CN103983956A - 一种适用于穿墙雷达多面墙体位置矫正成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于穿墙雷达多面墙体位置矫正成像方法，利用图像中现有的用于检测直线的Radon变换进行墙体位置检测，通过对各面墙后区域分别进行墙体穿透延时补偿和成像处理，实现了各成像区域和各面墙体的聚焦成像。进一步的，在拼接子图像之前，先对子图像进行灰度线性变化处理增强子图像中墙体与背景的对比度。本发明有效地矫正了墙体位置，提高了成像图像质量。

Description

一种适用于穿墙雷达多面墙体位置矫正成像方法

技术领域

本发明属于穿墙雷达技术领域，涉及穿墙雷达成像技术。

背景技术

在反恐、侦查、救援和巷战等应用领域，穿墙雷达是通过发射电磁波，接收墙体回波信号和建筑物内目标的散射回波信号实现对建筑布局成像和建筑物内隐蔽目标探测的特种装备。建筑布局成像对掌握建筑物内部态势、精确打击恐怖犯罪分子、保障人质等生命财产安全具有重要意义。建筑物内隐蔽目标检测成像很大程度上依赖于高质量的建筑布局图像。比如：美国宾夕法尼亚州立大学的P.H.Chen和R.M.Narayanan在已知建筑布局的情况下，提出了一种不需要解超越方程的墙后目标位置矫正方法。

在实际运用中，建筑墙体会改变电磁波的传播路径和速度，引入墙体回波延迟误差，造成建筑布局图像出现散焦、墙体位置偏移。国内大多数墙体为粘土砖，其相对介电常数约为12，对电磁波的传播路径和速度产生较大的影响。因此，需要研究墙体补偿技术，实现各成像区域和各面墙体的聚焦成像，修正墙体位置偏移。从公开发表的文献来看，在建筑布局成像领域，主要研究对两面砖墙内部布局，如：美国陆军研究实验室C.Le等人对两楼建筑物成像研究时，该建筑外围砖墙的相对介电常数为3.8，内部房间为石膏板其相对介电常数为2。由于仅有两面砖墙，不会引起电磁波的传播路径和速度的较大改变，未考虑对墙体位置偏移进行矫正。在国内实际运用中，粘土砖引起的墙体位置偏移不容忽视。并且在多数情况下，国内建筑为多面砖墙结构，墙体位置偏移会随墙体面数的增加而加剧。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于穿墙雷达的多面平行墙体位置矫正成像方法。

本发明所采用的技术方案是，一种适用于穿墙雷达多面墙体位置矫正成像方法，包括以下步骤：

步骤1)初始化当前矫正第K墙面，K＝1，对需要探测的图像空间运用后向投影算法获得未补偿墙体传播延时下的原始图像I_K＝1(X,Y)；

步骤2)对图像I_K(X,Y)进行拉东Radon变换，对Radon变换后得到的平面R_K(x′,θ)进行固定门限检测，根据经固定门限检测后的平面R_K(x′,θ)，当固定门限检测后的平面R_K(x′,θ)中已不存在墙体则直接进入步骤6)，否则根据门限检测后的平面R_K(x′,θ)得到第K面墙体前表面的位置与第K-1面墙体后表面的位置，再把图像I_K(X,Y)分为两个子图像I_K1(X,Y)、I_K2(X,Y)，I_K1(X,Y)为含第K面墙体前表面和第K-1面墙体后表面的图像区域，当K＝1时，I_K1(X,Y)则为第一面墙体前表面的图像区域，I_K2(X,Y)为第一面墙体后表面及之后的图像区域；

步骤3)对子图像I_K2(X,Y)补偿K面墙体引起的聚焦延时△τ_K：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_K=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i\×(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i}-1)/c$

其中，D_i表示第i面墙的厚度，ε_i表示第i面墙的相对介电常数；

步骤4)进行第K次电磁传播延时△τ_K矫正得到图像I_K+1(X,Y)；

步骤5)更新K＝K+1，返回步骤2)；

步骤6)把K-1次得到的子图像I_K1(X,Y)进行拼接得到矫正后的图像I(X,Y)。

本发明利用图像中现有的用于检测直线的Radon变换进行墙体位置检测，通过对各面墙后区域分别进行墙体穿透延时补偿和成像处理，实现了各成像区域和各面墙体的聚焦成像。

进一步的，在拼接子图像之前，先对子图像I_K1(X,Y)进行灰度线性变化处理增强子图像中墙体与背景的对比度。

本发明的有益效果是，有效地矫正了墙体位置，提高了成像图像质量。

附图说明

图1为实施例流程图；

图2为基于时域有限差分的全波三维电磁场仿真XFDTD场景图；

图3(a)为实施例视角1的原始图像、图3(b)为图3(a)进行Radon变换后的图像；

图4(a)为视角1第一次电磁传播延时矫正结果，图4(b)为图4(a)进行Radon变换后的图像；

图5(a)为视角1第二次电磁传播延时矫正结果、图5(b)为图5(a)进行Radon变换后的图像；

图6(a)为图3(b)进行固定门限检测后的图像、图6(b)为图4(b)进行固定门限检测后的图像、图6(c)为图5(b)进行固定门限检测后的图像；

图7为完成墙体位置矫正的图像。

具体实施方式

适用于穿墙雷达多面墙体位置矫正成像方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1)初始化当前矫正第K墙面，K＝1，对需要探测的图像空间运用后向投影算法获得未补偿墙体传播延时下的原始图像I_K＝1(X,Y)，位于图像区域的像素点(x_m,y_n)的值为：

$I_{K=1}(x_m,y_n)=\underset{l=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_l(t+{\mathrm{\τ}}_{l(x_m,y_n)}){|}_{t=0}$

其中，Y_l(t)是第l个天线位置接收的回波信号，|表示对参数赋值，2L+1为天线位置总数，是像素点(x_m,y_n)到第l个天线的未补偿墙体传播延时的聚焦延时， 为像素点(x_m,y_n)到第l个天线的电磁波传播路径，c为光速；得到原始图像I_K＝1(X,Y)的方法为现有后向投影BP算法；

步骤2)对图像I_K(X,Y)进行拉东Radon变换，对Radon变换后得到的平面R_K(x′,θ)进行固定门限检测，根据经固定门限检测后的平面R_K(x′,θ)，当固定门限检测后的平面R_K(x′,θ)中已不存在墙体则直接进入步骤6)，否则根据门限检测后的平面R_K(x′,θ)得到第K面墙体前表面的位置与第K-1面墙体后表面的位置，再把图像I_K(X,Y)分为两个子图像I_K1(X,Y)、I_K2(X,Y)，I_K1(X,Y)为含第K面墙体前表面和第K-1面墙体后表面的图像区域，当K＝1时，I₁₁(X,Y)则为第一面墙体前表面的图像区域，I₁₂(X,Y)为含第一面墙体后表面以及之后的图像区域；

$R_K(x^{\′},\mathrm{\θ})={\∫}_{-\∞}^{\∞}{I}_K(x^{\′}*\cos \mathrm{\θ}-y^{\′}*\sin \mathrm{\θ},x^{\′}*\sin \mathrm{\θ}+y^{\′}*\cos \mathrm{\θ}){\mathrm{dy}}^{\′}$

其中，变量x′和y′为x′＝cosθ*x+sinθ*y，y′＝-sinθ*x+cosθ*y，(x,y)为图像I_K(X,Y)的像素点坐标，图像I_K(X,Y)中心为极坐标原点，直线x′即为新的投影坐标，θ为角度；

步骤3)对子图像I_K2(X,Y)补偿K面墙体引起的聚焦延时△τ_K：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_K=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i\×(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i}-1)/c$

D_i表示第i面墙的厚度，ε_i表示第i面墙的相对介电常数；

步骤4)进行第K次电磁传播延时矫正得到图像I_K+1(X,Y)，图像I_K+1(X,Y)区域中的像素点(x_m,y_n)的值为：

$I_{K=1}(x_m,y_n)=\underset{l=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_l(t+{\mathrm{\τ}}_{l(x_m,y_n)}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_K){|}_{t=0}$

步骤5)更新K＝K+1，返回步骤2)；

步骤6)把K-1次得到的I_K1(X,Y)进行拼接得到矫正后的图像I(X,Y)。

优选的，在拼接子图像之前，先对子图像I_K1(X,Y)进行灰度线性变化处理增强子图像中墙体与背景的对比度；

子图像I_K1(X,Y)进行灰度线性变化处理如下：

$I_{K1}^{\&prime;}(X,Y)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{e}{b-a}[I_{K1}(X,Y)-a]& a\&le;I_{K1}(X,Y)\&le;b\\ 0& I_{K1}(X,Y)<a\end{array}\right.$

其中，I′_K1(X,Y)为灰度线性变化后的子图像，a表示图像I_K1(X,Y)中背景部分像素值的最大值，b表示图像I_K1(X,Y)中墙体部分像素值的最大值；0和e分别表示灰度变换后图像I′_K1(X,Y)中灰度值的最小值和最大值；步骤6)则把K-1次得到的子图像I′_K1(X,Y)进行拼接得到矫正后的图像I(X,Y)。

基于本发明的方法进行仿真实验。

XFDTD仿真的三维模型如图2所示，本次仿真给出沿垂直视角1对建筑物进行探测的结果。该建筑的尺寸为3.7m×3m×1m，墙壁厚度为0.2m，墙体的相对介电常数为4.5。发射波形为带宽1.2G和中心频率1G的调制高斯脉冲。采用一发一收的合成孔径阵列，收发天线间距为0.2m，采样间距为0.1m，采样位置数为27。天线离墙1.5m进行放置。

基于上述所示的探测场景，本发明的具体工作流程如下：

(1)运用后向投影算法对视角1的回波数据进行成像处理，得到不补偿墙体传播延时情况下的原始图像I₁(X,Y)，如图3(a)所示。

(2)对图像I₁(X,Y)进行Radon变换，得到变换后平面R₁(x′,θ)，如图3(b)所示。对R₁(x′,θ)进行固定门限检测，确定第1面墙体前表面的位置，固定门限检测后图像如图6(a)所示。把图像I₁(X,Y)分为两个子图像，一个是包含第1面墙体前表面的图像区域I₁₁(X,Y)，另一个是包含其他墙体的图像区域I₁₂(X,Y)，该区域中所有墙体的位置都不正确。

(3)对图像区域I₁₂(X,Y)补偿第1面墙体引起的聚焦延时进行第1次电磁传播延时矫正得到图像I₂(X,Y)，如图4(a)所示。

(4)对图像I₂(X,Y)进行Radon变换，得到变换后平面R₂(x′,θ)，如图4(b)所示。对R₂(x′,θ)进行固定门限检测，确定第2面墙体前表面的位置，固定门限检测后图像如图6(b)所示。把图像I₂(X,Y)分为两个子图像，一个是包含第1面墙体后表面和第2面墙体前表面的图像区域I₂₁(X,Y)，另一个是包含其他墙体的图像区域I₂₂(X,Y)，该区域中所有墙体的位置都不正确。

(5)对图像区域I₂₂(X,Y)补偿前2面墙体引起的聚焦延时进行第2次电磁传播延时矫正得到图像I₃(X,Y)，如图5(a)所示。

(6)对图像I₃(X,Y)进行Radon变换，得到变换后平面R₃(x′,θ)，如图5(b)所示。对R₃(x′,θ)进行固定门限检测，确定第3面墙体前表面的位置，固定门限检测后图像如图6(c)所示。在变换后的平面R₃(x′,θ)中第3面墙体后表面位置的强度小于5×10⁷，因此终止成像。

(7)把图像I_K(X,Y)中墙体位置正确的子图像I_K1(X,Y)进行灰度线性变换得到I′_K1(X,Y)，其中K＝1,2,3。

(8)把所有I′_K1(X,Y)拼接在一起得到矫正后的图像I(X,Y)，如图7所示。

Claims (4)

1.一种适用于穿墙雷达多面墙体位置矫正成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)初始化当前矫正第K墙面，K＝1，对需要探测的图像空间运用后向投影算法获得未补偿墙体传播延时下的原始图像I_K＝1(X,Y)；

步骤2)对图像I_K(X,Y)进行拉东Radon变换，对Radon变换后得到的平面R_K(x′,θ)进行固定门限检测，根据经固定门限检测后的平面R_K(x′,θ)，当固定门限检测后的平面R_K(x′,θ)中已不存在墙体则直接进入步骤6)，否则根据门限检测后的平面R_K(x′,θ)得到第K面墙体前表面的位置与第K-1面墙体后表面的位置，再把图像I_K(X,Y)分为两个子图像I_K1(X,Y)、I_K2(X,Y)，I_K1(X,Y)为含第K面墙体前表面和第K-1面墙体后表面的图像区域；当K＝1时，I_K1(X,Y)则为第一面墙体前表面的图像区域，I_K2(X,Y)为第一面墙体后表面及之后的图像区域；

步骤3)对子图像I_K2(X,Y)补偿K面墙体引起的聚焦延时△τ_K：

$\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_K=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_i\&times;(\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_i}-1)/c$

其中，D_i表示第i面墙的厚度，ε_i表示第i面墙的相对介电常数；

步骤4)进行第K次电磁传播延时△τ_K矫正得到图像I_K+1(X,Y)；

步骤5)更新K＝K+1，返回步骤2)；

步骤6)把K-1次得到的子图像I_K1(X,Y)进行拼接得到矫正后的图像I(X,Y)。

2.如权利要求1所述一种适用于穿墙雷达多面墙体位置矫正成像方法，其特征在于，在拼接子图像之前，先对子图像I_K1(X,Y)进行灰度线性变化处理增强子图像中墙体与背景的对比度。

3.如权利要求2所述一种适用于穿墙雷达多面墙体位置矫正成像方法，其特征在于，子图像I_K1(X,Y)进行灰度线性变化处理如下：

$I_{K1}^{\&prime;}(X,Y)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{e}{b-a}[I_{K1}(X,Y)-a]& a\&le;I_{K1}(X,Y)\&le;b\\ 0& I_{K1}(X,Y)<a\end{array}\right.$

其中，I′_K1(X,Y)为灰度线性变化后的子图像，a表示图像I_K1(X,Y)中背景部分像素值的最大值，b表示图像I_K1(X,Y)中墙体部分像素值的最大值；0和e分别表示灰度变换后图像I′_K1(X,Y)中灰度值的最小值和最大值。

4.如权利要求1所述一种适用于穿墙雷达多面墙体位置矫正成像方法，其特征在于，步骤2)固定门限检测中的门限值设置为平面R_K(x′,θ)中最大值的0.7倍。