CN103197289B - 一种适用于穿墙雷达成像的多径幻象抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于穿墙雷达成像的多径幻象抑制方法，属于穿墙雷达成像技术领域。首先，基于目标多径回波分布的方向依赖性，在穿墙成像全孔径回波中分别提取两个子孔径回波，两个子孔径回波分别包含了不同的目标多径回波；然后，两个子孔径回波分别形成两幅包含不同多径幻象的子孔径目标图像，同时全孔径回波形成一幅包含全部多径幻象的全孔径目标图像；最后，基于三幅目标图像中多径幻象的分布差异性，通过图像联乘融合全孔径图像与两幅子孔径图像，实现对多径幻象的有效抑制，提高图像信杂噪比，形成一幅高质量的目标图像。因此，本发明能够保证穿墙雷达在封闭建筑物探测环境中，具备隐蔽目标高质量成像的能力，提升了穿墙雷达成像探测的实用性。

Description

一种适用于穿墙雷达成像的多径幻象抑制方法

技术领域

本发明属于穿墙雷达成像技术领域，涉及目标多径幻象抑制技术。

背景技术

穿墙雷达成像技术主要实现建筑布局成像和隐蔽目标成像两个功能，分别用来形成建筑布局全景图像和隐蔽目标图像。其中，隐蔽目标图像主要用以确定目标位置、类型与状态，因此，高质量的隐蔽目标图像是保证探测可靠性的必要条件。

在建筑物的封闭探测环境中，墙体造成的目标多径回波干扰严重，成像过程中产生大量的多径幻象，无法形成高质量的隐蔽目标图像。为了解决多径幻象干扰问题，国内外许多科研机构开展了多径幻象抑制方法的研究工作。首先，美国俄亥俄州立大学的研究人员建立了一种基于Floquet模式的多径传播模型，采用时域反转成像算法将目标多径回波汇聚到目标位置，从而减少多径幻象以形成较高质量的目标图像。由于该方法采用的电磁传播模型属于平面波传播模型，而穿墙成像是近场探测，电磁波传播属于球面波传播，因此，该方法难以在实际的建筑物封闭环境下有效地抑制多径幻象。

另外，美国维拉诺瓦大学的研究人员提出了两种多径幻象抑制方法，第一种基于多视角隐蔽目标图像中多径幻象随机分布的特点，采用多视角图像融合技术有效抑制不同视角图像中的多径幻象，但是该方法需要沿多个视角进行成像探测，增加了探测复杂度，而且实际应用中复杂的建筑环境通常不具备实现多视角探测的条件，因此该方法存在应用的局限性；第二种基于墙体镜面反射的基本假设建立了多径传播模型，计算获得多径幻象出现的图像区域后，将该区域像素搬移叠加到目标图像区域，实现对多径幻象的抑制，但是该方法会造成处于多径幻象区域的目标图像丢失。

综上所述，多径幻象干扰是穿墙雷达隐蔽目标成像面临的一个重要问题，直接影响到形成的隐蔽目标图像的质量，不利于准确判断建筑物内部隐蔽目标的分布情况，因此，研究适用于穿墙雷达成像的多径幻象抑制方法具有重要的应用价值。

发明内容

本发明提供一种适用于穿墙雷达成像的多径幻象抑制方法，首先，基于墙体镜面反射假设下的多径传播模型，分析得到目标多径回波分布具有方向依赖性的特点；然后，基于目标多径回波分布的方向依赖性，在穿墙成像全孔径天线阵列中分离提取两个子孔径天线阵列，两组子孔径天线阵列回波分别包含了不同的目标多径回波，进而分别形成两幅包含不同多径幻象的子孔径目标图像，同时全孔径天线阵列回波形成一幅包含全部多径幻象的全孔径目标图像；最后，基于三幅目标图像中多径幻象的分布差异性，通过图像联乘融合全孔径图像与两幅子孔径图像，实现对多径幻象的有效抑制，提高图像信杂噪比，形成一幅高质量的目标图像。

目标多径回波分布的方向依赖性是指：由于墙体镜面反射特性，某一墙体造成的目标多径回波随着目标、墙体和天线三者之间相对位置的变化，集中于某一个子孔径的天线回波中，其余子孔径的天线回波中不包含此多径回波。对应地，目标回波存在于整个全孔径的天线回波中，不具有方向依赖性。

本发明技术方案如下：

一种适用于穿墙雷达成像的多径幻象抑制方法，处理流程如图1所示，包括以下步骤：

对于图2所示典型的穿墙雷达成像场景，天线阵列包含N个均匀分布的收发一体天线，要求：首先，天线阵列长度尽量接近建筑物横向墙体长度L；其次，天线阵列与最近墙体的距离D要求大于等于建筑物纵向墙体长度W的五分之一，即D≥W/5；天线阵列收集的全孔径回波包含N个脉冲信号，表示为S(m)＝[S₁(m),S₂(m),…,S_N(m)]。

步骤1：提取子孔径回波。

如图2所示，目标多径回波分布的方向依赖性体现在：墙体4造成的多径回波不会存在于左侧子孔径1的天线回波中，而墙体2造成的多径回波不会存在于右侧子孔径2的天线回波中。因此，子孔径提取主要实现从全孔径回波S(m)＝[S₁(m),S₂(m),…,S_N(m)]中分离提取出包含目标不同多径回波的子孔径1回波和子孔径2回波。

子孔径1回波提取步骤如下：

步骤1-1：初始化P＝2，选取S(m)中前P个信号[S₁(m),S₂(m),…,S_P(m)]，形成图像I₁(X,Y)。

步骤1-2：对图像I₁(X,Y)进行二维恒虚警检测，形成检测后的二值化图像DI₁(X,Y)。

步骤1-3：搜索图像DI₁(X,Y)中连通域的数目，作为目标图像和多径幻象的数目，连通域是指相邻的像素值为1的像素单元的集合。

步骤1-4：令P＝P+1，P≤N，重复步骤1-1至步骤1-3，若连通域数目发生变化，则子孔径1回波为P(m)＝[S₁(m),S₂(m),…,S_P-1(m)]；若连通域数目未发生变化，则执行步骤1-6。

子孔径2回波提取步骤如下：

步骤1-6：初始化Q＝2，选取S(m)中后Q个信号[S_N-Q+1(m),S_N-Q+2(m),…,S_N(m)]，形成图像I₂(X,Y)。

步骤1-7：对图像I₂(X,Y)进行二维恒虚警检测，形成检测后的二值化图像DI₂(X,Y)。

步骤1-8：搜索图像DI₂(X,Y)中连通域的数目，作为目标图像的数目。

步骤1-9：令Q＝Q+1，Q≤N，重复步骤1-6至步骤1-9，若连通域数目发生变化，则子孔径2回波为Q(m)＝[S_N-Q+2(m),S_N-Q+3(m),…,S_N(m)]；若连通域数目未发生变化，则执行步骤2。

步骤2：分孔径成像。

对提取的两组子孔径回波P(m)和Q(m)，通过后向投影算法，分别形成两幅子孔径目标图像PI(X,Y)和QI(X,Y)；同样，对全孔径回波S(m)，通过后向投影算法形成一幅全孔径目标图像SI(X,Y)。

由于回波P(m)不包含墙体4造成的多径回波，而回波Q(m)不包含墙体2造成的多径回波，因此，图像PI(X,Y)和QI(X,Y)中存在不同的多径幻象。由于回波S(m)包含墙体4和墙体2造成的多径回波，因此，图像SI(X,Y)同时包含图像PI(X,Y)和QI(X,Y)中不同的多径幻象。

步骤3：图像联乘融合。

分别对三幅图像PI(X,Y)、QI(X,Y)和SI(X,Y)进行归一化处理，由于三幅图像中多径幻象的分布存在差异性，因此，通过图像联乘融合能够有效抑制墙体造成的多径幻象，形成高质量的目标图像I(X,Y)。图像联乘融合如式(1)所示：

I(x,y)＝PI(x,y)×QI(x,y)×SI(x,y)      (1)

其中，I(x,y)、PI(x,y)、QI(x,y)和SI(x,y)分别为I(X,Y)、PI(X,Y)、QI(X,Y)和SI(X,Y)中位于(x,y)处的像素单元，遍历所有像素单元形成目标图像I(X,Y)。

需要说明的是：

在步骤1中，未针对墙体3造成的多径回波进行子孔径提取，原因有二：首先，产生的多径幻象不在成像范围之内，即超出建筑物内部区域，不会对成像范围内的目标图像造成影响；其次，墙体3造成的多径回波不存在方向依赖性，即存在于全孔径回波中，无法提取不包含此多径回波的子孔径回波。

本发明的有益效果是：

本发明提出了封闭建筑物中目标多径回波分布具有方向依赖性的特点，基于此特征设计了在穿墙成像全孔径天线回波中，分离提取两组包含不同多径回波的子孔径天线回波的方法，基于分别形成的全孔径目标图像和两幅子孔径目标图像中多径幻象的差异性，通过图像联乘融合三幅目标图像，实现了对多径幻象的有效抑制，提高了图像信杂噪比，形成了一幅高质量的目标图像。因此，本发明能够保证穿墙雷达在封闭建筑物探测环境中，具备隐蔽目标高质量成像的能力，提升了穿墙雷达成像探测的实用性。

附图说明

图1为多径幻象抑制方法处理流程图。

图2为穿墙雷达成像场景示意图。

图3为穿墙雷达成像仿真场景示意图。

图4为子孔径1回波成像结果。

图5为子孔径2回波成像结果。

图6为全孔径回波成像结果。

图7为图5、图6和图7联乘融合后结果。

具体实施方式

下面根据一个MATLAB仿真例子给出本发明的具体实施方式。

仿真场景如图3所示，采用41个收发一体天线阵列距离墙体4m且平行墙体均匀摆放，天线间距为0.5m，天线依次进行信号收发，仿真信号为载频1.2GHz、带宽1GHz的超宽带Sinc脉冲信号。房间长宽均为20m，四面墙体的参数相同，厚度为0.2m，相对介电常数为8.6。设置单个目标位于(-4m,14m)处。

根据本发明的处理步骤，首先，根据步骤1中子孔径回波提取方法，获得的子孔径1回波为第29个到第41个天线的回波，其中不包含左侧墙体造成的目标多径回波；而获得的子孔径2回波为第1个到第5个天线的回波，其中不包含右侧墙体造成的目标多径回波。

然后，对于两组子孔径回波，分别采用后向投影算法形成两幅子孔径目标图像和一幅全孔径目标图像，如图4、图5和图6所示。由于子孔径回波包含不同的多径回波，因此，图4中仅包含右侧墙体造成的多径幻象1，图5中仅包含三幅成像结果如图5所示。而全孔径回波形成的图6同时包含了多径幻象1和2。

最后，通过图像联乘融合将图4、图5和图6融合形成一幅高质量的目标图像，如图7所示，多径幻象得到了有效抑制，提升了图像信杂噪比，验证了本发明的正确性。

Claims (1)

1.一种适用于穿墙雷达成像的多径幻象抑制方法，包括以下步骤：

穿墙雷达成像的天线阵列包含N个均匀分布的收发一体天线，要求：首先，天线阵列长度尽量接近建筑物横向墙体长度L；其次，天线阵列与最近墙体的距离D要求大于等于建筑物纵向墙体长度W的五分之一，即D≥W/5；天线阵列收集的全孔径回波包含N个脉冲信号，表示为S(m)=[S₁(m),S₂(m),…,S_N(m)]；

步骤1：提取子孔径回波；

从全孔径回波S(m)=[S₁(m),S₂(m),…,S_N(m)]中分离提取出包含目标不同多径回波的子孔径1回波和子孔径2回波；

子孔径1回波提取步骤如下：

步骤1-1：初始化P=2，选取S(m)中前P个信号[S₁(m),S₂(m),…,S_P(m)]，形成图像I₁(X,Y)；

步骤1-2：对图像I₁(X,Y)进行二维恒虚警检测，形成检测后的二值化图像DI₁(X,Y)；

步骤1-3：搜索图像DI₁(X,Y)中连通域的数目，作为目标图像和多径幻象的数目，连通域是指相邻的像素值为1的像素单元的集合；

步骤1-4：令P=P+1，P≤N，重复步骤1-1至步骤1-3，若连通域数目发生变化，则子孔径1回波为P(m)=[S₁(m),S₂(m),…,S_P-1(m)]；若连通域数目未发生变化，则执行步骤1-6；

子孔径2回波提取步骤如下：

步骤1-6：初始化Q=2，选取S(m)中后Q个信号[S_N-Q+1(m),S_N-Q+2(m),…,S_N(m)]，形成图像I₂(X,Y)；

步骤1-7：对图像I₂(X,Y)进行二维恒虚警检测，形成检测后的二值化图像DI₂(X,Y)；

步骤1-8：搜索图像DI₂(X,Y)中连通域的数目，作为目标图像的数目；

步骤1-9：令Q=Q+1，Q≤N，重复步骤1-6至步骤1-8，若连通域数目发生变化，则子孔径2回波为Q(m)=[S_N-Q+2(m),S_N-Q+3(m),…,S_N(m)]；若连通域数目未发生变化，则执行步骤2；

步骤2：分孔径成像；

对提取的两组子孔径回波P(m)和Q(m)，通过后向投影算法，分别形成两幅子孔径目标图像PI(X,Y)和QI(X,Y)；同样，对全孔径回波S(m)，通过后向投影算法形成一幅全孔径目标图像SI(X,Y)；

步骤3：图像联乘融合；

分别对三幅图像PI(X,Y)、QI(X,Y)和SI(X,Y)进行归一化处理，由于三幅图像中多径幻象的分布存在差异性，因此，通过图像联乘融合能够有效抑制墙体造成的多径幻象，形成高质量的目标图像I(X,Y)；图像联乘融合如式（1）所示：

I(x,y)=PI(x,y)×QI(x,y)×SI(x,y)         （1）

其中，I(x,y)、PI(x,y)、QI(x,y)和SI(x,y)分别为I(X,Y)、PI(X,Y)、QI(X,Y)和SI(X,Y)中位于(x,y)处的像素单元，遍历所有像素单元形成目标图像I(X,Y)。