一種穿墻雷達多徑雜波抑制方法

專利名稱：一種穿墻雷達多徑雜波抑制方法
技術領域：
本發明屬于穿墻雷達技術領域，特別涉及穿墻雷達成像中多徑雜波抑制技術。
背景技術：
多徑雜波指的是無線電信號從發射天線經過多個不同的信道路徑抵達接收天線的傳播現象。由于穿墻雷達需要對墻體障礙物后的封閉建筑物進行透視探測，受到建筑物墻體反射電磁波的干擾，存在嚴重的多徑雜波。多徑雜波會在兩個方面對穿墻雷達的探測性能產生影響，第一，多徑雜波會造成目標回波能量衰弱，降低目標回波信噪比；第二，多徑雜波會產生虛假目標，干擾雷達系統的正常工作。因此，穿墻雷達中多徑雜波抑制能夠有效提高雷達探測性能，是穿墻雷達技術的一個重要研究方向。目前，穿墻雷達多徑雜波抑制方法是在圖像域中實現的，通過處理多徑雜波形成的多徑幻象達到對多徑雜波的抑制。第一，根據多徑雜波的形成特點，對多徑雜波進行直接的抑制，消除其對雷達系統的影響。美國維拉諾瓦大學采用多視角圖像融合算法對多徑雜波實現了良好抑制，因為雷達在不同的位置對目標區域成像所形成的多徑雜波信道不同，所以在圖像域中多徑雜波所形成的虛假目標的位置不同，通過多視角成像及圖像融合的方式對多徑雜波進行盲處理，但多視角探測存在操作復雜、易引入測量誤差等問題，而且實際探測環境通常不具備多視角探測的條件。第二，對運動目標相應多徑雜波進行復用，這樣不僅消除了多徑雜波的影響，而且會降低多徑信道衰落的影響，提高目標回波的信噪比。對人體多徑回波造成的圖像散焦問題，法國尼斯大學采用TRM (時間反轉鏡像)技術對多徑回波進行重聚焦，解決圖像散焦問題，實驗測試對圖像散焦的抑制效果有限。美國的維拉諾瓦大學通過復用多徑雜波達到提高信噪比的作用，甚至可以復用多徑雜波用單發單收雷達對目標進行定位，但是容易造成真實目標的丟失，在實際工程應用中效果有限。綜上所述，基于成像的多徑雜波處理方法在實際應用中具有很大的局限性。

發明內容
本發明提供一種穿墻雷達多徑雜波的抑制方法。根據墻體和雷達的相對位置關系，分析并預測任何位置目標所產生的多徑雜波在回波上所處的距離延遲范圍，以甄別距離向上的多徑雜波和真實目標，最終達到降低虛警概率，提高雷達探測性能的作用。本發明基于單發單收天線配置對穿墻雷達的回波數據進行檢測，提取運動目標的距離信息，同時抑制多徑雜波對雷達系統的干擾，提高雷達系統的探測性能。因此，本發明首先采用運動目標顯示(MTI)濾波抑制墻體回波等強靜止雜波的干擾，凸顯運動目標的回波并且進行單元平均恒虛警(CA-CFAR)檢測；其次在距離向上凝聚提取檢測后真實目標與多徑雜波的距離延遲信息；然后，利用墻體位置信息及檢測后的目標距離延遲預測相對應的多徑信道的距離延遲；最后，通過所預測的多徑信道的距離延遲范圍對檢測后的目標進行分離，甄別出多徑雜波并對其進行抑制。通過以上操作能夠顯著提高雷達系統的檢測性能，抑制多徑雜波對雷達系統的影響。
本發明技術方案如下:—種穿墻雷達多徑雜波的抑制方法，處理流程如圖1所示，包括以下步驟:步驟1:MTI濾波。對回波距離向平面進行MTI (運動目標顯示)濾波，即將多普勒頻率分量在零附近的回波信號濾除掉，得到抑制包括墻體在內的固定目標雜波后任意一個周期內距離向的數據向量A(M)，其中M為距離單元總數。步驟2:恒虛警檢測。對數據向量A(M)進行單元平均恒虛警檢測(CA-CFAR)。其中，待測數據單元對應的檢測門限為a =Q(Pfa-1M)，pfa為恒虛警概率，q為待測數據單元周圍參考單元的個數，形成二值化的數據向量Det (M)。步驟3:距離延遲提取。提取數據向量Det(M)中每個真實目標回波和其對應多徑雜波的距離延遲信息。首先對數據向量Det(M)進行中值濾波，去除檢測后的高頻噪點；然后對數值為I的相鄰距離單元進行凝聚(距離單元相鄰或十分相近的目標視為一個目標)，估計出目標和其相應多徑雜波的距離延遲，得到距離向量R(N)，其中N表示檢測出的目標個數。步驟4:距離延遲預測。預測距離向量R(N)中每一個元素作為目標時相應的多徑信道距離延遲的范圍；具體包括以下步驟:
步驟4-1:距離向量R(N)中的任意一個目標元素距離延遲為rn(n=l，……，N)，則該目標應當位于以收發天線為焦點、焦距2c為收發天線的間距、定長2a=rn的近似橢圓上的任意位置。如果以收發天線的中點作為原點建立直角坐標系，則該橢圓的方程為X2/a2+y2/(a2-c2)=l (其中(x，y)屬于探測場景內的點)。步驟4-2:假設電磁波在墻壁處的反射為鏡面反射并且利用先驗的墻體位置信息，由電磁波傳播的幾何原理可以預測運動目標在場景任意位置處的多徑信道距離延遲。因此步驟4-1中目標元素在每個橢圓位置對應的多徑信道距離延遲為ln(x，y) (ln(x, y)是關于X和y的一個函數)。步驟4-3:預測目標多徑信道的距離延遲In(x，y)的取值范圍，就是對含有約束條件x2/a2+y2/(a2-c2)=l的目標函數ln(x，y)求解最大最小值。由于約束條件和目標函數都是解析函數，能夠通過拉格朗日乘數法求得目標對應多徑信道距離延遲的最大值Cax和最小值/m，因此，目標對應多徑信道距離延遲的估計范圍在/和/廠之間。步驟4-4:對該距離向量R(N)中每一個元素重復步驟4-1至步驟4-3，則可以得到預測任意目標對應多徑信道距離延遲范圍的兩個向量Lmax(N)和Lmin(N)。步驟5:多徑雜波分離與剔除。 根據所預測的目標對應多徑信道距離延遲范圍的向量Lmax (N)和Lmin (N)，將距離向量R(N)中的多徑雜波進行分離:首先通過先驗的墻體位置信息，去除距離向量R(N)中位于探測場景之外的多徑雜波；然后將距離向量R(N)中某個元素Ti之后滿足/的
元素h認定是對應于&的多徑干擾，并將其剔除，其中i=l，2，…N，且j>i ；(因元素rj滿足r ^ r,.< Ir，則元素r」落在ri對應的多徑信道距離延遲之內，故可以認定r」是對應于ri的多徑干擾);在距離向量R(N)中所有和多徑干擾全部剔除后，得到剩余真實目標的距離延遲向量R’(N’)，其中N’為剩余真實目標個數。本發明的有益效果是:本發明聯合應用MTI對消抑制固定雜波、一維平均恒虛警檢測CA-CFAR檢測、距離向凝聚提取回波距離延遲信息、預測多徑信道的距離延遲、對檢測后的目標和多徑雜波進行分離并且剔除多徑雜波，抑制了墻體等強固定雜波，增強了雷達對目標的測距能力，消除了多徑雜波對雷達系統檢測性能的影響，從而提高了雷達系統對真實目標的檢測概率。因此，本發明具有抗干擾性強和提高雷達檢測概率的優勢，具有很強的實用性。


圖1為本發明的流程圖。圖2為典型的穿墻雷達運動人體探測場景示意圖。圖3距離向平面MTI平均對消結果。圖4 一維恒虛警檢測后的距離向平面圖。圖5中值濾波后距離向平面圖。圖6凝聚之后每個周期回波距離延遲圖。圖7多徑雜波的回波信道模型示意圖。圖8認定為目標的距離延遲圖。
具體實施例方式下面結合一個典型實驗例子給出本發明的具體實施方式
。穿墻雷達對運動人體目標探測的實驗場景圖如圖2所示，穿墻雷達系統采用單發單收介質天線，收發天線間距為0.5m，發射信號為IGHz 2GHz的步進頻率連續波信號，運動人體目標在第二堵墻之后做往返運動，接收天線共采集200個步進頻率脈沖回波信號，墻體為普通粘土磚墻，墻體厚度為50cm,每堵墻的寬度為2m,相鄰兩堵墻的間距為5m。對快慢時間數據矩陣進行MTI平均對消抑制固定雜波，輸出結果如圖3所示，墻體回波等固定雜波得到較好抑制。通過MTI濾波處理，能夠較為明顯地觀察到運動人體回波信號，場景中只有一個運動人體，但是卻有三條很明顯的運動人體回波，可以初步斷定其中存在著運動目標多徑干擾的影響，會使雷達系統的檢測性能降低。接下來，采用虛警概率為10_3的CA-CFAR檢測器進行檢測處理，并進行二值化處理。其中，CA-CFAR檢測器的保護數據單元為檢測數據單元兩端的40個數據單元，參考數據單元為保護單元周圍的200個數據單元。得到如圖4所示的檢測后的結果。然后，對檢測后的數據矩陣進行9X9的中值濾波，去除椒鹽噪聲提高圖像質量。得到如圖5所示的圖像。對權值為一且相鄰近的距離單元進行凝聚，估計出每個回波的距離延遲，得到每個周期目標的距離延遲矩陣R(200，4)，如圖6所示。然后，利用墻體位置信息和電磁波在墻壁處的反射為鏡面反射建立場景中目標在任意位置處多徑回波的模型(如圖7所示)，path-B為場景中任意位置目標多徑回波信道，此時可以對目標的多徑雜波距離延遲進行預測。最后，根據目標多徑信道距離延遲范圍的預測結果，對距離矩陣R(200，4)中的多徑雜波進行分離，將被認定為多徑雜波的對其進行剔除，得到如圖8所示檢測后的結果。綜上所述，本方法能夠有效消除多徑雜波的干擾，提高穿墻雷達系統的檢測性能，適于應用在實際穿墻雷達運動人體探測中。
權利要求
1.一種穿墻雷達多徑雜波的抑制方法，包括以下步驟: 步驟I =MTI濾波； 對回波距離向平面進行運動目標顯示的MTI濾波，即將多普勒頻率分量在零附近的回波信號濾除掉，得到抑制包括墻體在內的固定目標雜波后任意一個周期內距離向的數據向量A(M),其中M為距離單元總數； 步驟2:恒虛警檢測； 對數據向量A(M)進行單元平均恒虛警檢測；其中，待測數據單元對應的檢測門限為a =q(Pfa_lq-l)，Pfa為恒虛警概率，q為待測數據單元周圍參考單元的個數，形成二值化的數據向量Det (M)； 步驟3:距離延遲提取； 提取數據向量Det(M)中每個真實目標回波和其對應多徑雜波的距離延遲信息；首先對數據向量Det (M)進行中值濾波，去除檢測后的高頻噪點；然后對數值為I的相鄰距離單元進行凝聚，估計出目標和其相應多徑雜波的距離延遲，得到距離向量R(N)，其中N表示檢測出的目標個數； 步驟4:距離延遲預測； 預測距離向量R(N)中每一個元素作為目標時相應的多徑信道距離延遲的范圍；具體包括以下步驟: 步驟4-1:距離向量R(N)中的任意一個目標元素距離延遲為rn(n=l，……，N)，則該目標應當位于以收發天線為焦點、焦距2c為收發天線的間距、定長2a=rn的近似橢圓上的任意位置；如果以收發天線的中點作為原點建立直角坐標系，則該橢圓的方程為x2/a2+y2/(a2_c2)=l，其中(x，y)屬于探測場景內的點； 步驟4-2:假設電磁波在墻壁處的反射為鏡面反射并且利用先驗的墻體位置信息，由電磁波傳播的幾何原理可以預測運動目標在場景任意位置處的多徑信道距離延遲；因此步驟4-1中目標元素在每個橢圓位置對應的多徑信道距離延遲為In(x，y)，其中In(x，y)是關于X和y的一個函數； 步驟4-3:預測目標多徑信道的距離延遲ln(x，y)的取值范圍，就是對含有約束條件x2/a2+y2/(a2-c2)=l的目標函數ln(x，y)求解最大最小值；由于約束條件和目標函數都是解析函數，能夠通過拉格朗日乘數法求得目標對應多徑信道距離延遲的最大值4胃:和最小值/ ■，因此，目標對應多徑信道距離延遲的估計范圍在/r*和rx之間； 步驟4-4:對該距離向量R(N)中每一個元素重復步驟4-1至步驟4-3，則可以得到預測任意目標對應多徑信道距離延遲范圍的兩個向量Lmax(N)和Lmin(N)； 步驟5:多徑雜波分離與剔除； 根據所預測的目標對應多徑信道距離延遲范圍的向量Lmax(N)和Lmin(N)，將距離向量R(N)中的多徑雜波進行分離:首先通過先驗的墻體位置信息，去除距離向量R(N)中位于探測場景之外的多徑雜波；然后將距離向量r(n)中某個元素ri之后滿足./rq<rx的元素r」認定是對應于&的多徑干擾，并將其剔除，其中i=l，2，…N，且j>i ;在距離向量R(N)中所有和多徑干擾全部剔除后，得到剩余真實目標的距離延遲向量R’(N’)，其中N’為剩余真實目標個數。
全文摘要
一種穿墻雷達多徑雜波的抑制方法，屬于穿墻雷達技術領域。本發明首先采用運動目標顯示(MTI)濾波抑制墻體回波等強靜止雜波，凸顯運動目標的回波并且進行單元平均恒虛警(CA-CFAR)檢測；其次在距離向上凝聚提取檢測后真實目標與多徑雜波的距離延遲信息；然后，利用墻體位置信息及檢測后的目標距離延遲預測相對應的多徑信道的距離延遲；最后，通過所預測的多徑信道的距離延遲范圍對檢測后的目標進行分離，甄別出多徑雜波并對其進行抑制。本發明基于單發單收天線配置對穿墻雷達的回波數據進行檢測，提取運動目標的距離信息，同時抑制多徑雜波對雷達系統的干擾，能夠顯著提高雷達系統的檢測性能，抑制多徑雜波對雷達系統的影響。
文檔編號G01S7/36GK103197290SQ20131011428
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, 張鵬, 劉劍剛, 楊曉波 申請人:電子科技大學