CN101441268A - 墙壁参数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及穿墙雷达技术，特别涉及穿墙目标定位与成像技术。本发明公开了一种利用屏障反射波位置信息测试墙壁参数的方法，用于对隐蔽目标定位和成像等进行补偿和校正。本发明的墙壁参数测试方法，包括以下步骤：a.发射天线贴紧墙面发射电磁波；b.接收天线贴紧同侧墙面接收通过墙壁传输的电磁波；c.根据接收信号的位置信息计算墙壁参数。本发明的有益效果是，测试流程简单，运算过程易于实现，可以在墙壁另一面不能到达的情况下，得到精确的墙壁电磁参数，满足实际探测定位和成像的补偿和校正。

Description

墙壁参数测试方法

技术领域

本发明涉及穿墙雷达技术，特别涉及穿墙目标定位与成像技术。

背景技术

穿墙监测(Through-the-Wall Surveillance，TWS)和穿墙成像雷达(Through-the-Wall Radar Imaging，TWRI)通过发射一定频率的电磁波信号穿透墙壁、建筑等屏障，依靠接收屏障后面的隐蔽目标的反射波信息实现对其探测、定位、跟踪和成像。例如反恐斗争中，对建筑物内恐怖分子和人质的探测、定位、跟踪和状态分析；对灾害废墟中人员的搜索与救援等。

由于墙壁等屏障的存在，给定位、跟踪和成像等带来很大的误差，所以需要对墙壁的影响进行补偿。而要补偿墙壁的影响，前提需要获得精确的墙壁参数，现有墙壁参数估计方法仅停留在理论研究阶段，不能满足雷达实际应用的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种利用屏障反射波位置信息测试墙壁参数的方法，用于对隐蔽目标定位和成像等进行补偿和校正。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，墙壁参数测试方法，包括以下步骤：

a.发射天线贴紧墙面发射电磁波；

b.接收天线贴紧同侧墙面接收通过墙壁传输的电磁波；

c.根据接收信号的位置信息计算墙壁参数。

具体的，所述墙壁参数包括墙壁厚度和墙壁介电常数。

具体的，所述电磁波是中心频率为2GHz，带宽为2GHz，采样点数为801的步进变频宽带连续波。

进一步的，所述步骤c包括：

c1.在距离发射天线不同距离处采集若干组回波数据；

c2.确定直接耦合信号与墙壁背面反射信号的位置信息；

c3.根据所述位置信息计算墙壁参数。

具体的，所述接收信号的位置信息为墙壁对电磁波的调制。

更具体的，所述调制为相位调制。

本发明的有益效果是，测试流程简单，运算过程易于实现，可以在墙壁另一面不能到达的情况下，得到精确的墙壁电磁参数，满足实际探测定位和成像的补偿和校正。

附图说明

图1是均匀墙壁中信号传播图；

图2是实施例1的测试方法示意图；

图3是实施例2的测试方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案。

假定墙壁相对介电常数为ε_r，厚度为dw，发射天线T和接收天线R处在墙壁同一侧，相距x。如图1所示，当两天线贴紧墙壁时，信号从发射天线T出发分成三部分回到接收天线R：

一、直达信号：

信号直接从墙壁内部耦合到接收天线R，从空气中泄露的信号很少(忽略不计)。当收发天线的间距x增大时，接收信号以1/x²为衰减因子减弱。在均匀的电介质墙壁中，直接耦合信号的位置与天线R间距成线性关系，比例因子为

二、反射信号：

反射信号主要包括从墙壁后表面一次、二次、三次等反射回接收天线R的信号，其中，墙壁一次反射信号的能量最强。天线间距不同时，反射信号的强度不同，当收发天线间距在临界全反射距离附近时，反射信号达到最强。

三、透射信号：

发射信号一部分穿透墙壁并由墙壁后面背景散射回接收天线，这部分信号相比前两种信号而言，能量很弱。当墙壁后面背景为空或填充吸收介质时，穿透墙壁的信号将不再返回接收天线。在本发明的墙壁参数测试中，透射信号不予考虑。

所以，接收天线收到的回波信号主要包括直达信号和墙壁的一次反射信号：

f_R(t)＝f_l(t)+f_r(t)

其中，f_R(t)为接收天线接收到的信号，f_l(t)为直达信号，f_r(t)为墙壁的一次反射信号。

假设点目标距离发射天线r_T，距离接收天线r_R，电磁波速度为c，则回波延迟 $\mathrm{\τ}=\frac{r_T+r_R}{c}$ 。根据步进变频雷达的基本原理，雷达发射载频线性跳频的信号，中心频率为f_c，带宽为B，采样点数为N，起始频率f₀＝f_c-B/2，频率步进Δf＝B/(N-1)，则接收到的回波表达式为：

$\begin{array}{cc}c\left(f\right)={\mathrm{Ae}}^{-j2\mathrm{\π}(f_0+\mathrm{n\Δf})\mathrm{\τ}}& n=\mathrm{0,1},...,N-1\end{array}$

对回波频点数据补零并进行离散傅立叶变换(IFFT)处理，得到等效的时域脉冲：

d(t)＝Asinc(B(t-τ))×e^j2πfc(t-τ)

其幅度为|d(t)|＝Asinc(B(t-τ))。

从上式可以看出，处理后的等效时域脉冲为辛格函数的形式，幅度在目标回波延迟τ的位置出现最大值。

在图1所示墙壁信号传播模型中，接收的回波信号实际上为不同反射强度不同距离的辛格形式回波的叠加，其中直接耦合信号和墙壁一次反射的信号最强。在实际应用中，可以通过测定强信号的延迟来确定直接耦合信号和墙壁一次反射信号的位置。例如，当两天线放置合适位置，则可从回波中测定两个相对强峰的时延分别为τ₁和τ₂(假设τ₁<τ₂，则τ₁对应于直接耦合信号，τ₂对应于墙壁一次反射信号)，所以直接耦合信号的位置l＝cτ₁，墙壁一次反射信号的位置r＝cτ₂。据此即可得到接收信号的位置信息。

为了保证足够大的距离分辨率，减少墙壁对电磁波衰减，保证足够的信噪比，在下面的实施例中，采用中心频率为2GHz，带宽为2GHz，采样点数为801的步进变频宽带连续波作为探测信号。

实施例1

如图2所示，设墙壁厚度为dw，墙壁介电常数为ε_r，发射天线贴紧墙面发射电磁波；

接收天线R和发射天线T贴紧同侧墙面，在距离x米处采集通过墙壁传输的电磁波，其中包括直达信号f_l(t)和墙壁一次反射信号f_r(t)；

从回波信号中，确定直达信号f_l(t)的位置l和墙壁一次反射信号f_r(t)的位置r，有：

$l=\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}\&times;x$

$r=2\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}\&times;\sqrt{{\mathrm{dw}}^2+{(x/2)}^2}$

可以得到：

ε_r＝(l/x)²

$\mathrm{dw}=\sqrt{{\left(\frac{r}{2\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}}\right)}^2-{\left(\frac{x}{2}\right)}^2}=\frac{x}{2}\&times;\sqrt{{\left(\frac{r}{l}\right)}^2-1}$

根据墙壁对电磁波的相位调制，可以确定l和r的值，根据上式即可得到墙壁的参数——厚度dw和介电常数ε_r。在实际测量中，为了减少随机误差，可以测定多组墙壁参数，然后求平均。

实施例2

如图3所示，当接收天线R1与发射天线T间距为x₁时，从回波信号中确定墙壁一次反射信号的位置r₁；当接收天线R2与发射天线T间距为x₂时，确定墙壁一次反射信号的位置r₂，则有：

${\left(\frac{r_1}{2}\right)}^2={\mathrm{\&epsiv;}}_r\&times;({\mathrm{dw}}^2+{\left(\frac{x_1}{2}\right)}^2)$

${\left(\frac{r_2}{2}\right)}^2={\mathrm{\&epsiv;}}_r\&times;({\mathrm{dw}}^2+{\left(\frac{x_2}{2}\right)}^2)$

所以：

${\mathrm{\&epsiv;}}_r=\frac{{r_2}^2-{r_1}^2}{x_2^2-{x_1}^2}$

$\mathrm{dw}=\sqrt{\frac{{r_1}^2{x}_2^2-r_2^2{x}_1^2}{r_2^2-{r_1}^2}}/2$

其中，r₁和r₂可以根据墙壁对电磁波的相位调制，通过回波测定。在实际测量中，为了减少随机误差，可以测定多组墙壁参数求平均。

上述过程已经通过仿真和试验进行验证。

本发明可以在墙壁另一面无法到达的条件下，估计各种不同墙壁的参数，用于对穿墙雷达目标定位、跟踪和成像等方面的补偿。

Claims (6)

1.墙壁参数测试方法，包括以下步骤：

a.发射天线贴紧墙面发射电磁波；

b.接收天线贴紧同侧墙面接收通过墙壁传输的电磁波；

c.根据接收信号的位置信息计算墙壁参数。

2.根据权利要求1所述的墙壁参数测试方法，其特征在于，所述墙壁参数包括墙壁厚度和墙壁介电常数。

3.根据权利要求1所述的墙壁参数测试方法，其特征在于，所述电磁波是中心频率为2GHz，带宽为2GHz，采样点数为801的步进变频宽带连续波。

4.根据权利要求1所述的墙壁参数测试方法，其特征在于，所述步骤c包括：

c1.在距离发射天线不同距离处采集若干组回波数据；

c2.确定直接耦合信号与墙壁背面反射信号的位置信息；

c3.根据所述位置信息计算墙壁参数。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的墙壁参数测试方法，其特征在于，所述接收信号的位置信息为墙壁对电磁波的调制。

6.根据权利要求5所述的墙壁参数测试方法，其特征在于，所述调制为相位调制。

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