專利名稱：一種適用于穿墻雷達成像的多徑幻象抑制方法
技術領域：
本發明屬于穿墻雷達成像技術領域，涉及目標多徑幻象抑制技術。
背景技術：
穿墻雷達成像技術主要實現建筑布局成像和隱蔽目標成像兩個功能，分別用來形成建筑布局全景圖像和隱蔽目標圖像。其中，隱蔽目標圖像主要用以確定目標位置、類型與狀態，因此，高質量的隱蔽目標圖像是保證探測可靠性的必要條件。在建筑物的封閉探測環境中，墻體造成的目標多徑回波干擾嚴重，成像過程中產生大量的多徑幻象，無法形成高質量的隱蔽目標圖像。為了解決多徑幻象干擾問題，國內外許多科研機構開展了多徑幻象抑制方法的研究工作。首先，美國俄亥俄州立大學的研究人員建立了一種基于Floquet模式的多徑傳播模型，采用時域反轉成像算法將目標多徑回波匯聚到目標位置，從而減少多徑幻象以形成較高質量的目標圖像。由于該方法采用的電磁傳播模型屬于平面波傳播模型，而穿墻成像是近場探測，電磁波傳播屬于球面波傳播，因此，該方法難以在實際的建筑物封閉環境下有效地抑制多徑幻象。另外，美國維拉諾瓦大學的研究人員提出了兩種多徑幻象抑制方法，第一種基于多視角隱蔽目標圖像中多徑幻象隨機分布的特點，采用多視角圖像融合技術有效抑制不同視角圖像中的多徑幻象，但是該方法需要沿多個視角進行成像探測，增加了探測復雜度，而且實際應用中復雜的建筑環境通常不具備實現多視角探測的條件，因此該方法存在應用的局限性；第二種基于墻體鏡面反射的基本假設建立了多徑傳播模型，計算獲得多徑幻象出現的圖像區域后，將該區域像素搬移疊加到目標圖像區域，實現對多徑幻象的抑制，但是該方法會造成處于多徑幻象區域的目標圖像丟失。綜上所述，多徑幻象干擾是穿墻雷達隱蔽目標成像面臨的一個重要問題，直接影響到形成的隱蔽目標圖像的質量，不利于準確判斷建筑物內部隱蔽目標的分布情況，因此，研究適用于穿墻雷達成像的多徑幻象抑制方法具有重要的應用價值。
發明內容
本發明提供一種適用于穿墻雷達成像的多徑幻象抑制方法，首先，基于墻體鏡面反射假設下的多徑傳播模型，分析得到目標多徑回波分布具有方向依賴性的特點；然后，基于目標多徑回波分布的方向依賴性，在穿墻成像全孔徑天線陣列中分離提取兩個子孔徑天線陣列，兩組子孔徑天線陣列回波分別包含了不同的目標多徑回波，進而分別形成兩幅包含不同多徑幻象的子孔徑目標圖像，同時全孔徑天線陣列回波形成一幅包含全部多徑幻象的全孔徑目標圖像；最后，基于三幅目標圖像中多徑幻象的分布差異性，通過圖像聯乘融合全孔徑圖像與兩幅子孔徑圖像，實現對多徑幻象的有效抑制，提高圖像信雜噪比，形成一幅高質量的目標圖像。目標多徑回波分布的方向依賴性是指:由于墻體鏡面反射特性，某一墻體造成的目標多徑回波隨著目標、墻體和天線三者之間相對位置的變化，集中于某一個子孔徑的天線回波中，其余子孔徑的天線回波中不包含此多徑回波。對應地，目標回波存在于整個全孔徑的天線回波中，不具有方向依賴性。本發明技術方案如下:一種適用于穿墻雷達成像的多徑幻象抑制方法，處理流程如圖1所示，包括以下步驟:對于圖2所示典型的穿墻雷達成像場景，天線陣列包含N個均勻分布的收發一體天線，要求:首先，天線陣列長度盡量接近建筑物橫向墻體長度L ;其次，天線陣列與最近墻體的距離D要求大于等于建筑物縱向墻體長度W的五分之一，即D > W/5 ;天線陣列收集的全孔徑回波包含N個脈沖信號,表不為SOnXSiOii), S2 (m),…，Sn (m)]。步驟1:提取子孔徑回波。如圖2所示，目標多徑回波分布的方向依賴性體現在:墻體4造成的多徑回波不會存在于左側子孔徑I的天線回 波中，而墻體2造成的多徑回波不會存在于右側子孔徑2的天線回波中。因此，子孔徑提取主要實現從全孔徑回波S(m) = [S1(Hl)，S2(Hl) ,-,SnOh)]中分離提取出包含目標不同多徑回波的子孔徑I回波和子孔徑2回波。子孔徑I回波提取步驟如下:步驟1-1:初始化P=2，選取S(m)中前P個信號[SiOnhS ，…，SP(m)]，形成圖像 I1 (X，Y)。步驟1-2:對圖像I1(XJ)進行二維恒虛警檢測，形成檢測后的二值化圖像DI1 (X，Y)。步驟1-3:搜索圖像DI1 (X，Y)中連通域的數目，作為目標圖像和多徑幻象的數目，連通域是指相鄰的像素值為I的像素單元的集合。步驟1-4:令P=P+1，P < N，重復步驟1_1至步驟1_3，若連通域數目發生變化，則子孔徑I回波為P (m) = [S1OiI), S2(m)，...，Sim(HI)];若連通域數目未發生變化，則進入下一步。步驟1-5:令P=P+1，P ( N，重復步驟1-1至步驟1-4。子孔徑2回波提取步驟如下:步驟1-6:初始化 Q=2，選取 S (m)中后 Q 個信號[SN_Q+1 (m)，SN_Q+2 (m)，...，Sn (m)]，形成圖像I2 (X，Y)。步驟1-7:對圖像I2(X，Y)進行二維恒虛警檢測，形成檢測后的二值化圖像DI2(X，Y)。步驟1-8:搜索圖像DI2 (X，Y)中連通域的數目，作為目標圖像的數目。步驟1-9:令Q=Q+1, Q ( N，重復步驟2_1至步驟2_3，若連通域數目發生變化，則子孔徑2回波為Q (m) = [SN_Q+2 (m)，SN_Q+3 (m)，…，Sn (m)];若連通域數目未發生變化，進入下一
止/J/ O步驟1-10:令Q=Q+1，Q ( N，重復步驟1-6至步驟1-9。步驟2:分孔徑成像。對提取的兩組子孔徑回波P (m)和Q (m)，通過后向投影算法，分別形成兩幅子孔徑目標圖像PI (X，Y)和QI(X，Y);同樣，對全孔徑回波S (m)，通過后向投影算法形成一幅全孔徑目標圖像SI (X，Y)。由于回波P(m)不包含墻體4造成的多徑回波，而回波Q(m)不包含墻體2造成的多徑回波，因此，圖像PI (X，Y)和QI(X，Y)中存在不同的多徑幻象。由于回波S(m)包含墻體4和墻體2造成的多徑回波，因此，圖像SI (X，Y)同時包含圖像PI (X，Y)和QI (X，Y)中不同的多徑幻象。步驟3:圖像聯乘融合。分別對三幅圖像PI (X，Y)、QI (X，Y)和SI (X，Y)進行歸一化處理，由于三幅圖像中多徑幻象的分布存在差異性，因此，通過圖像聯乘融合能夠有效抑制墻體造成的多徑幻象，形成高質量的目標圖像I(x，Y)。圖像聯乘融合如式(I)所示:I (x, y) =PI (x, y) X QI (x, y) X SI (x, y) (I)其中，I(X，y)、PI(X，y)、QI(X，y)和SI (x, y)分別為 I (X，Y)、PI (X，Y)、QI (X，Y)和SI (X, Y)中位于(x，y)處的像素單元，遍歷所有像素單元形成目標圖像I(x，Y)。需要說明的是:在步驟I中，未針對墻體3造成的多徑回波進行子孔徑提取，原因有二:首先，產生的多徑幻象不在成像范圍之內，即超出建筑物內部區域，不會對成像范圍內的目標圖像造成影響；其次，墻體3造成的多徑回波不存在方向依賴性，即存在于全孔徑回波中，無法提取不包含此多徑回波的子孔徑回波。本發明的有益效果是:本發明提出了封閉建筑物中目標多徑回波分布具有方向依賴性的特點，基于此特征設計了在穿墻成像全孔徑天線回波中，分離提取兩組包含不同多徑回波的子孔徑天線回波的方法，基于分別形成的全孔徑目標圖像和兩幅子孔徑目標圖像中多徑幻象的差異性，通過圖像聯乘融合三幅目標圖像，實現了對多徑幻象的有效抑制，提高了圖像信雜噪比，形成了一幅高質量的目標圖像。因此，本發明能夠保證穿墻雷達在封閉建筑物探測環境中，具備隱蔽目標高質量成像的能力，提升了穿墻雷達成像探測的實用性。
圖1為多徑幻象抑制方法處理流程圖。圖2為穿墻雷達成像場景示意圖。圖3為穿墻雷達成像仿真場景示意圖。圖4為子孔徑I回波成像結果。圖5為子孔徑2回波成像結果。圖6為全孔徑回波成像結果。圖7為圖5、圖6和圖7聯乘融合后結果。
具體實施例方式下面根據一個MATLAB仿真例子給出本發明的具體實施方式
。仿真場景如圖3所示，采用41個收發一體天線陣列距離墻體4m且平行墻體均勻擺放，天線間距為0.5m，天線依次進行信號收發，仿真信號為載頻1.2GHz、帶寬IGHz的超寬帶Sinc脈沖信號。房間長寬均為20m，四面墻體的參數相同，厚度為0.2m，相對介電常數為8.6。設置單個目標位于(-4m, 14m)處。根據本發明的處理步驟，首先，根據步驟I中子孔徑回波提取方法，獲得的子孔徑I回波為第29個到第41個天線的回波，其中不包含左側墻體造成的目標多徑回波；而獲得的子孔徑2回波為第I個到第5個天線的回波，其中不包含右側墻體造成的目標多徑回波。然后，對于兩組子孔徑回波，分別采用后向投影算法形成兩幅子孔徑目標圖像和一幅全孔徑目標圖像，如圖4、圖5和圖6所示。由于子孔徑回波包含不同的多徑回波，因此，圖4中僅包含右側墻體造成的多徑幻象1，圖5中僅包含三幅成像結果如圖5所示。而全孔徑回波形成的圖6同時包含了多徑幻象I和2。最后，通過圖像聯乘融合將圖4、圖5和圖6融合形成一幅高質量的目標圖像，如圖7所示，多徑幻象得到了有效抑制，提升了圖像信雜噪比，驗證了本發明的正確性。
權利要求
1.一種適用于穿墻雷達成像的多徑幻象抑制方法，包括以下步驟: 穿墻雷達成像的天線陣列包含N個均勻分布的收發一體天線，要求:首先，天線陣列長度盡量接近建筑物橫向墻體長度L ;其次，天線陣列與最近墻體的距離D要求大于等于建筑物縱向墻體長度W的五分之一，即W/5 ;天線陣列收集的全孔徑回波包含N個脈沖信號，表示為 S (m) = [S1(Iii), S2 (m),…，Sn (m)]； 步驟1:提取子孔徑回波； 從全孔徑回波S (Hi) = LS1 (m)，S2 (m)，…，Sn (m)]中分離提取出包含目標不同多徑回波的子孔徑I回波和子孔徑2回波； 子孔徑I回波提取步驟如下: 步驟1-1:初始化P=2，選取S(m)中前P個信號[S1On), S2(m)，"^SpOh)],形成圖像I1(XJ); 步驟1-2:對圖像I1(Xj)進行二維恒虛警檢測，形成檢測后的二值化圖像DI1(Xj)；步驟1-3:搜索圖像DI1 (X，Y)中連通域的數目，作為目標圖像和多徑幻象的數目，連通域是指相鄰的像素值為I的像素單元的集合； 步驟1-4:令P=P+1，P ( N，重復步驟1-1至步驟1-3，若連通域數目發生變化，則子孔徑I回波為P (m) = [S1 (m)，S2 (m)，…，Sim (m)];若連通域數目未發生變化，則進入下一步；步驟1-5:令P=P+1，P ( N，重復步驟1-1至步驟1-4 ； 子孔徑2回波提取步驟如下: 步驟1-6:初始化Q=2，選取S (m)中后Q個信號[SN_Q+1 (m)，SN_Q+2 (m)，...，Sn (m)]，形成圖像 I2 (X，Y); 步驟1-7:對圖像I2 (X，Y)進行二維恒虛警檢測，形成檢測后的二值化圖像DI2 (X，Y)； 步驟1-8:搜索圖像DI2 (X，Y)中連通域的數目，作為目標圖像的數目； 步驟1-9:令Q=Q+1，QS N，重復步驟2-1至步驟2_3，若連通域數目發生變化，則子孔徑2回波為Q (m) = [SN_Q+2 (m)，SN_Q+3 (m)，…，Sn (m)];若連通域數目未發生變化,進入下一步；步驟1-10:令Q=Q+1, Q ( N，重復步驟1-6至步驟1-9 ； 步驟2:分孔徑成像； 對提取的兩組子孔徑回波P (m)和Q (m)，通過后向投影算法，分別形成兩幅子孔徑目標圖像PI (X，Y)和QI(X，Y);同樣，對全孔徑回波S (m)，通過后向投影算法形成一幅全孔徑目標圖像SI (X，Y)； 步驟3:圖像聯乘融合； 分別對三幅圖像PI (X，Y)、QI (X，Y)和SI (X，Y)進行歸一化處理，由于三幅圖像中多徑幻象的分布存在差異性，因此，通過圖像聯乘融合能夠有效抑制墻體造成的多徑幻象，形成高質量的目標圖像I (X，Y);圖像聯乘融合如式(I)所示:I (X，y) =PI (X，y) XQI (x, y) XSI (x, y) (I)其中，I (χ，y)、PI (X，y)、QI (x, y)和 SI (x, y)分別為 I (X，Y)、PI (X，Y)、QI (X，Y)和SI (X, Y)中位于(x，y)處的像素單元，遍歷所有像 素單元形成目標圖像I(X，Y)。
全文摘要
一種適用于穿墻雷達成像的多徑幻象抑制方法，屬于穿墻雷達成像技術領域。首先，基于目標多徑回波分布的方向依賴性，在穿墻成像全孔徑回波中分別提取兩個子孔徑回波，兩個子孔徑回波分別包含了不同的目標多徑回波；然后，兩個子孔徑回波分別形成兩幅包含不同多徑幻象的子孔徑目標圖像，同時全孔徑回波形成一幅包含全部多徑幻象的全孔徑目標圖像；最后，基于三幅目標圖像中多徑幻象的分布差異性，通過圖像聯乘融合全孔徑圖像與兩幅子孔徑圖像，實現對多徑幻象的有效抑制，提高圖像信雜噪比，形成一幅高質量的目標圖像。因此，本發明能夠保證穿墻雷達在封閉建筑物探測環境中，具備隱蔽目標高質量成像的能力，提升了穿墻雷達成像探測的實用性。
文檔編號G01S7/36GK103197289SQ20131011406
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者孔令講, 賈勇, 李志希, 劉劍剛, 楊曉波 申請人:電子科技大學