CN109581317B - 一种基于回波峰值匹配的角落目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多径利用的单发单收L波段超宽带雷达目标定位方法，主要解决目标位于雷达非直视区时的定位问题。针对现有雷达在回波种类较多时难以将其与不同实际传输路径匹配，从而无法对非直视目标进行准确定位的问题，本发明利用多径回波的传输特性，提出一种基于峰值匹配的定位算法。该算法首先将接收到的回波峰值与实际传输路径种类正确匹配，然后根据实际的传输路径获得准确的目标位置。本发明的优点是能准确获得非直视区目标的位置，且实时性好，同时对某些多径回波漏检的情况具有较好的鲁棒性。

Description

一种基于回波峰值匹配的角落目标定位方法

技术领域

本发明涉及多径利用雷达目标定位技术领域，特别是涉及目标位于雷达非直视区且多径回波种类较多且未知情况下的单目标定位方法。

背景技术

城市环境目标监控在城市作战、救援和反恐等领域有着重要的应用。在这些情况下，目标往往藏身于由多面墙体组成的隐蔽区域，导致雷达不能通过电磁波直接探测到目标。幸运的是，电磁波在拐角巷道内传播时，除了直接探测路径，还存在许多不同的传播路径，其中利用墙角的电磁波衍射可以探测到目标，同时，由于巷道光滑墙体的存在，电磁波从发射雷达发射出去之后会在墙体表面进行一次或者多次反射，以此也可以探测到目标。

国内外许多研究机构开展了非直视情况下利用多径回波对目标探测的研究。美国陆军研究实验室通过一个城市雷达监视系统，成功地在各种城市建筑材料上使用多次反射对非直视运动物体进行探测，并获得了运动目标的多普勒特征和一维距离像。(D.Tahmoush.,J.Silvious and B.Bender,"Radar surveillance in urbanenvironments,"IEEE Radar Conference,Atlanta,GA,2012,pp.0220-0225.)；瑞典国防研究局利用多径回波成功获取了动目标的微多普勒特征(Gustafsson,M.,Andersson,Asa.,Johansson,T.,et al.:"Extraction of Human Micro-Doppler Signature in an UrbanEnvironment Using a Sensing-Behind-the-Corner Radar,"IEEE Geoscience andRemote Sensing Letters,2016,13,(2),pp.187-191).

上述研究只是利用多径探测到了目标，并未实现目标的二维定位。法国航空航天实验室提出了利用粒子滤波对隐秘目标进行定位跟踪的方法(K.Thai,O.Rabaste,J.Bosse,et al.,"GLRT Particle Filter for Tracking NLOS Target in Around-the-Corner Radar,″IEEE International Conference on Acoustics,Speech and SignalProcessing,Calgary,AB,April 2018,pp.3216-3220.)，但是该方法建立的信号模型假设所有多径传输路径都能被探测到，这在实际探测中难以实现，并且粒子滤波算法的时间复杂度很高，难以满足实际测量中的实时性要求。伊尔默瑙工业大学提出了利用不同多径回波对动目标进行定位的方法(Zetik,R.,Eschrich,M.,Jovanoska,S.,et al.:'Lookingbehind a corner using multipath-exploiting UWB radar',IEEE Transactions onAerospace and Electronic Systems,2015,51,(3),pp.1916-1926)，它从目标回波中提取出衍射和一次反射以及两者组合回波，然后利用场景几何结构对目标进行定位。但是该方法仅仅考虑了三种多径传输路径，在L波段的雷达探测中，往往会接收到包括衍射和多次反射在内的多种组合路径回波信号，如果不对折线回波信号进行识别，将无法对目标进行精确定位。因此研究多径回波种类较多且未知时的非直视目标定位问题具有重要的价值。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出了一种适用于多径回波峰值较多且未知环境下的非直视目标定位方法，首先将接收到的回波峰值与实际传输路径种类正确匹配，然后根据实际的传输路径获得准确的目标位置。

本发明技术方案如下：

一种基于回波峰值匹配的角落目标定位方法，包括以下步骤：

步骤1：角落目标多径传输环境参数初始化；

角落环境由三面墙体构成，两面平行墙体Wall-1和Wall-2的位置记为D₁、D₂，与Wall-1垂直的墙体为Wall-3，两者组成的墙角位置记为R₁＝[x_c,y_c]^T，其中x_c、y_c分别为墙角的x轴坐标、y轴坐标；目标位于墙角的一侧，记为P＝[x_p,y_p]^T；为了探测该目标，一个L波段超宽带雷达放置在墙角另一侧，记为R＝[x_r,y_r]^T；

步骤2：建立多径传输模型；

在角落环境中，雷达可以通过墙角的衍射和墙体的反射探测到目标；由于电磁波信号经过四次反射或更多次反射后衰减严重，考虑的探测路径有四种，记为Path-1、Path-2、Path-3和Path-4，Path-1表示雷达发射的电磁波通过在墙角R₁的衍射探测到目标的传输路径；Path-2、Path-3和Path-4分别表示雷达发射的电磁波通过在墙体Wall-1和Wall-2之间一次反射、二次反射、三次反射探测到目标的传输路径；R₂、R₃、R₄分别为一次反射、二次反射、三次反射对应的虚拟雷达位置，即有R_m,m∈{2,3,4}到目标的距离等价于真实雷达R通过第m∈{2,3,4}种路径探测到目标的距离，其坐标可由雷达位置和几何关系得出，

由于发射信号和接收信号均可沿着上述四种路径传播，一共有十种不同的往返传输路径组合，将这些组合路径放入向量A，记为，

其中a_mn代表以第m条路径为发射路径，第n条路径为接收路径的往返路径；m和n的取值分别对应四种路径；

步骤3：目标位置获取；

3.1、对接收到的回波信号进行背景对消处理，以消除固定杂波的影响；

3.2、提取回波中的各个峰值的传输距离，并把他们放入向量T，记为，

T＝[r₁,r₂,r₃,...,r_K]^T (3)

其中K代表提取出的回波峰值总数；

3.3、从向量T中任意选定两个待识别的峰值，记为r_i,i＝1,2,...,K和r_j,j＝1,2,...,K；

3.4、假定r_i是往返传输路径a_mn,m≤n,m∈{1,2,3,4},n∈{1,2,3,4}对应的传输距离，则根据场景的几何结构和该传输路径的传输方式，可以得到，

||PR_m||+||PR_n||＝d_mn (4)

其中，||·||为二范数，d_mn可由到达时间r_i根据不同路径的几何关系求出，

类似地，假定r_j是往返传输路径a_m′n′,m′≤n′,m′∈{1,2,3,4},n′∈{1,2,3,4}的对应传输距离，可以得到，

||PR_m′||+||PR_n′||＝d_m′n′ (6)

其中，r_m′n′可由到达时间r_j根据不同路径的几何关系求出，

注意到，式(4)是一个以R_m、R_n为焦点，d_mn为长轴的椭圆，式(6)是一个以R_m′、R_n′为焦点，d_m′n′为长轴的椭圆，利用椭圆交叉点位方法，计算出两个椭圆的交点，即候选目标的位置，记为P_l；

3.5、为了评价该候选目标与真实目标的相似性，首先计算雷达通过不同传输路径探测到侯选目标P_l所产生的峰值距离，将这些峰值距离放入向量T_l，记为

其中，

可由下式求出，

其中

代表以第m种路径为发射路径的传播距离，则根据几何关系，可由下式得到，

类似地，

代表以第n种路径为接收路径的传播距离，则根据几何关系，可得到，

然后，计算候选目标对应的峰值距离向量T_l与实际回波的峰值距离向量T之间的匹配误差，

3.6、遍历向量A中的所有路径组合，重复步骤3.4和步骤3.5，计算出不同路径组合的候选目标位置以及其对应的匹配误差，最后，拥有最小匹配误差的候选目标即为真实目标，即

其中，

由于当我们对任意两个峰值与其传输路径正确匹配的时候，即可获得目标的准确位置。因此，当存在部分多径传播路径的对应回波没被检测出来时，仍可以利用其它多径峰值实现对目标的准确定位，即该算法对某些多径回波漏检的情况具有较好的鲁棒性。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于回波峰值匹配的角落目标定位方法，该算法首先将接收到的回波峰值与实际传输路径种类正确匹配，然后根据实际的传输路径获得准确的目标位置。本发明的优点是能准确估计非直视区目标的位置，且实时性好，同时对某些多径回波漏检的情况具有较好的鲁棒性。本发明可以应用于城市巷战、反恐作战等领域。

附图说明

图1为角落环境下多径传播模型。

图2为具体实施方式中仿真场景示意图。

图3为具体实施方式中仿真场景多周期距离像

图4为具体实施方式中仿真场景单周期目标回波。

图5为具体实施方式中仿真场景目标位置估计结果。

具体实施方式

下面根据一个GPRMAX电磁仿真例子给出本发明的具体实施方式：

步骤1：角落目标多径传输环境参数初始化

对存在目标的包含三面墙体的角落区域，其仿真场景如图2所示，三面墙体的相对介电常数为常数ε_r＝6。坐标原点位于场景左下角，墙体Wall-1与墙体Wall-2平行于y轴，且横坐标分别为D₁＝1.5m、D₂＝5.0m。墙体Wall-3垂直于Wall-1，组成的墙角坐标为R₁＝[1.5m,1.5m]^T。单目标位于墙角一侧，沿着直线从S＝[1.9m,1.9m]^T走到Q＝[4.8m,4.8m]^T。为了探测该目标，一个L波段超宽带雷达放置在墙角另一侧，坐标为R＝[0.5m,0.9m]^T。

步骤2：建立多径传输模型

由雷达坐标和场景几何关系，得到不同反射路径产生的虚拟雷达坐标为，

步骤3：目标位置获取

3.1、对接收到的回波信号进行背景对消处理，以消除墙体等固定杂波的影响，得到的多周期的回波距离像如图3所示，可以看到，经过上述各种往返路径探测目标的回波峰值均有明显高于杂波的幅值水平，同时，各种路径产生的回波峰值的相对幅值和相对位置均随着目标的移动而不同，导致在不同时刻无法直接将回波峰值与真实传播路径对应起来，难以实现对目标的准确定位。利用我们提出的方法对该问题进行处理，具体实施方式如下：

3.2、对于某一周期的回波峰值，如图4所示，首先提取回波中的各个峰值的位置，并把他们放入向量T，记为，

T＝[4.95m,9.64m,11.55m,14.17m,16.27m,21.08m,23.23m]^T (16)

3.3、从向量T中任意选定两个待识别的峰，我们选择对峰值r₁＝4.95m和r₂＝9.64m进行识别。

3.4、从向量A中为r₁和r₂分别选定任意一种路径类型，获得此种假设下候选目标的位置。假定r₁是往返传输路径a₁₁的对应的传输距离，r₂是往返传输路径a₁₂的对应的传输距离，利用椭圆交叉点位方法，可以计算出两个椭圆的交点，即候选目标的位置，记为P_l＝[2.49m,2.36m]^T。

3.5、为了评价该候选目标与真实目标的相似性，计算雷达通过不同传输路径探测到侯选目标P_l所产生的峰值距离，将这些峰值距离放入向量T_l，得到

T_l＝[4.95m,9.64m,11.58m,14.33m,16.27m,16.57m,18.21m,21.25m,23.19m]^T (17)

然后，计算候选目标对应的到达时间向量T_l与实际回波的到达时间向量T之间的匹配误差，

3.6、遍历向量A中的所有路径组合，重复步骤3.4和步骤3.5，计算出不同路径组合的候选目标位置以及其对应的匹配误差，得到所有不同组合的匹配误差如下表，其中行数代表峰值r₁的路径选择，即第1行到第10行代表峰值r₁为向量A中第1个到第10个路径时的结果，列数代表峰值r₂的路径选择，即第1列到第10列代表峰值r₂为向量A中第1个到第10个路径组合时的结果。

表1不同路径组合的匹配误差

上表中0表示计算的目标候选位置在实际场景之外，因此其对应的位置肯定不是正确的路径组合，同时，除去数值0，最小误差位于第1行第2列，由此我们认为峰值r₁的真实的传输路径种类为a₁₁,峰值r₂的真实的传输路径种类为a₁₂，并可由此获得目标位置。

3.7、对于所有周期进行上述步骤，获取运动目标不同时刻的位置，得到的最终结果如图5，图中三角形代表目标的真实位置，圆形代表不同时刻计算出的目标位置，可以看到，除了部分时刻偏差大外，绝大多数时刻目标的位置被成功获取。验证了本发明的正确性和有效性。

Claims (1)

1.一种基于回波峰值匹配的角落目标定位方法，包括以下步骤：

步骤1：角落目标多径传输环境参数初始化；

角落环境由三面墙体构成，两面平行墙体Wall-1和Wall-2的位置记为D₁、D₂，与Wall-1垂直的墙体为Wall-3，两者组成的墙角位置记为R₁＝[x_c,y_c]^T，其中x_c、y_c分别为墙角的x轴坐标、y轴坐标；目标位于墙角的一侧，记为P＝[x_p,y_p]^T；为了探测该目标，一个L波段超宽带雷达放置在墙角另一侧，记为R＝[x_r,y_r]^T；

步骤2：建立多径传输模型；

在角落环境中，雷达可以通过墙角的衍射和墙体的反射探测到目标；由于电磁波信号经过四次反射或更多次反射后衰减严重，考虑的探测路径有四种，记为Path-1、Path-2、Path-3和Path-4，Path-1表示雷达发射的电磁波通过在墙角R₁的衍射探测到目标的传输路径；Path-2、Path-3和Path-4分别表示雷达发射的电磁波通过在墙体Wall-1和Wall-2之间一次反射、二次反射、三次反射探测到目标的传输路径；R₂、R₃、R₄分别为一次反射、二次反射、三次反射对应的虚拟雷达位置，即有R_m,m∈{2,3,4}到目标的距离等价于真实雷达R通过第m∈{2,3,4}种路径探测到目标的距离，其坐标可由雷达位置和几何关系得出，

由于发射信号和接收信号均可沿着上述四种路径传播，一共有十种不同的往返传输路径组合，将这些组合路径放入向量A，记为，

其中a_mn代表以第m条路径为发射路径，第n条路径为接收路径的往返路径；m和n的取值分别对应四种路径；

步骤3：目标位置获取；

3.1、对接收到的回波信号进行背景对消处理，以消除固定杂波的影响；

3.2、提取回波中的各个峰值的传输距离，并把他们放入向量T，记为，

T＝[r₁,r₂,r₃,...,r_K]^T (3)

其中K代表提取出的回波峰值总数；

3.3、从向量T中任意选定两个待识别的峰值，记为r_i,i＝1,2,...,K和r_j,j＝1,2,...,K；

3.4、假定r_i是往返传输路径a_mn,m≤n,m∈{1,2,3,4},n∈{1,2,3,4}对应的传输距离，则根据场景的几何结构和该传输路径的传输方式，可以得到，

||PR_m||+||PR_n||＝d_mn (4)

其中，||·||为二范数，d_mn可由到达时间r_i根据不同路径的几何关系求出，

类似地，假定r_j是往返传输路径a_m′n′,m′≤n′,m′∈{1,2,3,4},n′∈{1,2,3,4}的对应传输距离，可以得到，

||PR_m′||+||PR_n′||＝d_m′n′ (6)

其中，r_m′n′可由到达时间r_j根据不同路径的几何关系求出，

注意到，式(4)是一个以R_m、R_n为焦点，d_mn为长轴的椭圆，式(6)是一个以R_m′、R_n′为焦点，d_m′n′为长轴的椭圆，利用椭圆交叉点位方法，计算出两个椭圆的交点，即候选目标的位置，记为P_l；

3.5、为了评价该候选目标与真实目标的相似性，首先计算雷达通过不同传输路径探测到侯选目标P_l所产生的峰值距离，将这些峰值距离放入向量T_l，记为

其中，

可由下式求出，

其中

代表以第m种路径为发射路径的传播距离，则根据几何关系，可由下式得到，

类似地，

代表以第n种路径为接收路径的传播距离，则根据几何关系，可得到，

然后，计算候选目标对应的峰值距离向量T_l与实际回波的峰值距离向量T之间的匹配误差，

3.6、遍历向量A中的所有路径组合，重复步骤3.4和步骤3.5，计算出不同路径组合的候选目标位置以及其对应的匹配误差，最后，拥有最小匹配误差的候选目标即为真实目标，即

其中，

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