CN109655827B - 一种针对单建筑墙角的隐蔽目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带多径利用雷达的单建筑墙角隐蔽目标定位方法，主要解决在城市环境中非直视目标的定位问题。本发明利用电磁波的多径衍射特性进行拐角后隐蔽目标定位，首先采用动目标显示技术进行背景对消，抑制强劲的背景杂波，并利用中值滤波算法对对消后的回波信号进行平滑去噪处理，然后利用单元平均恒虚警检测从回波中提取出直接衍射路径和侧墙反射路径所对应的峰值，根据这两条路径的几何关系并结合已知雷达位置、建筑布局信息计算出目标位置，最后引入α‑β滤波方法提高运动目标的定位精度。本发明的有优点是，实现过程简单，目标位置获取的整个过程计算量小，并且具有较高的目标定位精度。本发明可以应用于城市巷战、反恐维稳、灾害救援等领域。

Description

一种针对单建筑墙角的隐蔽目标定位方法

技术领域

本发明属于超宽带多径利用雷达目标定位技术领域，特别是涉及一种在单建筑墙角场景下拐角隐蔽目标定位方法。

背景技术

超宽带多径利用雷达目标定位技术领域主要利用电磁波在建筑物表面的镜面反射和衍射对位于雷达非直视区的隐秘目标进行检测、定位和跟踪，在城市巷战、反恐维稳、灾难救援等领域具有重大的应用价值。在复杂的城市建筑环境中，由于建筑物的遮蔽，电磁波无法沿直线传播到目标，但是由于复杂建筑环境中存在大量的电磁波反射、衍射传播路径，利用这些多路径传播机理，能够对建筑遮蔽目标进行探测，同时相比电磁透射传播，多径传播电磁能量衰减小，更有利于隐蔽目标探测。

目前，国内外许多研究机构均开展了利用电磁波多径传播对建筑遮蔽目标探测的理论与技术研究相关工作。在已知建筑布局的情况下，德国伊尔默瑙工业大学的学者首先对NLOS探测区域进行划分，然后利用全局最邻域跟踪器对回波信号中的一次反射路径、衍射路径以及二者的组合路径相对应的峰值进行跟踪，最后根据三种路径的几何关系对建筑拐角通道内的目标进行定位(Zetik R,Eschrich M,Jovanoska S,et al.Looking behinda corner using multipath-exploiting UWB radar[J],IEEE Transactions onAerospace and Electronic Systems,2015,51(3):1916-1926)。瑞典国防研究局利用X波段雷达开展了多径探测的相关实测实验(Johansson T,

A,Sume A,et al.Radarmeasurements of moving objects around corners in a realistic scene[J].RadarSensor Technology XVIII,2014,9077:90771Q)，他们主要利用电磁波反射传播特性对建筑拐角后的运动的人体、车辆进行了探测，并得到了较好的实测结果。

上述研究都实现了对拐角后通道中的隐蔽目标准确定位，但是这些定位方法都必须依靠通道中电磁波的镜面反射传播特性，从而存在一定局限性。在实际的城市环境中，街道通常较宽且环境复杂，导致从街道两边墙体反射回来的回波信号较弱或难以被接收，不易提取目标信息。相反，单建筑墙角的场景较多或者大多数街区环境可以近似为单建筑墙角，在该环境下，对拐角后的隐蔽目标探测具有重要的应用价值。

发明内容

为解决现有多径探测中不能对单建筑墙角后的隐藏目标定位问题，本发明提出了一种适用于单建筑墙角的隐蔽目标定位方法，能够准确获得拐角后隐藏目标的位置信息，计算简单，且实用性高。首先利用MTI和中值滤波技术抑制回波信号中的背景杂波，然后利用CA-CFAR检测出直接衍射路径和侧墙反射路径所对应的长度值，再根据两条传播路径的几何关系并结合建筑布局、雷达位置信息准确计算出目标位置，最后结合探测场景布局信息对直视范围内和墙体位置的错误定位点(虚假目标)进行剔除，并利用α-β滤波修正非直视区域内偏离目标实际位置的定位点，从而提高的目标定位精度。

本发明技术方案如下：

一种针对单建筑墙角的隐蔽目标定位方法，包括以下步骤：

步骤1：单建筑墙角多径探测环境参数设置；

首先存在一个矩形建筑A，其中建筑两面相互垂直的墙Wall-1和Wall-2组成的墙角位置记为O(x_O,y_O)；单发单收雷达被放置在墙wall-2一侧，记为R(x_R,y_R)，保证雷达天线的波束中心所在直线过墙角O；目标位于墙Wall-1一侧，记为G(x_G,y_G)，目标G位于雷达天线R的非直视区域；电磁波经过墙角O的衍射后到达目标，并在目标表面发生散射后垂直打到墙Wall-1的反射点记为Q(x_Q,y_Q)；雷达探测目标的两条路径记为直接衍射路径Path-I，侧墙反射路径Path-II，具体地，Path-I表示雷达天线发射的电磁波信号经过墙角O衍射到达目标的往返传播路径R→O→G→O→R，Path-II表示雷达天线发射的电磁波信号经过墙角O衍射到达目标，并在目标表面发生反射传播到墙Wall-1，在墙表面Q点再次发生反射传回目标的往返传播路径R→O→G→Q→G→O→R；

步骤2：回波信号预处理；

2.1、将接收到的n个周期的回波信号y(t,n)进行MTI处理；该步骤采用两脉冲对消技术，获得目标回波信号y_mti(t,n)，两脉冲对消器结构为：

y_mti(t,n)＝y(t,n)-y(t,n-1) (1)

2.2、步骤2.1得到目标回波信号存在较多毛刺，为了提高峰值检测的准确度，利用中值滤波算法对每个周期快时间维的回波信号进行平滑去噪；对于长度为I＝2L+1的滤波窗口，其中L为正整数，设在第i时刻输入信号序列在窗口内的样点为{y_mti(i-L),...,y_mti(i),...,y_mti(i+L)}，则中值滤波表示为：

y_med(i)＝med{y_mti(i-L),...,y_mti(i),...,y_mti(i+L)} (2)

其中，这里med{·}表示窗口内所有的数按从小到大的秩序排列后，取其中值的运算；

步骤3：目标位置获取；

3.1、步骤2得到的预处理后的回波信号包含了Path-I和Path-II两条传播路径的回波成分，利用CA_CFAR检测并计算得到Path-I和Path-II两条传播路径所对应的长度值分别为l_path-I、l_path-II；CA_CFAR检测自适应门限可表示为：

其中，N为参考单位个数，y_i为第i个参考单元，P_FA为虚警概率；

3.2、由电磁波的传播特性可知，回波信号中路径Path-I和Path-II峰值之间的距离即为目标G到Wall-1直线距离d，于是通过步骤3.1得到两条传播长度l_path-I、l_path-II可得：

3.3、由于雷达位置、建筑墙角位置已知，则雷达天线R到墙角位置O的距离l_RO可计算为：

3.4、对得到的d和l_RO，根据几何关系，目标位置可计算为：

x_G＝x_O-d (6)

3.5、由于噪声干扰、计算误差，步骤3.4会存在偏离实际目标位置的定位点，即虚假目标，由于本发明考虑的是非直视目标定位，即直接剔除掉在直视范围内和建筑A位置处的虚假目标定位点；

3.6、对于非直视区域的虚假目标，利用α-β滤波算法进行位置矫正，从而提高目标定位精度；α-β滤波算法由以下方程组成：

其中

表示航迹在第n帧的状态估计值，

则表示航迹由第n帧估计在第n+1帧的状态值，F(n)为状态转移矩阵；

状态更新方程为：

其中新息方程为：

其中H(n+1)表示观测矩阵，Z(n+1)表示第n+1帧由步骤3.4更新后的目标位置，同时增益K(n+1)表示第n+1帧的增益值：

本发明采用的α-β滤波器的参数为：

其中，n为已经获得目标位置的周期数。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种适用于单建筑墙角的隐蔽目标定位方法，首先对雷达天线接收到的回波信号进行MTI和中值滤波操作，以抑制环境中强劲的背景杂波，然后利用CA-CFAR检测出直接衍射路径和侧墙反射路径所对应的峰值，结合已知的建筑布局、雷达位置信息，根据两条传播路径的几何关系计算出拐角后的目标位置，最后根据探测场景结构对雷达直视范围内和墙体位置的虚假目标进行剔除，并利用α-β滤波提高非直视区域的目标定位精度。本发明的有优点是，实现过程简单，从信号预处理到目标位置获取整个过程的计算量小，有较高的目标定位精度。本发明还可以应用于城市巷战、反恐维稳、灾害救援等领域。

附图说明

图1为具体实施方式中单建筑墙角电磁波多径传播模型。

图2为具体实施方式中实测场景图。

图3为具体实施方式中测量周期的一维距离像平面。

图4为具体实施方式中单一周期的回波信号。

图5为具体实施方式中隐蔽目标位置定位结果。

具体实施方式

下面结合一个实测实验给出本发明的具体实施方式：

步骤1：单建筑墙角多径探测环境参数设置；

对于实测实验，其场景图如图2所示，图中给出了探测环境的三个不同视角，实验以墙角O为坐标原点，则(x_O,y_O)＝(0m,0m)，雷达系统为单发单收超宽带雷达，发射信号为步进频连续波，信号带宽B＝600MHz，其中雷达收发天线相距0.075m，收发天线中心坐标为(x_R,y_R)＝(0.45m,-0.35m)，天线距离地面高度为1.2m。雷达天线中心对准墙角O以保证波束中心所在直线经过墙角O点。实验中雷达非直视区域的运动人体在(-1.55m,2.19m)和(-3.62m,5.10m)两点之间来回慢速走动。

步骤2：回波信号预处理；

2.1、实验中共获得220个周期的回波数据，将所有周期的回波信号进行两脉冲对消处理，处理后的所有周期一维距离像平面如图3所示，图中存在两条明显的距离像轨迹，一条为直接衍射路径Path-I，一条为侧墙反射路径Path-II。从距离像轨迹可以看出目标的运动状态，即来回走动。

2.2、对步骤2.1得到的所有周期回波信号依次进行快时间维上的中值滤波处理，例如，图4给出了第20个周期的预处理后回波信号波形，图中最强的峰值对应于直接衍射路径Path-I，第二强的峰值对应于侧墙反射路径Path-II。

步骤3：目标位置获取；

3.1、对所有周期回波信号进行CA-CFAR检测得到Path-I和Path-II两条传播路径对应的峰值，并计算计算长度值l_path-I，l_path-II，例如，对于步骤2.2得到的第20个周期得回波信号，进行CA-CFAR检测，并计算得到l_path-I＝3.95m，l_path-II＝6.12m。

3.2、根据l_path-I，l_path-II，可得所有周期内人体目标G到Wall-1直线距离d，例如，对于第20个周期有d＝2.17m。

3.3、由于雷达位置、建筑墙角位置已知，则雷达天线R到墙角位置O的距离为l_RO，当雷达位置固定后，该距离保持不变，在实验中有l_RO＝0.57m。

3.4、对上述步骤得到的d和l_RO，根据几何关系，依次计算所有周期的目标位置(x_G,y_G)，例如，对于第20个周期有(x_G,y_G)＝(-2.17m,4.02m)。

3.5、由于本发明主要解决雷达非直视区域隐蔽目标定位问题，即根据探测环境的布局结构信息，可以剔除掉在直视范围内和建筑A位置处的错误定位点(虚假目标)。

3.6、利用α-β滤波算法提高非直视区域的目标定位精度，图5给出了所有周期的目标定位结果。

由于计算误差和噪声干扰，部分定位结果偏离了目标实际位置，考虑到实测环境中人体目标的躯干大小和雷达系统分辨率等客观因素，该误差能够被接受且不影响对目标运动状态的判断。通过实测实验证明，本发明提供的适用于单建筑墙角隐藏目标定位方法不仅计算量小，而且墙体定位误差较小，验证了本发明的正确性和可实施性。

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 (1)

1.一种针对单建筑墙角的隐蔽目标定位方法，包括以下步骤：

步骤1：单建筑墙角多径探测环境参数设置；

首先存在一个矩形建筑A，其中建筑两面相互垂直的墙Wall-1和Wall-2组成的墙角位置记为O(x_O,y_O)；单发单收雷达被放置在墙wall-2一侧，记为R(x_R,y_R)，保证雷达天线的波束中心所在直线过墙角O；目标位于墙Wall-1一侧，记为G(x_G,y_G)，目标G位于雷达天线R的非直视区域；电磁波经过墙角O的衍射后到达目标，并在目标表面发生散射后垂直打到墙Wall-1的反射点记为Q(x_Q,y_Q)；雷达探测目标的两条路径记为直接衍射路径Path-I，侧墙反射路径Path-II，具体地，Path-I表示雷达天线发射的电磁波信号经过墙角O衍射到达目标的往返传播路径R→O→G→O→R，Path-II表示雷达天线发射的电磁波信号经过墙角O衍射到达目标，并在目标表面发生反射传播到墙Wall-1，在墙表面Q点再次发生反射传回目标的往返传播路径R→O→G→Q→G→O→R；

步骤2：回波信号预处理；

2.1、将接收到的n个周期的回波信号y(t,n)进行MTI处理；该步骤采用两脉冲对消技术，获得目标回波信号y_mti(t,n)，两脉冲对消器结构为：

y_mti(t,n)＝y(t,n)-y(t,n-1) (1)

2.2、步骤2.1得到目标回波信号存在较多毛刺，为了提高峰值检测的准确度，利用中值滤波算法对每个周期快时间维的回波信号进行平滑去噪；对于长度为I＝2L+1的滤波窗口，其中L为正整数，设在第i时刻输入信号序列在窗口内的样点为{y_mti(i-L),...,y_mti(i),...,y_mti(i+L)}，则中值滤波表示为：

y_med(i)＝med{y_mti(i-L),...,y_mti(i),...,y_mti(i+L)} (2)

其中，这里med{·}表示窗口内所有的数按从小到大的秩序排列后，取其中值的运算；

步骤3：目标位置获取；

3.1、步骤2得到的预处理后的回波信号包含了Path-I和Path-II两条传播路径的回波成分，利用CA_CFAR检测并计算得到Path-I和Path-II两条传播路径所对应的长度值分别为l_path-I、l_path-II；CA_CFAR检测自适应门限表示为：

其中，N为参考单元个数，y_q为第q个参考单元，P_FA为虚警概率；

3.2、由电磁波的传播特性可知，回波信号中路径Path-I和Path-II峰值之间的距离即为目标G到Wall-1直线距离d，于是通过步骤3.1得到的两条传播长度l_path-I、l_path-II可得：

3.3、由于雷达位置、建筑墙角位置已知，则雷达天线R到墙角位置O的距离l_RO计算为：

3.4、对得到的d和l_RO，根据几何关系，目标位置计算为：

x_G＝x_O-d (6)

3.5、由于噪声干扰、计算误差，步骤3.4会存在偏离实际目标位置的定位点，即虚假目标，由于考虑的是非直视目标定位，即直接剔除掉在直视范围内和建筑A位置处的虚假目标定位点；

3.6、对于非直视区域的虚假目标，利用α-β滤波算法进行位置矫正，从而提高目标定位精度；α-β滤波算法由以下方程组成：

其中

表示航迹在第n帧的状态估计值，

则表示航迹由第n帧估计在第n+1帧的状态值，F(n)为状态转移矩阵；

状态更新方程为：

其中新息方程为：

其中H(n+1)表示观测矩阵，Z(n+1)表示第n+1帧由步骤3.4更新后的目标位置，同时增益K(n+1)表示第n+1帧的增益值：

采用的α-β滤波器的参数为：

其中，n为已经获得目标位置的周期数。

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