CN111796249A - 一种基于墙体前表面能量对消的墙体参数估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于墙体前表面能量对消的墙体参数估计方法。基于接收到的回波信号的构成，对该信号进行分别处理，将该信号的直达波、墙体前表面回波、墙后目标回波消除，获得墙体后表面回波信号和噪声混杂的信号。之后对该信号进行分析，获得能量值最高的时刻，即为计算墙体参数估计公式中，墙体后表面回波的时延精估计值。之后利用牛顿迭代法求解墙体参数，这种方法可以快速并且精准的估计出墙体参数，无需遍历搜索，且即使在墙后表面能量低的情况下，也不会失效。

Description

一种基于墙体前表面能量对消的墙体参数估计方法
技术领域
本发明涉及一种基于墙体前表面能量对消的墙体参数估计方法，属于穿墙 雷达技术领域。
背景技术
穿墙雷达成像是近些年快速发展起来的一种对墙后目标进行微波成像的技 术，他能够对墙体后的目标进行探测、成像、定位、跟踪与识别等，因此在城 市巷战、反恐安保、灾害及人质救援有着广泛的应用。
在电磁波信号穿透墙壁的过程中，电磁波会经历折射、反射和多径传播及 传播速度改变等过程，这意味着目标的回波信号将会存在显著的衰减、失真、 额外的时延以及相位的突变等。这些效应都会对后续的信号处理过程和对目标 区域进行准确的成像带来极大的挑战，需要对获得的信号进行细致的考虑和仔 细的处理。由于墙体的材料、建筑机构、厚度等特性往往各不相同，很难用一 个统一的模型来描述他们对电磁波传播的影响，因此，对于不同电磁属性的墙 体需要更为细致的研究。在一般意义上的透障成像中，墙体信息都被假定为已 知的。但在真实情况中，墙体的主要属性，例如介电常数和厚度，往往都是未 知的，而这会给成像处理带来极大的困扰，造成图像质量的下降。为此，需要 获得墙体的准确参数。
现有的墙体未知参数估计有以下几种方案：一是通过对墙体实测数据与建 模数据间的相关系数的计算，搜寻使相关系数达到最大时的模型，并将此模型 的参数作为墙体参数的估计。二是通过图像质量评价准则对成像结果进行评价， 通过不断改变假设的墙体参数，直到获得图像质量指标最高的成像结果，并将 此时假设的墙体参数作为真实参数的最优估计。上述两种方法都是通过搜索遍 历进行估计，计算速度慢。三是通过分析墙体参数误差与成像结果中目标位置 的关系，在一次观测中假设不同的墙体参数进行多次成像来获得目标位置的变 化轨迹，后通过不同天线轨迹的观测，将获得的多条目标轨迹的交叉点作为目 标的真实位置，并将此位置对应的墙体参数作为真实参数的估计值，但此方法需要多次成像，计算效率较低。四是通过改变天线之间的相对位置，测量每一 位置下墙体前后表面回波时延，并利用几何关系建立墙体参数的方程组，最后 通过最小二乘法求解墙体未知参数，此方法在墙后表面能量低的情况下失效。 五是利用支持向量机对未知墙体进行参数估计的方法，此方法受到目标位置、 大小和形状变化的影响较大并且无法预测多层墙体未知参数。
综上所述，目前没有一种快速并且精确的墙体参数估计方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于墙体前表面能量对消的墙体参数估计方法。 能够实现通过对回波信号的处理后，获得墙体参数。
一种基于墙体前表面能量对消的墙体参数估计方法，采用n对收发天线， 将一个接收天线接收到的回波信号进行脉冲压缩处理及去直达波处理，并以处 理后的信号回波能量最强的时刻作为中心点，将所述中心点左右对称的信号进 行对消处理，以消除回波信号中墙体前表面能量，凸显墙体后表面回波；对对 消处理后的信号做MUSIC处理，并取MUSIC处理后的信号回波能量最强的时 刻作为墙体后表面回波的时延τbn；
获得两个不同接收天线的墙体后表面回波的时延，分别代入墙体参数估计 公式，利用牛顿迭代法求解即可得到墙体未知介电常数εr和墙体厚度d；
Figure BDA0002394431760000031
其中，xn为发射天线处发射信号到达墙体前表面的距离沿方位向的分量，yn为发射天线处发射信号从墙体前表面到达墙体后表面的距离沿方位向的分量， xn和yn为无需求解的未知量；r为天线与墙体前表面距离，Ln第n组收发天线间 距的一半，均由红外测距仪获得。
较佳地，适用于一发多收模式和多发多收模式进行数据采集。
较佳地，所述进行脉冲压缩处理及去直达波处理为：将接收天线接收到的 回波信号首先进行脉冲压缩处理，之后进行去直达波处理。
较佳地，所述进行脉冲压缩处理及去直达波处理为：首先利用空场景回波 信号与接收天线接收到的回波信号进行对消处理，之后对对消处理后的信号进 行脉冲压缩处理。
较佳地，通过设置距离门的方式，使墙体前表面的回波置零、墙后目标的 回波置零、中心点左右对称的回波数据互相抵消，实现信号的对消处理。
有益效果：
1、本发明基于接收到的回波信号的构成，对该信号进行分别处理，将该信 号的直达波、墙体前表面回波、墙后目标回波消除，获得墙体后表面回波信号 和噪声混杂的信号。之后对该信号进行分析，获得能量值最高的时刻，即为计 算墙体参数估计公式中，墙体后表面回波的时延精估计值。之后利用牛顿迭代 法求解墙体参数，这种方法可以快速并且精准的估计出墙体参数，无需遍历搜 索，且即使在墙后表面能量低的情况下，也不会失效。
附图说明
图1为墙体后表面回波示意图
图2为算法流程图
图3为实验场景图
图4(a)为一维距离向收发天线间距2m脉压结果图
图4(b)为一维距离向收发天线间距3m脉压结果图
图5(a)为空场景收发天线间距2m对消结果图
图5(b)为空场景收发天线间距2m对消结果图
图6(a)为墙体前表面能量收发天线间距2m对消结果图
图6(b)为墙体前表面能量收发天线间距3m对消结果图
图7(a)为MUSIC收发天线间距2m处理结果图
图7(b)为MUSIC收发天线间距3m处理结果图
具体实施方式
下面结合附图并举两个实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供一种基于墙体前表面能量对消的墙体参数估计方法，将原始回 波数据进行脉冲压缩处理，并利用空场景对消方法消除直达波，之后利用墙体 前表面能量对称性原则将信号进行抵消，凸显墙体后表面位置。然后利用MUSIC 方法对墙体后表面回波时延进行精确的估计，并利用该方法，获得两组墙体后 表面回波时延值，最后将两个数值代入墙体参数估计公式，利用牛顿迭代法求 解即可得到墙体未知介电常数和墙体厚度。墙体后表面回波信号示意图如图1 所示。
令第n个接收天线在第t时刻接收到的回波信号Sr(n,t)表示为：
Sr(n,t)＝Srd(t-τdn)+Srf(t-τfn)+Srb(t-τbn)+Srt(t-τtn)+N(n,t) (1)
其中，Srd(t-τdn)为直达波，τdn为第n个接收天线处的直达波时延，Srf(t-τfn) 为墙体前表面回波，τfn为第n个接收天线处的墙体前表面回波时延，Srb(t-τbn)为 墙体后表面回波，τbn为第n个接收天线处的墙体后表面回波时延，Srt(t-τtn)为 墙后目标回波，τtn为第n个接收天线处的墙后目标回波时延，N(n,t)为第n个接 收天线处的噪声。由于墙体内多径和墙后目标多径能量较弱，此处不考虑其影 响。
具体实现方法为：
步骤一、为了实现回波信号的聚焦作用，对第n个接收天线在第t时刻接收 到的回波信号Sr(n,t)进行脉冲压缩处理：
Figure BDA0002394431760000051
其中，Spc(n,t)为脉压结果，u为卷积时间轴，Sref(n,t)为参考信号，一般取 发射信号的共轭。
步骤二、对步骤一中进行脉冲压缩处理后的信号进行去直达波处理，设空 场景回波信号可以表示为Srz(n,t)，则步骤一中进行脉冲压缩处理后的信号与空 场景回波信号进行对消处理的方式如下：
Spcz(n,t)＝Spc(n,t)-Srz(n,t) (3)
其中，Spcz(n,t)为第n个接收天线在第t时刻的空场景对消结果。
或者，本发明还可以对回波信号首先进行去直达波处理，之后对去直达波 处理后的信号进行脉冲压缩处理。
步骤三、对空场景对消后的信号进行墙体前表面能量对消
由于墙体前表面能量非常强，墙体后表面能量会被前表面能量的旁瓣淹没， 所以要进行前表面能量对消处理，从而凸显墙体后表面能量。为此，需要在步 骤二中获得的空场景对消结果中得到能量最强回波对应的时刻作为第n个接收 天线处的墙体前表面回波时延τfn，即：
Figure BDA0002394431760000061
通过以墙体前表面回波时延τfn为中心点，由于脉冲压缩后的墙体前表面能 量具有左右对称性，故采用左右对称使回波数据互相抵消，通过设置距离门使 墙体前表面的回波置零、使墙体后目标回波置零的方法，凸显出墙体后表面回 波，即：
Figure BDA0002394431760000062
其中，SFEC(n，t)为墙体前表面能量对消结果。针对不同场景可以选取合适的 tmax来抑制墙体后目标的影响，
Figure BDA0002394431760000063
d为墙体厚度，c为光速。
步骤四、将步骤三中获得的信号进行墙体后表面时延精估计，则需要对步 骤三中的结果做MUSIC处理
SMUSIC(n，t)＝MUSIC[SFEC(n，t)] (6)
在上述结果中，取得峰值最大处对应的时刻即为墙体后表面回波时延精估 计值τbn，即：
Figure BDA0002394431760000064
步骤五、按照步骤一至步骤四的方法，获得两个不同接收天线的墙体后表 面回波的时延精估计值，之后代入墙体参数估计公式(8)，利用牛顿迭代法求 解墙体参数。
由图1可以得到如下关系式
Figure BDA0002394431760000071
其中，εr为墙体相对介点常数，d为墙体厚度，xn为第n个发射天线处发射 信号到达墙体前表面的距离沿方位向的分量，yn为第n个发射天线处发射信号 从墙体前表面到达墙体后表面的距离沿方位向的分量。xn和yn为求解过程的中 间变量；r为天线与墙体前表面距离，Ln第n组收发天线间距的一半，由红外测 距仪即可获得。将步骤四得到的墙体后表面回波时延τbn代入上式，并利用牛顿 迭代法求解即可求得墙体厚度与相对介电常数。处理流程图如图2所示。
实施例1
利用所提技术对穿墙实验数据进行处理，以进一步证明所提技术的可行性 与有效性。穿墙实验参数如表1所示。
表1穿墙实验参数
参数/单位 值
信号波形 步进频连续波
发射功率/W 1
天线与墙体前表面距离/m 1.5
收发天线间距/m 2、3
墙体厚度/cm 29.5
墙体相对介电常数 5-7
实验场景图如图3所示，对穿墙实验数据进行脉冲压缩处理，得到的一维 距离向脉压结果如图4(a)和图4(b)所示。从图像可以看出，由于直达波的 影响，墙体前后表面回波均被淹没，对上述结果进行直达波去除处理得到的结 果如图5(a)和图5(b)所示。由图可知，墙体后表面回波被墙体前表面回波 和杂波淹没，对上述结果进行墙体前表面能量对消的结果如图6(a)和图6(b) 所示。由图可知，墙体后表面回波得以凸显，但位置估计存在误差。对上述结 果经过MUSIC处理得到的结果如图7(a)和图7(b)所示，由图可知墙体后 表面回波位置得以精确估计，将墙体后表面位置估计值代入式，即可得到估计 的墙体厚度及墙体相对介电常数如表2所示。
表2墙体参数估计算法估计结果
参数 墙体介电常数 墙体厚度(cm) 厚度估计误差(％)
参数值 6.2075 29.04 1.5
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。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保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于墙体前表面能量对消的墙体参数估计方法，采用n对收发天线，其特征在于，
将一个接收天线接收到的回波信号进行脉冲压缩处理及去直达波处理，并以处理后的信号回波能量最强的时刻作为中心点，将所述中心点左右对称的信号进行对消处理，以消除回波信号中墙体前表面能量，凸显墙体后表面回波；对对消处理后的信号做MUSIC处理，并取MUSIC处理后的信号回波能量最强的时刻作为墙体后表面回波的时延τbn；
获得两个不同接收天线的墙体后表面回波的时延，分别代入墙体参数估计公式，利用牛顿迭代法求解即可得到墙体未知介电常数εr和墙体厚度d；
Figure FDA0002394431750000011
其中，xn为发射天线处发射信号到达墙体前表面的距离沿方位向的分量，yn为发射天线处发射信号从墙体前表面到达墙体后表面的距离沿方位向的分量，xn和yn为求解过程的中间变量；r为天线与墙体前表面距离，Ln第n组收发天线间距的一半，均由红外测距仪获得。
2.如权利要求1所述的墙体参数估计方法，其特征在于，适用于一发多收模式和多发多收模式进行数据采集。
3.如权利要求2所述的墙体参数估计方法，其特征在于，所述进行脉冲压缩处理及去直达波处理为：将接收天线接收到的回波信号首先进行脉冲压缩处理，之后进行去直达波处理。
4.如权利要求2所述的墙体参数估计方法，其特征在于，所述进行脉冲压缩处理及去直达波处理为：首先利用空场景回波信号与接收天线接收到的回波信号进行对消处理，之后对对消处理后的信号进行脉冲压缩处理。
5.如权利要求1或2或3或4所述的墙体参数估计方法，其特征在于，通过设置距离门的方式，使墙体前表面的回波置零、墙后目标的回波置零、中心点左右对称的回波数据互相抵消，实现信号的对消处理。
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