CN107219522B - 一种椭圆-双曲线联合的穿墙雷达目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于穿墙雷达成像的目标定位算法，首先，采用两通道以上的线阵天线阵列对墙后目标区域进行探测；然后利用相邻周期脉冲对消提取出墙后活动隐蔽目标并利用步进频体制雷达特点获得目标与收发阵元间距；接着通过传统椭圆交叉定位方法确定目标位置，再利用双曲线交叉定位方法确定目标坐标；最后通过分别选取两种方法中误差灵敏度低的坐标来确定目标的位置。本发明能够对墙体后隐蔽目标进行精确定位，并且相较传统定位方法具有较高的定位精度。

Description

一种椭圆-双曲线联合的穿墙雷达目标定位方法

技术领域

本发明涉及穿墙雷达技术，特别涉及穿墙雷达的目标检测定位技术。

背景技术

穿墙雷达系统主要是利用特定频段电磁波的特性对诸如门、墙以及其他非透明物质等障碍物后的隐蔽目标进行探测。这类设备在反恐作战、灾难营救、场馆安保及公安执法等军事和民用领域具有显著的应用价值。由于穿墙雷达系统发射的电磁波在传播过程中会受到探测区域前非均匀物质和周围复杂建筑环境的干扰，导致雷达回波数据处理得到的目标时延存在误差，由此直接造成当前时刻目标的估计位置与真实位置存在较大偏移。而这一存在偏移的目标位置信息会干扰雷达系统对于目标数量的准确判定以及目标运动轨迹的起始、关联和终止。因此，从复杂建筑环境接收到的回波数据中精确提取目标的位置信息是保障穿墙雷达系统能够正常工作的关键。

基于对非透明物质后隐蔽目标检测定位方法的研究，国内外研究机构已经提出很多解决思路。其一是利用大孔径天线阵列对隐蔽目标探测，通过相干成像处理获取目标的位置信息，典型的处理手段有BP成像方法。文献“Compressive sensing-based multipathexploitation for stationary and moving indoor target localization.IEEEJournal of Selected Topics in Signal Processing.vol.9,no.8,pp.1469-1483,2015.”中利用基于穿墙雷达成像处理的压缩感知方法来对室内目标进行定位。这类方法可以获得目标的高精度细节信息，但是其对设备的硬件指标要求苛刻，并且此类穿墙雷达设备体积庞大，不易携带，实际应用中效率低。另一类采用非相干处理的技巧，其中运用最为广泛的是椭圆交叉定位方法。电子科技大学对这种方法的定位性能进行研究，文献“Ellipse-cross-localization accuracy analysis of through-the-wall radar.IEEERadar Conference,2009.”中详细讨论了传统椭圆交叉定位方法的性能。这类方法应用条件简单，定位原理也只是基于探测模型的几何结构建立的，实现硬件简单，天线孔径小，能够实现便携化设备平台的搭建，但是这类方法对雷达的距离分辨率要求高，雷达系统的测距精度直接关系到定位的精确度，在现有系统误差作用下，该类雷达系统定位精度表现并不良好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种适用于穿墙雷达系统的目标定位方法，首先通过回波数据获取多个目标独自的距离信息(即目标与天线的距离)，然后通过椭圆-双曲线联合的定位方法获得各个目标的位置状态信息。

本发明所采用的技术方案是，本发明基于一发N(N≥3)收天线阵列配置的穿墙雷达，使用一种适用于穿墙雷达的目标定位方法，包括以下步骤：

步骤1：基于回波数据提取各接收天线与目标的距离r₁,r₂,…,r₃；

步骤2：将雷达探测区域分为两个子区域，将雷达天线阵列正对的竖直区域定义为第一子区域，将非第一子区域的雷达探测区域定义为第二子区域；

对位于第一子区域的目标采用双曲线定位法获取目标的位置状态信息；

对位于第二子区域的目标采用椭圆交叉定位法获取目标的位置状态信息；

其中双曲线定位法具体为：

对N个距离r₁,r₂,…,r₃进行两两交叉，配对得到三组椭圆交叉点和一组双曲线交叉点；

将三组椭圆交叉点的坐标均值化后结合一组双曲线交叉点横坐标得到目标的定位坐标。

本发明的双曲线定位法在天线阵列的中心垂直方向能够提供更高的定位精度。但由于双曲线的发散特性，在天线阵列的平行方向，定位精度会出现恶化。故限定在探测重点区域内(天线正对的竖直区域)执行本发明的双曲线定位法，而在探测重点区域外依然沿用传统椭圆交叉定位方法，以充分保障定位精度，从而解决了传统定位方法的点迹漂移问题，为后续的跟踪工作提供了正常的点迹。

具体的，圈定探测重点区域只与天线间距相关，即对于目标横坐标位于最优化范围[x_min,x_max]内，均可采用本发明的双曲线定位法，其中

x₁、x₂、x₃分别表示不同收天线的横坐标。即在本发明在定位目标时，可直接采用本发明的双曲线定位法计算目标定位坐标(x,y)，再判断x是否属于[x_min,x_max]，若是，则输出目标定位坐标(x,y)；否则，基于椭圆交叉定位法获取目标的位置状态信息并输出。

进一步的，基于回波数据提取各接收天线与目标的距离具体为：

101：从回波数据中提取出原始距离像平面，包括数据完整性检测、旁瓣抑制和检测区域确定等；

102：根据穿墙雷系统与电缆延时补偿值、以及雷达有效探测范围对原始距离像平面进行截断，得到目标距离像；从而减少待处理的数据量；

103：采用相邻周期脉冲对消检测法，检测目标距离像的动目标，得到动目标距离像；

104：对动目标距离像进行二维低通滤波处理以及分辨率抽取处理；通过低通滤波滤出掉高频的噪声，降低极值提取的虚警率；按理预设分辨率进行抽取，达到降低部分虚警，减少计算运行成本的目的。

105：对步骤104处理后的动目标距离像进行目标距离数据关联配对处理，得到配对好的不同接收通道的距离和项，即各接收天线与目标的距离：

步骤105-1：一般情况下，会出现距离和个数大于目标个数的情况，针对这个问题，需要进行多周期不同目标的距离和分类，剔除部分虚假的点迹。

用向量r_1,k、r_2,k表示不同接收通道在当前周期k的输出的距离和向量，即距离和项，用r_1,k(i)、r_2,k(i)分别表示r_1,k、r_2,k的元素，即接收通道的距离和。设置两个中间数组updatar₁和updatar₂，用来存储更新与当前周期k相邻的最近的两个接收通道的非零距离和，updatar_i(j)用于表示中间数组updatar_i的第j个元素，其中i＝1，2。

设定距离和分类关联门限为R_classify，则分类关联准则的数学表达式为

|r_i,k(i)-updatar_i(j)|＜R_classify，i＝1,2

即，若两通道距离和同时满足上述分类关联准则时，分类关联成功，两通道距离和r_1,k(i),r_2,k(i)更新中间数组updatar₁(j)和updatar₂(j)，用来分类关联下周期距离和；没有满足分类关联准则的距离和，updatar₁(j)和updatar₂(j)保持不更新。

步骤105-2：假设两通道分类后的距离和矩阵为P₁、P₂，第k个周期的距离和向量分别为r_1,k和r_2,k。由于两个通道的处理是相互独立的，这两个向量所含的距离和并不是按目标一一对应的，且个数也会不同。距离和配对的目的就是从这两个通道中将能够进行定位的距离和对提取出来。两个通道距离和配对的准则是|r_1,k(i)-r_2,k(j)|＜d₁+d₂，其中，r_1,k(i),r_2,k(j)为两通道检测输出距离和r_1,k、r_2,k的元素，d₁、d₂、d₃为接收天线和发射天线的距离。距离和配对是在一个脉冲周期内的两个通道之间进行的，通过距离和配对处理，可以消除部分虚假的检测输出距离和。基于上述任意两通道的配对处理，得到配对好的三个通道的距离和项r_1,k、r_2,k、r_3,k。

综上，本发明的有效效果是：本发明提出了一种穿墙雷达多目标探测中对各个目标的定位方法，该方法能够有效识别雷达图像中的真实目标和它们的即时未知状态信息，在提高定位精度的同时不会造成真实目标的丢失。相比于传统的椭圆交叉定位方法，本发明能够防止正常信噪比条件下目标定位点迹的漂移，结合后续的跟踪工作得到良好的目标运动轨迹，提高了穿墙雷达在封闭建筑物环境中的实际使用性能，为操作人员做出正确的决策提供了有力的保障。

附图说明

图1为实验场景及天线摆放图；

图2为两通道目标数据关联配对结果图；

图3为墙后一定区域内定位精度GDOP曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

本发明首先通过回波数据预处理得到原始距离像平面，使用相邻周期脉冲对消方法过滤强静止杂波以及利用门限检测方法过滤场景噪声，从而提取场景中活动目标的距离信息，再将得到的目标距离信息进行数据处理，基于目标距离特性的分类方法和配对方法获取多个目标独自的距离信息，最后通过椭圆-双曲线联合的定位方法获得各个目标的位置状态信息。

实施例

一部一发三收配置的步进频穿墙雷达探测场景如图1所示，其中目标为P，T₁表示发射天线，R₁～R₃为接收天线，相邻两两阵元间的距离为30cm，穿墙雷达系统离墙5米放置在墙体正对地点，发射中心频率为1.8GHZ、带宽1GHZ的步进频率连续波信号，该信号的频率步进为2MHZ。墙体的厚度d_w和相对介电常数为0.30m和7.6，其中d_x表示墙体长度，雷达信号为s₀(t)，各接收天线的回波信号为s′₁(t)～s′₃(t)，坐标原点为T₁处，目标位于(0,4)m处。

具体实施步骤如下：

步骤1：场景目标提取。

从回波数据中提取出原始距离像平面，根据穿墙雷系统与电缆延时补偿值、以及雷达有效探测范围对原始距离像平面进行截断，得到目标距离像。本实施例中，电缆延时补偿值取值为2.1465m。

利用相邻周期脉冲对消方法对雷达回波数据形成的原始距离像平面进行处理得到动目标。然后利用二维低通滤波器滤除掉高频噪声，降低虚警率。最后对得到的距离像平面按预设分辨率进行抽取，得到场景目标运动的距离像平面，即动目标距离像。

步骤2：目标距离数据关联配对步骤

将上述得到的动目标距离像和矩阵数据进行双门限检测，抑制杂波和噪声，利用有、无目标下回波数据幅值的特点，选取两个门限来对目标进行检测：无目标情况下选取噪声基底幅值为170，有目标时采用周期内归一化均值加门限因子作为门限进行目标检测。设抽取后的距离像平面幅值矩阵为A＝[a₁,a₂,…,a_M]^T，M表示周期数目。第m个周期的门限设置为：

其中N_noise为噪声基底门限值，Δ_factor为冗余值(门限因子)，确保消除较强杂波的干扰，消除部分虚警，但同时会影响微弱目标的检测。在本次实例中门限因子取值0.15。更新后的幅值矩阵记为A_T。

三个接收通道的回波距离像经过固定门限检测会输出三组距离和信息，对上述三组距离和分别进行极值提取，具体步骤为：对幅值矩阵A_T中的每一行做二阶差分，其中二阶差分小于零的单元为极大值单元，保留其原有值，其他单元置零。第m行二阶差分如下：

Max_a＝diff(sign(diff(a_m)))

diff(a_m)＝a_m(2:N_c)-a_m(1:N_c-1)

检测判决规则如下：

在上述处理后对距离像平面幅值矩阵进行二值化处理，得到归一化幅值矩阵A_M。

对上述归一化幅值矩阵中储存的距离和项进行两两分类处理，利用三角形的性质两边之差小于第三边，其中一组分类的结果如图2所示。将关联上的目标距离和存储，未关联上的一定窗口周期内小于一定数量判定为虚警，本实例中分类窗口周期选取为30个，虚警判决周期数为15。最后得到的三个通道的距离和矩阵。

步骤3：采用本发明的双曲线定位法计算目标的坐标。

人体运动目标在如图2所示场景中做定点小幅度晃动，通过大量仿真数据的拟合，得到定位新方法的几何精度因子Geometric Dilution of Precision(GDOP)图，如图3所示。在穿墙雷达领域内，进行目标探测的关键区域主要在于天线阵列的正前方。图中显示，天线阵列范围正前方的定位误差得到了大幅改善，且随着天线阵列与场景点的距离增大，定位点的误差越小。这一点有利于穿墙雷达在车载、机载平台的应用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种椭圆-双曲线联合的穿墙雷达目标定位方法，其特征在于，在一发三收的天线阵列配置的穿墙雷系统中，通过下列步骤获取目标定位：

步骤1：基于回波数据提取各接收天线与目标的距离r₁,r₂,r₃：

101：从回波数据中提取出原始距离像平面；

102：根据穿墙雷系统与电缆延时补偿值、以及雷达有效探测范围对原始距离像平面进行截断，得到目标距离像；

103：采用相邻周期脉冲对消检测法，检测目标距离像的动目标，得到动目标距离像；

104：对动目标距离像进行二维低通滤波处理以及分辨率抽取处理；

105：对步骤104处理后的动目标距离像进行目标距离数据关联配对处理，得到配对好的不同接收通道的距离和项，即各接收天线与目标的距离：

对任意两个接收通道的距离和进行分类处理：

用向量r_a,k、r_b,k表示不同接收通道在当前周期k的输出的距离和向量，即距离和项，用r_a,_k(i)、r_b,k(i)分别表r_a,k、r_b,k的元素，即接收通道的距离和；

设置两个中间数组updatar_a和updatar_b，用来存储更新与当前周期k相邻的最近的两个接收通道的非零距离和，updatar_λ(j)用于表示中间数组updatar_λ的第j个元素，其中接收通道标识符λ＝a,b；

若两接收通道的距离和同时满足关联准则|r_λ,k(i)-updatar_λ(j)|＜R_classify，则分类关联成功，并用距离和r_a,k(i)更新中间数组updatar_a(j)，用距离和r_b,k(i)更新中间数组updatar_b(j)；否则updatar_a(j)和updatar_b(j)保持不更新，其中R_classify表示预设分类关联门限；

用P_a、P_b表示两个不同接收通道分类后的距离和矩阵，对两个距离和矩阵的元素进行距离和配对，若满足配对准则|r_a,k(i)-r_b,k(j)|＜d_a+d_b，则保留当前两个距离和，从而得到配对好的不同接收通道的距离和项；其中d_a，d_b分别表示距离和向量r_a,k、r_b,k对应的接收通道的收、发天线间距；

步骤2：将雷达探测区域分为两个子区域，将雷达天线阵列正对的竖直区域定义为第一子区域，将非第一子区域的雷达探测区域定义为第二子区域；

对位于第一子区域的目标采用双曲线定位法获取目标的位置状态信息；

对位于第二子区域的目标采用椭圆交叉定位法获取目标的位置状态信息；

其中双曲线定位法具体为：

对3个距离r₁,r₂,r₃进行两两交叉，配对得到三组椭圆交叉点和一组双曲线交叉点；

将三组椭圆交叉点的坐标均值化后结合一组双曲线交叉点横坐标得到目标的定位坐标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，双曲线定位法得到的目标的定位坐标(x,y)具体为：

其中，d₁,d₂,d₃表示收、发天线间距，y_{1_2}、y_{1_3}、y_{2_3}分别是三组椭圆交叉点的纵坐标解析值，且其中i,j＝1,2,3,i≠j。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将步骤2替换为：

201：根据距离r₁,r₂,r₃，收、发天线间距d₁,…,d₃，采用双曲线定位法得到目标定位坐标；

202：判断目标定位坐标中的横坐标是否位于最优化范围[x_min,x_max]内，若是，则输出当前目标定位坐标(x,y)；否则，基于椭圆交叉定位法获取目标的位置状态信息并输出；

其中

且x₁、x₂、x₃分别表示不同收天线的横坐标。

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