CN107219523B - 一种穿墙雷达三维成像后多目标后墙一次多径抑制方法 - Google Patents

一种穿墙雷达三维成像后多目标后墙一次多径抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种穿墙雷达三维成像后多目标后墙一次多径抑制方法，首先从二值化后的原始雷达三维图像中提取出所有图像中物体；然后提取出所有物体重心坐标，并依照它们的重心坐标离雷达阵列中心的欧式距离进行升序排序；其次计算出所有物体到每个天线阵元的直接路径传播距离和多径路径传播距离；然后定义相关匹配系数，并两两计算物体直接的直接路径传播距离和多径路径传播距离的相关匹配系数；最后定义判决门限及规则，根据两个物体的相关匹配系数判定它们是否具有目标‑多径关系，找出图像中所有多径后将他们剔除。本发明能够有效地将穿墙雷达三维图像中的后墙一次多径剔除。

Description

一种穿墙雷达三维成像后多目标后墙一次多径抑制方法
技术领域
本发明涉及穿墙雷达三维成像技术领域，特别是涉及后墙一次多径目标的多径假目标的抑制方法。
背景技术
穿墙雷达三维成像技术主要是利用电磁波穿透建筑物墙体等障碍物，对密闭的建筑物内的静止或移动目标进行三维检测、定位和识别，同时对建筑物布局进行成像。电磁波穿透建筑物墙体后，在密闭建筑物空间内并不沿着一条路线传播，而是存在许多不同的传播路径，其中从发射雷达打到目标然后直接反射回接收雷达的路径称为直接路径，由于建筑物内存在墙体、天花板、地板等反射面，从雷达发射出的电磁波会在墙体等表面进行一次或者多次反射后再经过目标反射回接收雷达，或者先打到目标，然后再反射到内墙面，最后反射回接收雷达，这就会造成雷达收到多次反射电磁波，在雷达成像中表现为多径假目标。由于电磁波在每一次墙面反射时强度都会衰减，所以二次及高次多径的强度都很弱，因此通常只考虑一次多径。多径假目标会导致虚警，严重影响穿墙雷达的成像质量。因此，密闭建筑物中穿墙成像多径幻象抑制十分重要。
当前，关于多径干扰抑制方法中，文献“Z.X.Li,Y.Jia,et al,“A novel approachof multi-path suppression based on sub-aperture imaging in through-wall-radarimaging”,IEEE Radar Conference,2013.”提出了一种基于子孔径成像的多径抑制方法，该方法基于多径位置随着天线阵列移动而移动，但目标位置始终不变的多径特性，通过将不同天线阵列的雷达成像进行相乘融合来达到多径抑制的目的。在基于点扩散函数的多径抑制方法(文献Setlur P,Alli G,Nuzzo L.Multipath exploitation in through-wallradar imaging via point spread functions[J].IEEE Transaction on ImageProcessing.2013.)中，其把多径假目标反推并与其对应的真实目标关联，将多径假目标的幅度值转而叠加到该真实目标上，在抑制多径幅度的同时能够提高目标位置的信杂比。而在一种基于压缩感知的多径抑制方法(文献J.Wang,P.Wang,Y.Li,Q.Song and Z.Zhou,“AMultipath Suppression Technique for Through-the-wall Radar”,IEEEInternational Conference on Ultra-Wideband,2013.)中，其将雷达回波看作是目标空间对环境传输函数的映射，因此在已知建筑物环境的情况下，可以重构传输函数，对雷达回波进行最小范数反转，从而重构真实雷达图像，避免多径假目标。上述已有多径干扰抑制方法只能够应对穿墙雷达二维成像对应的场景，当处理三维图像时，上述方法并不适用。因此，研究密闭空间中三维成像的多目标多径干扰抑制方法在穿墙雷达成像领域具有重要的价值。
发明内容
本发明提供一种适用于密闭建筑物空间三维成像多目标后墙一次多径抑制方法，本发明首先将原始的雷达三维图像进行归一化，然后通过门限检测将其进行二值化，再对该图像进行三维目标提取，得到图像中所有物体(包括真实目标和多径幻想)的三维重心坐标；其次基于多径的产生原理使用相关匹配方法分析所有物体中两两元素间的关联性，判断出目标区域和多径区域；最后在保留目标的同时将多径假目标剔除，从而实现了多径抑制。
本发明的一种穿墙雷达三维成像后多目标后墙一次多径抑制方法，包括以下步骤：
步骤1：三维图像中物体提取。
对原始雷达三维图像进行归一化处理，得到归一化后的原始雷达三维图像Iorg(·)，然后对图像Iorg(·)进行二值化，即设置门限Tr，用Tr对图像Iorg(·)进行门限检测得到二元图像Ib(·)，对图像Ib(·)进行三维成像物体提取，提取出所有物体的重心坐标，并计算各重心坐标到阵列中心的欧式距离，对所有物体按照欧式距离进行升序排序并按序编号，得到图像Ib(·)的所有物体的距离矩阵P＝[P1P2…PK]，其中K表示图像Ib(·)中的物体个数，Pk表示第k个物体。
步骤2：相关匹配系数的计算。
计算全部K个物体到所有天线阵元的直接传播距离：
Figure BDA0001300447660000021
其中
Figure BDA0001300447660000022
其中，M,N分别为天线收发阵元个数，第m个发射天线位于点Tm，第n个接收天线位于点Rn，εr为前墙相对介电常数，Ak,t和Bk,t为电磁波沿直接路径传播时在前墙后表面的折射点，
Figure BDA0001300447660000023
为各点间对应的长度值，点Pk则对应第k个物体的重心。
其次计算全部K个物体到所有天线阵元的多径传播距离：
Figure BDA0001300447660000031
其中
Figure BDA0001300447660000032
其中Cm,t为电磁波沿多径路径传播时在前墙后表面的折射点，点F为电磁波沿多径路径传播时在后墙前表面的反射点。
Figure BDA0001300447660000033
为各点间对应的长度值。
定义第j个物体的直接传播距离和第i个物体的多径传播距离之间的相关匹配系数为
Figure BDA0001300447660000034
Figure BDA0001300447660000035
可知
Figure BDA0001300447660000036
的取值范围为(0,1]，且当
Figure BDA0001300447660000037
取到一个较大的接近1的值时，即说明第j个物体的直接传播距离和第i个物体的多径传播距离匹配程度很高，相关性很强，则可以判定第j个物体与第i个物体有多径-目标关系，即第j个物体是第i个物体的一个后墙一次多径。
由于物体的多径传播距离始终大于其直接传播距离，所以只需要计算当j＞i时的相关匹配系数即可。计算得到相关匹配系数矩阵μ：
Figure BDA0001300447660000038
步骤3：判决准则及多径抑制。
由于K个物体中，最多有K-1个多径，可知对于真正的多径而言，其μ值应该大于最大的K个μ值的平均值，故可以设定判定门限δ为：相关匹配系数矩阵μ中前K个最大值的均值。
在实现时，可先对相关匹配系数矩阵μ的所有非零值
Figure BDA0001300447660000041
进行降序排序得到
Figure BDA0001300447660000042
然后根据
Figure BDA0001300447660000043
得到门限δ，其中μk∈μ′。
最后，将系数矩阵μ中的非零值与门限δ进行对比，若有
Figure BDA0001300447660000044
则可判定第j个物体(Pj)为第i个物体(Pi)的多径。当全部比较完毕后，除了被判定为多径的物体之外，剩下的物体全部为真实目标。最后在二值三维图中去除多径，并将这个多径抑制后的二值三维图与原三维雷达图像进行非相干融合，得到多径抑制后的雷达图像If(·)，即If(·)＝Ib(·)⊙Iorg(·)。
附图说明
图1为具体实施方式中仿真场景示意图。
图2为具体实施方式中仿真阵列阵元分布示意图。
图3为三维后墙一次多径穿墙传播示意图。
图4为具体实施方式中原始雷达仿真图像。
图5为三维后墙一次多径抑制方法处理流程图。
图6为具体实施方式中最终结果图像。
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。
对存在多个目标的待探测区域，其仿真场景如图1所示，坐标系零点位于前墙前表面的中心位置，4个发射天线和16个接收天线紧贴前墙放置，天线分布图如图2所示，雷达的发射信号为中心频率1.8GHz、带宽0.8GHz的步进频信号，频率步进为2MHz。前墙的厚度为0.24m，后墙前表面位于z＝10m处，后墙高度为2m，两墙的相对介电常数相等且均为8.6。两个目标P1、P2分别位于(-1.0,1.3,6.0)m和(1.0,1.3,8.0)m处，其后墙一次多径穿墙传播示意图如图3所示，其中点Tm、Tn分别为发射、接收天线的坐标，点A、B为电磁波沿直接路径传播时在前墙后表面的折射点，点C为电磁波沿多径路径传播时在前墙后表面的折射点，点F为电磁波沿多径路径传播时在后墙前表面的反射点。且目标P1、P2的原始的雷达三维成像如图4所示。
参见图5，根据本发明的后墙一次多径抑制方法，对图1所示的仿真场景的具体处理步骤如下：
步骤1：三维图像中物体提取。
101：使用门限Tr对雷达原始图像(三维图像)进行二值化检测，得到二值化雷达图像，其中门限值取为雷达原始图像最大值像素点值的0.5倍；
102：提取出所有物体的重心坐标，得到四个物体重心坐标，根据仿真场景示意图所建立的坐标系，雷达阵列中心位于(0.0,1.3,0.0)m，则按照物体到阵列中心的距离进行升序排序得到P＝[P1 P2 P3 P4]，物体的重心坐标和到阵列中心的距离如下表所示：
Figure BDA0001300447660000051
步骤2：相关匹配系数的计算。
201：计算每个物体到所有天线阵元的直接传播距离
Figure BDA0001300447660000052
多径传播距离
Figure BDA0001300447660000053
202：计算j＞i时的相关匹配系数
Figure BDA0001300447660000054
由于多径的传播延时总是大于直接回波传播延时，故无需计算所有的
Figure BDA0001300447660000055
仅计算当j＞i的相关匹配系数值。本实施例中，三维图像中共有四个物体，故计算
Figure BDA0001300447660000056
Figure BDA0001300447660000057
的值即可。按照相关匹配系数的计算公式，得到所有相关系数值如下表所示：
Figure BDA0001300447660000058
Figure BDA0001300447660000061
步骤3：多径判决及抑制。
301：求取门限δ。
由上个步骤计算得到的相关匹配系数，可以得到其最大的四个值分别为
Figure BDA0001300447660000062
Figure BDA0001300447660000063
根据门限值的计算规则可算出门限值为δ＝0.8904。
302：将大于门限δ的相关匹配系数提取出来，分别为
Figure BDA0001300447660000064
Figure BDA0001300447660000065
由判决准则即可知，P3是P1的后墙一次多径，P4是P2的后墙一次多径。故在二值化雷达图像中删除P3和P4；
303：将删除掉多径幻象后的二值化雷达图像与原始雷达图像进行非相干融合，即可得到多径抑制后的雷达图像，结果如图6所示。
由图6可知，本发明提供的适用于穿墙雷达三维成像后多目标后墙一次多径抑制方法可以有效剔除多径，得到正确的探测结果，验证了本发明的正确性和有效性。
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 (2)

1.一种穿墙雷达三维成像后多目标后墙一次多径抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：三维图像中物体提取：
对原始雷达三维图像进行图像预处理，得到二值化的三维图像Ib(·)；
对图像Ib(·)进行三维成像物体提取，提取出所有物体的重心坐标，并计算各重心坐标到阵列中心的欧式距离；
对所有物体按照欧式距离进行升序排序并按序编号，得到图像Ib(·)的所有物体的距离矩阵P＝[P1 P2…PK]，其中K表示图像Ib(·)中的物体个数；
步骤2：相关匹配系数的计算：
分别计算每个物体到所有天线阵元的直接传播距离
Figure FDA0002227427640000011
M,N分别为天线收发阵元个数；
其中
Figure FDA0002227427640000012
εr为前墙相对介电常数，
Figure FDA0002227427640000013
表示点Tm与Ak,t的长度值，
Figure FDA0002227427640000014
表示点Ak,t与物体pk的重心的长度值，
Figure FDA0002227427640000015
表示物体pk的重心与点Bk,t的长度值，
Figure FDA0002227427640000016
表示点Bk,t与Rn之间的长度值，点Tm表示第m个发射天线的位置，点Rn表示第n个接收天线的位置，点Ak,t和Bk,t表示电磁波沿直接路径传播时在前墙后表面的折射点，t表示电磁波发射时间；
分别计算每个物体到所有天线阵元的多径传播距离
Figure FDA0002227427640000017
其中
Figure FDA0002227427640000018
Figure FDA0002227427640000019
表示点Tm与点Cm,t的长度值，
Figure FDA00022274276400000110
表示点Cm,t与F的的长度值，
Figure FDA00022274276400000111
表示点F与物体pk的重心的长度值，点Cm,t为电磁波沿多径路径传播时在前墙后表面的折射点，点F为电磁波沿多径路径传播时在后墙前表面的反射点；
计算不同物体的直接传播距离和多径传播距离之间的相关匹配系数
Figure FDA00022274276400000112
i,j∈{1,…,K}且i＜j；
其中
Figure FDA00022274276400000113
构建相关匹配系数矩阵
Figure FDA0002227427640000021
步骤3：判决准则及多径抑制：
基于相关匹配系数矩阵μ设置门限δ：将相关匹配系数矩阵μ中前K个最大值的均值作为门限δ；
将相关匹配系数矩阵μ的每个非零值分别与门限δ进行对比，若
Figure FDA0002227427640000022
则可判定物体pj为物体pi的多径；
从图像Ib(·)中删除判定为多径的物体，再与原始雷达三维图像进行非相干融合，得到多径抑制后的雷达图像。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，设置门限δ具体为：对相关匹配系数矩阵μ中的非零值进行降序排序并取前K个值的均值作为门限δ。
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