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專利名稱：一種基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及雷達(dá)目標(biāo)探測，具體涉及一種穿墻雷達(dá)成像 的目標(biāo)定位方法。
背景技術(shù)：
穿墻雷達(dá)目標(biāo)定位是采用陣列雷達(dá)對墻體后面目標(biāo)進(jìn)行探測、定位的技術(shù)，在現(xiàn) 代反恐和救災(zāi)中具有巨大的應(yīng)用價值。針對穿墻雷達(dá)目標(biāo)探測的具體應(yīng)用，如何有效的實(shí) 現(xiàn)對墻體后目標(biāo)的準(zhǔn)確定位一直是穿墻雷達(dá)技術(shù)研究的重點(diǎn)，穿墻目標(biāo)定位效果更是影響 穿墻雷達(dá)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。根據(jù)穿墻雷達(dá)探測區(qū)域圖像進(jìn)行目標(biāo)位置坐標(biāo)的提取屬于基于穿墻雷達(dá)成像的 目標(biāo)定位方法。通常，穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位技術(shù)采用經(jīng)典的BP(back projection，即 后向反射)成像算法。該成像算法的處理流程圖如圖1所示，成像區(qū)域每個像素點(diǎn)q的像 素值是對陣列天線的回波信號進(jìn)行回波延遲補(bǔ)償和相干積累得到的，因此，需要精確計算 每個像素點(diǎn)q的回波延遲％。在BP成像算法中，由于墻體的存在，電磁波在墻體內(nèi)的傳播 會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，并且傳播速度會下降，因此，回波延遲t q的精確計算需要確知墻體參數(shù) (即墻體厚度d和墻體介電常數(shù)O。在精確測定陣列天線位置坐標(biāo)和準(zhǔn)確計算回波延遲 T q的前提下，BP成像結(jié)果中目標(biāo)圖像在區(qū)域圖像中的位置準(zhǔn)確反映了真實(shí)目標(biāo)在成像區(qū) 域中的位置，這是一種確知墻體參數(shù)下的基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法。在實(shí)際穿墻探測應(yīng)用中，天線陣列的位置坐標(biāo)是可以準(zhǔn)確測定的，而墻體參數(shù)一 般都是未知的，如果采用帶有估計誤差的墻體參數(shù)計算回波延遲T q時會出現(xiàn)誤差，這會造 成最后圖像出現(xiàn)散焦和幻象，并且目標(biāo)圖像的位置會偏移實(shí)際目標(biāo)位置，帶來定位誤差。因 此，如何實(shí)現(xiàn)未知墻體參數(shù)下的基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)精確定位是穿墻雷達(dá)技術(shù)實(shí)際應(yīng) 用的研究重點(diǎn)。美國Villanova大學(xué)的G. Y. Wang等人提出了兩種方法來解決未知墻體參數(shù)下的 目標(biāo)定位問題，兩種方法根據(jù)在假定的介電常數(shù)不變的條件下，目標(biāo)圖像位置隨墻體厚度 變化的線性軌跡的斜率是由天線陣列的設(shè)置唯一確定的，因此，兩種方法通過移動天線陣 列和改變天線陣列結(jié)構(gòu)來改變天線陣列的設(shè)置，從而得到不同的代表目標(biāo)圖像位置隨墻體 厚度變化的線性軌跡，兩條線性軌跡的交點(diǎn)用來作為估計的目標(biāo)位置。實(shí)際應(yīng)用中，兩種方 法需要人工操作移動天線陣列和改變天線陣列結(jié)構(gòu)，引入了天線位置誤差，降低了目標(biāo)的 定位精度，同時降低了雷達(dá)系統(tǒng)的工作效率和操作人員的安全性，不利于穿墻雷達(dá)實(shí)際應(yīng) 用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種未知墻體參數(shù)下的基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法，實(shí)現(xiàn)穿墻 目標(biāo)有效定位。本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中不需要人工操作來移動天線陣列和改變天線陣列結(jié) 構(gòu)，即在保持固定的天線陣列設(shè)置的條件下，通過使用不同假設(shè)的介電常數(shù)進(jìn)行算法處理獲得目標(biāo)定位結(jié)果，因此，不會引入天線位置誤差，增加了目標(biāo)定位精度，另外，無需人工操 作可以有效地提高穿墻雷達(dá)探測的工作效率和反恐作戰(zhàn)人員的生存能力。本發(fā)明利用了目標(biāo)圖像位置隨墻體厚度線性變化的規(guī)律，假設(shè)墻體真實(shí)厚度為 d，真實(shí)介電常數(shù)為e，成像處理中假定的墻體參數(shù)分別為d+Ad和e+A ￡，圖2為在墻 體介電常數(shù)為e+A ￡時，目標(biāo)圖像位置由于墻體厚度估計誤差A(yù)d造成的偏移示意圖， 此時，點(diǎn)P為采用墻體參數(shù)對(￡+A e，d)形成的目標(biāo)圖像的位置，點(diǎn)q為采用墻體參數(shù) 對(e+A e，d+Ad)形成的目標(biāo)圖像的位置。根據(jù)推導(dǎo)，在假定墻體介電常數(shù)的估計值為 e+A ￡時，目標(biāo)圖像位置q相對于目標(biāo)圖像位置p的偏移量AX和A y隨墻體厚度估計誤 差A(yù)d的變化規(guī)律為Ax = -Ad((e+A O-l)[tan(et0p)+tan(er0p)]⑴ 如圖2所示，式⑴和式⑵中的e^^* ert,p分別為目標(biāo)圖像位置p到發(fā)射陣 列中心和接收陣列中心傳播路徑對應(yīng)的入射角和折射角，仍o./^P^O.p分別為目標(biāo)圖像位置 P到發(fā)射陣列中心和接收陣列中心傳播路徑對應(yīng)的折射角和入射角。在固定天線陣列設(shè)置 的前提下，0tQ,p、er0,p、<P(0，p、代由介電常數(shù)唯一確定。由⑴式與⑵式可知，在假定墻體介電常數(shù)為￡ +A ￡時，目標(biāo)圖像位置的偏移 量AX，Ay隨墻體厚度估計誤差A(yù)d成線性關(guān)系。因此，改變墻體的厚度，目標(biāo)圖像的位 置軌跡為一條直線，該目標(biāo)軌跡直線的斜率為IV由(3)式可知，在固定天線陣列設(shè)置的 前提下，h僅與墻體介電常數(shù)的估計值￡+△ e有關(guān)。因此，重新假設(shè)墻體的介電常數(shù)為 e+A e ‘，然后同樣地改變墻體的厚度，此時目標(biāo)圖像的位置軌跡為另外一條直線，該直 線斜率k/由介電常數(shù)唯一確定。綜上所述，兩種不同介電常數(shù)下的目標(biāo)軌跡直 線斜率是不同的，兩條斜率不同的直線必會相交，本發(fā)明將交點(diǎn)坐標(biāo)作為目標(biāo)定位結(jié)果，即 作為目標(biāo)真實(shí)位置坐標(biāo)的估計值，實(shí)現(xiàn)未知墻體參數(shù)下的基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位， 這是一種未知墻體參數(shù)下的基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法，如圖3所示，包括以下步驟步驟1:根據(jù)常見墻體的介電常數(shù)和厚度范圍，估計一個墻體介電常數(shù)值為、 估計一個墻體厚度值為d'。步驟2 采用步驟1估計的墻體參數(shù)(￡ ‘，d')進(jìn)行BP(后向反射)成像處理， 得到目標(biāo)區(qū)域圖像I。；并對目標(biāo)區(qū)域圖像I。采用恒虛警檢測，得到目標(biāo)區(qū)域圖像I。中的目 標(biāo)個數(shù)T。。步驟3 對步驟2所得的目標(biāo)區(qū)域圖像、按像素值進(jìn)行歸一化，去除低于3dB的像 素值，得到一幅去噪處理后的目標(biāo)區(qū)域圖像L。
步驟4 改變墻體厚度值為d' +Adn，n = 1，2，3，…，N-1，重復(fù)步驟1至步驟3， 得到(N-1)幅去噪處理后的目標(biāo)區(qū)域圖像L。步驟5 將步驟1至步驟4所得的N幅去噪處理后的目標(biāo)區(qū)域圖像L相同像素點(diǎn) 位置的像素值對應(yīng)相加，得到一幅合成的去噪目標(biāo)區(qū)域圖像12;并對N個步驟2中的目標(biāo)區(qū) 域圖像Io中的目標(biāo)個數(shù)L進(jìn)行統(tǒng)計平均，得到檢測的目標(biāo)個數(shù)T。步驟6 采用Radon變換檢測步驟5所得的合成的去噪目標(biāo)區(qū)域圖像12中的直線 成分，擬合出T條直線。步驟7 改變墻體介電常數(shù)值為￡ ‘ +A ￡m，m = 1，2，3，…，M-1，重復(fù)步驟1至 步驟6，得到(M-1)幅合成的去噪目標(biāo)區(qū)域圖像12，每幅合成的去噪目標(biāo)區(qū)域圖像12擬合出 T條直線。步驟8 在步驟1至步驟7所得的M幅合成的去噪目標(biāo)區(qū)域圖像12中，對相同目標(biāo) 的M條擬合直線，求取它們的交點(diǎn)的統(tǒng)計平均值作為T個目標(biāo)的最終定位結(jié)果。需要說明的是1、步驟4中N的選取標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)擬合直線的準(zhǔn)確性和算法處理時間來折中選 取。N越大用來擬合直線的目標(biāo)圖像位置坐標(biāo)就越多，擬合的直線對目標(biāo)圖像位置偏移的描 述越準(zhǔn)確，本發(fā)明的工作性能就越好，但同時要耗費(fèi)一定的處理時間。一般情況下N取值在 6到12之間。2、步驟7中的M的選取標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)目標(biāo)定位結(jié)果的精度和算法處理時間來折中 選取。M越大，目標(biāo)定位精度就越高，本發(fā)明的工作性能就越好，但同時要耗費(fèi)一定的處理時 間。一般情況下M取值在3到6之間。3、步驟4中改變墻體厚度值時，因?yàn)橥ǔw厚度不過半米左右，因此每次墻體 改變的厚度A d最好不超過5厘米。4、步驟7中改變墻體介電常數(shù)時，因?yàn)橥ǔw材料介電常數(shù)在4 16之間，因 此每次墻體改變的介電常數(shù)△ ￡最好不超過3。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明不需要墻體參數(shù)的先驗(yàn)信息，在墻體參數(shù)未知的條件下實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)回波信 號的精確延遲補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)精確定位；同時，本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用場景 下，可將天線陣列固定，無需移動天線陣列，也不需要改變天線陣列設(shè)置條件，完全通過算 法處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位，具有較高的定位精度和較高的工作效率，還能夠確保操作人 員的安全，便于穿墻雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用。


圖1為經(jīng)典BP成像算法處理流程圖。圖2為目標(biāo)圖像在墻體介電常數(shù)為e +A e、墻體厚度估計誤差為Ad時的偏移示 意圖。圖3為本發(fā)明處理流程圖。圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中(￡，dn)，n= 1,2,…，9對應(yīng)的歸一化、去除低于 3dB 的像素值之后的疊加圖像，其中 e =9，d=
5
圖5為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中單目標(biāo)四條擬合直線。其中直線1為設(shè)置墻體介電常數(shù)￡ = 9時的擬合直線，直線2為設(shè)置墻體介電 常數(shù)￡ =6時的擬合直線，直線3為設(shè)置墻體介電常數(shù)￡ = 12時的擬合直線，直線4為 設(shè)置墻體介電常數(shù)￡ =15時的擬合直線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合一個實(shí)際例子給出本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，并給出了處理結(jié)果說明本發(fā) 明的工作性能。本穿墻雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用步進(jìn)頻連續(xù)波，起始頻率fsta,t = 1 X 109hz，截止頻率fend =2X109hz，頻率步進(jìn)Af = 2X106hz，采用31發(fā)31收的天線陣列，收發(fā)天線緊靠墻體放 置，發(fā)射天線從為-1. 5m到1. 5m每隔0. lm均勻分布在31個位置上，接收天線與發(fā)射天線相 隔0. 5m,相應(yīng)地從-lm到2m每隔0. lm均勻分布在31個位置上；人體目標(biāo)位于(0. 6m, 3m) 處。BP成像處理中雷達(dá)回波延遲補(bǔ)償時，墻體介電常數(shù)估計值任意選取￡ =9，墻體 厚度的估計值依次改變?yōu)?d =
， 共遍歷9個估計值，針對每一對墻體參數(shù)對(e，dn)，n = 1,2,…，9得到9幅歸一化、去除 低于3dB像素值的目標(biāo)區(qū)域圖像，將9幅圖像疊加成一幅圖像，如圖4，從圖4可以明顯看 出，目標(biāo)圖像位置偏移軌跡呈現(xiàn)直線形式，與式(1) (2) (3)得到的結(jié)論相符合，可以用來擬 合直線。根據(jù)本發(fā)明的處理流程，依次選取墻體介電常數(shù)估計值為￡ =6、￡ =9、￡ = 12、e = 15，墻體厚度估計值對每個介電常數(shù)均采用d =
，重復(fù)步驟1到步驟7，可以得到4條目標(biāo)軌跡直線，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 結(jié)果如圖5，從圖5中明顯看出四條目標(biāo)軌跡直線兩兩相交于一點(diǎn)，有六個交點(diǎn)，六個交點(diǎn) 坐標(biāo)如下表所示 這六個交點(diǎn)坐標(biāo)相比于目標(biāo)真實(shí)位置(0.6m，3m)有一定的定位誤差，都 是在可以接受的范圍之內(nèi)，但具有一定的波動，因此，對這六個交點(diǎn)坐標(biāo)求得統(tǒng)計 平均坐標(biāo)為(0.67m，3.05m)，并將其作為最終的目標(biāo)定位結(jié)果，綜合定位誤差為
A = ^0.67-(0.6)/+(3.05-3)2 =0.086/ ，綜合定位誤差更具代表性和穩(wěn)定性，并在定位精度要求
范圍之內(nèi)，因此，經(jīng)過本發(fā)明處理得到的統(tǒng)計平均坐標(biāo)可以作為目標(biāo)真實(shí)位置的有效估計值。綜上所述，在穿墻雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對未知墻體的有效補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn) 未知墻體參數(shù)下的目標(biāo)準(zhǔn)確定位，從而獲得穩(wěn)定可靠的目標(biāo)定位結(jié)果。
權(quán)利要求
一種基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法，包括以下步驟步驟1根據(jù)常見墻體的介電常數(shù)和厚度范圍，估計一個墻體介電常數(shù)值為ε′、估計一個墻體厚度值為d′；步驟2采用步驟1估計的墻體參數(shù)(ε′，d′)進(jìn)行BP成像處理，得到目標(biāo)區(qū)域圖像I0；并對目標(biāo)區(qū)域圖像I0采用恒虛警檢測，得到目標(biāo)區(qū)域圖像I0中的目標(biāo)個數(shù)T0；步驟3對步驟2所得的目標(biāo)區(qū)域圖像I0按像素值進(jìn)行歸一化，去除低于3dB的像素值，得到一幅去噪處理后的目標(biāo)區(qū)域圖像I1；步驟4改變墻體厚度值為d′+Δdn，n＝1，2，3，...，N-1，重復(fù)步驟1至步驟3，得到(N-1)幅去噪處理后的目標(biāo)區(qū)域圖像I1；步驟5將步驟1至步驟4所得的N幅去噪處理后的目標(biāo)區(qū)域圖像I1相同像素點(diǎn)位置的像素值對應(yīng)相加，得到一幅合成的去噪目標(biāo)區(qū)域圖像I2；并對N個步驟2中的目標(biāo)區(qū)域圖像I0中的目標(biāo)個數(shù)T0進(jìn)行統(tǒng)計平均，得到檢測的目標(biāo)個數(shù)T；步驟6采用Radon變換檢測步驟5所得的合成的去噪目標(biāo)區(qū)域圖像I2中的直線成分，擬合出T條直線；步驟7改變墻體介電常數(shù)值為ε′+Δεm，m＝1，2，3，…，M-1，重復(fù)步驟1至步驟6，得到(M-1)幅合成的去噪目標(biāo)區(qū)域圖像I2，每幅合成的去噪目標(biāo)區(qū)域圖像I2擬合出T條直線；步驟8在步驟1至步驟7所得的M幅合成的去噪目標(biāo)區(qū)域圖像I2中，對相同目標(biāo)的M條擬合直線，求取它們的交點(diǎn)的統(tǒng)計平均值作為T個目標(biāo)的最終定位結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法，其特征在于，步驟4中所 述N的取值范圍為6到12之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法，其特征在于，步驟7中所 述M的取值范圍為3到6之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法，其特征在于，步驟4中所 述墻體改變的厚度A d不超過5厘米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法，其特征在于，步驟7中所 述墻體改變的介電常數(shù)A e不超過3。
全文摘要
一種基于穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo)定位方法，屬于雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及雷達(dá)目標(biāo)探測中的目標(biāo)定位方法。本發(fā)明包括如下步驟1)確定墻體介電常數(shù)和厚度的初始值(ε′，d′)；2)針對墻體參數(shù)(ε′，d′)進(jìn)行BP成像處理，得到的圖像歸一化后去除低于3dB的像素值；3)改變墻體參數(shù)為(ε′，d+Δdn)，n＝1，2，...，N-1，重復(fù)2)和3)，將N幅去噪處理后的目標(biāo)區(qū)域圖像合成一幅圖像；4)采用Radon變換擬合直線；5)改變墻體介電常數(shù)為ε′+Δεm，m＝1，2，3，...，M-1，重復(fù)2)到5)；6)對相同目標(biāo)的擬合直線，求取它們交點(diǎn)的平均值作為目標(biāo)最終定位結(jié)果。本發(fā)明可在墻體參數(shù)未知條件下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確定位；應(yīng)用時無需移動天線和改變天線設(shè)置條件，通過算法處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位，具有較高的定位精度和工作效率，還能確保操作人員的安全。
文檔編號G01S13/89GK101858975SQ20091006034
公開日2010年10月13日 申請日期2009年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日
發(fā)明者孔令講, 楊建宇, 楊曉波, 賈勇 申請人:電子科技大學(xué)