计算，可以通过流水线的方式实现数据的并行处理，将多个数据流分别输入到不同的计算模块中，同时进行计算，从而提高计算效率；dma的并行传输：fpga中可以通过dma实现数据的并行传输，将数据分成多个块，通过多个dma通道同时传输，从而提高数据传输效率。
54.步骤s4中加速设备包括加速成像设备1和降温机构4，加速成像设备1上端固定连接有显示设备2，加速成像设备1侧端镶嵌有散热设备3，散热设备3采用排气扇或风冷扇，降温机构4固定安装于加速成像设备1内，降温机构4包括吸热框41，吸热框41固定连接与加速成像设备1内端，吸热框41中间固定连接有fpga芯片42，吸热框41靠近散热设备3一端固定连接有半导体制冷片43，半导体制冷片43下端固定连接有控制器44，控制器44侧端固定连接有点触开关45，吸热框41下端固定连接有导热板46，导热板46靠近点触开关45一端固定连接有膨胀囊47，且点触开关45与膨胀囊47处于同一水平面，通过吸热框41将fpga芯片42及部分设备内部热量吸收并传导至导热板46使膨胀囊47受热膨胀，从而使其触碰点触开关45启动半导体制冷片43对吸热框41进行有效的降温，以此达到对fpga芯片42进行降温的目的，有效的降低fpga芯片42的损耗，同时半导体制冷片43制热端位于散热设备3一侧，通过散热设备3对42进行有效散热，膨胀囊47内填充有热膨胀气体，采用惰性气体氮气，不仅安全且易获得，且膨胀囊47采用耐高温膨胀材料制成，采用耐高温膨胀材料、聚酰亚胺、聚醚酮、聚酰胺中的一种。
55.降温机构4上端固定连接有递热管5，递热管5远离降温机构4一端与散热设备3固定连接，散热设备3与递热管5连接处镶嵌有触感开关6，通过递热管5将吸热框41吸收的热量传导，触发触感开关6启动散热设备3对降温机构4整体及设备内部进行散热降温。
56.递热管5包括u型管体51，u型管体51固定连接于降温机构4上端，u型管体51内填充有热胀冷缩流体52，u型管体51内滑动连接有触板53，且触板53位于靠近触感开关6一端，并与热胀冷缩流体52相连接，通过热胀冷缩流体52受热后膨胀带动触板53滑动，从而使触板53触碰触感开关6启动散热设备3进行降温，热胀冷缩流体52采用热膨胀胶状物材料制成，采用乳胶。
57.步骤s5中外部设备包括计算机、显示器或微型终端。
58.相比于现有技术，本发明的优点在于：
59.本方案通过采用冷处理fpga作为主要处理芯片，对大量数字图像和底层图像进行快速处理，通过吸热框41吸收由fpga芯片42及设备部分热量，并将热量分别传递至热胀冷缩流体52和导热板46，导热板46受热后使膨胀囊47受热膨胀对点触开关45进行触碰，从而启动半导体制冷片43对吸热框41进行降温，以此对fpga芯片42进行有效的降温，同时热胀冷缩流体52受热后在u型管体51内膨胀，使触板53移动触碰触感开关6并启动散热设备3对设备内部及降温机构4整体进行风冷散热，从而大大降低了fpga芯片42和设备内部的温度，有效的降低了fpga芯片42的损耗，延长其使用寿命，以此大大提高了毫米波雷达成像的速度和效率，同时保持了高分辨率的成像质量。
60.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
61.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以
理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、接受高分辨率毫米波雷达回波数据；s2、将高分辨率毫米波雷达采集到的回波数据进行预处理；s3、采用rma算法对预处理后的回波数据进行成像处理；s4、启动加速设备利用fpga的并行计算，对rma算法中计算模块进行硬件加速；s5、最后将加速后的成像结果输出到外部设备。2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，其特征在于：所述步骤s2中数据预处理包括数据噪声过滤、数据校正和数据格式转换。3.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，其特征在于：所述步骤s3中rma算法包括：数据分块：用于将接收到的回波数据分成若干个区域；每个区域包含多个采样点傅里叶变换：用于对每个区域进行傅里叶变换得到频域信号；距离移动：用于将每个区域的频域信号按照距离进行移动；信号叠加：用于将移动后的频域信号按照时间进行叠加；数据成像：用于将叠加后得到距离域的成像结果。4.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，其特征在于：所述步骤s3中fpga的并行计算包括逻辑单元的并行计算、存储器的并行访问、数据流的并行处理和dma的并行传输。5.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，其特征在于：所述步骤s5中外部设备包括计算机、显示器或微型终端。6.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，其特征在于：所述步骤s4中加速设备包括：加速成像设备(1)，所述加速成像设备(1)上端固定连接有显示设备(2)，所述加速成像设备(1)侧端镶嵌有散热设备(3)；降温机构(4)，所述降温机构(4)固定安装于加速成像设备(1)内，所述降温机构(4)包括吸热框(41)，所述吸热框(41)固定连接与加速成像设备(1)内端，所述吸热框(41)中间固定连接有fpga芯片(42)，所述吸热框(41)靠近散热设备(3)一端固定连接有半导体制冷片(43)，所述半导体制冷片(43)下端固定连接有控制器(44)，所述控制器(44)侧端固定连接有点触开关(45)，所述吸热框(41)下端固定连接有导热板(46)，所述导热板(46)靠近点触开关(45)一端固定连接有膨胀囊(47)，且点触开关(45)与膨胀囊(47)处于同一水平面。7.根据权利要求6所述的一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，其特征在于：所述降温机构(4)上端固定连接有递热管(5)，所述递热管(5)远离降温机构(4)一端与散热设备(3)固定连接，所述散热设备(3)与递热管(5)连接处镶嵌有触感开关(6)。8.根据权利要求7所述的一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，其特征在于：所述递热管(5)包括u型管体(51)，所述u型管体(51)固定连接于降温机构(4)上端，所述u型管体(51)内填充有热胀冷缩流体(52)，所述u型管体(51)内滑动连接有触板(53)，且触板(53)位于靠近触感开关(6)一端，并与热胀冷缩流体(52)相连接。9.根据权利要求8所述的一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，其特
征在于：所述热胀冷缩流体(52)采用热膨胀软体材料制成。10.根据权利要求6所述的一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达rma成像加速方法，其特征在于：所述膨胀囊(47)内填充有热膨胀气体，且膨胀囊(47)采用耐高温膨胀材料制成。

技术总结
本发明公开了一种基于FPGA的高分辨率毫米波雷达RMA成像加速方法，本发明通过采用冷处理FPGA作为主要处理芯片，对大量数字图像和底层图像进行快速处理，通过吸热框吸收由FPGA芯片及设备部分热量，并将热量分别传递至热胀冷缩流体和导热板，导热板受热后使膨胀囊受热膨胀对点触开关进行触碰，从而启动半导体制冷片对吸热框进行降温，以此对FPGA芯片进行有效的降温，同时热胀冷缩流体受热后在U型管体内膨胀，使触板移动触碰触感开关并启动散热设备对设备内部及降温机构整体进行风冷散热，从而大大降低了FPGA芯片和设备内部的温度，有效的降低了FPGA芯片的损耗，延长其使用寿命，以此大大提高了毫米波雷达成像的速度和效率，同时保持了高分辨率的成像质量。保持了高分辨率的成像质量。保持了高分辨率的成像质量。


技术研发人员：李世轲 林子萱 李析东 胡琦东 王灵 张益波 陈国平
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/12