一种用于超宽带穿墙雷达中多人体目标检测的系统及方法与流程

本发明涉及一种用于超宽带穿墙雷达中多人体目标检测的系统及方法。

背景技术：

超宽带穿墙雷达探测是一种能够穿过障碍物探测和定位生命目标的新型雷达系统，大部分情况下需要穿透障碍物并探测到多个人体目标信号。由于背景环境未知，杂波干扰及强反射物产生的多径效应都会产生虚假目标，传统目标检测方法无法剔除，为了保证最大的检测准确率，目标检测方法的选择尤为重要。

一般地，在只有噪声的条件下，通过近似法估算一个硬阈值，作为检测目标的门限，这种方法简单但是对噪声尖峰比较敏感，容易引起虚警；积累检测概率的方法，是通过给定目标在某距离上的检测概率，统计多次目标被检测的概率，与给定的检测概率相比较以确定是否有目标存在，此方法的缺点是若给定的检测概率过高则易造成漏检，而若给定的检测概率过低则易造成虚警；恒虚警率检测方法，是在一定的虚警率前提下，产生合理的阈值，使得杂波和干扰对系统恒虚警概率影响达到最小，此方法不仅需要设置合理的虚警率因子，而且当多个目标距离比较接近时，很容易产生漏检；小波变换方法需要在均一背景的前提下，而穿墙雷达探测背景中可能存在许多比人体散射强度更大的背景目标，如金属家具等，所以该方法也不适用于穿墙雷达系统中。

综上，以上方法均具有局限性，实用性较差。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于超宽带穿墙雷达中多人体目标检测的系统及方法，本发明在利用超宽带穿墙雷达对人体目标进行探测时，采用基于局部区域的自适应阈值法、多目标特征提取方法和多目标配对算法去除杂波干扰及多径等产生的虚假目标，以实现障碍物后多人体目标的准确检测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于超宽带穿墙雷达中多人体目标检测系统，包括上位机、数据采集卡、射频模块和天线阵列，所述天线阵列设置于墙体上，采用一发两收模式，形成两路数据通道，射频模块通过发射天线发射信号，接收天线接收目标回波信号，射频模块对接收信号进行中频处理通过采集卡送回上位机，上位机对接收的两路信号进行预处理、基于局部区域的自适应阈值法、多目标特征提取方法后，进行多目标配对，计算得到目标位置、目标数目的信息。

进一步的，数据采集卡和射频模块通过外置信号源具有同步的触发时钟。以实现数据全相参。

一种用于超宽带穿墙雷达中多人体目标检测方法，包括：

(1)采用一发两收的天线接收两路回波信号，数据采集卡采集数据后，对两路数据进行预处理，将每一次的回波数据划分、统一表示、傅里叶变换、求模和累加，根据直达波移除方法去除直耦和墙体反射波，确定探测区域的最近距离和最远距离，截取有用数据区间；

(2)使用基于局部区域的自适应阈值方法，保留大于阈值的点，小于和等于阈值的点则置为零；

(3)利用多目标特征提取方法，去除虚假目标或者杂波干扰；多目标特征提取的方法过程为：从所占距离单元数和相邻目标之间间隔的距离单元数两方面判断是否是虚假信号，单一联通的信号包络包含的距离单元数目超过一定值即判断是真实目标，否则判断为虚假目标；两两相邻的信号包络之间间隔的距离单元数目超过一定值即判断是两个独立的目标，否则判断为一个独立的目标。

(4)对两通道的每个目标信号进行两两配对，利用多目标配对算法，保证配对的两个目标信号来自同一人体目标。

所述步骤(1)中，具体包括：

(1-1)采用一发两收的天线接收两路回波信号，数据采集卡采集数据后，对两路数据进行预处理，将每一次的回波数据划分为多个距离单元；

(1-2)统一表示同一距离单元的数据，对接收的数据依次进行距离向傅里叶变换、多普勒向傅里叶变换，得到复数数据形式，对其求模；

(1-3)对同一距离单元的数据进行相加积累，根据直达波移除方法去除直耦和墙体反射波，确定探测区域的最近距离和最远距离，截取有用数据区间。

所述步骤(2)中，包络宽度大于某阈值N，与相邻包络的间距大于某阈值M，则取此包络的质心作为有效目标位置；否则包络宽度小于某阈值N，或者与相邻包络间距小于某阈值M，则被认为是虚假目标或者杂波干扰，予以剔除。

所述步骤(2)中，基于局部区域的自适应阈值方法的过程如下：

(2-1)预处理得到的数据长度从N_min开始到N_max结束，将此区间划分为多个检测单元，每个单元长度为L；

(2-2)对L个数据求均值，此平均值与整个区间的均值加上因子C的结果进行比较；

(2-3)取较大值作为此检测单元的检测阈值，检测单元内的幅度如果大于阈值则保留，否则置为0，其中因子C的确定由背景环境的整体区域平均值决定；

(2-4)第二个检测单元的起始位置与第一个检测单元的起始位置间隔L_min个，依次类推，整个区间的阈值逐一被确定，其中L_min的值由人体运动速度和数据采集速率决定。

所述步骤(3)中，多目标特征提取的方法过程为：从所占距离单元数和相邻目标之间间隔的距离单元数两方面判断是否是虚假信号，单一联通的信号包络包含的距离单元数目超过一定值即判断是真实目标，否则判断为虚假目标；两两相邻的信号包络之间间隔的距离单元数目超过一定值即判断是两个独立的目标，否则判断为一个独立的目标。

所述步骤(4)中，根据穿墙雷达信号传播路径和接收天线的间距的关系，构建目标配对。

所述步骤(4)中，如果第一通道目标数目大于第二通道目标数目，第一通道的第一个目标距离值与第二通道的每个目标距离值相减，如果最小差值小于等于两个接收天线的间距，则产生最小差值的两通道中的目标配对，如果最小差值大于两通道接收天线的间距，则认为第一通道的第一个目标是假目标。

所述步骤(4)中，第一通道的第i个目标距离值与第二通道的未被配对的其余目标距离值相减，如果最小差值小于等于两个接收天线的间距，则产生最小差值的两通道中的目标配对，如果最小差值大于两通道接收天线的间距，则认为第一通道的此目标是假目标。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明从三个方面逐一提高目标检测的准确性。首先阈值方法上，根据多个目标同时存在时的特点，在局部区域内计算阈值，对杂波干扰有一定的抑制效果；其次分析了目标本身和相邻目标之间的特征，通过提取目标特征的方法进一步滤除由多径等产生的虚假目标；再次基于通道之间目标的关联性，提出了目标配对算法。经过三方面的处理，可以去除虚假目标，有效提高目标检测概率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1系统实施例示意图；

图2算法流程图；

图3局部区域的自适应阈值检测方法示意图；

图4一维距离像中的目标判断示意图；

图5穿墙雷达信号传播路径示意图；

图6配对方案流程图；

图7预处理之后的一维距离向图；

图8自适应阈值检测示意图；

图9多目标特征提取示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中均具有局限性，实用性较差。

为了解决上述问题，本发明提供一种用于超宽带穿墙雷达中人体目标检测的方法，包括：

(1)预处理：

式(1)表示的是通过采集卡采集得到的回波信号。每一次回波数据共M个距离单元，每接收N次后，对所有数据处理一次。

首先对每一次回波数据进行K次傅里叶变换，其中K是等于或者大于M的2的整数幂，得到频域数据，如式(2)所示：

将式2中同一距离单元的数据统一表示为[X(0)，X(1)，...X(N-1)]，则对N个数据进行N次傅里叶变换，同样得到的数据形式是复数，对其求模，得到如式(3)所示：

对(3)式中同一距离单元的数据进行相加积累，得到[D(0)，D(1)，...D(K-1)，然后根据直达波移除方法去除直耦和墙体反射波，确定探测区域的最近距离R_min和最远距离R_max，根据公式(4)和公式(5)，截取有用数据区间，得到[X(N_min)，X(N_min+1)，...X(N_max)]。

其中，B是脉冲带宽，c是光速，T是信号周期，fs是采集卡的采样率。

(2)对(1)中的结果使用基于局部区域的自适应阈值方法，保留大于阈值的点，小于和等于阈值的点则置为零。

(3)对(2)中的结果执行多目标特征提取方法，即包络宽度大于某阈值N，与相邻包络的间距大于某阈值M，则取此包络的质心作为有效目标位置；否则包络宽度小于某阈值N，或者与相邻包络间距小于某阈值M，则被认为是虚假目标或者杂波干扰，予以剔除。

(4)两通道的回波信号分别执行完步骤(1)～(3)之后，对两通道的每个目标信号进行两两配对，利用多目标配对算法，保证配对的两个目标信号来自同一人体目标。

步骤(2)中，基于局部区域的自适应阈值方法的过程如下：

1)预处理得到的数据长度从N_min开始到N_max结束，将此区间划分为多个检测单元，每个单元长度为L；

2)对L个数据求均值，此平均值与整个区间的均值加上因子C的结果进行比较；

3)取较大值作为此检测单元的检测阈值，检测单元内的幅度如果大于阈值则保留，否则置为0，其中因子C的确定由背景环境的整体区域平均值决定；

4)第二个检测单元的起始位置与第一个检测单元的起始位置间隔L_min个，依次类推，整个区间的阈值逐一被确定，其中L_min的值由人体运动速度和数据采集速率决定。

所述步骤(3)中，多目标特征提取的方法过程如下：

经过步骤(2)处理之后的信号可以从所占距离单元数和相邻目标之间间隔的距离单元数两方面判断是否是虚假信号。单一联通的信号包络包含的距离单元数目超过一定值即判断是真实目标，否则判断为虚假目标；两两相邻的信号包络之间间隔的距离单元数目超过一定值即判断是两个独立的目标，否则判断为一个独立的目标。

所述步骤(4)中，多目标配对算法过程如下：

如果第一通道目标数目大于第二通道目标数目，第一通道的第一个目标距离值与第二通道的每个目标距离值相减，如果最小差值小于等于两通道接收天线的间距，则产生最小差值的两通道中的目标配对，如果最小差值大于两通道接收天线的间距，则认为第一通道的第一个目标是假目标，舍弃；第一通道的第i个目标距离值与第二通道的未被配对的其余目标距离值相减，如果最小差值小于等于两通道接收天线的间距，则产生最小差值的两通道中的目标配对，如果最小差值大于两通道接收天线的间距，则认为第一通道的此目标是假目标，舍弃；依次类推。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种用于超宽带穿墙雷达中多人体目标检测系统，由上位机、数据采集卡、射频模块和天线阵列组成。上位机用于参数设置、数据存储、数据处理和显示；数据采集卡负责数据的采集；射频模块用于信号产生、发射、接收和中频处理；天线阵列采用一发两收模式，形成两路数据通道。为了实现数据全相参，数据采集卡和射频模块需要外置信号源提供保持两者同步的触发时钟。射频模块通过发射天线发射信号，接收天线接收目标回波信号，射频模块对接收信号进行中频处理通过采集卡送回上位机，上位机对信号进行处理后得到目标位置、目标数目的信息并做出显示。

如图2所示，是算法流程图。首先对每一个通道的回波数据进行预处理，得到一维距离信号，对一维距离信号进行基于局部区域的自适应阈值，对目标进行初步筛选；然后根据目标特征进一步确定准确的目标位置，剔除掉虚假目标；最后两通道目标之间配对，得到目标个数与位置信息。

预处理得到的数据长度从N_min开始到N_max结束，目标数据包含在此区间内；将区间划分为多个检测单元，每个单元长度为L，对L个数据求均值，此平均值与整个区间的均值加上因子C的结果进行比较，取较大值作为此检测单元的检测阈值；检测单元内的幅度如果大于阈值则保留，否则置为0；其中因子C的确定由背景环境的整体区域平均值决定。如图3所示，是第一个检测单元执行的流程图，第二个检测单元的起始位置与第一个检测单元的起始位置间隔L_min个，其中L_min的值由人体运动速度和数据采集速率决定，依次类推，整个区间的阈值逐一被确定。

如图4所示，是经过处理之后的信号示意图。杂波干扰已被滤除，仅保留可能的目标信号包络。假设判断为真实目标所要求的包络宽度为1，在2-3之间的信号包络达到了包络宽度要求，被视为目标1。在5-6之间的包络宽度达到1，但是在7-8之间亦有包络，但是宽度小于1，而两者之间间距太小，即被认为是一个目标。10-11之间的包络宽度小于1即被判断为虚假目标，因此图4中有2个真实目标存在。为了方便之后的配对和定位算法，将目标包络的质心位置定为目标位置。

如图5所示，是简化的穿墙雷达信号传播路径，发射天线与两路接收天线之间的距离分别为d1和d2。完整的信号路径是发射天线发送信号到达目标，目标反射信号分别到达接收天线1和接收天线2，因此接收天线1的信号传播路径r0与r1之和，接收天线2的信号传播路径r0与r2之和，两条传播路径之差即为r1与r2之差。忽略墙体内部折射的影响，路径r1、r2与接收天线1和2的间距三者组成三角形，应该满足三角定理公式r1与r2之差小于d1与d2之和，因此可以利用此方法进行目标配对。

以第一路目标数目小于第二路目标数目为例，配对方案流程如图6所示。如果第一路目标数目大于第二路目标数目，则以第二路为循环，寻找第一路中与之配对的目标，流程与图6相同。

图7给出了两路接收通道经过预处理之后的一维距离向图。从第一路一维距离向图中和第二路一维距离向图中都可以分辨出共有三个包络，分别代表三个人体目标位置，包络宽度较宽，这是因为发射信号会被人体任何位置反射回来，因此在信号上表现为多个点组成的包络；但是三个包络中又包含了多个小峰，需要进一步甄别目标。

图8给出了基于局部区域的自适应阈值图。从图中可以看出，每个点的阈值会根据当前信号幅度变化而变化，适应了信号幅度变化规律，筛选出了所有可能的目标位置。

如图9所示是根据目标特征提取准则得到的目标个数情况，第一路有三个目标，第二路有四个目标；根据目标配对算法，两路的目标1,2,3可以一一对应配对，而第二路的目标4在第一路对应位置上无目标，因此被判断为虚假目标，予以剔除。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。