CN101907709A - 一种穿墙探测雷达对运动人体目标搜索定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种穿墙探测雷达隔墙对运动人体目标搜索定位的方法，在保留单发射、双接收天线系统的基础上，通过一种基于信号相关性的杂波抑制算法剔除复杂的背景信号，更快速、准确地隔墙对运动人体目标进行搜索；通过一种基于回波信号相关性的信号奇异性检测算法，从而更快速地实现利用穿墙探测雷达对运动目标探测、定位和跟踪。本发明方法简单、执行效率高，适用于便携式穿墙探测雷达隔墙对运动人体目标搜索定位，可有效提高穿墙探测雷达的工作效率。

Description

一种穿墙探测雷达对运动人体目标搜索定位的方法

技术领域

本发明属于穿墙探测雷达技术领域，特别是涉及一种新的隔墙对运动人体目标搜索、定位的算法。

背景技术

从二十世纪九十年代以来，关于穿墙探测雷达技术的研究才开始蓬勃的发展起来。经过十几年的发展，已经研究了多种实现穿墙探测的技术手段，并基于这些理论开发出多种实验样机，有些产品初步进入实用阶段。这几乎在很多有关穿墙探测雷达的技术文献和研究论文中均有论述，David.D.Ferris.Jr，Nicholas C.Currie，A survey of current technologies for through-the-wall surveillance(TWS)，Part of the SPIE conference on sensors，C³I，information，and training technologies for law enforcement，Boston，Massachusetts，SPIE，Vol.3577，1998，pp.62-72，Thomas E.McEwan，Livermore，Calif.，Ultra-wideband radar motion sensor，United States Patent：5361070。

对于宽带窄脉冲穿墙探测雷达技术而言，国内外学者的研究主要集中在穿墙探测雷达的硬件设计以及其信号处理技术两个方面。有关文献：Mohamed M.，Aly F.etc.，See-through-wall imaging using ultra wideband pulse systems，Proceeding of the 34^th applied imagery and pattern recognition workshop，Oct.2005，Washington，DC，pp.48-53；Wang Zhiguo，Li Xi，Fei Yuanchun，Moving target position with through-wall radar，CIE International Conference on Radar，Oct.2006，Shanghai，pp.1-4；Yuguang Ma，Kanzo Okada，Xiaobing Sun，UWB reference-free self-positioning with electrical scanning directional antenna，Ultra-Wideband Sept.2007，pp.83-88；Victor M.Lubecke，Olga Boric-Lubecke，Anders Host-Madsen，Aly E.Fathy，Through-the-wall radar life detection and monitoring，IEEE MTT-S International Microwave Symposium，Jun.2007，Honolulu，pp.769-772；陶易，用于穿墙探测雷达的嵌入式系统设计与实现，硕士论文，国防科技大学，2006；戴刚，穿墙探测雷达的数据采集、目标检测与定位方法研究，硕士论文，国防科技大学，2005；赵或，穿墙控测雷达的多目标定位与成像，硕士论文，国防科技大学，2006。

在穿墙探测雷达隔墙对人体目标搜索、定位的算法信号处理技术方面，国内外众多的学者多采用两圆定位这种简单、有效的几何方法。这些文献都从原理上证明了两圆定位这种方法的准确性，但很少有文献研究了实现它的具体算法。有关文献：Erman Engin，Berkeham and etc.，High resolution ultrawideband wall penetrating radar，Microwave and optical technology letters，Vol.49，No.2，Feb.2007，pp.320-325；Jia Shigong，Kong Lingjiang，Liu Bin.Ellipse-cross-localization accuracy analysis of through-the-wall radar，IEEE National Radar Conference-Proceedings，May 2009，Pasadena，CA，United states；陈洁，方有广，李芳，超宽带穿墙雷达非相干成像方法，中国科学院研究生院学报，第24卷第6期，2007年11月，pp.829-834；Fauzia Ahmad，Moeness G Amin，A noncoherent approach to through-the-wall radar imaging，Proceedings-8th International Symposium on Signal Processing and its Applications，ISSPA 2005，Aug 2005，_Sydney，Australia，pp.539-542；Fauzia Ahmad，Moeness G Amin，Autofocusing of through-the-wall radar imagery under unknown wall characteristics，IEEETransactions on Image Processing，Vol.16，No.7，July 2007，pp.1785-1795。

到目前为止，为了更好的实现目标的隔墙探测、定位和跟踪以及成像，从原理上采用三个接收天线或天线阵的雷达系统，且多采用合成孔径雷达，但是这样也从硬件和软件两方面增加了穿墙探测雷达系统设计的难度、成本，并且不适合便携式的要求。因此，如何改进基于两圆定位的穿墙探测雷达目标技术，称为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种在保留单发射、双接收天线系统的基础上，隔墙对运动人体目标搜索定位的方法。

本发明提供的技术方案是一种隔墙对人体目标搜索定位的方法，包括以下步骤：

步骤1、用冲击型穿墙探测雷达隔墙采集穿墙雷达一维回波信号，所述冲击型穿墙探测雷达采集时采用单天线发射和双天线接收；

步骤2、对采集到的穿墙雷达一维回波信号中各条扫描数据消去直达波，实现方式为将相邻两条扫描数据依次相减；

步骤3、求出穿墙雷达一维回波信号中第一条扫描数据的模极大值，实现步骤为，

步骤3.1，对穿墙雷达一维回波信号中第一条扫描数据进行小波变换，选取C个尺度，并求出每一尺度上小波变换系数的模极大值，所述C大于1；

步骤3.2，在最大尺度上的模极大值点位置构造一个邻域O(n_i，ε)，其中n_i为第i个模极大值点，ε为常数；在该邻域内搜索其它尺度上是否存在模极大值，若有则保留该最大尺度上的模极大值，否则令该最大尺度上的模极大值为0；

步骤3.3，求出最大尺度上最大的模极大值的横坐标点，该点即是人体移动造成雷达回波信号的突变点的位置；

步骤4、从第二条扫描数据开始，利用相邻扫描数据具有相关性的特点求出穿墙雷达一维回波信号中其他各条扫描数据的模极大值，实现步骤为，

步骤4.1，按顺序从采集到的穿墙雷达一维回波信号中取出某条扫描数据，对它进行小波变换，仍取C个尺度，并求出每一尺度上小波变换系数的模极大值；

步骤4.2，在该条扫描数据最大尺度上的模极大值点位置构造一个邻域O(n_ji，ε_j)，其中n_ji为尺度j上的第i个模极大值点，ε_j为常数，在该邻域内搜索前一条扫描数据上是否存在模极大值，若有则保留该最大尺度上的模极大值，否则令该最大尺度上的模极大值为0；

步骤4.3，求出最大尺度上最大的模极大值的横坐标点，该点即是人体移动造成雷达回波信号的突变点的位置；

步骤5、利用步骤3和步骤4所得雷达回波信号的突变点的位置，按照两圆定位原理实现隔墙对运动人体目标搜索定位。

本发明的特点：在保留单发射、双接收天线系统的基础上，通过一种基于信号相关性的杂波抑制算法剔除复杂的背景信号，更快速、准确地隔墙对运动人体目标进行搜索；通过一种基于回波信号相关性的信号奇异性检测算法，从而更快速地实现利用穿墙探测雷达对运动目标探测、定位和跟踪。本发明方法简单、执行效率高，适用于便携式穿墙探测雷达隔墙对运动人体目标搜索、定位，可有效提高穿墙探测雷达的工作效率。

附图说明

图1本发明用单天线发射、双天线接收探测模式下的探测示意图；

图2本发明两圆定位原理图；

图3本发明穿墙探测雷达信号回波信号相关性示意图；

图4本发明实施例求解各尺度下的模极大值的程序框图。

具体实施方式

1、理论基础

如附图1所示，冲击型穿墙探测雷达探测时多用天线阵，本发明采用单发双收的天线系统，T/R为收发一体天线(即发射/接收天线)，R为接收天线，S为人体目标，天线T/R、R采集到的穿墙雷达一维回波信号送入计算机Computer进行处理。θ_R、θ_T分别为发射波束、接收波束的指向角，R_T为收发一体天线T/R到目标S的距离，R_R为目标S至接收天线R的距离。通常，在接收端所测量的为电磁波从发射端经目标发射后到达接收端的距离和，即：R_∑＝R_T+R_R。在收发一体天线T/R处测的电磁波在T/R和S之间的传输时间为：τ₁，信号经目标S反射后传输到接收天线R的时间为：τ₂。

假设空气中的电磁波传输速度为C，可得：

R_T＝τ₁c/2

R_R＝τ₂C-R_T

则目标S的位置为以R为圆心、以R_R为半径的圆，和以R、T/R为焦点的椭圆的交点。如图2建立坐标系，则收发一体天线T/R位置为(0，0)，接收天线R位置为(x_R，y_R)，目标S估计位置为(x，y)，其定位方程为：

$R_{\mathrm{\Σ}}=R_T+\sqrt{{(x-x_R)}^2+{(y-y_R)}^2}$

$R_T=\sqrt{x^2+y^2}$

由式得：

$x_{R}x+y_{R}y=\frac{[R_{\mathrm{\Σ}}^2-(x_R^2+y_R^2)-2R_{\mathrm{\Σ}}{R}_T]}{2}=k_0$

可知k₀为常数，则：

x＝(k₀-y_Ry)/x_R

可得：

ay²-2by+c＝0

其中：

$a=x_R^2+y_R^2$

b＝k₀y_R

$c=k_0^2-x_R^2{R}_T^2$

则：

$y=\frac{b\±\sqrt{b^2-\mathrm{ac}}}{a}$

2、信号奇异性检测

由于穿墙探测雷达回波信号中不规则的突变和奇异点包含了人体运动目标信息，在不同分辨尺度下被分析信号的突变点总有其对应的小波变换模极大值，那么根据小波模极大值就可以准确的确定人体目标距天线的距离。

一个函数能够无限可导，则它是光滑的或没有奇异性的。若一个函数在某处有间断或某阶不连续，则它在此处有奇异性。一个突变的信号在其突变点必然是奇异的，信号中不规则的突变部分和奇异点往往包含其本质的信息。因而提取或分析这些信息是非常重要的。

在数学上，函数f(x)∈R在某点的奇异性常用奇异性的Lipschitz指数α描述。

设0≤α≤1，在点x₀处若存在常数k，对x₀的邻域使得下式成立：

|f(x)-f(x₀)|≤k|(x-x₀)|^α

则称信号f(x)在点x₀是Lipschitz指数α。

若α＝1，则f(x)在点x₀是可微的，即f(x)没有奇异点。

若a＝0，则f(x)在点x₀处间断。α越大，说明奇异函数f(x)越接近规则，α越小，说明奇异函数f(x)在x₀点变化越尖锐。

由于小波变换具有“变焦”的特性，因此小波分析的主要特点之一是能够对信号奇异性进行很精确的分析。Mallat等人建立了小波变换与刻画信号奇异性的Lipschitz指数之间的密切关系，从而可通过小波变换来确定信号的奇异点位置。

小波变换与Lipschitz指数满足如下关系：

设0≤α≤1，函数f(x)在[a，b]上有一致Lipschitz指数的充要条件是存在一个常数k＞0，使得

小波变换满足

|W_f(u，s)|≤k(s)^α

其中|W_f(u，s)|的衰减性可以由其局部模极大值控制，s为尺度因子，u为平移因子。术语“模极大”来表示这样的点(u₀，s₀)，使得在u＝u₀点达到局部模极大值，

即 $\frac{{\∂W}_{f(u_0,s_0)}}{\∂u}=0$

一般信号突变点的Lipschitz指数大于或等于零，这种突变点所对应的小波变换模极大值随尺度的增加幅度逐渐增大，奇异信号的小波变换呈现模极大值，因此信号的奇异性可以通过小波模极大在细尺度下收敛的横坐标点来检测。

3、实施例的实现过程包括以下步骤：

(1)利用单天线发射、双天线接收探测模式下的冲击型穿墙探测雷达隔墙采集雷达回波信号，采集到的信号由计算机进行后续步骤的处理。

(2)将采集来的回波信号相邻两个扫描数据(scan)的数据依次相减。就是前一条数据减后一条数据，依次相减后的差就是这一步信号处理后的结果，因为直达波信号非常强，它会干扰后面通过模极大值来搜索人体目标的算法。下述步骤都是对相减去除直达波后的扫描数据进行处理。

(3)将第一条scan的数据f(t)取出，按照公式

对它进行小波变换，取恰当的多个尺度(通常为3个尺度，即取C＝3)，其中

为基本小波或小波母函数，s为尺度因子，u为平移因子。

(4)按照公式分别求出每一尺度上小波变换系数的模极大值，其程序流程框图见附图4：开始输入信号后，进行M层小波分解得到数据x(j，i)，其中j为尺度，i是点数；然后求出每一尺度下的模极大值，其方法是搜索出该尺度下所有满足其模值比前一点和后一点模值都大的点并保留该点的模值，令该尺度下剩余点的模值为0。实施例的搜索方式是先令j＝1、i＝1，然后逐步增大i＝i+1直到i大于512后，增大j＝j+1进行下一层继续循环搜索，直到j大于M时搜索结束。

(5)在最大尺度上的模极大值点位置构造一个邻域O(n_i，ε)，其中n_i为第i个模极大值点，ε为常数，表示邻域的范围，通常取7。在该邻域内搜索其它尺度上是否存在模极大值，若有，则保留该最大尺度上的模极大值，否则令该最大尺度上的模极大值为0。

按照前面(3)～(5)步所述方法即可求出穿墙雷达一维回波信号第一条scan的模极大值。再求出最大尺度上最大的模极大值的横坐标点，该点即是人体移动造成雷达回波信号的突变点的位置。

从第二条scan开始，其雷达回波信号的突变点就利用相邻scan具有相关性的特点来获得。由于穿墙探测雷达信号采集时是按scan进行采集的，相邻scan信号之间的时间间距非常小，各相邻scan信号之间的相关性较强。通过分析大量的数据，发现相邻scan的信号波形大致相似，这种现象称为穿墙探测雷达回波信号具有相关性，其示意图见附图3。图3中Amplitude是纵坐标，它代表穿墙探测雷达一维回波信号的幅度，samples/scan是横坐标，它代表一条scan中采集数据的点数，scan1、scan2、scan3是三条相邻scan。

(6)取出穿墙雷达第二条scan的数据进行小波变换，取恰当的尺度，并求出最大尺度上小波变换系数的模极大值。

(7)对该scan最大尺度上的模极大值点位置构造一个邻域O(n_ji，ε_j)，其中n_ji为尺度j上的第i个模极大值点，ε_j为常数，表示邻域的范围，通常取5到10之间的数值。在该邻域内搜索前一scan上是否存在模极大值。若有，则保留该最大尺度上的模极大值，否则令该最大尺度上的模极大值为0。

重复前面(6)、(7)步所述方法依次求出穿墙探测雷达一维回波信号所有剩余scan的模极大值，即求出了每条scan上由于人体移动造成雷达回波信号的突变点的位置。为去掉直达波的回波信号中由于人体移动造的突变点信号幅度最强，则其对应的模极大值最大；并且该算法已经通过实践验证。

(8)按照达回波信号的突变点的位置可知T/R处测的电磁波在T/R和S之间的传输时间为τ1以及信号经目标反射后传输到接收天线的时间为τ2。假设空气中的电磁波传输速度为C，可得：R_T＝τ₁C/2；R_R＝τ₁C-R_T，其中R_T为收发一体天线T/R到目标S的距离，R_R为目标S至接收天线R的距离。

再由R_T和R_R求出附图2中人体目标的位置，其坐标为(x，y)，其计算公式如下：

x＝(k₀-y_Ry)/x_R， $y=\frac{b\±\sqrt{b^2-\mathrm{ac}}}{a}$

其中

$x_{R}x+y_{R}y=\frac{[R_{\mathrm{\Σ}}^2-(x_R^2+y_R^2)-2R_{\mathrm{\Σ}}{R}_T]}{2}=k_0,$

$a=x_R^2+y_R^2$

b＝k₀y_R

$c=k_0^2-x_R^2{R}_T^2$

本发明所要求保护的技术方案不限于以上实施例。

Claims (1)

1.一种穿墙探测雷达隔墙对运动人体目标搜索定位的方法，其特征是包括如下步骤：

步骤1、用冲击型穿墙探测雷达隔墙采集穿墙雷达一维回波信号，所述冲击型穿墙探测雷达采集时采用单天线发射和双天线接收；

步骤2、对采集到的穿墙雷达一维回波信号中各条扫描数据消去直达波，实现方式为将相邻两条扫描数据依次相减；

步骤3、求出穿墙雷达一维回波信号中第一条扫描数据的模极大值，实现步骤为，

步骤3.1，对穿墙雷达一维回波信号中第一条扫描数据进行小波变换，选取C个尺度，并求出每一尺度上小波变换系数的模极大值，所述C大于1；

步骤3.2，在最大尺度上的模极大值点位置构造一个邻域O(n_i，ε)，其中n_i为第i个模极大值点，ε为常数；在该邻域内搜索其它尺度上是否存在模极大值，若有则保留该最大尺度上的模极大值，否则令该最大尺度上的模极大值为0；

步骤3.3，求出最大尺度上最大的模极大值的横坐标点，该点即是人体移动造成雷达回波信号的突变点的位置；

步骤4、从第二条扫描数据开始，利用相邻扫描数据具有相关性的特点求出穿墙雷达一维回波信号中其他各条扫描数据的模极大值，实现步骤为，

步骤4.1，按顺序从采集到的穿墙雷达一维回波信号中取出某条扫描数据，对它进行小波变换，仍取C个尺度，并求出每一尺度上小波变换系数的模极大值；

步骤4.2，在该条扫描数据最大尺度上的模极大值点位置构造一个邻域O(n_ji，ε_j)，其中n_ji为尺度j上的第i个模极大值点，ε_j为常数，在该邻域内搜索前一条扫描数据上是否存在模极大值，若有则保留该最大尺度上的模极大值，否则令该最大尺度上的模极大值为0；

步骤4.3，求出最大尺度上最大的模极大值的横坐标点，该点即是人体移动造成雷达回波信号的突变点的位置；

步骤5、利用步骤3和步骤4所得雷达回波信号的突变点的位置，按照两圆定位原理实现隔墙对运动人体目标搜索定位。

Images