CN103399302A - 基于穿墙阵列空间对称性的墙体杂波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种利用穿墙阵列雷达空间对称性的墙体杂波抑制方法。技术方案是：首先对阵列接收到的数据进行数据整理得到初始矩阵。然后利用穿墙阵列雷达的空间排布的对称性，建立各接收天线之间的对应关系，采用本发明给出的相关运算，消除初始矩阵中各列数据中的墙体杂波，得到新的矩阵。在后续的应用中可使用常见成像算法对新的矩阵进行成像处理，得到消除墙体杂波后的图像。本发明能够对具有空间排布对称性的穿墙阵列雷达下的墙体杂波进行有效的抑制，同时具有方法简便、易于实现等优势。

Description

基于穿墙阵列空间对称性的墙体杂波抑制方法

技术领域

本发明属于穿墙阵列雷达成像技术领域，特别是一种基于穿墙阵列雷达空间对称性的墙体杂波抑制方法。 

背景技术

穿墙阵列雷达通过发射具有良好低频穿透性的电磁波以及使用大带宽满足距离分辨率的要求，实现对墙后目标甚至建筑物结构的高分辨成像，极大增强了目标信息获取能力。由于墙体镜面反射的影响，墙体的回波强度远远强于目标的回波强度，同时又由于电磁波在墙体中多次传播造成的拖尾现象，在成像时，目标常被淹没在墙体杂波中，严重影响后续的目标检测和处理，因而需要进行墙体杂波的抑制。 

墙体杂波抑制是穿墙成像中的关键技术。为了进行墙体杂波的抑制，常用的处理方法包括变化检测法、空间滤波法以及特征值分解的方法。而在这些方法中，变化检测的方法在处理墙体杂波的同时，对于静止的目标同样进行了消除。空间滤波的方法通过一系列的变换，将对应零频和低频的分量作为墙体的回波分量，设定空间滤波器，消除掉墙体杂波，这种方法在合成孔径体制下能够得到很好的应用，但在穿墙阵列雷达应用中使用受限。特征值分解的方法属于统计处理的方法，该方法的最大问题是无法自适应的完成特征值的优化选择，在实际中应用性较差。 

发明内容

本发明提出一种利用穿墙阵列雷达空间对称性的墙体杂波抑制方法，该方法能够对具有空间排布对称性的穿墙阵列雷达下的墙体杂波进行有效的抑制，同时具有方法简便、易于实现等优势。 

本发明的基本思路是：首先，对阵列接收到的数据进行数据整理得到初始矩阵。然后利用穿墙阵列雷达的空间排布的对称性，建立各接收天线之间的对 应关系，采用本发明给出的相关运算，消除初始矩阵中各列数据中的墙体杂波，得到新的矩阵。在后续的应用中可使用常见成像算法对新的矩阵进行成像处理，得到消除墙体杂波后的图像。 

本发明的技术方案包括以下处理步骤： 

将接收到的回波保存成矩阵的形式，单个接收天线对应的数据以列的形式进行保存。对该矩阵中所有列数据做逆傅里叶变换，得到穿墙阵列雷达的初始矩阵B。 

B_m×n＝[Z₁,Z₂,…,Z_i,…,Z_n] （公式1） 

式中，B表示初始矩阵；Z_i是列向量，表示第i列接收回波，i＝1,2,…,n；n表示所有接收回波列数；m表示所有接收回波的行数，即接收回波的采样点数。 

对初始矩阵的任意一列进行下述第一步到第四步操作，为方便起见，记当前正在处理的初始矩阵的列为待处理列Z_d。 

第一步：读取待处理列，寻找参考列 

确定待处理列Z_d对应的接收天线，根据阵列雷达空间对称性以及信号传播特性，在初始矩阵中将与Z_d对应的接收天线具有一致传播路径的接收天线对应的列命名为参考列Z_r。 

第二步：统一待处理列和参考列的起始时间 

计算Z_d和Z_r的互相关函数

$R_{Z_d{Z}_r}=E\left[\right|Z_d\left(n_1\right)|\·|Z_r\left(n_2\right)\left|\right]{|}_{n_2=n_1+\mathrm{\Δn}}$  （公式2） 

式中，|·|为取模运算；E[·]为均值运算；待处理列Z_d表示成采样序列写成Z_d(n₁)，参考列Z_r表示成采样序列写成Z_r(n₂)，n₁＝1,2,…,m-Δn；Δn表示n₂和n₁的差值，Δn＝＝0,1,…,m-1。 

计算相关函数

的最大值，记该最大值对应的Δn值为Δn′。 

利用Δn′，对参考列Z_r的元素排布进行调整，即将参考列Z_r看成时间序列对其进行移位操作：若Δn′＞0，将参考列Z_r中所有元素前移Δn′个时间序列；若 Δn′＜0，将参考列Z_r中所有元素后移|Δn′|个时间序列；若Δn′＝0，参考列Z_r不予调整，在进行参考列前移和后移操作中，溢出部分进行截断处理，缺失部分进行补零操作。调整后的参考列记作

第三步：提取墙体杂波信息 

将待处理列Z_d和调整后的参考列

进行如下运算： 

$Z_{\mathrm{sub}}=[Z_d-Z_r^{\′}]/2$  （公式3） 

$Z_{\mathrm{add}}=[Z_d+Z_r^{\′}]/2$  （公式4） 

利用下式，提取墙体杂波信息Z_wall： 

Z_wall＝(|Z_add|-|Z_sub|)·exp(j∠Z_add) （公式5） 

上式中，∠为相位运算。 

第四步，消除待处理列墙体杂波信息 

根据提取出的墙体杂波信息，计算下式： 

${\tilde{Z}}_d=\left(\right|Z_d|-|Z_{\mathrm{wall}}\left|\right)\·\exp (j\∠Z_d)$  （公式6） 

则得到消除墙体杂波的待处理列

本步骤结束。 

待原初始矩阵所有列数据处理完毕后，得到去除墙体杂波后的初始矩阵B′为： 

$B^{\′}=[{\tilde{Z}}_1,{\tilde{Z}}_2,...,{\tilde{Z}}_i,...,{\tilde{Z}}_n]$  （公式7） 

式中，

为去除墙体杂波后的各列数据。 

本发明的有益效果：本发明通过合理利用阵列的空间信息以及回波特性，给出了基于穿墙阵列雷达空间对称性的墙体杂波抑制方法，该方法能够解决目前均值法无法适用于阵列形式的墙体杂波抑制的问题。同时该方法算法思想简单，易于实现，可用于实际工程设计与信号处理。 

附图说明

图1为本发明处理流程示意图； 

图2为本发明验证仿真的三维场景图； 

图3为本发明处理中各中间变量图像（以处理第一列数据为例）； 

图4为未进行墙体杂波抑制成像结果； 

图5为本发明墙体杂波抑制后的成像结果。 

具体实施方式

基于穿墙阵列雷达空间对称性的墙体杂波抑制方法分为四个步骤，如图1所示。下面结合XFDTD电磁仿真软件获取的数据对本发明做进一步解释。 

图1为本发明处理流程示意图。根据处理流程，依次将初始矩阵任意列进行如下四步处理，即第一步，读取待处理列，寻找参考列；第二步，统一待处理列和参考列的起始时间；第三步，提取墙体杂波信息；第四步，消除待处理列墙体杂波信息。最终得到去除墙体杂波后的初始矩阵。 

图2为本发明仿真验证的三维场景图。仿真借助电磁仿真软件XFDTD7.0完成。图中五角星代表发射天线，圆点代表接收天线，18个接收天线和1个发射天线组成线阵。无论接收天线或发射天线，每个天线间距为10厘米，线阵距离墙体的垂直距离是20厘米，墙体厚度为20厘米，人体距离墙体后表面1.3米。电磁波经发射天线射出后，其中一部分电磁波由墙体反射后直接传至接收天线，另一部分电磁波穿透墙体后被墙后目标反射传至接收天线。 

图3为本发明处理中各中间变量的图像。以处理第一列数据Z₁为例，该图像横坐标为列向量Z₁对应的初始回波的各采样点，纵坐标为电场强度（单位为V/m）。图中从上至下依次为利用本发明得到的Z_sub Z_add Z_wall

四个中间变量的图像。经过本发明处理得到在采样点0-40区间中的墙体杂波得到很好的抑制。 

图4为未进行墙体杂波抑制的成像结果。图中横坐标和纵坐标分别代表方位向和距离向。该图像是对初始矩阵进行BP（Back Projection，后向投影算法）成像后的效果图，在图中墙体得到了很好的成像，墙体的前表面（即靠近线阵的表面）和后表面位于方位向-1米至1米，距离向0.3米到0.7米的区间中，人体成像位于方位向0.5米，距离向2.1米处。墙体的强度明显强于墙后人体目标强度，对人体目标成像信息造成严重影响。 

图5为本发明墙体杂波抑制后的成像结果。图中横坐标和纵坐标分别代表方位向和距离向。该图像是对去除墙体杂波后的初始矩阵进行BP成像后的效果图。对比图4和图5的方位向-1米至1米，距离向0.3米到0.7米区间可以发现，图中墙体杂波得到了很好的抑制，人体目标成像细节很好地凸显出来。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (1)

1.基于穿墙阵列雷达空间对称性的墙体杂波抑制方法，其特征在于，包括下述步骤：

将接收到的回波保存成矩阵的形式，单个接收天线对应的数据以列的形式进行保存；对该矩阵中所有列数据做逆傅里叶变换，得到穿墙阵列雷达的初始矩阵B；

B_m×n＝[Z₁,Z₂,…,Z_i,…,Z_n]

上式中，B表示初始矩阵；Z_i是列向量，表示第i列接收回波，i＝1,2,…,n；n表示所有接收回波列数；m表示所有接收回波的行数，即每列接收回波的采样点数；

对初始矩阵的任意一列进行下述第一步到第四步操作，为方便起见，记当前正在处理的初始矩阵的列为待处理列Z_d；

第一步：读取待处理列，寻找参考列

确定待处理列Z_d对应的接收天线，根据阵列雷达空间对称性以及信号传播特性，在初始矩阵中将与Z_d对应的接收天线具有一致传播路径的接收天线对应的列命名为参考列Z_r；

第二步：统一待处理列和参考列的起始时间

计算Z_d和Z_r的互相关函数

$R_{Z_d{Z}_r}=E\left[\right|Z_d\left(n_1\right)|\·|Z_r\left(n_2\right)\left|\right]{|}_{n_2=n_1+\mathrm{\Δn}}$

上式中，|·|为取模运算；E[·]为均值运算；待处理列Z_d表示成采样序列写成Z_d(n₁)，参考列Z_r表示成采样序列写成Z_r(n₂)，n₁＝1,2,…,m-Δn；Δn表示n₂和n₁的差值，Δn＝＝0,1,…,m-1；

计算相关函数

的最大值，记该最大值对应的Δn值为Δn′；

利用Δn′，对参考列Z_r的元素排布进行调整：若Δn′＞0，将参考列Z_r中所有元素前移Δn′个时间序列；若Δn′＜0，将参考列Z_r中所有元素后移|Δn′|个时间序列；若Δn′＝0，参考列Z_r不予调整，在进行参考列前移和后移操作中，溢出部分进行截断处理，缺失部分进行补零操作；调整后的参考列记作

第三步：提取墙体杂波信息

将待处理列Z_d和调整后的参考列

进行如下运算：

$Z_{\mathrm{sub}}=[Z_d-Z_r^{\′}]/2,$

$Z_{\mathrm{add}}=[Z_d+Z_r^{\′}]/2$

利用下式，提取墙体杂波信息Z_wall：

Z_wall＝(|Z_add|-|Z_sub|)·exp(j∠Z_add)

上式中，∠为相位运算；

第四步，消除待处理列墙体杂波信息

根据提取出的墙体杂波信息，计算下式：

${\tilde{Z}}_d=\left(\right|Z_d|-|Z_{\mathrm{wall}}\left|\right)\·\exp (j\∠Z_d)$

则得到消除墙体杂波的待处理列本步骤结束；

待原初始矩阵所有列数据处理完毕后，得到去除墙体杂波后的初始矩阵B′为：

$B^{\′}=[{\tilde{Z}}_1,{\tilde{Z}}_2,...,{\tilde{Z}}_i,...,{\tilde{Z}}_n]$

上式中，

为去除墙体杂波后的各列数据。

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