CN104280732A - 一种基于等效协同阵的穿墙雷达建筑布局成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于等效协同阵的穿墙雷达建筑布局成像方法，采用了一发多收或时分复用的多发多收的天线布阵方式，分析了阵天线方向图中栅瓣对后向投影成像算法的影响；提出了基于等效协同阵的穿墙雷达建筑布局成像方法，利用协同等效和阵列原理，将原始天线阵列等效为阵元间距小于载波半波长的均匀接收阵列，避免了栅瓣的影响，多通道数据联合处理明显地提高了图像质量。本发明增大了天线每次移动的间距，便于实际操作，合成孔径时间较短，利于实时成像。

Description

一种基于等效协同阵的穿墙雷达建筑布局成像方法

技术领域

本发明属于穿墙雷达成像技术，涉及穿墙雷达系统的建筑布局成像技术。

背景技术

建筑物透视探测主要利用穿墙雷达系统发射超宽带微波信号穿透墙体，获取建筑物墙体布局和人体等内部目标的位置分布信息，对反恐、侦查与抓捕等具有重要应用价值。其中，建筑布局全景图像给出了建筑物全部墙体的图像分布，对建筑物内作战参考和目标相对位置确定具有重要的实用价值，同时是目标探测中墙体补偿与多径抑制的必要条件，它是穿墙探测的主要研究领域之一。

建筑布局成像技术主要采用合成孔径方式和后向投影算法。目前，国内外对建筑布局进行成像时，根据后向投影成像算法理论，为避免等效阵列天线栅瓣影响，采用的等效均匀线性接收天线阵列的阵元间距需小于载波的半波长。如：美国陆军研究实验室C.Le等人对两层建筑物成像时，宽波束的线性阵列雷达的阵元间距仅为5cm。然而，在穿墙探测领域，如果采用单通道数据成像，上述条件会带来以下问题：实现困难。这是由于穿墙雷达工作频段一般为0.5GHz-3GHz，载波波长为厘米量级，密集的合成孔径阵元要求以极小的间距移动天线，合成孔径时间长，不利用于实时成像。

为了降低实现难度，一般采用多通道数据联合成像的方式。从公开发表的文献来看，在穿墙雷达建筑布局成像领域，还没有涉及在天线移动间距较大的情况下，利用协同阵等效和阵列原理将分时复用的多发多通道天线阵列其等效为阵元间距小于载波半波长的均匀合成孔径接收阵列。实际运用中，该方法便于操作，合成孔径时间较短，利于实时成像。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在天线移动间距较大的情况下，避免栅瓣的影响从而获得较为精确的建筑布局图像方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于等效协同阵的穿墙雷达建筑布局成像方法，包括以下步骤：

步骤1)采用了一发多收或时分复用的多发多收的天线布阵方式，采用了一发多收或时分复用的多发多收的天线为原始天线阵列，沿相互垂直的两个视角水平移动原始天线阵列进行探测；将原始天线阵列等效为接收阵列，每第一次移动原始天线阵列须保证其等效为接收阵列后中各接收阵元间距离小于载波的半波长：

第m个通道发射阵元在第l个采样位置坐标为 其权值为w_cltm，第n个通道接收阵元在第l个采样位置坐标为 其权值分别为w_clrn，c＝1,2分别表示相互垂直的两个视角，将视角c第l个采样位置的原始天线阵列等效为接收阵列后接收阵元位置集合为：

${\stackrel{\→}{X}}_{\mathrm{cl}}=\left\{{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{cl}}\right|{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{cl}}={\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{cltm}}+{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{clrn}}\}$

其中，m＝1,2,…M,n＝1,2,…N，N为多接收通道的总数，M为多发射通道的总数，当天线为一发多收时，N＝1；移动到第l个采样位置时原始天线阵列等效为包含有M*N*l个接收阵元的接收阵列；

步骤2)将需要探测的图像空间划分为N_x×N_y个像素点，计算从视角c探测的图像空间中位置(x_i,y_j)，x_i∈{1,2,…,N_x},y_j∈{1,2,…,N_y}到原始天线阵列中每个阵元的聚焦延时

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{clmn}(x_i,y_j)=\sqrt{{x_{\mathrm{cltm}}-x_i)}^2+{(y_{\mathrm{cltm}}-y_j)}^2}/C+\sqrt{{(x_{\mathrm{clrn}}-x_i)}^2+{(y_{\mathrm{clrn}}-y_j)}^2}/C}$ 其中，C为

光速；

步骤3)计算从视角c探测的图像平面I_c(X,Y)，图像平面中位置(x_i,y_j)像素点的值I_c(x_i,y_j)为：

$I_c(x_i,y_j)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{cl}}(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{clmn}(x_i,y_j)}){|}_{t=0}$

其中，Z_cl(t)是沿视角c进行探测时各接收阵元接收的回波，t为时间变量；

步骤4)把两个视角图像融合处理得到完整的整体建筑布局图像I(X,Y)。

本发明采用了一发多收或时分复用的多发多收的天线布阵方式，分析了阵天线方向图中栅瓣对后向投影成像算法的影响；提出了基于等效协同阵的穿墙雷达建筑布局成像方法，利用协同等效和阵列原理，将原始天线阵列等效为阵元间距小于载波半波长的均匀接收阵列，避免了栅瓣的影响，多通道数据联合处理明显地提高了图像质量。

本发明的有益效果是，增大天线每次移动的间距，便于实际操作，合成孔径时间较短，利于实时成像。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为穿墙雷达探测场景示意图。

图3为视角1图像。

图4为视角2图像。

图5为完整的建筑布局图像。

具体实施方式

如图1所示，一种基于等效协同阵的穿墙雷达建筑布局成像方法，包括以下步骤：

步骤1：采用了一发多收或时分复用的多发多收的天线布阵方式，采用了一发多收或时分复用的多发多收的天线为原始天线阵列，沿相互垂直的两个视角水平移动原始天线阵列进行探测；将原始天线阵列等效为接收阵列，每第一次移动原始天线阵列须保证其等效为接收阵列后中各接收阵元间距离小于载波的半波长：

第m个通道发射阵元在第l个采样位置坐标为 其权值为w_cltm，第n个通道接收阵元在第l个采样位置坐标为 其权值分别为w_clrn，c＝1,2分别表示相互垂直的两个视角，将视角c第l个采样位置的原始天线阵列等效为接收阵列后接收阵元位置集合与权值w_cli集合W_cl为：

${\stackrel{\→}{X}}_{\mathrm{cl}}=\left\{{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{cl}}\right|{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{cl}}={\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{cltm}}+{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{clrn}}\}---\left(1\right)$

$W_{\mathrm{cl}}=\left\{w_{\mathrm{cli}}\right|w_{\mathrm{cli}}=\underset{(m,n)\∈S_i}{\mathrm{\Σ}}{w}_{\mathrm{cltm}}{w}_{\mathrm{clrn}}\}---\left(2\right)$

其中，i表示等效后接收阵列中第i个接收阵元，S_i表示等效后第i个接收阵元对应的的原始天线阵列中阵元的集合；m＝1,2,…M,n＝1,2,…N，N为多接收通道的总数，M为多发射通道的总数，当天线为一发多收时，N＝1；移动到第l个采样位置时原始天线阵列等效为包含有M*N*l个接收阵元的接收阵列；

其中，S_i代表等效后第i个接收阵元位置的原始阵元通道的集合。

步骤2：将需要探测的图像空间划分为N_x×N_y个像素点，计算从视角c探测的图像空间中位置(x_i,y_j)，x_i∈{1,2,…,N_x},y_j∈{1,2,…,N_y}到原始天线阵列中每个阵元的聚焦延时

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{clmn}(x_i,y_j)=\sqrt{{(x_{\mathrm{cltm}}-x_i)}^2+{(y_{\mathrm{cltm}}-y_j)}^2}/C+\sqrt{{(x_{\mathrm{clrn}}-x_i)}^2+{(y_{\mathrm{clrn}}-y_j)}^2}/C}---\left(3\right)$ 其中，C为光速。

步骤3：计算从视角c＝1探测的图像平面I_c(X,Y)平面中位置(x_i,y_j)像素点的值I_c(x_i,y_j)为：

$I_c(x_i,y_j)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{cl}}(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{clmn}(x_i,y_j)}){|}_{t=0}---\left(4\right)$

其中，Z_cl(t)是沿视角c进行探测时各接收阵元接收的回波，t为时间变量；

步骤4：重复步骤2和步骤3，计算图像空间中所有像素点的值，得到视角c图像平面I_c(X,Y)。

步骤5：计算从视角c＝2的回波数据进行步骤2到步骤4相同的操作得到视角2图像I₂(X,Y)。

步骤6：把两个视角图像I₁(X,Y)和I₂(X,Y)进行墙体补偿后算术法融合处理得到完整的整体建筑布局图像I(X,Y)，算术法的步骤为：

1)求相同部分并归一化：

$I_m(x_i,y_j)=\frac{I_1(x_i,y_j)\·I_2(x_i,y_j)}{\max (I_1(x_i,y_j)\·I_2(x_i,y_j))}$

2)求相异部分并归一化：

$I_s(x_i,y_j)=\frac{|I_1(x_i,y_j)-I_2(x_i,y_j)|}{\max \left(\right|I_1(x_i,y_j)-I_2(x_i,y_j)\left|\right)}$

3)求和并归一化：

$I(x_i,y_j)=\frac{I_m(x_i,y_j)+I_s(x_i,y_j)}{\max (I_m(x_i,y_j)+I_s(x_i,y_j))}$

实施例

一部一发四收配置的穿墙雷达探测场景如图2所示，穿墙雷达系统沿两个相邻的视角对三个大小不一的小房间构成的较为复杂的建筑场景探测，仿真参数如下表所示：

发射波形	调制高斯脉冲
		带宽B	1.2(GHz)
中心频率fc	1(GHz)
		网格大小	0.02m
天线个数	一发四收(收发间隔0.12m)
		天线(长度)	偶极子天线(0.14m)
建筑布局规格	4.1m×3.7m×1m(墙厚0.2m)

墙体电磁参数

相对介电常数ε＝4.5

基于上述所示的穿墙雷达系统探测场景，本实施例具体工作流程如下：

(1)采用上述一发四收的穿墙雷达系统，根据协同等效和阵列原理视角1的合成孔径由16个采样位置组成，阵元间距为0.24m，视角2的合成孔径由15个采样位置组成，阵元间距为0.24m。如只采用单通道数据进行成像处理，每个采样位置间距应小于7.5cm。可见该算法能大大增加天线阵列的移动间距，便于穿墙雷达的实际运用。

(2)把需要探测的图像空间，划分为256×256个像素点，计算从视角1探测的图像空间中位于(x_i,y_j)(x_i∈{1,2,…,256},x_j∈{1,2,…,256})到16个采样位置的聚焦延时 ${\mathrm{\τ}}_{1\mathrm{lmn}(x_i,y_j)}(l\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·,16\},m=1,n=\{\mathrm{1,2,3,4}\left\}\right).$

(3)计算从视角1探测的图像空间中位于(x_i,y_j)像素点的值I₁(x_i,y_j)。

(4)重复步骤1和步骤2，计算图像空间中所有像素点的值，得到视角1图像平面I₁(X,Y)如图3所示。

(5)重复步骤2到步骤4，对路径2的回波数据进行相同处理，得到视角2图像平面I₂(X,Y)如图4所示。

(6)把两个视角图像I₁(X,Y)和I₂(X,Y)进行墙体补偿后算术法融合处理得到完整的整体建筑布局图像I(X,Y)如图5所示。

Claims (1)

1.一种基于等效协同阵的穿墙雷达建筑布局成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)采用了一发多收或时分复用的多发多收的天线布阵方式，采用了一发多收或时分复用的多发多收的天线为原始天线阵列，沿相互垂直的两个视角水平移动原始天线阵列进行探测；将原始天线阵列等效为接收阵列，每第一次移动原始天线阵列须保证其等效为接收阵列后中各接收阵元间距离小于载波的半波长：

第m个通道发射阵元在第l个采样位置坐标为 其权值为w_cltm，第n个通道接收阵元在第l个采样位置坐标为 其权值分别为w_clrn，c＝1,2分别表示相互垂直的两个视角，将视角c第l个采样位置的原始天线阵列等效为接收阵列后接收阵元位置集合为：

${\stackrel{\→}{X}}_{\mathrm{cl}}=\left\{{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{cl}}\right|{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{cl}}={\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{cltm}}+{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{clrn}}\}$

其中，m＝1,2,…M,n＝1,2,…N，N为多接收通道的总数，M为多发射通道的总数，当天线为一发多收时，N＝1；移动到第l个采样位置时原始天线阵列等效为包含有M*N*l个接收阵元的接收阵列；

步骤2)将需要探测的图像空间划分为N_x×N_y个像素点，计算从视角c探测的图像空间中位置(x_i,y_j)，x_i∈{1,2,…,N_x},y_j∈{1,2,…,N_y}到原始天线阵列中每个阵元的聚焦延时

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{clmn}(x_i,y_j)=\sqrt{{(x_{\mathrm{cltm}}-x_i)}^2+{(y_{\mathrm{cltm}}-y_j)}^2}/C+\sqrt{{(x_{\mathrm{clrn}}-x_i)}^2+{(y_{\mathrm{clrn}}-y_j)}^2}/C}$ 其中，C为

光速；

步骤3)计算从视角c探测的图像平面I_c(X,Y)，图像平面中位置(x_i,y_j)像素点的值I_c(x_i,y_j)为：

$I_c(x_i,y_j)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{cl}}(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{clmn}(x_i,y_j)}){|}_{t=0}$

其中，Z_cl(t)是沿视角c进行探测时原始天线各接收阵元接收的回波，t为时间变量；

步骤4)把两个视角图像融合处理得到完整的整体建筑布局图像I(X,Y)。