CN104062638B - 一种用于穿墙雷达多目标检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于一个目标所对应的多径回波距离一定大于目标本身回波距离这一原则,提供一种适用于封闭空间多目标检测的多径幻象抑制方法，首先通过门限检测将原始图像二值化，基于4‑连通法标记二值化图像得到一组连通域，将所有连通域按照其坐标均值到雷达中心点的距离由小到大依升序排序组成连通域序列；然后按照其坐标均值到雷达中心点的距离由小到大依升序依次分别分析判断每个连通域是目标还是多径幻象区域，最后保留判断为目标的连通域，并把判断为多径幻象区域的连通域置零，从而实现抑制多径幻象的同时又能保证处于多径幻象区域的目标图像不会丢失。

Description

一种用于穿墙雷达多目标检测的方法

技术领域

本发明涉及穿墙雷达成像技术领域，特别是涉及穿墙雷达多目标检测中对多径幻象干扰的抑制方法。

背景技术

穿墙雷达成像技术主要是利用电磁波穿透建筑墙体等障碍物，对建筑内隐蔽目标和建筑物布局成像，实现建筑物内隐蔽目标的检测、定位和识别等，在反恐、执法、救援等领域具有重大应用价值和社会效益。封闭建筑环境下多重墙体对电磁波多次反射会带来严重的多径干扰，会产生大量多径幻象，影响透视成像的质量。因此，封闭空间多径干扰抑制是实现高质量隐蔽目标成像探测的核心技术之一。

国内外许多科研院所开展了封闭空间多径干扰抑制方法的研究。美国维拉诺瓦大学提出了两种多径幻象干扰抑制方法：第一种(Setlur P,Amin M,Ahmad F.Multipath model and exploitation in through-the-wall and urban radar sensing[J].Geoscience and Remote Sensing,IEEE Transactions on,2011,49(10):4021-4034.)是基于墙体镜面反射原理，计算多径幻象干扰出现的图像区域，将该区域像素搬移并叠加到目标图像区域，实现对多径幻象的抑制；第二种(Setlur P,Alli G,Nuzzo L.Multipath exploitation in through-wall radar imaging via point spread functions[J].2013.)是基于点扩散函数的多径抑制方法，它首先利用第一种方法计算出多径干扰位置，然后根据目标与多径幻象构造特定的点扩散函数图像(即多径幻象区域置0，目标区域置1)，最后融合点扩散函数图像与原雷达图像，实现对多径的抑制。实际应用中常需要对建筑物内多个目标进行成像探测，由于上述两种方法在抑制多目标多径幻象时，依旧按照抑制单目标多径幻象的思路进行，没有考虑多个目标位置与多径幻象位置的复杂分布情形，因此当应用上述两种方法进行多个目标检测时，其成像的精确度对目标的位置分布有很大的依赖性，这种依赖性主要体现在如下两个方面：(1)当目标位置比较分散，各个目标相距较远时，上述方法能够有效抑制多径幻象；(2)当目标位置比较集中且各个目标相距较近时，上述两种方法在抑制多径幻象的同时会造成多径幻象区域内的目标图像丢失，出现目标漏检的情况。因此，研究封闭空间多目标检测的多径幻象抑制方法在穿墙雷达成像中具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明基于一个目标所对应的多径回波距离一定大于目标本身回波距离这一原则,提供一种适用于封闭空间多目标检测的多径幻象抑制方法，首先通过门限检测将原始图像二值化， 基于4-连通法标记二值化图像得到一组连通域，将所有连通域按照其坐标均值到雷达中心点的距离由小到大依升序排序组成连通域序列；然后按照其坐标均值到雷达中心点的距离由小到大依升序依次分别分析判断每个连通域是目标还是多径幻象区域，最后保留判断为目标的连通域，并把判断为多径幻象区域的连通域置零，从而实现多目标检测和多径幻象抑制。

本发明技术方案如下：

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

步骤1.信号获取：对于穿墙雷达系统，其阵列雷达的L个雷达单元沿平行于待测区域外墙面(该墙面所在墙体定义为前墙)的方向均匀分布，阵列雷达工作时各个雷达各自独立进行信号的发射与回波信号的采集；

步骤2.连通域检测：利用阵列雷达采集到的回波信号生成原始雷达图像；设置门限对原始雷达图像进行二值化处理得到由若干像素点组成的二值化图像，对二值化图像进行4-连通检测，标记二值化图像中的所有连通域；遍历标记的连通域，将所有连通域按照其坐标均值到阵列雷达中心点的距离由小到大依升序排序合并成一个连通域序列D＝[D₁ D₂ … D_K]；

步骤3.多径幻象位置的计算：对雷达成像场景区域内的任意坐标(x_p,y_p)，其多径幻象的坐标可由如下的多径幻象位置计算公式得出：

$({\hat{x}}_p,{\hat{y}}_p)=\arg \underset{(x,y)\∈I}{\min }\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|R^{\′}-R\left|\right|}_2^2$

其中，(x,y)表示雷达成像区域中任意一点的坐标；R＝[r₁ r₂ ... r_L],R′＝[r₁′ r₂′ ...r_L′]，R为实际的多径回波距离向量，其中r_i表示第i个雷达单元的真实多径回波距离，R'为根据最短时延法计算出的多径回波距离向量，其中r_i′表示第i个雷达单元的多径回波距离。回波距离r_i、r_i′可由以下公式计算得到：

$r_i=\frac{1}{2}(\underset{\mathrm{\Δ}{x}_T\∈[X_i,x_w]}{\min }(\sqrt{\mathrm{\ϵ}}{l}_1+l_2)+\underset{\mathrm{\Δ}{x}_G\∈[X_i,x_w]}{\min }(\sqrt{\mathrm{\ϵ}}{l}_5+(l_3+l_4)))$

$=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}\underset{\mathrm{\Δ}{x}_T\∈[X_i,x_w]}{\min }\left(\begin{array}{c}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\sqrt{d^2+\mathrm{\Δ}{x}_T^2}\\ +\sqrt{{(x_p-X_i-\mathrm{\Δ}{x}_T)}^2+{(y_p-Y_i-d)}^2}\end{array}\right)\\ \underset{\mathrm{\Δ}{x}_G\∈[X_i,x_w]}{\min }\left(\begin{array}{c}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\sqrt{d^2+\mathrm{\Δ}{x}_G^2}\\ +\sqrt{{(2x_w-x_p-X_i-\mathrm{\Δ}{x}_G)}^2+{(y_p-Y_i-d)}^2}\end{array}\right)\end{array}\right)$

${r_i}^{\′}=\underset{\mathrm{\Δ}{x}_M\∈[X_i,x_w]}{\min }(\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\sqrt{d^2+\mathrm{\Δ}{x}_M^2}+\sqrt{{(x-X_i-\mathrm{\Δ}{x}_M)}^2+{(y-Y_i-d)}^2})$

其中，l₁、l₂分别表示目标反射信号在前墙体和空气空间中的传输距离；l₅、l₄、l₃组成发射信号在前墙体和空气环境传输后并经过侧墙反射后到达目标的路径，l₃是经侧墙反射后到目标的距离，l₄、l₅分别表示发射信号经侧墙反射前在空气和前墙体中的传输距离；d、ε分别为前墙厚度和墙体介电常数，(X_i,Y_i)为雷达阵列中第i个雷达单元的位置坐标，x_w为侧墙内表面在坐标系中距零点的x轴方向的偏移距离，Δx_T表示目标水平偏移距离，Δx_G表示镜像水平偏移距离，Δx_M表示多径水平偏移距离；

步骤4.目标与多径幻象的识别：对连通域序列D中的连通域D_j(其中，j＝1，……，K)，按照其坐标均值(x,y)到雷达中心点的距离由小到大的顺序依次分别进行如下所述的目标与多径幻象识别过程：

步骤4-1：提取连通域D_j的均值坐标(x_j,y_j)，通过步骤3提出的多径幻象位置计算函数得到连通域D_j的多径幻象的均值坐标

步骤4-2：在步骤2所得的二值化图像中，如果在中心位置为大小为N×S的邻域内，不存在连通域序列D中任何一个连通域的像素点，则判断连通域D_j为多径幻象区域并将D_j置零；其中，N为雷达距离向分辨单元在雷达图像中所占的像素格数，S为雷达方位向分辨单元在雷达图像中所占的像素格数。若在中心位置为大小为N×S的邻域内存在连通域序列D中某个连通域(标记为D_m)的像素点，则标记连通域D_j为目标区域；同时，对连通域D_m按照上述提供的识别方法进行目标与多径幻象的识别，并由此判定目标D_j的多径幻象区域是否存在其他目标；若在D_j的多径幻象区域D_m中存在其他目标，则保留连通域D_m并标记为目标区域；反之，则将连通域D_m置零。

需要说明的是：

步骤4中目标与多径幻象的识别基于如下原理：基于一个目标所对应的多径回波距离一定大于目标本身回波距离这一原则，同时本发明在步骤2中已对连通域序列D中所有连通域按照其坐标均值(x,y)到雷达中心点的距离由小到大依升序排序，可知连通域序列D的第一项连通域一定是目标区域，其最后一项一定是多径幻象区域，故连通域序列D中其坐标均值到雷达中心点距离最短的连通域D₁一定是目标区域。在完成连通域D₁及其多径幻象区域的识别之后，参照上述的判定原理可知，连通域序列D内剩余的尚未被识别的连通域中，其坐标均值到雷达中心点距离最短的连通域也一定是目标区域，并按照步骤4提供的识别方法对目标区域的多径幻象区域进行是否存在其他目标的判定。依照上述的判定原理分别对连通域序列D中的连通域D_j(其中，j＝1，……，K)按照其坐标均值(x,y)到雷达中心点的距离由小到 大依升序进行如步骤4所述的目标与多径幻象的识别过程，直至所有连通域完成目标与多径幻象识别。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种穿墙雷达多目标检测中对多径幻象的抑制方法，该方法能够识别雷达图像中的多个目标及其多径幻象，并对多径幻象进行有效抑制，在抑制多径幻象的同时不会造成目标丢失。相比于技术背景中提到的多径抑制方法，本发明不仅提高了图像信噪比，形成了高质量的目标图像，而且实现零漏检率，保证了穿墙雷达在封闭建筑物探测环境中的探测准确性和较高的实用性。

附图说明

图1为多目标检测的多径幻象抑制方法处理流程图。

图2为具体实施方式中穿墙雷达成像仿真场景示意图。

图3为具体实施方式中仿真所得雷达原始图像。

图4为具体实施方式中连通域检测标记结果。

图5为具体实施方式中经多径幻象抑制后的最终成像结果。

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。

对有三个目标的待检测方形区域，其仿真场景及坐标系建立如图2所示，坐标系零点在前墙内墙面的中点处，三个目标的坐标分别为A₁(-0.5m,3.0m)、A₂(-1.5m,4.0m)、A₃(-2.4m,3.9m)。房间内墙面长宽均为6m，四面墙体的参数相同且厚度均为0.24m，墙体相对介电常数为8.6。

根据本发明的处理步骤：

步骤1：采用31个雷达单元(编号依次从1至31)组成的收发一体阵列雷达均匀放置在距离前墙外墙面2m处，雷达单元间距为0.1m，阵列雷达的中心点即编号为16的雷达单元位于坐标y轴上，仿真信号为载频1.2GHz、带宽1GHz的超宽带Sinc脉冲信号；阵列雷达工作时各个雷达各自独立进行信号的发射与回波信号的采集；

步骤2：利用阵列雷达采集到的回波信号生成原始雷达图像，如图3所示；接着，取门限值为5.8113e+03，用该门限对所得原始雷达图像进行二值化处理，通过4-连通检测进行连通域标记，得到五个连通域；对于图3中距离y轴最近的那个连通域，其包含23个像素点，这些像素点的坐标分别为(-0.4375，2.90625)，(-0.4375，2.929688)……(-0.53125，3.046875)，然后根据这些像素点坐标，计算求得该连通域的均值坐标为(-0.47962，2.985085)，根据仿真场景示意图所建立的坐标系，雷达阵列中心位于(0，-2.24)，则可知该连通域坐标均值到 雷达阵列中心点的距离为5.247052；同理，其他四个连通域按同样方式处理后得到各自的坐标均值分别为(-1.47581，3.87626)、(-2.42601，3.958869)、(-2.79063，4.023047)、(-2.95625，4.245)，其坐标均值到雷达阵列中心的距离分别为：6.291792、6.656689、6.856628、7.127036；将所有连通域按照其坐标均值到雷达中心点的距离由小到大依升序排序编号，得到五个连通域，依次为连通域1、连通域2、连通域3、连通域4、连通域5，如图4所示；

步骤3：根据上述的多径幻象位置计算函数计算各连通域的多径幻象位置，计算结果分别为：连通域1的多径幻象位置为(-2.43，3.95)、连通域2的多径幻象位置为(-2.81，4.31)、连通域3的多径幻象位置为(-2.99，3.97)、连通域4的多径幻象位置为(-2.99，4.03)、连通域5的多径幻象位置为(-2.99，4.32)；

步骤4：对五个连通域按照其坐标均值到雷达中心点的距离由小到大的顺序依次分别进行目标与多径幻象识别过程。基于一个目标所对应的多径回波距离一定大于目标本身回波距离这一原则，由于连通域1的坐标均值到雷达中心点的距离均小于其他四个连通域的坐标均值到雷达中心点的距离，故连通域1一定是目标区域(标记为目标1)；同时，在获得连通域1的多径幻象位置区域(标记为多径幻象1)的中心坐标后，发现在中心坐标为(-2.43，3.95)、大小为N×S(N＝5、S＝7)的邻域内存在连通域3的像素点(-2.34375，3.9140625)，(-2.34375，3.9375)……(-2.5，3.984375)等，总计30个像素点；接着对连通域3按相同方式进行目标与多径幻象的识别后可知连通域3是目标区域(标记为目标3)；由此可知，尽管目标1的多径幻象位置与目标3的区域重合，但本发明并没有把目标3当作目标1的多径幻象区域而被置零，避免发生漏检情况；其余未处理的连通域按同样方式进行目标与多径幻象的识别。

经上述的目标识别与多径幻象识别过程后可知连通域1、连通域2和连通域3是目标区域，而连通域4和连通域5分别是连通域2和连通域3对应的目标的多径幻象区域；同时，连通域1对应的目标产生的多径幻象位置与连通域3对应的目标区域重合。最后，把标记为多径幻象区域的连通域置零实现多径幻象抑制，最终成像结果如图5所示。由仿真结果可知，本发明提供的适用于穿墙雷达多目标检测的多径幻象抑制方法不仅使多径幻象得到了有效抑制，而且没有丢失目标，实现零漏检率，由此验证了本发明的准确和有效性。

Claims (4)

1.一种用于穿墙雷达隐蔽目标成像的多目标多径幻象抑制方法，包括以下步骤：

步骤1.信号获取：对于穿墙雷达系统，其阵列雷达的L个雷达单元沿平行于待测区域外墙面的方向均匀分布，并定义所述待测区域外墙面所在墙体为前墙，阵列雷达工作时各个雷达各自独立进行信号的发射与回波信号的采集；

步骤2.连通域检测：利用阵列雷达采集到的回波信号生成原始雷达图像；然后设置门限并对原始雷达图像进行二值化处理得到由若干像素点组成的二值化图像，采用4-联通法对二值化图像进行连通域检测，标记所有连通域并组合成一个连通域序列D＝[D₁ D₂ … D_K]；

步骤3.多径幻象位置的计算：对雷达成像场景区域内的任意坐标(x_p,y_p)，其多径幻象的坐标可由如下的多径幻象位置计算公式得出：

$({\hat{x}}_p,{\hat{y}}_p)=\arg \underset{(x,y)\∈I}{min}\underset{i=1}{\overset{L}{\Σ}}\left|\right|R^{\′}-R|{|}_2^2$

其中，(x,y)表示雷达成像区域中任意一点的坐标；R＝[r₁ r₂ … r_L],R′＝[r₁′ r₂′ … r_L′]，R为实际的多径回波距离向量，其中r_i表示第i个雷达单元的真实多径回波距离，R'为根据最短时延法计算出的多径回波距离向量，其中r_i′表示第i个雷达单元的多径回波距离；

步骤4.目标与多径幻象的识别：对连通域序列D中的连通域D_j，按照其坐标均值(x,y)到雷达中心点的距离由小到大的顺序依次分别进行如下所述的目标与多径幻象识别过程，其中，j＝1，……，K：

步骤4-1：提取连通域D_j的均值坐标(x_j,y_j)，通过步骤3提出的多径幻象位置计算函数得到连通域D_j的多径幻象的均值坐标

步骤4-2：在步骤2所得的二值化图像中，如果在中心位置为大小为N×S的邻域内，不存在连通域序列D中任何一个连通域的像素点，则判断连通域D_j为多径幻象区域并将D_j置零；其中，N为雷达距离向分辨单元在雷达图像中所占的像素格数，S为雷达方位向分辨单元在雷达图像中所占的像素格数；若在中心位置为大小为N×S的领域内存在连通域序列D中某个连通域D_m的像素点，则标记连通域D_j为目标区域；同时，对连通域D_m按照上述提供的识别方法进行目标与多径幻象的识别，并由此判定目标D_j的多径幻象区域是否存在其他目标；若在D_j的多径幻象区域D_m中存在其他目标，则保留连通域D_m并标记为目标区域；反之，则将连通域D_m置零。

2.根据权利要求1所述的用于穿墙雷达隐蔽目标成像的多目标多径幻象抑制方法，其特征在于，所述的连通域检测后得到的连通域序列D中的各个连通域D₁，D₂，…，D_K是按照其坐标均值到阵列雷达中心点的距离由小到大依升序排序列于序列D中。

3.根据权利要求1所述的用于穿墙雷达隐蔽目标成像的多目标多径幻象抑制方法，其特征在于，所述的回波距离r_i、r_i′可由以下公式计算得到：

$\begin{array}{c}{r}_i=\frac{1}{2}\left(\underset{{\mathrm{\Δx}}_T\∈\[X_i,x_w\]}{\min }\right(\sqrt{\mathrm{\ϵ}}{l}_1+l_2)+\underset{{\mathrm{\Δx}}_G\∈\[X_i,x_w\]}{\min }(\sqrt{\mathrm{\ϵ}}{l}_5+\left(l_3+l_4\right)\left)\right)\\ =\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}\underset{{\mathrm{\Δx}}_T\∈\[X_i,x_w\]}{\min }\left(\begin{array}{c}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\sqrt{d^2+{\mathrm{\Δx}}_T^2}\\ +\sqrt{{(x_p-X_i-{\mathrm{\Δx}}_T)}^2+{(y_p-Y_i-d)}^2}\end{array}\right)\\ +\underset{{\mathrm{\Δx}}_G\∈\[X_i,x_w\]}{\min }\left(\begin{array}{c}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\sqrt{d^2+{\mathrm{\Δx}}_G^2}\\ +\sqrt{{(2x_w-x_p-X_i-{\mathrm{\Δx}}_G)}^2+{(y_p-Y_i-d)}^2}\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}$

$r_i^{\′}=\underset{{\mathrm{\Δx}}_M\∈\[X_i,x_w\]}{min}(\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\sqrt{d^2+{\mathrm{\Δx}}_M^2}+\sqrt{{(x-X_i-{\mathrm{\Δx}}_M)}^2+{(y-Y_i-d)}^2})$

其中，l₁、l₂分别表示目标反射信号在前墙体和空气空间中的传输距离；l₅、l₄、l₃组成发射信号在前墙体和空气环境传输后并经过侧墙反射后到达目标的路径，l₃是经侧墙反射后到目标的距离，l₄、l₅分别表示发射信号经侧墙反射前在空气和前墙体中的传输距离；d、ε分别为前墙厚度和墙体介电常数，(X_i,Y_i)为雷达阵列中第i个雷达单元的位置坐标，x_w为侧墙内表面在坐标系中距零点的x轴方向的偏移距离，Δx_T表示目标水平偏移距离，Δx_G表示镜像水平偏移距离，Δx_M表示多径水平偏移距离。

4.根据权利要求1所述的用于穿墙雷达隐蔽目标成像的多目标多径幻象抑制方法，其特征在于，所述的目标与多径幻象的识别基于如下原理：基于一个目标所对应的多径回波距离一定大于目标本身回波距离这一原则，同时本发明在步骤2中已对连通域序列D中所有连通域按照其坐标均值(x,y)到雷达中心点的距离由小到大依升序排序，可知连通域序列D的第一项连通域一定是目标区域，其最后一项一定是多径幻象区域，故连通域序列D中其坐标均值到雷达中心点距离最短的连通域D₁一定是目标区域；在完成连通域D₁及其多径幻象区域的识别之后，参照上述的判定原理可知，连通域序列D内剩余的尚未被识别的连通域中，其坐标均值到雷达中心点距离最短的连通域也一定是目标区域，并按照步骤4提供的识别方法对目标区域的多径幻象区域进行是否存在其他目标的判定；令j＝1，……，K，依照上述的判定原理分别对连通域序列D中的连通域D_j按照其坐标均值(x,y)到雷达中心点的距离由小到大依升序进行如步骤4所述的目标与多径幻象的识别过程，直至所有连通域完成目标与多径幻象识别。