CN105954745B - 一种适用于穿墙雷达多径幻象抑制的成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于穿墙雷达多径幻象抑制的成像方法，包括子孔径成像步骤：将全孔径分为N个没有交集的子孔径；对每个子孔径，分别通过后向投影成像算法，得到N个独立的子图像；子图像融合步骤：对N个独立的子图像分别进行归一化处理，得到N个归一化子图像I′_i；对于N幅归一化的子图像进行联乘得到融合后的图像I_f；最后对融合后的图像I_f进行门限检测与二值化处理得到最终的雷达图像I。本发明有效抑制了多径幻象干扰，提高了图像的信杂比和墙后隐蔽目标的探测性能。

Description

一种适用于穿墙雷达多径幻象抑制的成像方法

技术领域

本发明属于穿墙雷达成像技术，涉及多径幻象抑制技术。

背景技术

穿墙雷达成像技术主要利用天线阵元发射特定电磁波穿透建筑物墙体，实现建筑物布局成像和墙后隐蔽目标的检测、成像与定位，近年来在反恐、执法、灾难救援等领域具有广泛应用和重大的社会研究价值。然而，在封闭建筑物探测环境中，电磁波在建筑物墙体内表面产生多次反射，引入严重的多径杂波干扰，导致成像结果中产生大量多径幻象，影响真实目标的检测成像性能。因此，多径幻象的定位与抑制是实现建筑物内隐蔽目标检测成像的关键技术。

对于穿墙雷达中的多径幻象干扰，国内外科研机构开展了很多研究。美国维拉诺瓦大学提出两种多径幻象的抑制方法。第一种方法假设电磁波在墙体表面发生镜面反射，计算成像结果中多径幻象出现的区域，然后利用2-D高斯权函数，将多径幻象区域的像素点搬移并叠加到相应目标位置区域，从而实现多径幻象干扰的抑制，但该方法会造成多径幻象区域真实目标的丢失，出现漏警；第二种是基于压缩感知理论的多径幻象抑制方法，利用降采样后的回波信号数据，对原始场景进行稀疏重构得到量测矩阵，再通过混合范数最优化问题的求解，还原雷达成像场景，但是该方法涉及到庞大的矩阵运算，导致计算复杂度的大大增加，难以满足实时性探测成像的要求。

穿墙雷达成像中的多径幻象严重影响建筑物内隐蔽目标的探测成像，导致最终雷达图像质量的恶化，因此，研究穿墙雷达中多径幻象抑制具有重要的理论和实践价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种穿墙雷达探测成像中能抑制多径幻象的方法。

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多径幻象抑制的成像方法，包括以下步骤：

子孔径成像步骤：将全孔径分为N个没有交集的子孔径；对每个子孔径，分别通过后向投影成像算法，得到N个独立的子图像，分别表示为I₁，I₂…I_N，i∈{1,2,…,N}，其中I_i代表第i个子孔径单独作用时形成的子图像；

子图像融合步骤：对N个独立的子图像分别进行归一化处理，得到N个归一化子图像I_i′，i∈{1,2,…,N}；对于N幅归一化的子图像进行联乘得到融合后的图像I_f，I_f(x,y)＝I′₁(x,y)⊙I′₂(x,y)…⊙I′_N(x,y)；最后对融合后的图像I_f进行门限检测与二值化处理得到最终的雷达图像I。

申请人发现在不同的子孔径下的子图像中，目标总是位于相同的正确的位置，而多径幻象则位于不同的位置。基于这个特性，本发明提出一种基于子孔径的多径幻象抑制成像方法，通过对没有交集的子孔径下的子图像进行融合，能够抑制多径幻象同时保持目标仍在正确的位置。

本发明的有益效果是，有效抑制了多径幻象干扰，提高了图像的信杂比和墙后隐蔽目标的探测性能。

附图说明

图1为多径幻象定位与抑制方法的处理流程图。

图2为穿墙雷达成像场景与多径模型示意图。

图3为多径幻象定位示意图。

图4为不同子孔径下多径幻象位置结果图。

图5为穿墙雷达仿真场景示意图。

图6为全孔径多径幻象定位结果图。

图7为全孔径多径幻象成像结果图。

图8为子孔径1成像结果图。

图9为子孔径2成像结果图。

图10为子孔径3成像结果图。

图11为子图像融合后结果图。

具体实施方式

穿墙雷达成像场景与多径模型如图2所示。房间的长度和宽度分别为D_x和D_y，墙体厚度为d，相对介电常数是为ε，静止点目标P_T＝(x_T,y_T)位于房间内部，合成孔径天线阵列包含N个收发共置天线。为简单起见，天线阵列贴前墙放置。合成孔径雷达SAR是利用一个天线阵列，沿着直线轨迹移动，并发射相参信号,把在不同位置接收的回波进行相干处理,从而获得高分辨率成像。本文中的全孔径就是天线阵列从起始位置到终止位置的长度，即天线移动的长度。子孔径是在这个天线合成孔径长度中选取的一段。

假定墙壁是光滑的，电磁波在墙壁内侧发生镜面反射。考虑一阶多径回波，即目标直接回波路径(路径-1)和三条一次反射的多径路径(路径-2、路径-3和路径-4)的组合。高阶多径回波经过多次反射，衰减比较强，因此在多径模型中将它剔除。

多径幻象的定位如图3所示。假设墙体参数ε＝1，即先不考虑前墙的影响，这里只分析侧墙-1对应的一阶多径回波，即图3中路径-1和路径-2的组合，该分析同样适用于其它墙体的多径回波。首先分析两个天线独立工作时的情况，天线位置坐标分别为R_m＝(x_m,0)，R_n＝(x_n,0)，R_m',R_n'和P_T'分别表示天线和目标关于侧墙-1的对称位置。

对于天线R_n，路径-2在侧墙-1的反射点表示为S_n，由几何关系可得：

R_nP_T+P_TS_n+S_nR_n＝P_TR_n+P_TR_n'

则单程多径距离r_n可表示为：

在图3中，在考虑对称天线的情况下，侧墙-1对应的一阶多径轨迹形成一个椭圆，表示为双基多径轨迹⁽ⁿ⁾，其焦点为R_n和R_n'，长轴长度为2r_n；等效到单个天线作用下，多径轨迹形成一个圆，表示为单基多径轨迹⁽ⁿ⁾，其圆心和半径分别为R_n和r_n。B_n是双基多径轨迹⁽ⁿ⁾与侧墙-1的交点，则由几何关系可得：

r_n＝R_nB_n

类似的分析应用于当天线位于R_m时的情况。显然，单基多径轨迹⁽ⁿ⁾和单基多径轨迹^(m)的交点就是两个天线独立工作时形成多径幻象的位置，用P_M表示，排除另外一个交点因为它不在雷达成像范围之内。

因此，当天线位于为R_m和R_n时，侧墙-1对应一阶多径的单基多径轨迹⁽ⁿ⁾和单基多径轨迹^(m)与其半径r_n和r_m分别表示为：

(x-x_n)²+y²＝r_n ²

(x-x_m)²+y²＝r_m ²

假设x_n>x_m，由几何关系易得r_n>r_m。求解上述方程组，得到多径幻象P_M的坐标为：

因此，当收发共置天线在N个位置进行合成孔径成像时，在每个天线位置，得到一个多径圆形轨迹。从理论上讲，N个多径圆形轨迹两两相交，得到个交点，这些交点所形成的区域即为全孔径下多径幻象的位置。

当ε≠1，即考虑前墙的情况下，多径幻象的定位方法仍然适用。每个天线位置形成的多径圆形轨迹和半径的公式可能略有不同。然而，如果给定前墙的厚度和墙体的介电常数，使用上述定位方法，同样可以得到多径幻象的坐标表达式。

通过分析多径幻象坐标的解析表达式，得到多径幻象位置依赖于天线阵列位置的特性，即多径幻象的位置与子孔径选择有关。

一个初步仿真如图4所示，显示了不同子孔径下多径幻象的位置。三个长度相同、没有交集的子孔径，其位置分别用不同，用上述多径定位方法得到的不同子孔径下多径幻象区域在图中标注。从图4中我们得出，在不同的子孔径下，目标总是位于相同的正确的位置，而多径幻象则位于不同的位置。基于这个特性，本发明提出一种基于子孔径的多径幻象抑制方法，处理流程如图1：

一、子孔径成像步骤：

1.将全孔径分为N个独立没有交集的子孔径；

2.对每个子孔径，分别通过后向投影成像算法，得到N个独立的子图像，分别表示为I₁，I₂…I_N，i∈{1,2,…,N}，其中I_i代表第i个子孔径单独作用时形成的子图像。

二、基于子图像融合的多径幻象抑制步骤：

由于在不同子图像中，目标总是位于相同的位置，而多径幻象的位置不同，通过子图像的融合，能够抑制多径幻象同时保持目标仍在正确的位置，具体步骤如下：

1.为了数据处理方便，对于步骤2所得到的N个独立的子图像，分别进行归一化处理，得到N个归一化子图像，对于第i个子图像I_i′：

表示任意(x,y)；

2.对于N幅归一化的子图像，通过联乘的图像融合算法，即对应像素点幅度值相乘，得到融合后的图像I_f，其融合表达式为：

3.对融合后的图像I_f进行门限检测与二值化处理，以便目标识别，处理过程表示为：

其中，λ是预设的二值化门限，取λ＝0.5是有效的经验门限值，则得到最终的雷达图像I。

当选择的子孔径有交集时，不同的子孔径单独成像时形成多径幻象区域会有交集，从而导致最终成像结果中多径幻象残留，严重影响多径幻象的抑制效果和目标的检测成像性能。因此，在本发明中选取的是独立没有交集的子孔径。同时，为了保证获得高分辨率成像，子孔径在保证不重合的同时长度尽量大。

下面根据一个MATLAB仿真的例子给出本发明的实施列。

仿真场景如图5所示，房间的长度和宽度D_x＝D_y＝10m，墙体厚度d＝0.2m，其相对介电常数为ε＝7.5，单个静止点目标坐标为(6,4)m。合成孔径天线阵列贴前墙放置，包含51个收发共置的天线，相邻天线间距为0.2m，天线依次进行信号收发。仿真采用超宽带步进频信号，信号载频1.5GHz、带宽1GHz。

根据本发明的处理步骤：

第一步：根据上述多径幻象定位方法，获得全孔径下多径幻象的定位结果，如图6所示，通过后向投影成像算法获得全孔径多径幻象的成像结果，如图7所示。

第二步：将全孔径分为3个独立没有交集的子孔径，子孔径1对应第1个到第17个天线位置；子孔径2对应第18个到第34个天线位置；子孔径3对应第35个到第51个天线位置。对每个子孔径分别采用后向投影成像算法，得到三幅子图像，如图8、图9和图10所示。

第三步：对于得到的三幅子图像进行归一化处理，再通过联乘的图像融合算法、门限检测与二值化处理后，得到最终的成像结果如图11所示。

仿真结果表明，本发明能够准确得到了多径幻象的位置，有效的抑制了多径幻象，提高了图像的信杂比和墙后隐蔽目标的探测性能。

Claims (2)

1.一种适用于穿墙雷达多径幻象抑制的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

子孔径成像步骤：将全孔径分为N个没有交集的子孔径；对每个子孔径，分别通过后向投影成像算法，得到N个独立的子图像I_i，分别表示为I₁，I₂…I_N，i∈{1,2,…,N}，其中I_i代表第i个子孔径单独作用时形成的子图像；

子图像融合步骤：对N个独立的子图像分别进行归一化处理，得到N个归一化子图像I′_i，i∈{1,2,…,N}；对于N幅归一化的子图像进行联乘得到融合后的图像I_f，I_f(x,y)＝I′₁(x,y)⊙I′₂(x,y)…⊙I′_N(x,y)；最后对融合后的图像I_f进行门限检测与二值化处理得到最终的雷达图像I。

2.如权利要求1所述一种适用于穿墙雷达多径幻象抑制的成像方法，其特征在于，对融合后的图像I_f进行二值化门限检测时，二值化门限取值为0.5。