基于相位统计参数加权的穿墙雷达成像方法

摘要

本发明提供一种基于相位统计参数加权的穿墙雷达成像方法。技术方案是：第一步，对回波数据进行相位补偿，得到补偿后的成像目标区域的回波数据；第二步，求成像目标区域每个像素点对应的相位统计参数；第三步，利用标准后向投影成像算法进行成像处理，得到成像目标区域图像。第四步，将成像目标区域图像的每个像素点与该像素点对应的相位统计参数相乘，得到改善的成像目标区域图像。本发明通过合理利用穿墙雷达的回波数据的相位统计特性，对穿墙雷达图像进行加权处理，提高穿墙雷达图像质量。本发明计算简单，易于实现，可用于实际工程设计与信号处理。

说明书

技术领域

本发明属于穿墙雷达成像技术领域，提出了一种基于相位统计参数加权的 穿墙雷达成像方法，以提高穿墙雷达成像质量。

背景技术

穿墙雷达通常采用步进频率体制，发射具有良好穿透性的低频电磁波，能 够穿透墙壁等障碍物，对隐蔽目标进行探测，在灾后救援、反恐维稳等方面具 有广泛的应用前景，而穿墙雷达成像是穿墙雷达的重要发展方向。穿墙雷达成 像是通过发射低频超宽带信号在保证穿透性的同时获得高的距离向分辨率，采 用阵列天线在实现快速方位扫描的同时可获得高的方位向分辨率。

对墙后目标的高精度成像是提升穿墙雷达探测性能的关键。然而一方面电 磁波在建筑物内传播不可避免存在衰减、多径、色散和折射等现象，另一方面 由于采用超宽带信号，信号频率低端的波长往往是频率高端波长的几倍，由于 结构的限制，阵列天线相邻阵元间的距离一般大于信号频率高端波长的一半， 即阵列对高端频率信号是稀疏的。因此穿墙雷达图像质量受到图像散焦和假目 标的困扰，从视觉效果上看，图像分辨率下降，对比度降低。

为了提高穿墙雷达成像质量，消除墙体对成像质量的影响，最有效的方法 是测量墙体电磁参数，计算成像场景的电磁传播特性，在成像时对衰减、多径、 色散和折射现象和阵列结构误差进行补偿。然而，不同墙体电磁参数随墙体材 料不同和含水量不同而变化，建筑物内部电磁传播特性随建筑物结构不同而变 化，实际应用时又很难对成像目标作现场测量，限制了该方法的实际应用效果。 另外，该方法对抑制阵列稀疏性引起的栅瓣杂波也无能为力。

发明内容

本发明提出基于相位统计参数加权的穿墙雷达成像方法。该方法能提高穿 墙雷达图像的分辨率和抑制杂波，同时具有方法简便、易于实现等优势。

本发明的技术方案是：

第一步，对穿墙雷达阵列天线接收到的步进频率波形回波数据进行基于自 由空间传播历程的相位补偿，得到补偿后的成像目标区域的回波数据。

第二步，利用补偿后的成像目标区域的回波数据，求成像目标区域每个像 素点对应的相位统计参数。该统计参数能表征墙体对穿透成像的影响和阵列稀 疏性对步进频率信号雷达成像的影响。

第三步，利用标准后向投影成像算法（Back Projection,BP）对补偿后的成 像目标区域的回波数据进行成像处理，得到成像目标区域图像。

第四步，将成像目标区域图像的每个像素点与该像素点对应的相位统计参 数相乘，得到改善的成像目标区域图像。

本发明的有益效果：本发明通过合理利用穿墙雷达的回波数据的相位统计 特性，设计了能有效表征墙体影响和阵列稀疏性影响的相位统计参数，对穿墙 雷达图像进行加权处理，提高穿墙雷达图像质量。该方法既能改善穿墙雷达图 像分辨率，又能抑制假目标，改善图像对比度。同时该方法思想简单，算法易 于实现，可用于实际工程设计与信号处理。

附图说明

图1为本发明基于相位统计参数加权的穿墙雷达成像流程示意图；

图2为进行实验的场景图；

图3为传统成像算法获得的穿墙成像结果；

图4为利用本发明法获得的穿墙成像结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细介绍。

设穿墙雷达收发阵元数为M，发射信号步进数为K。第m个阵元接收到的 第k个频率位于像素点(x,y)处的理想点目标的回波数据用E_k,m(x,y)表示；第k个 步进对应的频率用f_k表示，1≤k≤K；第m个阵元相位中心到位于像素点(x,y) 处的点目标的斜距为r_m(x,y)，1≤m≤M。

图1为本发明流程图，具体实施步骤如下：

第一步，对穿墙雷达阵列天线接收到的步进频率波形回波数据进行基于自 由空间传播历程的相位补偿，得到补偿后的成像目标区域的回波数据。

对接收到的每个频点、每个阵元的回波数据进行相位补偿，补偿回波数据 自由空间传播路径相位延迟。具体方法为：将回波数据E_k,m(x,y)乘以相位补偿因 子得到相位补偿后的回波数据：

       （公式1）

第二步，利用补偿后的成像目标区域的回波数据，求成像目标区域每个像 素点对应的相位统计参数。该统计参数能表征墙体对穿透成像的影响和阵列稀 疏性对步进频率信号雷达成像的影响。

求第一步中得到的相位补偿后的回波数据EC_k,m(x,y)的相位统计参数，作为 最终图像的加权函数中的参数。具体实现步骤为：

步骤①：求像素点(x,y)所有阵元和频率点的回波数据瞬时相位的余弦函数标 准差：

    （公式2）

上式中，表示EC_k,m(x,y)的相位。

步骤②：求像素点(x,y)所有阵元和频率点的回波数据瞬时相位的正弦函数标 准差：

     （公式3）

步骤③：由正弦函数标准差和余弦函数标准差定义像素点(x,y)回波数据相位 的复数标准差：

      （公式4）

步骤④：定义像素点(x,y)的相位统计参数：

       （公式5）

第三步，利用标准后向投影成像算法（Back Projection,BP）对补偿后的成 像目标区域的回波数据进行成像处理，得到成像目标区域图像。

由于在第一步预处理的过程中已经进行了回波数据相位延迟的补偿，利用 BP算法时，对不同阵元不同频率的相位补偿后的回波数据EC_k,m(x,y)直接相加就 可得到目标区域图像。

$I(x,y)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{w}_k{w}_m{\mathrm{EC}}_{k,m}(x,y)$       （公式6）

其中w_k为阵列加权系数，w_m为频率加权系数。

第四步，将成像目标区域图像的每个像素点与该像素点对应的相位统计参 数相乘，得到改善的成像目标区域图像。

对每个像素点(x,y)，将第二步得到的相位统计参数W(x,y)与第三步得到的目 标区域图像I(x,y)相乘得到改善的穿墙雷达图像。

I_w(x,y)＝I(x,y)·W(x,y)          （公式7）

图2至图4是进行实验的有关图像。

图2为进行实验的场景图。图中以雷达阵列方向为方位向，垂直于阵列方 向为距离向，雷达阵列中点O为坐标原点，以包含成像目标点T和雷达阵列的 平面为坐标平面建立直角坐标系。穿墙雷达天线阵列沿方位向排列，平行于一 面厚度为0.3m的建筑物外墙。穿墙雷达天线阵列距离墙体23.7m。一人在建筑 物内部，作为成像目标点T，位于(-0.4,28.3)m处。成像目标区域为 [-5～5]m×[24～34]m。

图3为传统成像算法获得的穿墙成像结果。图中水平方向为方位向（单位： 米），垂直方向为距离向（单位：米）。图像幅度以图像中最强目标为基准进行 了归一化处理，单位为分贝(dB)。由图可见，得到的建筑物内部图像中出现了大 量“虚假目标”，同时真实目标散焦严重，图像的整体质量不能令人满意。

图4为利用本发明法获得的穿墙成像结果。图中水平方向为方位向（单位： 米），垂直方向为距离向（单位：米）。图像幅度以图像中最强目标为基准进行 了归一化处理，单位为分贝(dB)。由图可见，采用本发明的方法后，墙体影响和 阵列稀疏性影响得到校准，图像中“虚假目标”得到有效抑制，可以清楚看到建筑 物内部的人体成像。同时图像整体质量良好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。