CN103995256B - 一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法 - Google Patents
一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103995256B CN103995256B CN201410232091.1A CN201410232091A CN103995256B CN 103995256 B CN103995256 B CN 103995256B CN 201410232091 A CN201410232091 A CN 201410232091A CN 103995256 B CN103995256 B CN 103995256B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wall
- multiaspect
- imaging
- pixel
- sigma
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/887—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for detection of concealed objects, e.g. contraband or weapons
- G01S13/888—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for detection of concealed objects, e.g. contraband or weapons through wall detection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
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
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),……,sN(t)]T;
2)虚拟折射点位置估计步骤:取成像区域内一像素点zh,在探测范围内遍历像素点zh与第k个位置天线之间的等效传播路径中的虚拟折射点Ek坐标为:
其中,L为多面墙的总数,di为第i面墙的厚度;
其中,ε为墙体的相对介电常数,c为光速,argmin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,(xh,yh)为像素点zh的坐标,k=1,2,…,N;
3)聚焦延迟计算步骤:第k个位置天线Ak(xk,-d1)与像素zh(xh,yh)之间的聚焦延时τhk为:
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:
其中,I(zh)表示经聚焦延迟补偿后像素点zh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:
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),……,sN(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zh(xh,yh),当天线被移动到第k个位置Ak(xk,-d1)时,像素zh与第k个位置天线之间的聚焦延迟τhk为:
τhk=2(rk,w1+rk,w2)/c+2(lk,w1+lk,w2)/(c/√ε)(1)
其中,ε为墙体的相对介电常数,c为光速,rk,w1、rk,w2、lk,w1和lk,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Bk、Dk和Ck才能求得rk,w1、rk,w2、lk,w1和lk,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=WA使得WA平行于W2,且WA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WA与W2之间。那么在WA与W1之间就会合成一堵虚拟的墙,根据几何关系可以得知BkEk平行且等于DkCk,同样地EkCk平行且等于BkDk。因此,可以找到等效的传播路径并且Ek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Ek(x′k,d2)的坐标,其坐标的计算公式为:
其中,,k=1,2,…,N,x的遍历范围在xk与xh-(yh-d2)(xh-xk)/(yh+d1)之间。此时,根据求得的折射点Ek(x′k,d2),我们可以得到第k个天线Ak(xk,-d1)与像素zh(xh,yh)之间的聚焦延时τhk,其表达式为:
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zh(xh,yh),根据该成像算法可得zh处像素值的表达式为:
其中,聚焦延迟τhk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zh,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{τh1,…,τh11}。
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zh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平行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),……,sN(t)]T;
2)虚拟折射点位置估计步骤:取成像区域内一像素点zh,在探测范围内遍历像素点zh与第k个位置天线之间的等效传播路径中的虚拟折射点Ek坐标为:
其中,L为多面墙的总数,di为第i面墙的厚度;
其中,ε为墙体的相对介电常数,c为光速,argmin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,(xh,yh)为像素点zh的坐标,k=1,2,…,N;
3)聚焦延迟计算步骤:第k个位置天线Ak(xk,-d1)与像素zh(xh,yh)之间的聚焦延时τhk为:
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:
其中,︱表示参数赋值,I(zh)表示经聚焦延迟补偿后像素点zh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:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201410232091.1A CN103995256B (zh) | 2014-05-29 | 2014-05-29 | 一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201410232091.1A CN103995256B (zh) | 2014-05-29 | 2014-05-29 | 一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN103995256A CN103995256A (zh) | 2014-08-20 |
CN103995256B true CN103995256B (zh) | 2016-03-30 |
Family
ID=51309471
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201410232091.1A Expired - Fee Related CN103995256B (zh) | 2014-05-29 | 2014-05-29 | 一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN103995256B (zh) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104502911B (zh) * | 2014-12-25 | 2017-04-26 | 湖南华诺星空电子技术有限公司 | 一种穿墙成像雷达的墙壁参数估计方法 |
CN104914431B (zh) * | 2015-05-05 | 2017-08-11 | 电子科技大学 | 一种针对已知多层非均匀墙体的聚焦时延计算方法 |
CN105487059B (zh) * | 2016-01-05 | 2017-09-15 | 南京信息工程大学 | 一种基于逆时反演的穿墙雷达基准面校正方法 |
CN106680809B (zh) * | 2016-12-27 | 2019-02-12 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种穿墙雷达自聚焦压缩感知成像方法 |
CN107479043B (zh) * | 2017-08-15 | 2020-10-30 | 电子科技大学 | 基于多成像字典的合成孔径穿墙雷达多径假目标剔除方法 |
CN108717188B (zh) * | 2018-05-29 | 2022-02-08 | 成都理工大学 | 适用于mimo穿墙雷达成像的快速墙体补偿方法 |
CN110456344A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-15 | 成都电科慧安科技有限公司 | 穿墙雷达成像中对墙体参数的估计方法 |
CN111880177B (zh) * | 2020-08-26 | 2022-03-11 | 南京信息工程大学 | 一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101858975A (zh) * | 2009-08-14 | 2010-10-13 | 电子科技大学 | 一种基于穿墙雷达成像的目标定位方法 |
CN103675810A (zh) * | 2013-11-13 | 2014-03-26 | 中国科学院电子学研究所 | 穿墙雷达成像的方法 |
-
2014
- 2014-05-29 CN CN201410232091.1A patent/CN103995256B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101858975A (zh) * | 2009-08-14 | 2010-10-13 | 电子科技大学 | 一种基于穿墙雷达成像的目标定位方法 |
CN103675810A (zh) * | 2013-11-13 | 2014-03-26 | 中国科学院电子学研究所 | 穿墙雷达成像的方法 |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
A Back-Projection Algorithm to Stepped-Frequency Synthetic Aperture Through-the-Wall Radar Imaging;Guolong Cui et al.;《Synthetic Aperture Radar》;20071109;全文 * |
A New Wall Compensation Algorithm for Through-the-wall Radar Imaging;Guolong CUI et al.;《Synthetic Aperture Radar》;20071109;全文 * |
SAR穿墙成像中墙体影响图像域补偿方法;金添等;《电子学报》;20120731;第40卷(第7期);全文 * |
Three-dimensional ground penetrating radar imaging using synthetic aperture time-domain focusing;Erik M. Johansson et al.;《InProc of SPIE Conference on Advanced Microwave and Millimeter Wave Detectors》;19940914;第2275卷;全文 * |
穿墙雷达多视角建筑布局成像;贾勇等;《电子与信息学报》;20130531;第35卷(第5期);全文 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103995256A (zh) | 2014-08-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103995256B (zh) | 一种适用于穿墙雷达成像的多面墙体快速补偿方法 | |
CN104502911B (zh) | 一种穿墙成像雷达的墙壁参数估计方法 | |
CN103869311B (zh) | 实波束扫描雷达超分辨成像方法 | |
CN103913741B (zh) | 一种合成孔径雷达高效自聚焦后向投影bp方法 | |
CN104020469B (zh) | 一种mimo雷达距离-角度二维超分辨率成像算法 | |
CN102393518B (zh) | 一种适用于大斜视角的机载sar成像方法 | |
CN105954745B (zh) | 一种适用于穿墙雷达多径幻象抑制的成像方法 | |
CN102520405B (zh) | 基于图像域墙体影响补偿的穿墙成像方法 | |
CN107255805B (zh) | 基于加权最小二乘的雷达目标rcs的预测方法 | |
CN104459661A (zh) | 检测快速火炮类微弱目标的方法 | |
CN109633587B (zh) | 一种组网雷达信号带宽的自适应调整方法 | |
CN104020465B (zh) | 基于八单元小孔径圆阵天线的外辐射源雷达测角方法 | |
CN112738749B (zh) | 一种基于菲涅尔区的船载环境多目标室内定位方法 | |
CN101846739A (zh) | Sar扩展场景原始数据混合域仿真方法 | |
CN103983956B (zh) | 一种适用于穿墙雷达多面墙体位置矫正成像方法 | |
Wang et al. | Time-division MIMO through-the-wall radar imaging behind multiple walls | |
CN104914431B (zh) | 一种针对已知多层非均匀墙体的聚焦时延计算方法 | |
CN103969642B (zh) | 一种用于多探头阵列成像的相位补偿方法 | |
CN108717188B (zh) | 适用于mimo穿墙雷达成像的快速墙体补偿方法 | |
Liu et al. | Image auto-focusing with multi-layer non-homogeneous wall in through-wall-radar imaging | |
CN103969647A (zh) | 基于图像域滤波的稀疏阵列建筑布局成像方法 | |
CN107219498B (zh) | 基于mml-pmht的多基站单频网无源协同定位方法 | |
CN110488276A (zh) | 面向多目标跟踪任务的异构雷达网最优资源按需分配方法 | |
CN113671485A (zh) | 基于admm的米波面阵雷达二维doa估计方法 | |
Yan et al. | Multipath ghosts location and sub-aperture based suppression algorithm for TWIR |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160330 Termination date: 20200529 |