CN106291483A - 抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法，该方法包括步骤1：对接收的超宽带穿墙雷达信号采样，得到时域数据A，对时域数据A作距离向傅里叶变换得到复数矩阵B；步骤2：分别针对复数矩阵B以及取模后的复数矩阵B，依次进行列前后相消处理、按照速度向做傅里叶变换后取模处理以及沿速度向累加处理，分别得到第一向量和第二向量；步骤3：通过第二向量与第一向量作差得到差向量，再对得到的差向量进行目标检测，最终实现抑制多径干扰并获得超宽带穿墙雷达信号的目标个数及目标距离信息。
Description
技术领域
本发明属于雷达领域，尤其涉及一种抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法。
背景技术
超宽带(ultrawideBand，UWB)雷达通常定义为：雷达发射信号的分数带宽(FBW)大于0.25的雷达。超宽带技术就是通过对非常短的单脉冲进行一系列的加工和处理，包括产生、传输、接收和处理等，实现通信、探测和遥感等功能。超宽带是指该技术的一个主要特点，即占用的带宽非常大。它也可以被称为脉冲雷达(Impulseradar)、脉冲无线电(impulseradio)、无载波(carrier-free)技术和时域(timedomain)技术等。
超宽带雷达具有大带宽的特点，与常规窄带雷达系统相比，超宽带雷达具有以下优越性能：(1)抗干扰性能强。超宽带雷达系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。(2)与常规雷达系统相比较具有更强的抗干扰性。超宽带雷达兼有低频和宽频的特点，对地表和树叶具有较强的穿透能力，可以探测树林中的隐藏目标。(3)雷达信号具有极高的距离分辨力。由于超宽带雷达的相对带宽大，可以分辨目标的许多散射点，将这些散射点的回波信号积累，可以改善信噪比，其分辨力可以达到厘米量级。(4)具有良好的目标识别能力。由于雷达发射脉冲的时间短，可以使目标不同区域的响应分离，使目标的特性突出，从而进行目标的识别。此外，借助信号的宽谱特性，可以激励目标的众多响应模式，也增加了雷达的目标识别能力。(5)超近程探测能力。传统的雷达在探测近程目标时存在盲区，而超宽带雷达的最小探测距离与距离分辨力大致相等，这一特点使超宽带雷达具有超近程探测能力。
多径干扰是指雷达信号从发射天线发射出去经过多个不同的信道路径抵达接收天线的传播现象，超宽带穿墙雷达是对封闭建筑物内的空间进行探测，建筑物墙体及内部具有光滑表面的物体等强反射点会较强的反射电磁波，产生较强的多径干扰。多径干扰会产生虚假目标，而且一般的抑制噪声干扰的方法无法去除，影响系统性能。
多径的产生具有随机性、不确定性，常规的抑制噪声干扰的方法对其没有作用。目前，有学者提出一些抑制多径的方法。一种方法是根据雷达处于不同位置，多径信道也会不同的，从而导致多径产生的虚假目标位置不同的原理，雷达对被测区域进行多视角探测，从而分辨出虚假目标，但是在实际应用中不具备多视角探测的条件，不具有实用价值；另一种方法是对多径信道进行预测，计算得到多径产生的虚假目标距离值，在目标检测时予以去除，此方法仅适用在已知被测区域情况下；第三种方法是接收天线按照上下排列，即以发射天线为原点，接收天线关于发射天线上下对称，这样两路接收天线接收到的多径信号应该是一致的，通过对比可以去除多径产生的虚假目标，这种方法仅能去除一部分多径干扰，假如两路接收天线中的多径信道相似，则无法去除。综上所述，目前的一些多径干扰处理方法在实际应用中存在很大的局限性。
发明内容
为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法，本发明以克服公知技术中穿墙雷达中由多径效应产生的虚假目标的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法，包括：
步骤1：对接收的超宽带穿墙雷达信号采样，得到时域数据A，对时域数据A作距离向傅里叶变换得到复数矩阵B；
步骤2：分别针对复数矩阵B以及取模后的复数矩阵B，依次进行列前后相消处理、按照速度向做傅里叶变换后取模处理以及沿速度向累加处理，分别得到第一向量和第二向量；
步骤3：通过第二向量与第一向量作差得到差向量，再对得到的差向量进行目标检测，最终实现抑制多径干扰并获得超宽带穿墙雷达信号的目标个数及目标距离信息。
本发明通过在距离向傅里叶变换与多普勒向傅里叶变换之间一方面增加前后相消，另一方面增加取模、前后相消，将两者结果进行相减，得到的结果既保留了信号中目标的信息，又消除了多径产生的方位变化影响，从而削弱了多径信号幅度，提高了信号的信噪比，可以有效抑制穿墙雷达系统中出现的多径信号，从而减小虚假目标产生的概率，提高穿墙雷达的探测性能。
在步骤2中，对矩阵作列前后相消处理的具体过程为：
针对矩阵的任一行，从第二列开始，当前列与前一列的元素相减所得结果来替换当前列元素，形成新的矩阵，将新的矩阵的第一列自动赋值为0。
本发明通过对矩阵进行前后相消，得到的结果既保留了信号中目标的信息，又消除了多径产生的方位变化影响，从而削弱了多径信号幅度，提高了信号的信噪比，可以有效抑制穿墙雷达系统中出现的多径信号。
在所述步骤1中，采用等时间间隔采样的方式对超宽带穿墙雷达信号采样。这样更有利于防止超宽带穿墙雷达信号采样的过程中出现混叠的情况。
在所述步骤1中，时域数据A由M*N个采样数据构成，其中M为采样点数，N为采样组数，M和N均为正整数。采样点数M越多，则抑制穿墙雷达系统中出现的多径信号的有效性越好，虚假目标产生的概率越小，穿墙雷达的探测性能越好。
在所述步骤3中，对差向量采用包络峰值检测法进行目标检测。
在使用雷达波进行距离检测时，对同一个被测物体，在不同距离上产生的回波包络曲线都较为相似，波形基本一致，只是波幅不同；对同一距离上的不同探测物体，回波包络同样大致相同，也只是波幅不同。因此，可以近似认为雷达回波包络曲线的形状基本不随外在条件的变化而变化，也就是说，回波前沿到达的时间与回波峰值时间的时间差基本固定。所以，只要通过包络峰值检测确定回波峰值时间，再减去固有时间差，就能确定回波前沿到达的时间，也就可以精确得出渡越时间。
本发明中的多普勒向傅里叶变换，指的是在速度向作傅里叶变换。
本发明的有益效果为：
(1)本发明可以有效抑制穿墙雷达系统中出现的多径信号，从而减小虚假目标产生的概率，提高穿墙雷达的探测性能。
(2)本发明通过在距离向傅里叶变换与多普勒向傅里叶变换之间一方面增加前后相消，另一方面增加取模、前后相消，将两者结果进行相减，得到的结果既保留了信号中目标的信息，又消除了多径产生的方位变化影响，从而削弱了多径信号幅度，提高了信号的信噪比，可以有效抑制穿墙雷达系统中出现的多径信号，从而减小虚假目标产生的概率，提高穿墙雷达的探测性能。
附图说明
图1为穿墙雷达探测墙后人体目标的场景示意图；
图2为常规的抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰方法流程图；
图3为本发明的抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法流程图；
图4为经过常规方法处理得到的目标距离信息图；
图5为经过本发明的方法处理得到的目标距离信息图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
图1为穿墙雷达探测墙后人体目标的场景示意图。如图1所示，被探测区域内有家具等摆设及窗户和门，人体在室内运动；穿墙雷达系统摆放在墙外，天线贴近墙体放置，由于窗户玻璃等强反射物体的存在，会跟随人体目标产生多径效应，在信号上表现为较强的虚假目标。
如图2所示，是常规方法处理流程图。如图所示的抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法为：
对接收到的超宽带穿墙雷达信号进行采样，得到时域数据；
对得到的时域数据作距离向FFT处理，再对FFT处理结果作多普勒向FFT处理；
对多普勒向FFT处理后结果取模，并对取模的结果相累加后得到一个向量；
对上述得到的向量进行目标检测。
经过如图2所示的流程得到的目标距离信息图如图4所示。在图4中可看出由多径产生的虚假目标幅度为17mV，而真实目标幅度为15mV，由多径产生的虚假目标幅度甚至比真实目标幅度高，因此，如图2所示的该方法在抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方面效果较差。
图3是本发明的抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法流程示意图，如图所示的抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法包括：
步骤1：对接收的超宽带穿墙雷达信号采样，得到时域数据A，对时域数据A作距离向傅里叶变换得到复数矩阵B。
在所述步骤1中，采用等时间间隔采样的方式对超宽带穿墙雷达信号采样。这样更有利于防止超宽带穿墙雷达信号采样的过程中出现混叠的情况。
在所述步骤1中，也可以采用非等时间间隔采样的方式对超宽带穿墙雷达信号采样。
在所述步骤1中，时域数据A由M*N个采样数据构成，其中M为采样点数，N为采样组数，M和N均为正整数。采样点数M越多，则抑制穿墙雷达系统中出现的多径信号的有效性越好，虚假目标产生的概率越小，穿墙雷达的探测性能越好。
步骤2：分别针对复数矩阵B以及取模后的复数矩阵B，依次进行列前后相消处理、按照速度向做傅里叶变换后取模处理以及沿速度向累加处理，分别得到第一向量和第二向量。
对复数矩阵B取模，得到实数矩阵C；对实数矩阵C作列前后相消处理得到矩阵D，对矩阵D按照速度向做傅里叶变换后取模得到矩阵E，对矩阵E沿速度向累加得到向量1。
在步骤2中，对实数矩阵C作列前后相消处理的具体过程为：
针对实数矩阵C的任一行，从第二列开始，当前列与前一列的元素相减所得结果来替换当前列元素，形成矩阵D，矩阵D的第一列自动赋值为0。
本发明通过对矩阵进行前后相消，得到的结果既保留了信号中目标的信息，又消除了多径产生的方位变化影响，从而削弱了多径信号幅度，提高了信号的信噪比，可以有效抑制穿墙雷达系统中出现的多径信号。
对复数矩阵B作列前后相消处理得到矩阵C’；对矩阵C’按照速度向做傅里叶变换后取模得到矩阵D’，对矩阵D’按照速度向累加得到M*1的向量2。
对复数矩阵B作列前后相消处理的具体过程为：
针对复数矩阵B的任一行，从第二列开始，当前列与前一列的元素相减来替换当前列的元素，形成矩阵C’，矩阵C’的第一列自动赋值为0。
本发明通过对矩阵进行前后相消，得到的结果既保留了信号中目标的信息，又消除了多径产生的方位变化影响，从而削弱了多径信号幅度，提高了信号的信噪比，可以有效抑制穿墙雷达系统中出现的多径信号。
步骤3：将向量2减去向量1，得到向量3，再对向量3进行目标检测，最终实现抑制多径干扰并获得超宽带穿墙雷达信号的目标个数及目标距离信息。
对向量3采用包络峰值检测法进行目标检测。
在使用雷达波进行距离检测时，对同一个被测物体，在不同距离上产生的回波包络曲线都较为相似，波形基本一致，只是波幅不同；对同一距离上的不同探测物体，回波包络同样大致相同，也只是波幅不同。因此，可以近似认为雷达回波包络曲线的形状基本不随外在条件的变化而变化，也就是说，回波前沿到达的时间与回波峰值时间的时间差基本固定。所以，只要通过包络峰值检测确定回波峰值时间，再减去固有时间差，就能确定回波前沿到达的时间，也就可以精确得出渡越时间。
在所述步骤3中，也可以采用其他常规的目标检测方法来对向量3进行目标检测。
本发明通过在距离向傅里叶变换与多普勒向傅里叶变换之间一方面增加前后相消，另一方面增加取模、前后相消，将两者结果进行相减，得到的结果既保留了信号中目标的信息，又消除了多径产生的方位变化影响，从而削弱了多径信号幅度，提高了信号的信噪比，可以有效抑制穿墙雷达系统中出现的多径信号，从而减小虚假目标产生的概率，提高穿墙雷达的探测性能。
下面本发明提供一个具体实施例，以采样点数M＝1000，采样组数N＝32为例，来说明抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法的详细过程：
步骤1：对接收的超宽带穿墙雷达信号采样，得到时域数据A，对时域数据A作距离向傅里叶变换得到复数矩阵B；时域数据A由1000*32个采样数据构成。
步骤2：对复数矩阵B取模，得到实数矩阵C；对实数矩阵C作列前后相消处理得到矩阵D，对矩阵D按照速度向做傅里叶变换后取模得到矩阵E，对矩阵E沿速度向累加得到M*1的向量1；
其中，对实数矩阵C作列前后相消处理的过程如公式(1)所示：
D(：，i)＝C(：，i)-C(：，i-1) (1)
其中2≤i≤1000，矩阵D第一列自动赋值为0。
对复数矩阵B作列前后相消处理得到矩阵C’；对矩阵C’按照速度向做傅里叶变换后取模得到矩阵D’，对矩阵D’按照速度向累加得到M*1的向量2；
其中，对复数矩阵B作列前后相消处理的过程如公式(2)所示：
C′(：，i)＝B(：，i)-B(：，i-1) (2)
其中2≤i≤1000，矩阵C’第一列自动赋值为0。
步骤3：将向量2减去向量1，得到向量3，再对向量3进行目标检测，最终实现抑制多径干扰并获得超宽带穿墙雷达信号的目标个数及目标距离信息。
图5为经过本发明的方法处理得到的目标距离信息图。从图5中可以看出，真实目标位置的幅度约为1.5mV，而多径产生的虚假目标的幅度不到0.5mV，因此，多径产生的虚假目标被有效的抑制，信噪比大大提高。由此可看出：本发明方法能够有效抑制消除多径的干扰，大大提高穿墙雷达系统的探测性能。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法，其特征在于，包括：
步骤1：对接收的超宽带穿墙雷达信号采样，得到时域数据A，对时域数据A作距离向傅里叶变换得到复数矩阵B；
步骤2：分别针对复数矩阵B以及取模后的复数矩阵B，依次进行列前后相消处理、按照速度向做傅里叶变换后取模处理以及沿速度向累加处理，分别得到第一向量和第二向量；
步骤3：通过第二向量与第一向量作差得到差向量，再对得到的差向量进行目标检测，最终实现抑制多径干扰并获得超宽带穿墙雷达信号的目标个数及目标距离信息。
2.如权利要求1所述的一种抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法，其特征在于，在步骤2中，对矩阵作列前后相消处理的具体过程为：
针对矩阵的任一行，从第二列开始，当前列与前一列的元素相减所得结果来替换当前列元素，形成新的矩阵，将新的矩阵的第一列自动赋值为0。
3.如权利要求1所述的一种抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法，其特征在于，在所述步骤1中，采用等时间间隔采样的方式对超宽带穿墙雷达信号采样。
4.如权利要求1所述的一种抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法，其特征在于，在所述步骤1中，时域数据A由M*N个采样数据构成，其中M为采样点数，N为采样组数，M和N均为正整数。
5.如权利要求1所述的一种抑制超宽带穿墙雷达信号多径干扰的方法，其特征在于，在所述步骤3中，对差向量采用包络峰值检测法进行目标检测。
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