CN104237875A - 一种穿墙雷达运动人体定位误差矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种穿墙雷达运动人体定位误差矫正方法利用两接收通道下的目标距离和，通过直接椭圆交叉定位得到目标虚拟位置，然后基于已知的墙体参数求得该虚拟目标的虚拟距离和，再将虚拟距离和与目标距离和做差得到距离和矫正量，最后从真实目标的距离和中减去该矫正量再进行椭圆交叉定位处理，完成目标定位及误差矫正。本发明校正了墙体电磁穿透对目标定位造成的位置偏差，提高了穿墙雷达运动目标定位精度，保证了后续跟踪处理的稳健性。与现有的方法相比，计算简便，实时性强，实用性高。

Description

一种穿墙雷达运动人体定位误差矫正方法

技术领域

本发明属于穿墙雷达技术，特别涉及穿墙雷达运动目标定位误差矫正技术。

背景技术

运动人体定位是穿墙雷达的一项基本功能。对于便携式的小孔径穿墙雷达来说，通常采用基于电磁波到达时间估计(即电磁波从发射天线到目标，再从目标到接收天线的传播延迟)的方法来确定运动人体位置坐标。但由于电磁波在穿透墙体过程中减慢了传播速度并发生折射，使得电磁波的到达时间估计值略大于没有墙体遮挡情况下、天线与目标间直线距离的传播延时，最终导致目标定位位置向外偏离其实际位置，造成定位误差。更糟糕的是，该误差将随着墙体电磁参数(厚度、相对介电常数)、目标所在方位角度的增加而迅速增大。因此在穿墙雷达运动人体定位中，需要研究其定位误差的矫正方法。

目前，穿墙雷达定位误差矫正主要有以下几种方法。(1)法国的罗谢尔大学基于折射定律利用非相干方法对人体目标进行定位，但是该方法计算量较大(详见Zhao,Xiao-wei."Through the wall detection and localization of a moving target with a bistatic UWBradar system."The 7th European Radar Conference.2010)；(2)斯洛伐克的科希策科技大学提出了多视角联合椭圆交叉定位法，利用两部一发两收的穿墙雷达系统在不同的视角对目标进行探测，对多个椭圆交叉点求解算数平均得到目标位置，但是实际探测环境通常不具备多视角探测的条件(详见M.,and D.Kocur."Target localization by the methodod joining intersections of the ellipses."Radar Symposium(IRS),201011thInternational.IEEE,2010)；(3)中国电波传播研究所提出查表法，离线计算出时延与目标位置的对应关系，通过查表的方式对目标进行定位，但是当墙体参数发生变化时，查找表也要重新计算(详见王君超等."穿墙侦察雷达人体目标的定位与跟踪."现代雷达33.11(2012):10-13)。综上所述，现有便携式穿墙雷达运动人体定位误差矫正方法具有一定的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种简单、有效的便携式穿墙雷达运动人体定位误差矫正的方法。

本发明为解决上述技术问题所才用的技术方案是，一种穿墙雷达运动人体定位误差矫正方法，包括以下步骤：

1)利用一发两收的穿墙雷达进行探测，获得两个接收通道的回波距离像平面；

2)对两个接收通道的距离像平面进行脉冲对消后，提取两个接收通道的距离像上运动目标的距离和r_1,k、r_2,k；

3)利用运动目标的距离和r_1,k、r_2,k通过椭圆交叉定位获得矫正前的目标位置；

4)将矫正前的目标位置作为一个虚拟目标位置，已知墙体厚度、相对介电常数，利用电磁波折射定律计算该虚拟目标的回波距离和r_1,′_k、r₂′_,k；

5)将虚拟目标的回波距离和减去运动目标的距离和得到矫正量△₁′_,k、△′_2,k，△₁′_,k＝r_1,′_k-r_1,k，△′_2,k＝r₁′_,k-r_2,k；

6)将运动目标的距离和减去矫正量得到真实目标矫正后的距离和

7)利用真实目标的距离和通过椭圆交叉定位获得矫正后的目标位置。

本发明利用两接收通道下的目标距离和，通过直接椭圆交叉定位得到目标虚拟位置，然后基于已知的墙体参数求得该虚拟目标的虚拟距离和，再将虚拟距离和与目标距离和做差得到距离和矫正量，最后从真实目标的距离和中减去该矫正量再进行椭圆交叉定位处理，完成目标定位及误差矫正。

本发明的有益效果是，校正了墙体电磁穿透对目标定位造成的位置偏差，提高了穿墙雷达运动目标定位精度，保证了后续跟踪处理的稳健性。与现有的方法相比，计算简便，实时性强，实用性高。

附图说明

图1为定位误差示意图。

图2为算法流程图。

图3虚拟目标距离和求解示意图。

图4实验场景图。

图5预处理后的两通道距离和。

图6补偿前利用椭圆交叉定位后的结果。

图7定位误差补偿后的人体位置估计值分布。

具体实施方式

为了方便描述本发明的内容，作以下术语定义：

距离和：自由空间中，电磁波在由发射天线发出并经物体反射后由接收天线接收的过程中的传播距离。当传输介质不可以看做自由空间时，距离和为实际传播延时与真空中光速的乘积。

本发明基于一发两收天线配置的便携式穿墙雷达，如图1所示。雷达包括一个发射天线和两个接收天线，三个天线呈均匀线阵放置，间距为D，发射天线位于中间。墙体厚度d和相对介电常数ε均已知。以发射天线前端作为坐标原点建立笛卡尔坐标系。假设r_1,k、r_2,k为第k次探测时分别从两个接收通道提取出来的运动人体目标的距离和(此时目标位于P_k(x_k,y_k))，根据图1所示，矫正后的两个通道的距离和和偏小，即：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{r}}_{1,k}=r_{1,k}-{\mathrm{\Δ}}_{1,k}\\ {\hat{r}}_{2,k}=r_{2,k}-{\mathrm{\Δ}}_{2,k}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，△_1,k和△_2,k为电磁波在墙体内传播相对于在自由空间传播时的传播距离增量(也称作矫正量)，两个通道略有不同，其值均大于零。因此，实现运动人体目标定位误差矫正的关键是求解两个矫正量△_1,k和△_2,k。

矫正流程如如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：预处理

根据所使用的信号进行相应的预处理操作，获得两个接收通道的回波距离像平面。距离像平面的行标为距离和，列标为信号发射周期序号，其每一行为一次完整探测。对于线性调频信号，预处理为匹配滤波；对于步进频信号，预处理为快速傅里叶变换；对于超窄脉冲信号，不需要特殊的预处理操作。

步骤2：两脉冲对消

两脉冲对消的目的是抑制静止杂波、凸显运动目标。基本假设为，探测中雷达位置不动，则场景中的静止目标，例如墙壁、家具等，对相邻周期的探测信号而言其回波基本相同，则通过相邻周期回波相减可以大幅抑制；而运动人体回波是时变的，相邻周期回波相减对它的削弱不明显，从而凸显了出来。

步骤3：距离和提取及目标位置估计

利用固定门限检测、恒虚警检测等方法从两个通道的距离像上分别提取运动目标的距离和。假设当前周期两个通道提取出来的距离和分别为r_1,k和r_2,k，真实目标位于P_k(x_k,y_k)，如图1所示。由r_1,k和r_2,k，通过椭圆交叉定位原理(求解得出如下方程)获得目标虚拟位置P_k′(x_k′,y_k′)，如图3所示。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{(x_k^{\′}-D/2)}^2}{r_{1,k}^2/4}+\frac{y_k^{\′2}}{r_{1,k}^2/4-D^2/4}=1\\ \frac{{(x_k^{\′}+D/2)}^2}{r_{2,k}^2/4}+\frac{y_k^{\′2}}{r_{2,k}^2/4-D^2/4}=1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中D为收发天线间的距离。

步骤4：虚拟双通道回波距离和求解

假设P_k′(x′_k,y′_k)处确实有一个目标。根据墙体厚度d、相对介电常数ε_r以及折射定律可以计算出其对应的回波距离和：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{1,k}^{\′}=l_{P^{\′}R1,s}+l_{P^{\′}T,s}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(l_{P^{\′}T,w}+l_{P^{\′}R1,w})\\ r_{2,k}^{\′}=l_{P^{\′}R2,s}+l_{P^{\′}T,s}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}(l_{P^{\′}T,w}+l_{P^{\′}R2,w})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中l_P′T,w、l_P′R1,w、l_P′R2,w为电磁波在墙体内的传播距离，l_P′T,s、l_P′R1,s、l_P′R2,s为电磁波在空气中的传播距离。

步骤5：距离和矫正量求解

由前面的步骤知，对于位于P_k′(x′_k,y′_k)处的目标，电磁传播的实际距离和为r_1,′_k和r₂′_,k。而要使得椭圆交叉定位时目标能定位于P_k′(x′_k,y′_k)处，则用于椭圆交叉定位的距离和应该为r_1,k和r_2,k，此即为矫正后的距离和，则其对应的距离和矫正量为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{1,k}^{\′}=r_{1,k}^{\′}-r_{1,k}\\ {\mathrm{\Δ}}_{2,k}^{\′}=r_{1,k}^{\′}-r_{2,k}\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤6：真实目标位置求解

由于r_1,k和r_2,k同时为真实人体目标P_k(x_k,y_k)的距离和，其定位误差特性与虚拟目标P_k′(x′_k,y′_k)高度近似，因此，对应虚拟目标P_k′(x′_k,y′_k)的距离和矫正量△₁′_,k和△′_2,k可以近似作为真实人体目标P(x,y)的距离和的矫正量△_1,k和△_2,k。从而真实目标P_k(x_k,y_k)的距离和可通过如下公式实现矫正：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{r}}_{1,k}=r_{1,k}-{\mathrm{\Δ}}_{1,k}^{\′}=2r_{1,k}-r_{1,k}^{\′}\\ {\hat{r}}_{2,k}=r_{2,k}-{\mathrm{\Δ}}_{2,k}^{\′}={2r}_{2,k}-r_{2,k}^{\′}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中值和为真实目标矫正后的距离和。

基于近似矫正后的距离和和根据椭圆交叉定位算法，需要求解如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{(x_k-D/2)}^2}{{\hat{r}}_{1,k}^2/4}+\frac{y_k^2}{{\hat{r}}_{1,k}^2/4-D^2/4}=1\\ \frac{{(x_k+D/2)}^2}{{\hat{r}}_{2,k}^2/4}+\frac{y_k^2}{{\hat{r}}_{2,k}^2/4-D^2/4}=1\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中D为收发天线间的距离，通过上述方程的求解可以得到矫正后真实目标的坐标P_k(x_k,y_k)。

下面结合一个典型实验例子给出本发明的具体实施方式。

穿墙雷达对运动人体目标探测的实验场景图如图4所示，穿墙雷达系统采用一发两收介质天线，收发天线间距为0.5m，发射信号为1GHz～2GHz的步进频率连续波信号，墙后有两个运动人体目标。

对回波数据进行预处理、两脉冲对消、距离和提取，输出结果如图5所示，得到两个接收通道的距离和估计值，对其直接进行定位的结果如图6所示。可以看出，定位结果与运动人体的真实位置不符，产生了明显的误差。

根据本发明的处理步骤，步骤1～3为预处理、两脉冲对消、距离和提取及目标位置估计，得到两个目标的双通道距离和为： 其中K为所处理数据的周期数。根据公式(2)，求得目标虚拟位置为k＝1,2,…K。如图6所示。

第四步，对于每个周期获得的目标虚拟位置，利用公式(3)求解其对应的虚拟距离和：

第五步，根据公式(4)求得每个周期下的两个通道的距离和矫正量

第六步，利用公式(4)解出目标位于真实位置的距离和矫正值： 进而基于近似矫正后的距离和和根据椭圆交叉定位算法，求解公式(5)，得到矫正后的目标位置k＝1,2,…K。如图7所示。

综上所述，通过提出的算法对人体距离和进行矫正处理后，通过定位算法处理公式(5)获得的人体位置估计值逼近于真实位置，校正了墙体电磁穿透造成的定位误差。

Claims (1)

1.一种穿墙雷达运动人体定位误差矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用一发两收的穿墙雷达进行探测，获得两个接收通道的回波距离像平面；

2)对两个接收通道的距离像平面进行脉冲对消后，提取两个接收通道的距离像上运动目标的距离和r_1,k、r_2,k；

3)利用运动目标的距离和r_1,k、r_2,k通过椭圆交叉定位获得矫正前的目标位置；

4)将矫正前的目标位置作为一个虚拟目标位置，已知墙体厚度、相对介电常数，利用电磁波折射定律计算该虚拟目标的回波距离和r_1,′_k、r₂′_,k；

5)将虚拟目标的回波距离和减去运动目标的距离和得到矫正量△₁′_,k、△′_2,k，△₁′_,k＝r_1,′_k-r_1,k，△′_2,k＝r₁′_,k-r_2,k；

6)将运动目标的距离和减去矫正量得到真实目标矫正后的距离和

7)利用真实目标的距离和通过椭圆交叉定位获得矫正后的目标位置。