CN109061622B - 一种基于毫米波雷达的隐蔽目标多径探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于毫米波雷达的隐蔽目标多径探测方法，涉及毫米波雷达隐蔽目标探测领域。本发明首先记录雷达所处环境下的几何信息，发射信号经过墙反射到目标信号，再由目标信号返回到接收天线中。然后使用动目标显示(MTI)、快速傅里叶变换(FFT)、CA_CFAR等技术对回波信号进行处理。最后，将目标距离解算出来，通过双天线比相的方式得到目标的方位角或俯仰角。通过距离与角度信息计算目标位置，此时得到目标位置是虚假目标位置。虚假目标位置通过几何换算关系得到真实目标位置。因此，通过这种方法可以实现对转角后隐蔽目标的定位。本发明能有效定位出转角后隐蔽动目标位置，在安防领域具有重要意义。

Description

一种基于毫米波雷达的隐蔽目标多径探测方法

技术领域

本发明涉及毫米波雷达隐蔽目标探测领域，特别是涉及到使用多径探测转角后隐蔽目标的一种方法。

背景技术

毫米波雷达隐蔽目标的探测主要是通过电磁波遇到墙体发生反射，由反射的电磁波照射到人体目标再通过一系列路径返回到雷达接收器，即利用电磁波在环境中的多径传输实现对隐蔽目标的探测。隐蔽目标的探测技术，在安防和反恐领域具有非常重要的价值。例如，如果安防人员已经知道转角后的敌人位置，那么在对敌人的打击过程中可以很大程度上减少安防人员伤亡。然而，由于转角后的隐蔽目标处在比较复杂的场景中，产生的回波比较复杂，因此需要具体分析。电磁波从雷达发射天线出去之后会在墙体表面进行一次或多次反射后再经过目标反射回接收雷达，或者先打到目标，然后再反射到墙面，最后反射回接收雷达。这些返回的多径信号包含目标信息，因此通过解析多径回波信号得到所需要的目标信息。由于二次及高次多径信号强度较弱，我们只考虑利用一次多径探测隐蔽目标。

目前国外对隐蔽目标的探测开展了许多研究，瑞典国防研究机构FOI提出了利用一次多径与二次多径定位转角后动目标的方法(A.Sume，M.Gustafsson，M.Herberthson，etal.Radar Detection of Moving Targets Behind Corners.IEEE Transactions ONGeoscience and Remote Sensing)，这种方法前提是已知目标所处环境的几何信息。先验信息结合探测得到的多径信息，利用单个天线就能将隐蔽目标探测出来。美国伊利诺伊大学提出了一种利用多径的合成孔径雷达对非视距目标探测(P.Setlur，T.Negishi，D.Erricolo，et al.Multipath Exploition in Non-LOS Urban Synthetic ApertureRadar.IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing),它是通过BP成像的方法定位目标。在给定场景下没有利用多径信息时的BP图像不能定位，图像中没有交集。在结合了一次多径，二次多径的信息以后。对回波信号成像，多径之间的图像有交叠，而交叠点所处的位置就是隐蔽目标所在的位置。以上的这些算法在实际使用中要达到实时性，还是比较困难的。且大都是基于低频波段，需要携带的设备过于复杂。因此，研究基于毫米波雷达的隐蔽目标探测具有重要价值。

发明内容

本发明提供一种基于毫米波雷达的隐蔽目标多径探测方法，首先记录雷达摆放位置，测量雷达到两边墙壁的距离以及波束中心到对墙的距离。发射信号经过墙反射到目标信号，再由目标信号返回到双接收天线中。然后使用动目标显示(MTI)、快速傅里叶变换(FFT)、CA_CFAR等技术对回波信号进行处理。最后，将目标距离解算出来，再通过双天线比相的方法得到虚假目标角度。由于虚假目标通过坐标系转换可以得到真实目标位置。因此，隐蔽目标通过这种方法可以实现定位。

本发明技术方案如下：

一种基于毫米波雷达的隐蔽目标多径探测方法，处理流程如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：记录典型场景的几何信息；

记录雷达在当前场景下的摆放位置，天线中心到墙A的距离记为d1、到墙B的距离记为d2以及波束中心到墙B的斜距为d3，目标到墙B的距离为d4；由几何信息解算旋转角度θ；典型场景的示意图如图2所示；

步骤2：回波信号预处理；

雷达接收机每路接收通道的N×L维回波矩阵为M_p，N是指定位一次的时间里接收到的回波数，L是每一个回波上的采样点数；P＝1,...,n，n是接收机的接收通道数；对矩阵M₁,M₂,...M_n进行去均值处理和动目标显示滤波，得到距离-脉冲域矩阵A₁,A₂,...A_n；对每一路距离-脉冲矩阵在距离维的每一行上做加窗处理，然后进行插值快速傅里叶变换；使得每个扫频周期内的回波信号被压缩为sinc时域脉冲信号；将N个周期内的时域脉冲信号组合，得到n路接收通道的目标探测对应的距离-脉冲矩阵B₁,B₂,...B_n；将矩阵B₁,B₂,...B_n的每一列进行加窗处理，再进行快速傅里叶变换得到距离-速度矩阵C₁,C₂,...C_n；

步骤3：目标检测与定位；

将距离-速度矩阵C₁,C₂,...C_n投影到距离维上，得到投影后的一维行向量D₁,D₂,...D_n；分别对行向量D₁,D₂,...D_n做单元平均恒虚警检测，检测出目标；分别从各向量D₁,D₂,...D_n中提取对应各检测目标的信息，得到各检测目标的距离信息；其中将距离信息相同的检测目标作为一个目标，并记录对应的距离信息；

对目标进行凝聚处理：两两对比目标的距离信息，若两目标间的距离间距小于雷达的距离分辨率S，则将比对的两目标作为同一目标，保留幅值较大的目标，删除幅值较小的目标，直至所有目标间的距离间距均大于S；i表示凝聚处理后的目标数，R₁,R₂,...R_i表示各目标的距离信息，其中根据距离信息R₁,R₂,...R_i的值，回溯到距离-速度矩阵V₁,V₂,...V_i中提取出所在距离单元的峰值，得到各目标的速度信息V₁,V₂,...V_i；对各目标进行距离解耦和，得到每个目标的真实距离r₁,r₂,...r_i；提取目标角度：对同一个目标在不同接收通道下的相位值进行两两组合，计算每种组合下的角度信息；假设相邻的两个通道l和k，它们的位置示意图如图3所示，则其推导后的相位差为：

其中，λ表示波长，d表示相邻天线的间隔，

是目标相对天线的角度；现设通道l和k在第i个目标处提取的相位信息分别为

和

它们的相位差为

有

其中arcsin表示反正弦函数，得到目标角度值

通过距离r₁,r₂,...r_i和角度

可以定位目标位置，则在XOY坐标系中，目标坐标是

其中，r表示解算出的距离，

表示角度；

步骤4：坐标系转换；

由以上步骤得到的目标位置实际上不是真实目标位置；它们是雷达坐标系上由多径形成的虚假目标点迹；虚假目标与真实目标的位置关系可以通过转换坐标系来解决；将雷达所在XOY坐标系逆时针旋转θ角度，得到一个新的二维X'OY'坐标系；两个坐标系之间的位置关系由图4所示；两个坐标系之间的转换关系如下所示：

x'＝x·cos(θ)+y·sin(θ)

y'＝y·cos(θ)-x·sin(θ)

按照上式可得到虚假目标转换后的坐标位置，那么真实目标位置(m,n)由几何关系和坐标(x',y')联合求解可得：

其中，d2是天线中心到墙B的距离；由此求出(m,n)，即是隐蔽目标的真实位置。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于毫米波雷达的隐蔽目标多径探测方法，适用于遮蔽人体运动目标的检测，以及定位方法。该方法能够有效定位出简单场景下的转角后动目标所在的位置。不需要抑制复杂环境下的多径信息，反而是通过多径信息实现目标探测。对于L型场景下的隐蔽目标探测，本发明可以实现较好的隐蔽动目标定位效果，且具有实时给出运动轨迹的特性。同时由于本发明采用的是K波段，使得毫米波雷达较小，便捷性高。此外，本发明能有效定位出转角后隐蔽动目标位置，在安防，反恐领域具有重要的意义。

附图说明

图1为隐蔽目标多径探测方法处理流程图。

图2为典型场景下多径探测示意图。

图3为二维比相示意图。

图4为坐标转换示意图。

图5为具体实施方式中真实场景图像。

图6为具体实施方式中一维距离像。

图7为具体实施方式中最终结果图像。

具体实施方式

下面根据真实场景中对隐蔽目标的定位给出本发明的具体实施方式。

对转角后隐蔽动目标探测，其仿真场景如图2所示，雷达坐标系零点位于发射天线，4个接收天线沿图4中的x轴等间隔放置，相邻两个接收天线的间隔为半波长d＝λ/2，雷达的发射信号频率是24GHZ，带宽为500MHZ的线性调频信号，信号时宽为300μs。

实验中，人体运动目标在图4中以②坐标系某一个位置出发沿着走廊走直线。图5是真实场景图像，图6是提取的一维距离像，实际的运动轨迹示意图如图7所示。

根据本发明的处理步骤：

步骤1：记录典型场景的几何信息

天线中心到墙A的距离d1是1.2m、到墙B的距离d2是3.5米、波束中心到墙B的斜距d3是4m。由d2与d3的几何关系可以计算出θ。

θ＝arccos(3.5/4)＝30°

步骤2：回波信号预处理

对雷达接收机每路接收通道的N×L维回波矩阵M_p，N是指定位一次的时间里接收到的回波数，L是每一个回波上的采样点数(这里是128点)。P＝4是接收机的接收通道数。对矩阵M₁,M₂,...M₄进行去均值处理和动目标显示滤波。得到距离-脉冲域矩阵A₁,A₂,...A₄。对每一路距离-脉冲矩阵在每一行(距离维)上做加窗处理，然后进行插值快速傅里叶变换。使得每个扫频周期内的回波信号被压缩为sinc时域脉冲信号；将N个周期内的时域脉冲信号组合，得到n路接收通道的目标探测对应的距离-脉冲矩阵B₁,B₂,...B₄；将矩阵B₁,B₂,...B₄的每一列进行加窗处理，再进行快速傅里叶变换得到距离-速度矩阵C₁,C₂,...C₄。

步骤3：目标检测与定位

将距离-速度矩阵C₁,C₂,...C₄投影到距离维上，得到投影后的一维行向量D₁,D₂,...D₄；分别对行向量D₁,D₂,...D₄做单元平均恒虚警检测(CA_CFAR)，检测出目标。分别从各向量D₁,D₂,...D₄中提取对应各检测目标的信息，得到各检测目标的距离信息。其中将距离信息相同的检测目标作为一个目标，并记录对应的距离信息。

对目标进行凝聚处理：两两对比目标的距离信息，若两目标间的距离间距小于雷达的距离分辨率S，则将比对的两目标作为同一目标，保留幅值较大的目标，删除幅值较小的目标，直至所有目标间的距离间距均大于S；用表示凝聚处理后的目标数，R₁,R₂,...R_i表示各目标的距离信息，其中根据距离信息R₁,R₂,...R_i的值，回溯到距离-速度矩阵V₁,V₂,...V_i中提取出所在距离单元的峰值，得到各目标的速度信息V₁,V₂,...V_i；根据公式对各目标进行距离解耦和，得到每个目标的真实距离r₁,r₂,...r_i。提取目标角度：对同一个目标在不同接收通道下的相位值进行两两组合，计算每种组合下的角度信息。假设相邻的两个通道l和k，它们的位置示意图如图3所示，则其理论推导后的相位差为

现假设通道l和k在第i个目标处提取的相位信息分别为

和

它们的相位差为

有

得到目标角度值

通过距离r₁,r₂,...r_i和角度

可以定位目标位置。

步骤4：坐标系转换

由以上步骤得到的目标位置实际上不是真实目标位置。它们是雷达坐标系上由多径形成的虚假目标点迹。虚假目标与真实目标的位置关系可以通过转换坐标系来解决。将雷达所在坐标系(XOY)逆时针旋转θ角度也即π/6，得到一个新的二维坐标系X'OY'。两个坐标系之间的位置关系由图4所示。它们之间的转换关系如下所示：

x'＝x·cos(π/6)+y·sin(π/6)

y'＝y·cos(π/6)-x·sin(π/6)

将得到的虚假目标的位置(x',y')按照几何关系解算，得到真实目标位置(m,n)。上述步骤可以得到隐蔽目标的一系列定位坐标，从而得到目标粗略的定位轨迹，为了使目标轨迹更为光滑。通过设置合理的门限处理掉了一些异常值。图7中绘出的运动轨迹与实际运动目标的轨迹基本一致。

由上述实测数据结果表明，本发明提供的基于毫米波雷达利用多径探测隐蔽目标的方法具有实用性，可以将运动目标的轨迹较明显的显示出来，实现复杂环境下的准确定位。本文算法在工程实现上不复杂，计算量不大。由此结果验证了本发明在隐蔽目标探测上具备实用性和有效性。

Claims (1)

1.一种基于毫米波雷达的隐蔽目标多径探测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：记录典型场景的几何信息；

记录雷达在当前场景下的摆放位置，天线中心到墙A的距离记为d1、到墙B的距离记为d2以及波束中心到墙B的斜距为d3，目标到墙B的距离为d4；由几何信息解算旋转角度θ；

步骤2：回波信号预处理；

雷达接收机每路接收通道的N×L维回波矩阵为M_p，N是指定位一次的时间里接收到的回波数，L是每一个回波上的采样点数；P＝1,...,n，n是接收机的接收通道数；对矩阵M₁,M₂,...M_n进行去均值处理和动目标显示滤波，得到距离-脉冲域矩阵A₁,A₂,...A_n；对每一路距离-脉冲矩阵在距离维的每一行上做加窗处理，然后进行插值快速傅里叶变换；使得每个扫频周期内的回波信号被压缩为sinc时域脉冲信号；将N个周期内的时域脉冲信号组合，得到n路接收通道的目标探测对应的距离-脉冲矩阵B₁,B₂,...B_n；将矩阵B₁,B₂,...B_n的每一列进行加窗处理，再进行快速傅里叶变换得到距离-速度矩阵C₁,C₂,...C_n；

步骤3：目标检测与定位；

将距离-速度矩阵C₁,C₂,...C_n投影到距离维上，得到投影后的一维行向量D₁,D₂,...D_n；分别对行向量D₁,D₂,...D_n做单元平均恒虚警检测，检测出目标；分别从各向量D₁,D₂,...D_n中提取对应各检测目标的信息，得到各检测目标的距离信息；其中将距离信息相同的检测目标作为一个目标，并记录对应的距离信息；

对目标进行凝聚处理：两两对比目标的距离信息，若两目标间的距离间距小于雷达的距离分辨率S，则将比对的两目标作为同一目标，保留幅值较大的目标，删除幅值较小的目标，直至所有目标间的距离间距均大于S；i表示凝聚处理后的目标数，R₁,R₂,...R_i表示各目标的距离信息，其中根据距离信息R₁,R₂,...R_i的值，回溯到距离-速度矩阵C₁,C₂,...C_n中提取出所在距离单元的峰值，得到各目标的速度信息V₁,V₂,...V_i；对各目标进行距离解耦和，得到每个目标的真实距离r₁,r₂,...r_i；提取目标角度：对同一个目标在不同接收通道下的相位值进行两两组合，计算每种组合下的角度信息；假设相邻的两个通道l和k，则其推导后的相位差为：

其中，λ表示波长，d表示相邻天线的间隔，

是目标相对天线的角度；现设通道l和k在第i个目标处提取的相位信息分别为

和

它们的相位差为

有

其中arcsin表示反正弦函数，得到目标角度值

通过距离r₁,r₂,...r_i和角度

可以定位目标位置，则在XOY坐标系中，目标坐标是

其中，r表示解算出的距离，

表示角度；

步骤4：坐标系转换；

由以上步骤得到的目标位置实际上不是真实目标位置；它们是雷达坐标系上由多径形成的虚假目标点迹；虚假目标与真实目标的位置关系可以通过转换坐标系来解决；将雷达所在XOY坐标系逆时针旋转θ角度，得到一个新的二维X'OY'坐标系；两个坐标系之间的转换关系如下所示：

x'＝x·cos(θ)+y·sin(θ)

y'＝y·cos(θ)-x·sin(θ)

按照上式可得到虚假目标转换后的坐标位置，那么真实目标位置(m,n)由几何关系和坐标(x',y')联合求解可得：

其中，d2是天线中心到墙B的距离；由此求出(m,n)，即是隐蔽目标的真实位置。

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