CN101995573A - 一种用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法 - Google Patents

Abstract

一种用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，涉及在有限距离下超宽带穿墙雷达系统对墙后隐藏目标边界成像技术。该方法包括：建立穿墙雷达目标边界成像场景中墙体模型，设置成像所需系统参数；输入阵列天线回波信号，并对输入的回波信号进行累积平均和匹配滤波处理，得到高信噪比输出信号；利用三次样条函数对上步输出信号进行拟合插值运算，提取准波前；根据准波前集合计算曲线簇，计算曲线簇的包络线；对上步中包络线进行拟合，从而得到目标边界图像。此方法将墙体的存在对电磁波传播的影响考虑在内，可以实现对墙后隐藏目标边界准确成像，且具有较高的运算效率。

Description

一种用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法

技术领域

本发明涉及一种超宽带穿墙成像系统中的成像方法，具体地说涉及一种在有限距离下超宽带穿墙雷达系统对墙后隐藏目标边界成像技术。

背景技术

国内外普遍采用非相干方法和相干方法来实现超宽带穿墙成像。非相干方法采用三圆定位(Trilateration)原理来确定目标的位置，虽然硬件简单，但是需要求解一个复杂的方程组，并且存在多个目标时难以求解。相干方法一般是利用时域后向投影(Back-Projection，BP)算法成像，这种算法硬件简单，精度高，但是计算量较大，很难做到实时处理，成像效果也不尽人意。

近年来，有学者提出了基于逆边界散射变换的成像算法，该算法主要是利用了目标边界形状和接收脉冲延迟之间存在逆边界散射变换(IBST，Inverse Boundary Scattering Transform)的特性，其最大的优越性在于直接完成由准波前到目标边界的转换计算，计算时间非常短，且可以对目标边界形状清晰成像。如图1所示全向天线沿x轴方向移动扫描，天线扫描到位置(X，0)时，回波沿与目标边界垂直方向返回，根据每一个天线扫描位置处的回波可以得到发射脉冲的相应延迟t，接收回波准波前Y＝ct/2，提取出所有天线回波准波前即构成了图2中数据空间，由图中几何关系可以得到BST变换，它描述了目标边界点x，y)与准波前(X，Y)之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}X=x+\mathrm{ydy}/\mathrm{dx},\\ Y=y\sqrt{1+{(\mathrm{dy}/\mathrm{dx})}^2}\end{array}\right.$

那么，其逆变换就解决了从接收准波前到目标边界的重建问题。

BST的逆变换(IBST)为：

$\left\{\begin{array}{c}x=X-\mathrm{YdY}/\mathrm{dX},\\ y=Y\sqrt{1-{(\mathrm{dY}/\mathrm{dX})}^2}\end{array}\right.$ (|dY/dX|≤1)

因此，从接收回波中提取出目标边界对应的准波前信息进行IBST，便可以得到目标边界点(x，y)，从而实现对目标边界成像。

但是在穿墙雷达应用中，由于墙体的存在，电磁波在墙体与空气交界处发生折射，使得这种成像算法中的几何关系不再成立，并且每个收/发复用天线入射角及折射角均不同，电磁波在墙体中速度也发生改变，此时使用IBST变换计算出来的目标边界存在较大的误差，边界形状也会发生一定变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，以克服公知技术中穿墙成像方法中计算效率低的缺点，

为实现上述目的，本发明考虑到穿墙成像模型中墙体对电磁波传播的影响，在提取目标回波准波前后，根据建立的墙体模型计算出准波前所对应的曲线簇的包络线，即为目标边界，由此提供了一种用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像算法。

具体地说，本发明提供的用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，其主要步骤如下：

1)建立穿墙雷达目标边界成像场景中墙体模型，设置成像所需系统参数；

2)：输入阵列天线回波信号，并对输入的回波信号进行累积平均和匹配滤波处理，得到高信噪比输出信号；

3)利用三次样条函数对步骤2中输出的高信噪比信号进行拟合插值，提取准波前；

4)根据步骤3中拟合插值后的准波前集合计算曲线簇，并计算曲线簇的包络线；

5)对步骤4中得到的包络线进行拟合，从而得到目标边界图像。

本发明克服了传统穿墙成像方法中计算效率低的缺点，实现了对隐藏在墙后目标边界的准确有效成像，满足了在城市巷战、反恐斗争、公安防暴、灾害救援等特殊场合下穿墙成像的需要。

附图说明

图1是基于逆边界散射变换成像方法的实际空间；

图2是基于逆边界散射变换成像方法的数据空间；

图3是本发明穿墙成像墙体折射几何图；

图4是本发明穿墙成像几何模型；

图5是本发明圆柱目标边界仿真成像结果；

图6是本发明圆柱目标回波提取的准波前；

图7是本发明圆柱目标回波准波前对应曲线簇与包络线示意图。

图8是本发明的计算步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释。

本发明中收发复用天线阵列沿方位向紧贴墙壁放置，则可以应用本发明所阐述的目标边界成像方法对天线阵列回波信号进行成像处理，形成墙后隐藏目标边界图像(请参阅图8)。

第一步，建立穿墙雷达目标边界成像场景中墙体模型，设置成像所需系统参数。

第二步，输入阵列天线回波信号，并对输入的回波信号进行累积平均和匹配滤波处理，得到高信噪比输出信号。

第三步，利用三次样条函数对上一步输出的高信噪比信号进行拟合插值，提取准波前。

第四步，根据拟合插值后的准波前集合计算曲线簇，并计算曲线簇的包络线。

设墙壁厚度为d，相对介电常数为ε_r，如图3所示，天线位置坐标为(X，-d)，电磁波在墙壁与空气分界面上的折射关系满足Snell折射定理：

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_i}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}$

其中，θ_i和θ_r分别为入射角和折射角，设折射点坐标为(X₁，0)，则由上式可得：

$[(x-X_1)/\sqrt{{(x-X_1)}^2+y^2}]/[(X_1-X)/\sqrt{{(X_1-X)}^2+d^2}]=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}$

化简得到关于X₁的四次多项式方程：

(x-X₁)²[(X₁-X)²+d²]-ε_r(X₁-X)²[(x-X₁)²+y²]＝0

由上述方程可解出折射点位置，为了节省计算量，根据工程应用常使用的一种两层介质折射点近似确定方法有以下关系式：

$\frac{X_1-X}{x-X}=\frac{d}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)}\⇒X_1=X+\frac{d(x-C)}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)}$

设天线接收回波中发射脉冲的延迟为t，那么有：

$Y=\mathrm{ct}/2=\sqrt{{(x-X_1)}^2+y^2}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r[{(X_1-X)}^2+d^2]}$

$=\sqrt{{(x-X)}^2{\{1-d/[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)\left]\right\}}^2+y^2}+d\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r+{[(x-X)/(y+d)]}^2}$

其中，c为光速。

令M＝(x-X)²，则化简上式得到：

$\{{[d/(y+d)]}^2-{[1-d/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)]}^2\}M-2\mathrm{dY}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r+M/{(y+d)}^2}+Y^2+{\mathrm{\ϵ}}_r{d}^2-y^2=0$

令 $\left\{\begin{array}{c}A=Y^2+{\mathrm{\ϵ}}_r{d}^2-y^2\\ B={[d/(y+d)]}^2-{[1-d/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)]}^2\\ C=4Y^2{d}^2/{(y+d)}^2\\ D=4Y^2{\mathrm{\ϵ}}_r{d}^2\end{array}\right.$

则方程化简为关于M的一元二次方程：

(A+BM)²＝CM+D

其解为：

$M=[C-2\mathrm{AB}-\sqrt{{(2\mathrm{AB}-C)}^2-4B^2(A^2-D)}]/2B^2$

另一根

$M=[C-2\mathrm{AB}+\sqrt{{(2\mathrm{AB}-C)}^2-4B^2(A^2-D)}]/2B^2$

超出成像区域范围，舍去。

而

因此对于每一个[Y_min，Y_max]区域内的y，可以计算出其对应x，对应于所有(X，Y)的(x，y)的集合构成一簇曲线：

$F(x,y,X,Y)=\sqrt{{(x-X)}^2{\{1-d/[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)\left]\right\}}^2+y^2}$

$+d\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r+{[(x-X)/(y+d)]}^2}-Y=0$

该曲线簇的包络线

且

即为目标边界，即：

$\frac{\∂F(x,y,X,Y)}{\∂X}=-\frac{(x-X){\{1-d/[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)\left]\right\}}^2}{\sqrt{{(x-X)}^2{\{1-d/[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)\left]\right\}}^2+y^2}}$

$-\frac{d(x-X)}{{(y+d)}^2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r+{(x-X)}^2/{(y+d)}^2}}=0$

在实际计算中，曲线簇是由离散点构成的，因此不可能所有的(x_e，y_e)满足等于零，只需满足即可，Δ取值范围在[0，0.1]之间，就可算出满足条件的(x_e，y_e)构成的包络线，即真实目标边界。

第五步，对步骤四中得到的包络线进行拟合，从而得到目标边界图像。

图5给出了圆柱目标边界仿真成像结果。图6为从天线阵列接收的圆柱目标回波信号中提取的准波前，图7为根据准波前集合计算处的曲线簇及其包络线。

理论分析和仿真实验结果都表明，本发明所述成像方法可以实现对墙后隐藏目标边界准确成像，算法效率高。

本发明提出的超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法通过仿真实验进行了理论验证，理论分析和仿真实验结果证明了本发明的有效性。

Claims (7)

1.一种用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，其主要步骤如下：

1)建立穿墙雷达目标边界成像场景中墙体模型，设置成像所需系统参数；

2)输入阵列天线回波信号，并对输入的回波信号进行累积平均和匹配滤波处理，得到高信噪比输出信号；

3)对高信噪比信号进行拟合插值，提取准波前；

4)根据拟合插值后的准波前集合计算曲线簇，并计算曲线簇的包络线；

5)对包络线进行拟合，从而得到目标边界图像。

2.根据权利要求1所述的用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，其中，天线阵列沿方位向紧贴墙壁放置，并且为收发复用天线。

3.根据权利要求1所述的用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，其中，步骤1中的设置成像所需系统参数包括：

墙壁厚度及相对介电常数；

天线位置坐标；

电磁波在墙壁与空气分界面上的入射角和折射角，及

折射点坐标。

4.根据权利要求1所述的用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，其中，步骤2中，在座标(X，0)处天线接收回波中为s′(X，Y)，首先去除墙壁反射波，为了提高信噪比，天线阵原始回波数据经过累积平均和匹配滤波处理后输出为s(X，Y)，其中，Y为(X，-d)位置处天线的接收回波准波前Y＝ct/2，t为(X，-d)位置处天线的接收回波相对发射脉冲的时间延迟，c为光速。

5.根据权利要求1所述的用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，其中，步骤3中是用三次样条函数对高信噪比信号进行拟合插值。

6.根据权利要求1所述的用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，其中，步骤4中根据拟合插值后的准波前集合计算曲线簇的计算步骤为：

6-1)根据电磁波在墙壁与空气分界面上的折射关系满足Snell折射定理，计算(X，-d)位置处天线的发射/接收的电磁波在墙壁与空气分界面的折射点坐标，根据Snell定理

得到

$[(x-X_1)/\sqrt{{(x-X_1)}^2+y^2}]/[(X_1-X)/\sqrt{{(X_1-X)}^2+d^2}]=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r},$

化简得到关于X₁的四次多项式方程

(x-X₁)²[(X₁-X)²+d²]-ε_r(X₁-X)²[(x-X₁)²+y²]＝0，

根据两层介质折射点近似确定方法计算处折射点位置坐标

$X_1=X+d(x-X)/\left[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)\right],$

其中，(x，y)为目标边界点坐标；

6-2)根据步骤3中得到的准波前集合计算曲线簇，计算步骤为：

由天线方位向坐标X和步骤6-1中计算出的折射点位置坐标得到准波前

$Y=\mathrm{ct}/2=\sqrt{{(x-X_1)}^2+y^2}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r[{(X_1-X)}^2+d^2]}$

$=\sqrt{{(x-X)}^2{\{1-d/[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)\left]\right\}}^2+y^2}+d\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r+{[(x-X)/(y+d)]}^2}$

对于每一个成像区域范围内的y计算出其对应x，对应于所有(X，Y)的(x，y)的集合构成一簇曲线，

$F(x,y,X,Y)=\sqrt{{(x-X)}^2{\{1-d/[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(y+d)\left]\right\}}^2+y^2}+d\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r+{[(x-X)/(y+d)]}^2}-Y=0;$

6-3)计算步骤6-2中得到的曲线簇的包络线，即满足条件

且的点为目标边界点的集合。

7.根据权利要求1所述的用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，其中，步骤6-3中计算曲线簇的包络线时，需满足Δ取值范围在[0，0.1]之间，算出满足条件的(x_e，y_e)构成的包络线，即目标边界。

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