CN103995256A - 一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法，基于已知或估计的墙体参数，考虑天线贴墙、多面平行墙体建筑结构内隐蔽目标成像问题，假设这多面墙体具有相同相对介电常数和不同厚度，首先，根据折射定律，将多面墙体平行移到第一面墙体边缘，多面墙体结合形成一个等效的单面墙体，同时保证成像聚焦延迟不变。通过上述等效处理，将多面墙体电磁传播涉及的多折射问题，等效为传统单面墙体单折射问题，简化了问题难度。然后，基于最短时间法搜索等效墙体上折射点位置，计算传播路径延迟。最后，利用后向投影成像算法得到多面墙体补偿后目标聚焦图像，准确补偿目标位置误差的优势，具有很强的实用性。

Description

一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法

技术领域

本发明属于穿墙雷达技术领域，特别涉及穿墙雷达墙体补偿技术。

背景技术

穿墙雷达是利用电磁波穿透建筑墙体，接收建筑物内人体等目标的散射回波信号实现对隐蔽目标探测的特种装备。建筑墙体会改变电磁波的传播路径和速度，引入目标散射回波延迟误差，造成隐蔽目标成像散焦、位置偏移和多径幻象等。因此，实际应用中，需要研究墙体补偿技术，准确计算像素点与天线之间的聚焦延时，修正目标图像位置偏移和散焦等，实现聚焦目标图像。

墙体补偿技术的关键是准确计算各像素点与天线间的聚焦延时，其主要依赖于建筑结构和墙体参数(厚度和相对介电常数)。目前，国内外大部分研究工作主要集中于单面墙体建筑。如：在墙体参数已知时，美国维拉诺瓦大学依据折射定律求解复杂超越方程，精确地计算出每个像素点的聚焦延时，消除了墙体对电磁传播的影响，实现了隐蔽目标的聚焦成像，但是其计算复杂不适用于实际应用。电子科技大学提出了基于最短时间的补偿方法，利用两点间电磁波最短时间路径的传播原理，简化折射路径的计算，实现了墙壁误差的校正。在墙体参数未知时，一般先估计出墙体参数，然后再利用上述方法实现对墙体影响进行补偿。如：国防科技大学提出了一种未知墙体参数的补偿方法，首先基于目标图像熵最小原理估计墙体参数，然后基于最短时间法对墙体进行补偿。美国维拉诺瓦大学采用自聚焦的成像方式，首先通过对目标图像质量评估来计算墙体参数，然后利用折射定律法补偿墙体影响，实现高质量目标成像。

相比单面墙体建筑，实际建筑结构一般具有多面墙体。电磁波穿透多面建筑墙体时，传播路径和速度会发生多次改变，导致目标散射回波延迟出现更大误差，从而降低了隐蔽目标探测成像质量。多面墙体穿透传播会涉及多折射点，延迟计算非常复杂，上述基于单层墙体的聚焦延迟计算方法难以直接应用于多面墙体建筑结构。从公开发表的文献资料来看，目前还没有具体技术能实现多面墙体的传播延迟补偿，实现复杂建筑内隐蔽目标高质量成像。

发明内容

本发明所要解决的技术方案是，在多面墙体材质相同，已知或估计得到墙体相对介电常数与厚度的情况下，提供一种适用于穿墙雷达成像的多面平行墙体补偿方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法，包括以下步骤：

1)探测步骤：穿墙雷达利用一个单基天线对多面墙后的目标进行合成孔径成像探测，天线移动过程中始终处于同一高度且紧靠墙体，设天线移动合成N元的等效均匀线阵，N元的等效均匀线阵接收的回波信号为[s₁(t),s₂(t),……,s_N(t)]^T；

2)虚拟折射点位置估计步骤：取成像区域内一像素点z_h，在探测范围内遍历像素点z_h与第k个位置天线之间的等效传播路径中的虚拟折射点E_k坐标为：

其中，L为多面墙的总数，d_i为第i面墙的厚度；

$x_k^{\′}=\arg \underset{x}{\min }[\frac{\sqrt[2]{{(x-x_k)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i\right)}^2}}{c/\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}+\frac{\sqrt[2]{{(x-x_h)}^2+{(\underset{i=2}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i-y_h)}^2}}{c}];$

其中，ε为墙体的相对介电常数，c为光速，arg min表示使目标函数取最小值时的虚拟折射点横坐标变量x的值,(x_h,y_h)为像素点z_h的坐标，k＝1,2,…,N；

3)聚焦延迟计算步骤：第k个位置天线A_k(x_k,-d₁)与像素z_h(x_h,y_h)之间的聚焦延时τ_hk为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{hk}}=\frac{\sqrt[2]{{(x_k^{\′}-x_k)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i\right)}^2}}{c/\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}+\frac{\sqrt[2]{{(x_k^{\′}-x_h)}^2+{(\underset{i=2}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i-y_h)}^2}}{c}$

4)投影成像补偿步骤：利用接收到的回波数据以及聚焦延时进行合成孔径成像：

$I\left(z_h\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^N{S}_k{(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{hk}})|}_{t=0}$

其中，I(z_h)表示经聚焦延迟补偿后像素点z_h的像素值，判读成像区域内所有像素点是否完成投影成像补偿，如否，则返回步骤2)，如是，成像区域内所有像素点遍历完毕，得到多面墙体补偿后的整幅图像。

进一步的，为了节省运算量，限定x的遍历范围为：

$(x_k,x_h-(y_h-\underset{i=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i)(x_h-x_k)/(y_h+d_1)).$

本发明基于已知或估计的墙体参数，考虑天线贴墙、多面平行墙体建筑结构内隐蔽目标成像问题，假设这多面墙体具有相同相对介电常数和不同厚度，首先，根据折射定律，将多面墙体平行移到第一面墙体边缘，多面墙体结合形成一个等效的单面墙体，同时保证成像聚焦延迟不变。通过上述等效处理，将多面墙体电磁传播涉及的多折射问题，等效为传统单面墙体单折射问题，简化了问题难度。然后，基于最短时间法搜索等效墙体上折射点位置，计算传播路径延迟。最后，利用后向投影成像算法得到多面墙体补偿后目标聚焦图像。

本发明的有益效果是，通过多面墙体合成单面虚拟墙体，利用最短时间法快速搜索确定单个折射点，相比于求解多面墙体上多折射点的传统方法，有效地降低了计算负担，从而实现了对聚焦延迟的快速计算，修正了多面墙体折射产生的图像散焦和目标位置偏移，形成了高聚焦度和高精度的目标图像。因此，本发明具有快速聚焦多面墙后目标图像、准确补偿目标位置误差的优势，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本实施例的处理流程图。

图2为典型的穿墙雷达探测多面墙后目标回波模型。

图3为穿墙雷达多面墙体探测等效传播路径模型。

图4仿真场景几何模型。

图5为距离向平面，其中纵轴按照天线序号排列。

图6含有多面墙体补偿的成像结果。

图7不含多面墙体补偿的成像结果。

具体实施方式

实施例穿墙雷达利用一个单基天线对两重墙后的目标进行合成孔径成像探测，天线移动过程中始终处于同一高度且紧靠墙体。假设天线移动合成N元的等效均匀线阵，任意两相邻孔径位置间隔为SD，每个孔径位置发射相同辛格sinc脉冲信号，并接收散射回波信号。因此，N个孔径位置接收的回波信号为[s₁(t),s₂(t),……,s_N(t)]^T，本实施例的多面墙体数L为2，处理流程如图1所示：

步骤1：合成虚拟墙体

穿墙雷达探测多重墙后目标回波模型如图2所示，d₁、d₂为两堵墙的厚度，W₁、W₂、W₃和W₄为两堵墙的前后表面。成像区域内某一像素点为z_h(x_h,y_h)，当天线被移动到第k个位置A_k(x_k,-d₁)时，像素z_h与第k个位置天线之间的聚焦延迟τ_hk为：

τ_hk＝2(r_k,w1+r_k,w2)/c+2(l_k,w1+l_k,w2)/(c/√ε)    (1)

其中，ε为墙体的相对介电常数，c为光速，r_k,w1、r_k,w2、l_k,w1和l_k,w2为电磁波分段的传播路径。由于墙体折射的存在，需要确定三个折射点B_k、D_k和C_k才能求得r_k,w1、r_k,w2、l_k,w1和l_k,w2，问题转化为多元超越方程的求解，产生极大的计算负担，不易快速准确地得到最终结果。

本发明基于折射定律提出了一个新的模型，通过将所有的墙体结合成一堵虚拟的墙体来减少所需计算的折射点,并且可以保证聚焦延迟不变。如图3所示画一条辅助线y＝W_A使得W_A平行于W₂，且W_A与W₂的间距为d₂。假设将图中第二堵墙平行地移动到第一堵墙边缘，即W_A与W₂之间。那么在W_A与W₁之间就会合成一堵虚拟的墙，根据几何关系可以得知B_kE_k平行且等于D_kC_k，同样地E_kC_k平行且等于B_kD_k。因此，可以找到等效的传播路径并且E_k是唯一的折射点。

步骤2：单折射点位置估计及聚焦延迟计算

电磁波在传播过程中总是选择使传播时间最小的路径，因此我们可以采用最短时间法快速地估计出等效传播路径中唯一折射点E_k(x′_k,d₂)的坐标，其坐标的计算公式为：

$x_k^{\′}=\arg \left\{\underset{x}{\min }\right[\frac{\sqrt[2]{{(x-x_k)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i\right)}^2}}{c/\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}+\frac{\sqrt[2]{{(x-x_h)}^2+{(\underset{i=2}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i-y_h)}^2}}{c}\left]\right\}---\left(2\right)$

其中，，k＝1,2,…,N，x的遍历范围在x_k与x_h-(y_h-d₂)(x_h-x_k)/(y_h+d₁)之间。此时，根据求得的折射点E_k(x′_k,d₂)，我们可以得到第k个天线A_k(x_k,-d₁)与像素z_h(x_h,y_h)之间的聚焦延时τ_hk，其表达式为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{hk}}=\frac{\sqrt[2]{{(x_k^{\′}-x_k)}^2+{(d_2+d_1)}^2}}{c/\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}+\frac{\sqrt[2]{{(x_k^{\′}-x_h)}^2+{(d_i-y_h)}^2}}{c}---\left(3\right)$

步骤3：后向投影成像

对天线接收到的回波数据，利用后向投影成像算法进行合成孔径成像。成像区域内某一像素坐标为z_h(x_h,y_h),根据该成像算法可得z_h处像素值的表达式为：

$I\left(z_h\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^N{S}_k{(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{hk}})|}_{t=0}---\left(4\right)$

其中，聚焦延迟τ_hk使用公式(3)计算得到，遍历图像中的所有像素点并且得到相应的像素值就可以得到多重墙体补偿后的整幅图像。

基于实施例方法，进行仿真实验。

穿墙雷达对运动人体成像的仿真场景如图4所示，单基天线紧贴第一堵墙壁沿着x轴正方向移动在11个位置采集回波数据对目标进行合成孔径成像，天线相邻两个采集位置的间距SD为0.3m，发射信号为Sinc脉冲信号，带宽为1GHz，中心频率为1.5GHz。单个目标位于两重墙后的(-1m,8m)处，墙体厚度为d₁＝d₂＝0.24m，相对介电常数为ε＝8.6。成像场景区域为x×y＝(-3m～3m)×(0m～12m)并且被分为256×512个像素点，两堵墙的间距为6m。

第一步，将实验场景中的两堵墙结合为一堵虚拟的墙，可以建立模型找到只含有一个折射点的等效传播路径。

第二步，针对某一像素点z_h，利用公式(2)可以计算出等效传播路径中折射点位置，再使用公式(3)分别计算得到该像素点与11个天线间的聚焦延迟{τ_h1,…,τ_h11}。

第三步，11个位置的天线接收到的回波数据为[s₁(t),s₂(t),……,s₁₁(t)]^T如图5所示，利用后向投影成像算法对其进行处理，通过公式(4)可以计算出像素点z_h处的像素值。之后，遍历所有的像素点就可以得到整幅图像如图6所示。不进行多面墙体补偿得到的结果如图7所示。对比两幅图可以看出多面墙体补偿不仅可以修正目标位置偏移，而且可以聚焦目标图像。

综上所述，本方法能够快速聚焦多面墙后目标图像、准确补偿目标位置误差，适用于实际穿墙雷达人体成像中。

Claims (2)

1.一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)探测步骤：穿墙雷达利用一个单基天线对多面墙后的目标进行合成孔径成像探测，天线移动过程中始终处于同一高度且紧靠墙体，设天线移动合成N元的等效均匀线阵，N元的等效均匀线阵接收的回波信号为[s₁(t),s₂(t),……,s_N(t)]^T；

2)虚拟折射点位置估计步骤：取成像区域内一像素点z_h，在探测范围内遍历像素点z_h与第k个位置天线之间的等效传播路径中的虚拟折射点E_k坐标为：

其中，L为多面墙的总数，d_i为第i面墙的厚度；

$x_k^{\′}=\arg \underset{x}{\min }[\frac{\sqrt[2]{{(x-x_k)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i\right)}^2}}{c/\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}+\frac{\sqrt[2]{{(x-x_h)}^2+{(\underset{i=2}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i-y_h)}^2}}{c}];$

其中，ε为墙体的相对介电常数，c为光速，arg min表示使目标函数取最小值时的虚拟折射点横坐标变量x的值,(x_h,y_h)为像素点z_h的坐标，k＝1,2,…,N；

3)聚焦延迟计算步骤：第k个位置天线A_k(x_k,-d₁)与像素z_h(x_h,y_h)之间的聚焦延时τ_hk为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{hk}}=\frac{\sqrt[2]{{(x_k^{\′}-x_k)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i\right)}^2}}{c/\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}+\frac{\sqrt[2]{{(x_k^{\′}-x_h)}^2+{(\underset{i=2}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i-y_h)}^2}}{c}$

4)投影成像补偿步骤：利用接收到的回波数据以及聚焦延时进行合成孔径成像：

$I\left(z_h\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^N{S}_k{(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{hk}})|}_{t=0}$

其中，︱表示参数赋值，I(z_h)表示经聚焦延迟补偿后像素点z_h的像素值，判读成像区域内所有像素点是否完成投影成像补偿，如否，则返回步骤2)，如是，成像区域内所有像素点遍历完毕，得到多面墙体补偿后的整幅图像。

2.如权利要求1所述一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法，其特征在于，步骤2)中虚拟折射点横坐标变量x的遍历范围为：

$(x_k,x_h-(y_h-\underset{i=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i)(x_h-x_k)/(y_h+d_1)).$