CN108919259A - 一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，首先利用二维单元平均恒虚警检测方法对原始雷达图像进行二值化；其次，通过聚类方法将二值化雷达图像中具有高像素密度的图像区域划分成多个点簇区域，在聚类过程中将像素点较少的点簇区域置零；再次，取聚类处理后的各个图像区域的几何中心作为各个点簇区域的坐标值；然后，通过分析多帧雷达图像中各个聚类区域的位置变化特征，依次对每一帧图像中的各个聚类区域属性进行判定；最后，利用真实目标与后墙二次多径假目标间的几何关系得到后墙内表面的纵坐标，根据真实目标与前后墙振荡一次多径的几何关系求得前墙内表面的纵坐标。

Description

一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法

技术领域

本发明属于穿墙雷达成像领域，特别涉及一种穿墙雷达建筑布局获取技术。

背景技术

穿墙雷达成像技术主要是利用电磁波穿透建筑墙体等障碍物，对密闭建筑物内隐藏目标进行检测、定位和识别，同时对建筑物布局进行成像，在反恐、公安执法、灾难救援等领域具有重大的应用价值。电磁波在建筑环境中传播时，存在许多不同的传输路径，其中从天线发射打到目标然后直接反射回接收雷达的路径称为直接路径，由于建筑物墙体的存在，电磁波从发射天线发射出去之后会在墙体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，然后再反射到建筑物内部墙面，最后反射回接收天线，这都会造成雷达图像中存在多径假目标。多径假目标与真实目标之间存在一定的几何关系，传统方法主要研究多径假目标的形成原理及剔除问题，缺乏利用多径假目标与真实目标的几何关系进行建筑布局获取相关技术的研究。在实际探测中，建筑物墙体的位置信息并非事先已知；与此同时，多径假目标的抑制需要借助建筑墙体的几何信息。因此，开展基于多径利用的建筑布局获取方法的研究具有重要的价值。

国内外许多研究机构开展了建筑布局成像方法的研究。电子科技大学提出了一种穿墙雷达多视角建筑布局成像方法(Y.Jia,G.Cui,et al,“Multichannel and multiviewimaging approach to building layout determination of through-wall radar[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2014.)，基于在多个视角采集得到的合成孔径雷达回波，作者首先采用后向投影成像算法形成多幅包含部分墙体图像的单视角建筑布局图像，然后采用M-N-K检测器融合多幅单视角建筑布局图像，形成一幅包含全部墙体图像的二值化建筑布局全景图像。国防科学技术大学提出了一种基于多发多收穿墙雷达的建筑布局成像方法(Y.Song,J.Zhu,et al,"Grating lobes suppression for ultra-wideband MIMO radar imaging,"2017 3rd IEEE International Conference onComputer and Communications(ICCC),Chengdu,2017.)，作者通过利用大孔径MIMO天线阵列实现对建筑结构的探测成像，通过后向投影成像算法得到建筑场景的原始图像，然后利用提出的功率谱相干因子加权方法对原始雷达图像进行处理，从而得到高质量的建筑布局成像结果。上述方法均是通过对建筑物墙体进行成像方法获取到建筑墙体、内部家具等物体的图像信息，均需要较大的天线实孔径或者合成孔径。这对实际探测造成了极大的不便，同时也会带来探测成本的增加。通过利用多径假目标与真实目标间的几何关系，利用目标运动时雷达图像中各类目标图像的变化特征，实现对建筑墙体几何位置的获取，可以在雷达阵列孔径有限的条件下不移动天线阵列实现建筑墙体几何信息获取的目的。因此，研究基于多径利用的建筑墙体位置获取方法在穿墙雷达探测领域具有重要的价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，利用穿墙探测图像中存在的多径假目标进行墙体位置的计算。

本发明采用的技术方案为：一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，处理流程如图1所示，包括以下步骤：

S1：探测场景及多径假目标定义

本发明针对的探测场景如附图2所示，其由两面相互平行的墙体构成，被探测的运动人体目标位于两面墙体之间，其中电磁波的直接传播路径如图2(a)所示、图2(b)中实线路径为后墙一次I型的传播路径，图2(b)中虚线路径为后墙一次II型多径的传播路径，图2(c)为后墙二次多径传播路径，图2(d)中的实线为前后墙振荡一次I型，图2(d)中的虚线为前后墙振荡一次II型多径传播路径。在实际穿墙探测中，由于多径干扰的影响，所得雷达图像中除了真实目标外，还存在由上述多径传输导致的多径假目标。本发明只利用后墙二次多径、前后墙振荡一次I型多径进行建筑墙体位置的计算。

本发明中采用多发多收天线阵列对前墙后的运动人体目标进行探测成像，发射信号s(t)为步进变频连续波，假设共有M个发射天线，N个接收天线。当第m发射天线发射，第n个接收天线接收时，则接收信号y_mn(t)具有如下形式：

其中，t代表快时间，s(t-τ_m,n,1)为目标直接回波信号，τ_m,n,1为目标直接回波信号传播延时，s(t-τ_m,n,i)，i＝2,3,…,6表示的是五种不同多径回波，τ_m,n,i，i＝2,3,…,6为五种多径传播路径延时，n(t)为环境噪声干扰。

基于采集得到的回波信号，利用后向投影成像方法进行成像，得到原始穿墙雷达图像I_o(·)，位于(x,y)的像素点的取值计算公式为：

将上述场景所得的原始穿墙雷达图像I_o(·)中的真实目标图像区域记为P_tar，后墙二次多径假目标图像区域记为P_b，前后墙振荡一次I型多径假目标图像区域记为P_fb1,I。

S2：杂波干扰抑制

接下来，利用二维单元平均恒虚警方法对原始雷达图像I_o(·)进行门限检测得到二值化图像I_b(·)，对于图像I_o(·)中位于(x,y)位置处的像素点来说，检测门限β(x,y)的计算公式为：

其中，P_fa是恒虚警率，(x_index,y_index)是位于(x,y)位置处的像素点周围的某一参考像素点的值，Num为参考像素点的个数。

基于计算得到的门限值，对位于(x,y)位置处的像素点进行二值化操作后可以表示为：

S3：聚类及目标、多径假目标位置提取

在得到二值化图像I_b(·)后，通过密度聚类算法DBSCAN对图像I_b(·)中值为1的像素点进行聚类，其中图像I_b(·)在方位向和距离向的维度分别为X和Y，将这些非零像素点的值依次放入一个J×1维向量D＝(p₁,p₂,…,p_M)，其中p_m为图像I_b(·)中某一非零像素值，则聚类的流程如下：

输入：样本集向量D，邻域参数(ε,MinPts)；

输出：簇划分C；

1)初始化核心对象集合初始化聚类簇数k＝0，初始化未访问样本集合Γ＝D，簇划分

2)对于j＝1,2,…,J，按下述步骤找出所有的核心对象：

a)通过距离度量方式，找到样本p_j的ε-邻域子样本集N_ε(p_i)；

b)如果子样本集的样本个数满足|N_ε(p_j)|≥MinPts，将样本p_j加入核心对象样本集合：Ω＝Ω∪{p_j}；

3)如果核心对象集合则算法结束，否则转入步骤S4。

4)在核心对象集合Ω中，随机选择一个核心对象o，初始化当前簇核心对象队列Ω_cur＝{o}，初始化类别序号k＝k+1，初始化当前簇样本集合C_k＝{o}，更新未访问样本集合Γ＝Γ-{o}。

5)如果当前簇核心对象队列则当前聚类簇C_k生成完毕，更新簇划分C＝{C₁,C₂,...,C_k}，更新核心对象集合Ω＝Ω-C_k，转入步骤S3。

6)在当前簇核心队列Ω_cur中取出一个核心对象o′，通过邻域距离阈值ε找出所有的ε-邻域子样本集N_ε(o′)，令Δ＝N_ε(o′)∩Γ，更新当前簇样本集合C_k＝C_k∪Δ，更新未访问样本集合Γ＝Γ-Δ，更新Ω_cur＝Ω_cur∪(N_ε(o′)∩Ω)-o′，转入步骤S5。

输出结果为：簇划分C＝{C₁,C₂,…,C_K}。

假设共得到K个像素点簇，则将第k簇点集的几何中心作为该簇点集的坐标值，k＝1,2,...,K，其几何中心的计算公式为：

S4：多平行墙体场景墙体位置计算

当人体目标运动时，真实目标的图像、各个多径假目标的图像均会发生改变，其中后墙二次多径假目标的运动方向与真实目标相反，前后墙振荡一次多径假目标的运动方向与真实目标一致。与此同时，真实目标与后墙二次多径关于后墙内表面对称，而前后墙振荡一次I型多径与真实目标之间的距离为前墙内表面与后墙内表面的间隔。

根据步骤S3中目标及多径假目标图像区域判定结果，将真实目标、后墙二次多径、前后墙振荡一次I型多径的坐标分别记为以及则对于某一帧雷达图像来说，后墙内表面的坐标为：

其中，y_b即为某一帧图像中计算得到的后墙内表面的纵坐标值。

同样地，真实目标与前后墙振荡一次I型多径之间的距离可以计算为：

从而，利用前后墙内表面的距离间隔，前墙内表面的纵坐标为：

y_f＝y_b-Δy (8)

由于上述计算过程均为单帧图像所得，当考虑连续L帧图像时，可以对前后墙内表面纵坐标位置计算值进行平滑处理，经过多帧平滑后，墙体位置坐标可以表示为：

其中，分别为前后墙内表面纵坐标的平均值。

本发明的有益效果：本发明方法利用穿墙探测图像中存在的多径假目标进行墙体位置的计算，雷达天线阵列只需要固定放置，通过分析人体目标运动时真实目标图像和多径假目标图像之间的几何关系和运动属性，方便快捷的求出多个平行墙体的位置；相比于现有技术中提到的建筑物布局成像方法，本发明仅针对引起多径反射的墙体进行了位置判定，与此同时本发明不需要移动雷达天线进行合成孔径，天线阵列只需要固定摆放，操作简单高效，通过利用多帧雷达图像的计算结果进行平滑操作，能够获得较好的墙体定位精度，为操作人员获取探测场景的纵深提供了有力的技术支撑。

附图说明

图1为本发明基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法处理流程图。

图2为本发明实施例提供的目标直接回波路径及五种多径传播路径示意图；

其中，图2(a)为电磁波的直接传播路径，图2(b)中实线表示后墙一次I型多径的传播示意图，图2(b)中虚线传输路径为后墙一次II型多径的传播示意图，图2(c)中为后墙二次多径的传播路径，图2(d)中实线传播路径为前后墙振荡一次I型多径对应的传播路径，图2(d)中虚线为前后墙振荡一次II型多径对应的传播路径。

图3为本发明实施例提供的仿真场景图。

图4为本发明实施例提供的目标位于位置(3.5m,11m)时的穿墙雷达原始图像。

图5为本发明实施例提供的目标、多径假目标轨迹以及墙体位置估计结果图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合具体试验数据对本发明内容进一步阐释。

S1、对存在两面平行墙体以及单个运动目标的待探测区域，其仿真场景如图3所示，2发8收天线阵列离前墙内表面5m平行墙体放置，坐标原点为天线阵列的中心，以天线阵列所在的直线为x轴，两个发射天线的坐标分别为(-1.2m,0m)和(1.2m,0m)。八个接收天线依次摆放在(-1.05m,0m)，…，(1.05m,0m)，相邻接收天线的间距为0.3m。后墙内表面的纵坐标为y_b＝15m，前墙与后墙内表面之间的间距为10m，两面墙体的厚度为0.24m，相对介电常数为8。单个人体目标在两面墙体之间沿直线来回运动，运动路线的起点和终点的坐标值分别为(3.5m,7.1m)和(3.5m,13.1m)。

MATLAB仿真中，选用步进变频连续波作为发射信号，起始频率为1.1GHz，终止频率为2.1GHz，频率步进值为2MHz，频点数为500个，2发8收的实孔径天线阵列固定放置

当目标位于位置(3.5m,11m)时，单周期的穿墙雷达仿真图像如附图2所示，真实目标及多径假目标均在图中标记出了。

基于图4所示的结果，根据步骤S2中的二维单元平均恒虚警检测以及步骤S3中的聚类及点集簇中心坐标位置提取方法处理后，得到的真实目标点的位置为P＝(3.54m,10.99m)，后墙二次多径位置为P_b2＝(3.54m,19m)，前后墙振荡一次I型多径位置为P_fb1,I＝(6.66m,20.44m)。

S4：利用真实目标与其对应多径假目标之间的几何关系，可以计算得到当前帧的后墙内表面纵坐标为y_b＝14.995m，根据前后墙振荡一次I型多径P_fb1,I与真实目标P间的几何关系，可计算得到前墙内表面与后墙内表面间的间距为9.9517m，因此可得前墙内表面的纵坐标为5.0433m。

利用同样的方法对连续60帧图像所得结果进行平滑处理，由该60帧图像中提取出的目标、后墙二次多径、前后墙振荡一次I型多径假目标位置构成的运动轨迹如图5所示，通过联合这些计算结果可以求得平滑后的前墙内表面、后墙内表面的纵坐标分别为5.0758m和15.0014m。可以看到，经过多帧平滑处理后的结果与真实值之间的误差很小，即墙体位置计算结果比较准确。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，其特征在于，包括：

采用聚类算法将二值化雷达图像划分为若干点簇区域，并计算各点簇区域的坐标值；

根据计算得到的点簇区域的坐标值得到真实目标、后墙二次多径、前后墙振荡一次I型多径的坐标；

根据真实目标与后墙二次多径假目标间的几何关系得到后墙内表面的纵坐标，根据真实目标与前后墙振荡一次多径的几何关系求得前墙内表面的纵坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，其特征在于，计算各点簇区域的坐标值之后还包括：根据多帧雷达图像中各个点簇区域的坐标变化特征，确定各帧图像中各点簇区域属性。

3.根据权利要求2所述的一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，其特征在于，点簇区域的坐标变化特征具体为：后墙二次多径假目标的运动方向与真实目标相反，前后墙振荡一次多径假目标的运动方向与真实目标一致。

4.根据权利要求3所述的一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，其特征在于，根据真实目标与后墙二次多径假目标间的几何关系得到后墙内表面的纵坐标，根据真实目标与前后墙振荡一次多径的几何关系求得前墙内表面的纵坐标；具体计算过程为：

根据下式计算后墙内表面的纵坐标：

其中，表示真实目标的纵坐标，表示后墙二次多径的纵坐标；

根据下式计算真实目标与前后墙一次I型多径之间的距离：

其中，表示真实目标的横坐标，表示前后墙一次I型多径的横坐标，表示前后墙一次I型多径的纵坐标；

根据下式计算前墙内表面的纵坐标：

y_f＝y_b-Δy。

5.根据权利要求4所述的一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，其特征在于，当为连续帧图像时，通过对后墙内表面的纵坐标、前墙内表面的纵坐标各自计算值进行平滑处理，通过多帧平滑后，得到后墙内表面的纵坐标的平均值与前墙内表面的纵坐标的平均值。

6.根据权利要求5所述的一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，其特征在于，采用二维单元平均恒虚警方法对原始雷达图像进行门限检测得到二值化雷达图像。

7.根据权利要求6所述的一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，其特征在于，采用密度聚类对二值化的原始雷达图像中值为1的像素点进行聚类，得到若干点簇区域。

8.根据权利要求7所述的一种基于多径利用的穿墙雷达建筑墙体位置获取方法，其特征在于，将点簇区域的集合中心作为该点簇区域的坐标。