CN111880177B - 一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法，该方法首先读取每根接收天线回波数据确定电磁波的折射回波时刻，通过基本折射方程可得电磁波在外层墙体内的传播时延；然后运用相邻发射天线和相邻接收天线延迟时之差估计内层墙体中电磁波的传播时延；最后将各个通道内传播时延依次相加后运用后向投影算法进行成像，对由于墙体存在产生的电磁波传播异常进行修正，将成像后的目标位置校正到正确位置。

Description

一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法

技术领域

本发明涉及一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法，属于穿墙雷达成像领域。

背景技术

穿墙成像雷达作为一种无损检测技术，能够探测门后、屋内等视觉非透明障碍物后的目标，在反恐，救灾等方面发挥了重要作用，近年来广泛运用于军事、民用等领域。在以往穿墙雷达成像算法中，若墙体参数已知，可通过折射定理计算出电磁波的折射点坐标，进而计算出电磁波在墙体内的传播时延，纠正由墙体存在引起的偏移效应。在实际应用中，墙体一般并非单层均匀介质，且墙体参数为未知，若直接运用成像算法，目标会偏移正确位置，成像质量差。因此考虑未知参数的墙体穿墙成像的时延校正算法是有必要的。

有文献对未知参数的墙体穿墙成像方法进行了研究，提出了自聚焦算法。对于墙体厚度以及相对介电常数这些先验信息而言，在实际应用中一般为未知的，该文献中，作者将这些未知的先验信息化为一个时延校正量的取值范围，对该时延校正量取值范围进行遍历搜索，运用图像评价标准图像熵值来衡量成像的效果，图像熵值越小代表其聚焦效果越好。该算法虽然有效减化了聚焦时延计算公式，然而引入过多误差，且时延校正量须多次搜索，计算量大。

因此，如何高效精确计算电磁波在未知参数的墙体内传播时延，对于成像来说是至关重要的，这一项研究内容在实际应用中具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法，对于墙体参数未知的情况下，穿墙雷达成像出现目标位置错误以及图像散焦的问题，利用折射静校正原理对电磁波在墙体内的相对延迟时进行计算，将异常传播的电磁波进行校正，从而得到真实的场景成像。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明提出了一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法，基于穿墙成像模型的构建，实现穿墙雷达成像校正方法，其中，穿墙成像模型包括目标物体、墙体、雷达探测装置；

目标物体和雷达探测装置分别位于墙体的两侧；

墙体由两层相对介电常数不同的介质组成，分别为目标物体一侧的内层墙体、以及雷达探测装置一侧的外层墙体；

雷达探测装置与外层墙体的外表面相对接；

雷达探测装置包括信号发射装置和信号接收装置，其中信号发射装置和信号接收装置分别与外层墙体的外表面相对接；

针对信号发射装置中发射天线的发射信号经过两层墙体折射后到达目标物体，再由目标物体反射，经两层墙体折射后由信号接收装置中接收天线所接收的过程，通过步骤1至步骤3，实现穿墙雷达成像校正方法；

步骤1.基于1≤m≤M、1≤n≤N，采集第m根发射天线发射的发射信号，由第n根接收天线所接收对应该发射信号的接收信号的折射波分别在折射面1的回波时刻q_mn和折射面2的回波时刻p_mn，分别组成折射波在折射面1的延迟时矩阵q和折射波在折射面2的延迟时矩阵p，其中，M表示发射天线的总数，N表示接收天线的总数，折射面1为内层墙体与空气接触的界面，折射面2为两层墙体接触的界面；

步骤2.根据p，并结合第m根发射天线与第n根接收天线之间的距离x_mn，获得各发射信号在外层墙体中的传播时延τ_mn2、以及分别对应各发射信号的各接收信号在外层墙体中的传播时延τ'_mn2；

步骤3.根据q、p、x_mn、τ_mn2、τ'_mn2，获得各发射信号在内层墙体中的传播时延τ_mn1和对应各发射信号的各接收信号在内层墙体中的传播时延τ'_mn1；

步骤4.根据各个发射信号分别在外层墙体中的传播时延τ_mn2、在内层墙体的传播时延τ_mn1、以及其所对应接收信号在外层墙体中的传播时延τ'_mn2、在内层墙体中的传播时延τ'_mn1，结合各个发射信号从折射面1到达目标物体的时延，以及对应接收信号从目标物体反射后到达折射面1的时延，得到聚焦时延，最后利用成像算法完成对目标物体的投影成像。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤1中的雷达探测装置为3发13收装置，发射天线发出的信号为超宽带窄脉冲信号。

作为本发明的一种优选技术方案，通过步骤A1至步骤A2获取所述步骤2中的τ_mn2和τ'_mn2；

步骤A1.构建基本折射方程如下：

其中

表示第m根发射天线发射的发射信号，由第n根接收天线所接收对应该发射信号的接收信号的折射波折射面2的回波时刻，根据p，并结合第m根发射天线与第n根接收天线之间的距离x_mn，利用最小二乘一维拟合算法获得上述方程的直线斜率1/v₁，其中v₁为电磁波在内层墙体的传播速度；

步骤A2.针对基本折射方程，利用最小二乘法获得超定方程组

的解，获取τ_mn2和τ'_mn2。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤A2中的超定方程组可通过如下步骤B1至步骤B3求解；

步骤B1.令

由元素b_mn构成矩阵向量b，则基本折射方程

可写为：

Gx＝b

其中G为系数矩阵，接下来求超定方程组Gx＝b的最小二乘解x，即该超定方程组的最小二乘解x需满足残差r＝b-Gx的2-范数达到最小值，即该解须满足如下方程：

||b-Gx^*||₂＝min||r||₂

步骤B2.令C＝G^TG和d＝G^Tb，对矩阵C进行cholesky分解，得到LL^T＝C；

步骤B3.依次求解三角方程组Ly＝d和L^Tx＝y，求得的矩阵x即为该方程的解，即获取了各发射信号在外层墙体中的传播时延τ_mn2、以及分别对应各发射信号的各接收信号在外层墙体中的传播时延τ'_mn2。

作为本发明的一种优选技术方案，通过步骤C1至步骤C4获取所述步骤3中的τ_mn1和τ'_mn1；

步骤C1.根据折射面1的回波信号延迟时矩阵q和折射面2的回波时刻延迟时矩阵p，利用最小二乘拟合算法获得拟合后的直线的截距I；

步骤C2.构建基本折射方程如下：

其中

表示第m根发射天线发射的发射信号，由第n根接收天线所接收对应该发射信号的接收信号的折射波在折射面1的回波时刻，c为电磁波在空气中的传播速度，根据已知参数q_mn、τ_mn2、τ'_mn2、x_mn构建方程如下：

步骤C3.基于1≤m≤M、1≤n≤N，针对相邻的第m根发射天线与第m-1根发射天线分别所发射的信号，均被第n根接收天线所接收，则其截距时间差可表示为：

同时

即为相邻的第m根发射天线与第m-1根发射天线分别所发射信号，均被第n根接收天线所接收的延迟时间增量，分别针对各根接收天线，利用如下公式：

获得第m根发射天线发射的发射信号被第n根接收天线所接收的该发射信号在内层墙体的传播时延τ_mn1；

步骤C4.基于1≤m≤M、1≤n≤N，针对第m根发射天线所发射的发射信号，分别被相邻的第n根与第n-1根接收天线所接收，则其截距时间差可表示为：

同时

即第m根发射天线发射的发射信号，分别被相邻的第n根与第n-1根接收天线所接收的延迟时间增量，分别针对各根发射天线，利用如下公式：

获得第m根发射天线发射的发射信号被第n根接收天线所接收的接收信号在内层墙体的传播时延τ'_mn1。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤3中使用的成像算法为后向投影成像算法。

本发明所述一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明根据折射波静校正的理论，提出了一种基于折射波静校正的相对延迟时方法。由于相对延迟时方法能够计算每一个天线通道内的电磁波延迟时，因此本方法能够有效地消除墙体存在导致墙后目标位置错误的影响。与已有方法相比，本方法能够提供更高的成像精度，并且实现简便，在实际应用中具有重要意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为电磁波发射接收传播时延路径；

图3为折射波传播路径；

图4为第一根发射天线发出且由第一根接收天线所接收的折射波的回波曲线图；

图5为未进行校正时直接穿墙成像效果图；

图6为自聚焦方法后穿墙成像的效果图；

图7为经过本发明算法处理后的成像效果图；

图8为几种方法的输入输出目标杂波比(TCR)曲线示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。本发明提出了一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法,基于穿墙成像模型的构建，实现穿墙雷达成像校正方法，实际应用当中，如图1所示，首先运用GprMax2D/3D建立穿墙成像场景模型，如图2所示，穿墙成像模型包括目标物体、墙体、雷达探测装置；目标物体和雷达探测装置分别位于墙体的两侧；墙体由两层相对介电常数不同的介质组成，内层墙体为石膏材料，外层墙体为混凝土材料，二者厚度分别为d₁和d₂，相对介电常数分别为ε₁和ε₂。目标物体位于内层墙体一侧，天线阵列靠墙摆放，与外层墙体相对接，采用3发13收装置，发射天线置于阵列中心。发射信号发射超宽带窄脉冲信号。针对信号发射装置中发射天线的发射信号经过两层墙体折射后到达目标物体，再由目标物体反射，经两层墙体折射后由信号接收装置中接收天线所接收的过程，通过步骤1至步骤3，实现穿墙雷达成像校正方法；

步骤1.折射波传播路径如图3所示，基于1≤m≤3、1≤n≤13，采集第m根发射天线发射的发射信号，由第n根接收天线所接收对应该发射信号的接收信号的折射波分别在折射面1的回波时刻q_mn和折射面2的回波时刻p_mn，分别组成折射波在折射面1的延迟时矩阵q和折射波在折射面2的延迟时矩阵p，如图3所示，折射面1为内层墙体与空气接触的界面，折射面2为两层墙体接触的界面，如图4所示的为第一根发射天线发射且被第一根接收天线所接收的折射波的回波曲线图；

步骤2.根据p，并结合第m根发射天线与第n根接收天线之间的距离x_mn，通过步骤A1至步骤A2获得各发射信号在外层墙体中的传播时延τ_mn2、以及分别对应各发射信号的各接收信号在外层墙体中的传播时延τ'_mn2；

步骤A1.构建基本折射方程如下：

其中

表示第m根发射天线发射的发射信号，由第n根接收天线所接收对应该发射信号的接收信号的折射波折射面2的回波时刻，根据p，并结合第m根发射天线与第n根接收天线之间的距离x_mn，利用最小二乘一维拟合算法获得上述方程的直线斜率1/v₁，其中v₁为电磁波在内层墙体的传播速度；

步骤A2.通过步骤B1至步骤B3利用最小二乘法获得超定方程组

的解，即获取τ_mn2和τ'_mn2。

步骤B1.令

由元素b_mn构成矩阵向量b，则基本折射方程

可写为：

Gx＝b

其中G为3×6的系数矩阵，x为τ_mn2和τ'_mn2按照纵向排列组成的6×13的矩阵，接下来求超定方程组Gx＝b的最小二乘解x，即该超定方程组的最小二乘解x需满足残差r＝b-Gx的2-范数达到最小值，即该解须满足如下方程：

||b-Gx^*||₂＝min||r||₂

步骤B2.令C＝G^TG和d＝G^Tb，对矩阵C进行cholesky分解，得到LL^T＝C；

步骤B3.依次求解三角方程组Ly＝d和L^Tx＝y，求得的矩阵x即为该方程的解，即获取了各发射信号在外层墙体中的传播时延τ_mn2、以及分别对应各发射信号的各接收信号在外层墙体中的传播时延τ'_mn2。

步骤3.通过步骤C1至步骤C4，结合已知参数q、p、x_mn、τ_mn2、τ'_mn2，获得各发射信号在内层墙体中的传播时延τ_mn1和对应各发射信号的各接收信号在内层墙体中的传播时延τ'_mn1；

步骤C1.将折射面1的回波信号延迟时矩阵q与折射面2得到的回波时刻延迟时矩阵p相减，将其离散点进行最小二乘拟合直线，获得拟合后的直线的截距I；

步骤C2.构建基本折射方程如下：

其中

表示第m根发射天线发射的发射信号，由第n根接收天线所接收对应该发射信号的接收信号的折射波在折射面1的回波时刻，c为电磁波在空气中的传播速度，根据已知参数q_mn、τ_mn2、τ'_mn2、x_mn构建方程如下：

步骤C3.基于1≤m≤3、1≤n≤13，针对相邻的第m根发射天线与第m-1根发射天线分别所发射的信号，均被第n根接收天线所接收，则其截距时间差可表示为：

同时

即为相邻的第m根发射天线与第m-1根发射天线分别所发射信号，均被第n根接收天线所接收的延迟时间增量，分别针对各根接收天线，利用如下公式：

获得第m根发射天线发射的发射信号被第n根接收天线所接收的该发射信号在内层墙体的传播时延τ_mn1；

步骤C4.基于1≤m≤3、1≤n≤13，针对第m根发射天线所发射的发射信号，分别被相邻的第n根与第n-1根接收天线所接收，则其截距时间差可表示为：

同时

即第m根发射天线发射的发射信号，分别被相邻的第n根与第n-1根接收天线所接收的延迟时间增量，分别针对各根发射天线，利用如下公式：

获得第m根发射天线发射的发射信号被第n根接收天线所接收的接收信号在内层墙体的传播时延τ'_mn1。

如图2所示，设发射天线坐标T_m(x_tm,0)，接收天线坐标为R_n(x_rn,0)，则电磁波到达目标点q(x_q,y_q)以及从目标点返回接收天线的聚焦时延可表示为：

τ＝τ_mn1+τ_mn2+τ'_mn1+τ'_mn2+τ”

其中：

运用后向投影成像算法(Back Projection algorithm)对穿墙场景回波数据进行处理，即可得如图8所示成像效果图。

为验证在噪声影响下本发明的鲁棒性，本实施例计算出了不同信噪比条件下该算法的输入输出目标杂波比(Target Clutter Ratio,TCR)。由图5、图6、图7的三种不同方法得到的成像效果图对比可知，在成像位置精度方面，本发明提出的方法更为精准。由图8可知，相较于未校正前，基于折射波静校正的相对延迟时算法在不同信噪比的噪声情况下能够输出更高的TCR；相较于自聚焦方法，本文所提算法在噪声信噪比为-2dB之后输出更高的TCR。因此综合来说在成像位置精度以及输出TCR方面，本发明提出的方法更具有优越性。

本发明公开了折射波静校正应用于未知墙体参数的穿墙雷达成像的方法，其应用于穿墙雷达成像中消除了由于墙体存在引起的电磁波异常传播以致目标位置错位现象以及图像散焦现象，得到真实的场景成像。本方法的核心是折射波静校正原理，首先读取每根接收天线回波数据确定电磁波的折射回波时刻。然后通过基本折射方程得到超定方程组，解此超定方程组可得电磁波在外层墙体内的传播时延，并运用相邻发射天线和相邻接收天线延迟时之差估计内层墙体中电磁波的传播时延，最后将各个通道内传播时延依次相加后运用后向投影算法成像。这样，由于墙体存在导致的电磁波异常传播效应就能被消除，从而得到真实的场景成像。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法,其特征在于:基于穿墙成像模型的构建，实现穿墙雷达成像校正方法，其中，穿墙成像模型包括目标物体、墙体、雷达探测装置；

所述目标物体和雷达探测装置分别位于墙体的两侧；

所述墙体由两层相对介电常数不同的介质组成，分别为目标物体一侧的内层墙体、以及雷达探测装置一侧的外层墙体；

所述雷达探测装置与外层墙体的外表面相对接；

所述雷达探测装置包括信号发射装置和信号接收装置，其中信号发射装置和信号接收装置分别与外层墙体的外表面相对接；

针对信号发射装置中发射天线的发射信号经过两层墙体折射后到达目标物体，再由目标物体反射，经两层墙体折射后由信号接收装置中接收天线所接收的过程，通过步骤1至步骤3，实现穿墙雷达成像校正方法；

步骤1.基于1≤m≤M、1≤n≤N，采集第m根发射天线发射的发射信号，由第n根接收天线所接收对应该发射信号的接收信号的折射波分别在折射面1的回波时刻q_mn和折射面2的回波时刻p_mn，分别组成折射波在折射面1的延迟时矩阵q和折射波在折射面2的延迟时矩阵p，其中，M表示发射天线的总数，N表示接收天线的总数，折射面1为内层墙体与空气接触的界面，折射面2为两层墙体接触的界面；

步骤2.根据p，并结合第m根发射天线与第n根接收天线之间的距离x_mn，获得各发射信号在外层墙体中的传播时延τ_mn2、以及分别对应各发射信号的各接收信号在外层墙体中的传播时延τ'_mn2；

步骤3.根据q、p、x_mn、τ_mn2、τ'_mn2，获得各发射信号在内层墙体中的传播时延τ_mn1和对应各发射信号的各接收信号在内层墙体中的传播时延τ'_mn1；

步骤4.根据各个发射信号分别在外层墙体中的传播时延τ_mn2、在内层墙体的传播时延τ_mn1、以及其所对应接收信号在外层墙体中的传播时延τ'_mn2、在内层墙体中的传播时延τ'_mn1，结合各个发射信号从折射面1到达目标物体的时延，以及对应接收信号从目标物体反射后到达折射面1的时延，得到聚焦时延，最后利用成像算法完成对目标物体的投影成像。

2.根据权利要求1所述一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法，其特征在于：所述步骤1中的雷达探测装置为3发13收装置，发射天线发出的信号为超宽带窄脉冲信号。

3.根据权利要求1所述一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法，其特征在于：

通过步骤A1至步骤A2获取所述步骤2中的τ_mn2和τ'_mn2；

步骤A1.构建基本折射方程如下：

其中，

表示第m根发射天线发射的发射信号，由第n根接收天线所接收对应该发射信号的接收信号的折射波折射面2的回波时刻，根据p，并结合第m根发射天线与第n根接收天线之间的距离x_mn，利用最小二乘一维拟合算法获得上述方程的直线斜率1/v₁，其中，v₁为电磁波在内层墙体的传播速度；

步骤A2.针对基本折射方程，利用最小二乘法获得超定方程组

的解，获取τ_mn2和τ'_mn2。

4.根据权利要求3所述的一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法，其特征在于，超定方程组可通过如下步骤B1至步骤B3求解；

步骤B1.令

由元素b_mn构成矩阵向量b，则基本折射方程

更新为：

Gx＝b

其中G为系数矩阵，接下来求超定方程组Gx＝b的最小二乘解x，即该超定方程组的最小二乘解x需满足残差r＝b-Gx的2-范数达到最小值，即该解须满足如下方程：

||b-Gx^*||₂＝min||r||₂

步骤B2.令C＝G^TG和d＝G^Tb，对矩阵C进行cholesky分解，得到LL^T＝C；

步骤B3.依次求解三角方程组Ly＝d和L^Tx＝y，求得的矩阵x即为该方程的解，即获取了各发射信号在外层墙体中的传播时延τ_mn2、以及分别对应各发射信号的各接收信号在外层墙体中的传播时延τ'_mn2。

5.根据权利要求2所述的一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法，其特征在于：通过步骤C1至步骤C4获取所述步骤3中的τ_mn1和τ'_mn1；

步骤C1.根据折射面1的回波信号延迟时矩阵q和折射面2的回波时刻延迟时矩阵p，利用最小二乘拟合算法获得拟合后的直线的截距I；

步骤C2.构建基本折射方程如下：

其中

表示第m根发射天线发射的发射信号，由第n根接收天线所接收对应该发射信号的接收信号的折射波在折射面1的回波时刻,c为电磁波在空气中的传播速度，根据已知参数q_mn、τ_mn2、τ'_mn2、x_mn构建方程如下：

步骤C3.基于1≤m≤M、1≤n≤N，针对相邻的第m根发射天线与第m-1根发射天线分别所发射的信号，均被第n根接收天线所接收，则其截距时间差可表示为：

同时

即为相邻的第m根发射天线与第m-1根发射天线分别所发射信号，均被第n根接收天线所接收的延迟时间增量，分别针对各根接收天线，利用如下公式：

获得第m根发射天线发射的发射信号被第n根接收天线所接收的该发射信号在内层墙体的传播时延τ_mn1；

步骤C4.基于1≤m≤M、1≤n≤N，针对第m根发射天线所发射的发射信号，分别被相邻的第n根与第n-1根接收天线所接收，则其截距时间差可表示为：

同时

即第m根发射天线发射的发射信号，分别被相邻的第n根与第n-1根接收天线所接收的延迟时间增量，分别针对各根发射天线，利用如下公式：

获得第m根发射天线发射的发射信号被第n根接收天线所接收的接收信号在内层墙体的传播时延τ'_mn1。

6.根据权利要求1所述的一种基于折射波静校正的穿墙雷达成像校正方法，其特征在于，步骤3中使用的成像算法为后向投影成像算法。

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