一種穿墻雷達(dá)三維成像后多目標(biāo)后墻一次多徑抑制方法與流程

本發(fā)明涉及穿墻雷達(dá)三維成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及后墻一次多徑目標(biāo)的多徑假目標(biāo)的抑制方法。

背景技術(shù)：

穿墻雷達(dá)三維成像技術(shù)主要是利用電磁波穿透建筑物墻體等障礙物，對(duì)密閉的建筑物內(nèi)的靜止或移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行三維檢測(cè)、定位和識(shí)別，同時(shí)對(duì)建筑物布局進(jìn)行成像。電磁波穿透建筑物墻體后，在密閉建筑物空間內(nèi)并不沿著一條路線傳播，而是存在許多不同的傳播路徑，其中從發(fā)射雷達(dá)打到目標(biāo)然后直接反射回接收雷達(dá)的路徑稱為直接路徑，由于建筑物內(nèi)存在墻體、天花板、地板等反射面，從雷達(dá)發(fā)射出的電磁波會(huì)在墻體等表面進(jìn)行一次或者多次反射后再經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射回接收雷達(dá)，或者先打到目標(biāo)，然后再反射到內(nèi)墻面，最后反射回接收雷達(dá)，這就會(huì)造成雷達(dá)收到多次反射電磁波，在雷達(dá)成像中表現(xiàn)為多徑假目標(biāo)。由于電磁波在每一次墻面反射時(shí)強(qiáng)度都會(huì)衰減，所以二次及高次多徑的強(qiáng)度都很弱，因此通常只考慮一次多徑。多徑假目標(biāo)會(huì)導(dǎo)致虛警，嚴(yán)重影響穿墻雷達(dá)的成像質(zhì)量。因此，密閉建筑物中穿墻成像多徑幻象抑制十分重要。

當(dāng)前，關(guān)于多徑干擾抑制方法中，文獻(xiàn)“z.x.li,y.jia,etal,“anovelapproachofmulti-pathsuppressionbasedonsub-apertureimaginginthrough-wall-radarimaging”,ieeeradarconference,2013.”提出了一種基于子孔徑成像的多徑抑制方法，該方法基于多徑位置隨著天線陣列移動(dòng)而移動(dòng)，但目標(biāo)位置始終不變的多徑特性，通過(guò)將不同天線陣列的雷達(dá)成像進(jìn)行相乘融合來(lái)達(dá)到多徑抑制的目的。在基于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的多徑抑制方法(文獻(xiàn)setlurp,allig,nuzzol.multipathexploitationinthrough-wallradarimagingviapointspreadfunctions[j].ieeetransactiononimageprocessing.2013.)中，其把多徑假目標(biāo)反推并與其對(duì)應(yīng)的真實(shí)目標(biāo)關(guān)聯(lián)，將多徑假目標(biāo)的幅度值轉(zhuǎn)而疊加到該真實(shí)目標(biāo)上，在抑制多徑幅度的同時(shí)能夠提高目標(biāo)位置的信雜比。而在一種基于壓縮感知的多徑抑制方法(文獻(xiàn)j.wang,p.wang,y.li,q.songandz.zhou,“amultipathsuppressiontechniqueforthrough-the-wallradar”,ieeeinternationalconferenceonultra-wideband,2013.)中，其將雷達(dá)回波看作是目標(biāo)空間對(duì)環(huán)境傳輸函數(shù)的映射，因此在已知建筑物環(huán)境的情況下，可以重構(gòu)傳輸函數(shù)，對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行最小范數(shù)反轉(zhuǎn)，從而重構(gòu)真實(shí)雷達(dá)圖像，避免多徑假目標(biāo)。上述已有多徑干擾抑制方法只能夠應(yīng)對(duì)穿墻雷達(dá)二維成像對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景，當(dāng)處理三維圖像時(shí)，上述方法并不適用。因此，研究密閉空間中三維成像的多目標(biāo)多徑干擾抑制方法在穿墻雷達(dá)成像領(lǐng)域具有重要的價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種適用于密閉建筑物空間三維成像多目標(biāo)后墻一次多徑抑制方法，本發(fā)明首先將原始的雷達(dá)三維圖像進(jìn)行歸一化，然后通過(guò)門限檢測(cè)將其進(jìn)行二值化，再對(duì)該圖像進(jìn)行三維目標(biāo)提取，得到圖像中所有物體(包括真實(shí)目標(biāo)和多徑幻想)的三維重心坐標(biāo)；其次基于多徑的產(chǎn)生原理使用相關(guān)匹配方法分析所有物體中兩兩元素間的關(guān)聯(lián)性，判斷出目標(biāo)區(qū)域和多徑區(qū)域；最后在保留目標(biāo)的同時(shí)將多徑假目標(biāo)剔除，從而實(shí)現(xiàn)了多徑抑制。

本發(fā)明的一種穿墻雷達(dá)三維成像后多目標(biāo)后墻一次多徑抑制方法，包括以下步驟：

步驟1：三維圖像中物體提取。

對(duì)原始雷達(dá)三維圖像進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化后的原始雷達(dá)三維圖像iorg(·)，然后對(duì)圖像iorg(·)進(jìn)行二值化，即設(shè)置門限tr，用tr對(duì)圖像iorg(·)進(jìn)行門限檢測(cè)得到二元圖像ib(·)，對(duì)圖像ib(·)進(jìn)行三維成像物體提取，提取出所有物體的重心坐標(biāo)，并計(jì)算各重心坐標(biāo)到陣列中心的歐式距離，對(duì)所有物體按照歐式距離進(jìn)行升序排序并按序編號(hào)，得到圖像ib(·)的所有物體的距離矩陣p＝[p1p2…pk]，其中k表示圖像ib(·)中的物體個(gè)數(shù)，pk表示第k個(gè)物體。

步驟2：相關(guān)匹配系數(shù)的計(jì)算。

計(jì)算全部k個(gè)物體到所有天線陣元的直接傳播距離：

其中

其中，m,n分別為天線收發(fā)陣元個(gè)數(shù)，第m個(gè)發(fā)射天線位于點(diǎn)tm，第n個(gè)接收天線位于點(diǎn)rn，εr為前墻相對(duì)介電常數(shù)，ak,t和bk,t為電磁波沿直接路徑傳播時(shí)在前墻后表面的折射點(diǎn)，為各點(diǎn)間對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度值，點(diǎn)pk則對(duì)應(yīng)第k個(gè)物體的重心。

其次計(jì)算全部k個(gè)物體到所有天線陣元的多徑傳播距離：

其中

其中cm,t為電磁波沿多徑路徑傳播時(shí)在前墻后表面的折射點(diǎn)，點(diǎn)f為電磁波沿多徑路徑傳播時(shí)在后墻前表面的反射點(diǎn)。為各點(diǎn)間對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度值。

定義第j個(gè)物體的直接傳播距離和第i個(gè)物體的多徑傳播距離之間的相關(guān)匹配系數(shù)為

可知的取值范圍為(0,1]，且當(dāng)取到一個(gè)較大的接近1的值時(shí)，即說(shuō)明第j個(gè)物體的直接傳播距離和第i個(gè)物體的多徑傳播距離匹配程度很高，相關(guān)性很強(qiáng)，則可以判定第j個(gè)物體與第i個(gè)物體有多徑-目標(biāo)關(guān)系，即第j個(gè)物體是第i個(gè)物體的一個(gè)后墻一次多徑。

由于物體的多徑傳播距離始終大于其直接傳播距離，所以只需要計(jì)算當(dāng)j＞i時(shí)的相關(guān)匹配系數(shù)即可。計(jì)算得到相關(guān)匹配系數(shù)矩陣μ：

步驟3：判決準(zhǔn)則及多徑抑制。

由于k個(gè)物體中，最多有k-1個(gè)多徑，可知對(duì)于真正的多徑而言，其μ值應(yīng)該大于最大的k個(gè)μ值的平均值，故可以設(shè)定判定門限δ為：相關(guān)匹配系數(shù)矩陣μ中前k個(gè)最大值的均值。

在實(shí)現(xiàn)時(shí)，可先對(duì)相關(guān)匹配系數(shù)矩陣μ的所有非零值進(jìn)行降序排序得到然后根據(jù)得到門限δ，其中μk∈μ′。

最后，將系數(shù)矩陣μ中的非零值與門限δ進(jìn)行對(duì)比，若有則可判定第j個(gè)物體(pj)為第i個(gè)物體(pi)的多徑。當(dāng)全部比較完畢后，除了被判定為多徑的物體之外，剩下的物體全部為真實(shí)目標(biāo)。最后在二值三維圖中去除多徑，并將這個(gè)多徑抑制后的二值三維圖與原三維雷達(dá)圖像進(jìn)行非相干融合，得到多徑抑制后的雷達(dá)圖像if(·)，即if(·)＝ib(·)⊙iorg(·)。

附圖說(shuō)明

圖1為具體實(shí)施方式中仿真場(chǎng)景示意圖。

圖2為具體實(shí)施方式中仿真陣列陣元分布示意圖。

圖3為三維后墻一次多徑穿墻傳播示意圖。

圖4為具體實(shí)施方式中原始雷達(dá)仿真圖像。

圖5為三維后墻一次多徑抑制方法處理流程圖。

圖6為具體實(shí)施方式中最終結(jié)果圖像。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

對(duì)存在多個(gè)目標(biāo)的待探測(cè)區(qū)域，其仿真場(chǎng)景如圖1所示，坐標(biāo)系零點(diǎn)位于前墻前表面的中心位置，4個(gè)發(fā)射天線和16個(gè)接收天線緊貼前墻放置，天線分布圖如圖2所示，雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)為中心頻率1.8ghz、帶寬0.8ghz的步進(jìn)頻信號(hào)，頻率步進(jìn)為2mhz。前墻的厚度為0.24m，后墻前表面位于z＝10m處，后墻高度為2m，兩墻的相對(duì)介電常數(shù)相等且均為8.6。兩個(gè)目標(biāo)p1、p2分別位于(-1.0,1.3,6.0)m和(1.0,1.3,8.0)m處，其后墻一次多徑穿墻傳播示意圖如圖3所示，其中點(diǎn)tm、tn分別為發(fā)射、接收天線的坐標(biāo)，點(diǎn)a、b為電磁波沿直接路徑傳播時(shí)在前墻后表面的折射點(diǎn)，點(diǎn)c為電磁波沿多徑路徑傳播時(shí)在前墻后表面的折射點(diǎn)，點(diǎn)f為電磁波沿多徑路徑傳播時(shí)在后墻前表面的反射點(diǎn)。且目標(biāo)p1、p2的原始的雷達(dá)三維成像如圖4所示。

參見(jiàn)圖5，根據(jù)本發(fā)明的后墻一次多徑抑制方法，對(duì)圖1所示的仿真場(chǎng)景的具體處理步驟如下：

步驟1：三維圖像中物體提取。

101：使用門限tr對(duì)雷達(dá)原始圖像(三維圖像)進(jìn)行二值化檢測(cè)，得到二值化雷達(dá)圖像，其中門限值取為雷達(dá)原始圖像最大值像素點(diǎn)值的0.5倍；

102：提取出所有物體的重心坐標(biāo)，得到四個(gè)物體重心坐標(biāo)，根據(jù)仿真場(chǎng)景示意圖所建立的坐標(biāo)系，雷達(dá)陣列中心位于(0.0,1.3,0.0)m，則按照物體到陣列中心的距離進(jìn)行升序排序得到p＝[p1p2p3p4]，物體的重心坐標(biāo)和到陣列中心的距離如下表所示：

步驟2：相關(guān)匹配系數(shù)的計(jì)算。

201：計(jì)算每個(gè)物體到所有天線陣元的直接傳播距離多徑傳播距離

202：計(jì)算j＞i時(shí)的相關(guān)匹配系數(shù)

由于多徑的傳播延時(shí)總是大于直接回波傳播延時(shí)，故無(wú)需計(jì)算所有的僅計(jì)算當(dāng)j＞i的相關(guān)匹配系數(shù)值。本實(shí)施例中，三維圖像中共有四個(gè)物體，故計(jì)算的值即可。按照相關(guān)匹配系數(shù)的計(jì)算公式，得到所有相關(guān)系數(shù)值如下表所示：

步驟3：多徑判決及抑制。

301：求取門限δ。

由上個(gè)步驟計(jì)算得到的相關(guān)匹配系數(shù)，可以得到其最大的四個(gè)值分別為根據(jù)門限值的計(jì)算規(guī)則可算出門限值為δ＝0.8904。

302：將大于門限δ的相關(guān)匹配系數(shù)提取出來(lái)，分別為由判決準(zhǔn)則即可知，p3是p1的后墻一次多徑，p4是p2的后墻一次多徑。故在二值化雷達(dá)圖像中刪除p3和p4；

303：將刪除掉多徑幻象后的二值化雷達(dá)圖像與原始雷達(dá)圖像進(jìn)行非相干融合，即可得到多徑抑制后的雷達(dá)圖像，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，本發(fā)明提供的適用于穿墻雷達(dá)三維成像后多目標(biāo)后墻一次多徑抑制方法可以有效剔除多徑，得到正確的探測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了本發(fā)明的正確性和有效性。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說(shuō)明書(shū)中所公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開(kāi)的所有特征、或所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。