基于建筑物内部结构特征的雷达检测虚警抑制方法及装置与流程

本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于建筑物内部结构特征的雷达检测虚警抑制方法及装置。

背景技术：

利用电磁波的穿透性，穿墙成像雷达可对墙体等人眼或光学不可见遮蔽区进行探测，将回波信息处理后，能显示成像感兴趣目标区域，因而被广泛应用于城市巷战、反恐斗争、和灾后救援等军事民事领域。在探测过程中，由于电磁波在封闭的建筑物内部传播时发生各种反射、散射和折射，导致回波信号中存在大量的多径干扰，从而引起虚警，虚警的存在会响建筑物内目标的精确检测和判断，因而通过对建筑物内结构与目标探测结果相融合，可以实时获得探测范围的全景信息，也可对建筑物内部结构进行描绘，对建筑物内作战参考、精确打击恐怖犯罪分子和目标相对位置确定等具有重要意义。

目前通常是采用合成孔径雷达进行探测，即通过移动雷达位置，利用合成孔径原理来实现对建筑物墙体的成像。穿墙雷达系统进行探测时，回波信号不仅包括探测区域中目标信息，还包括建筑物内部的结构特性信息，对回波信号进行目标检测时该结构特性信息会产生干扰而产生虚警。针对该类型合成孔径穿墙雷达多径假目标的剔除，目前通常是基于多成像字典的方式来剔除由建筑物内部结构分布产生的虚警，具体流程通常为：首先根据建筑物结构特征、穿墙雷达离前墙位置以及各反射路径回波，建立目标直接回波字典与多径假目标字典；然后对回波数据，分别使用目标直接回波字典与多径假目标字典进行后向投影成像处理，得到目标空间图像和多径假目标空间图像；最后将目标空间图像和多径假目标空间图像进行非相干融合，实现建筑物内一次多径假目标的抑制。

上述基于多成像字典的合成孔径雷达多径假目标剔除方式，操作复杂、实时性较差，且需要预先知道建筑物结构特征等信息，无法适应于建筑物结构特征未知的应用场合中。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、所需成本低、实时性及实现效果好且效率高的基于建筑物内部结构特征的雷达检测虚警抑制方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于建筑物内部结构特征的雷达检测虚警抑制方法，步骤包括：

s1.通过穿墙雷达探测系统对建筑物内部区域进行探测，分别获得含有建筑物内部结构特征信息的第一探测信号和含有目标特征信息的第二探测信号；

s2.分别对所述第一探测信号进行特征值提取，得到建筑物内部的结构特征信号，以及对所述第二探测信号进行特征值提取，得到目标特征信号；

s3.将得到的所述目标特征信号与所述结构特征信号进行匹配，得到特征匹配后的目标信号作为最终目标检测信号输出以滤除虚警。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s1的步骤包括：在待测建筑物外侧固定布置穿墙雷达探测系统，所述穿墙雷达探测系统采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，通过布置的所述穿墙雷达探测系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号，所述多通道回波信号包括所述第一探测信号、第二探测信号。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s2中进行特征值提取的步骤包括：

s21.将获取的所有通道回波域信号转换为图像域数据；

s22.将所述图像域数据变换为特征二值图，反演得到建筑物内部结构特征信号或得到目标特征信号。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s21中将所有通道回波域信号采用后向投影bp算法进行相干叠加处理，转换得到图像域数据，具体步骤包括：

s211.将成像区域划分为m×n个像素点；

s212.计算每一个像素点与所有收发天线组合之间的双程时延；

s213.根据计算得到的所述双程时延计算每一个像素点的相位补偿；

s214.根据所述相位补偿计算所述等效孔径中各个孔径域数据，将各个所述孔径域数据累加后得到计算相干叠加结果，并作为转换得到的所述图像域数据。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s212具体按下式计算得到每一个像素点(xn,ym)与所有收发天线组合之间的双程时延τk：

其中，ym和xn分别表示距离向和方位向上像素点的坐标值，m＝1,2,...,m，n＝1,2,...,n，k＝1,2,...,num为通道标签，num为等效孔径数，(xt(k),yt(k))为发射天线坐标，(xr(k),yr(k))为接收天线坐标，c表示光速，dt为像素点到发射天线的距离，dr为像素点到接收天线的距离；

所述步骤s213中计算每一个像素点(xn,ym)的相位补偿phasek的表达式为：

phasek(xn,ym)＝exp(j2πfc·(dt+dr)/c)

其中，fc为载频，c为光速；

所述步骤s214中按照下式计算得到相干叠加结果is(x,y)并作为所述图像域数据；

其中，zk(x,y)＝echos(t-τk(x,y))×phasek(x,y)表示第k个孔径域数据，echos(t-τk(x,y))为时延校正后通道回波信号。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s22中将所述图像域数据进行二维cfar检测，得到图像域数据的特征二值图，具体步骤包括：

s221.设定恒虚警概率以及保护窗；

s222.根据各参考单元的值、所述恒虚警概率以及所述保护窗确定门限值；

s223.将所述图像域数据每个像素点与所述门限值进行比较，得到特征二值图。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s222中具体按照下式确定所述门限值th：

其中，为参考单元均值，且xref(i)为第i个参考单元的值，α为门限乘积因子，且pa为恒虚警概率，n为参考单元数量。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s3的步骤包括：将步骤s2得到的对应结构特征信号结构特征二值图bis(x,y)、与对应目标特征信号的目标特征二值图bit(x,y)中对应元素分别进行匹配，若所述目标特征二值图bit(x,y)与所述结构特征二值图bis(x,y)中对应元素值相等或相差值在指定范围内，则对所述目标特征二值图bit(x,y)中对应元素值进行滤除处理。

一种基于建筑物内部结构特征的雷达检测虚警抑制装置，包括：

雷达探测模块，用于通过穿墙雷达探测系统对建筑物内部区域进行探测，分别获得含有建筑物内部结构特征信息的第一探测信号和含有目标特征信息的第二探测信号；

特征提取模块，用于分别对所述第一探测信号进行特征值提取，得到建筑物内部的结构特征信号，以及对所述第二探测信号进行特征值提取，得到目标特征信号；

特征匹配模块，用于将得到的所述目标特征信号与所述结构特征信号进行匹配，得到特征匹配后的目标信号作为最终目标检测信号输出以滤除虚警。

作为本发明装置的进一步改进，所述穿墙雷达探测系统固定布置在待测建筑物外侧，且所采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，所述穿墙雷达探测系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过将建筑物内部结构探测与目标探测相融合，由穿墙雷达探测系统分别获得含有建筑物内部结构特征信息的信号以及含有目标特征信息的信号，由建筑物内部结构特征信号以及探测区域目标回波信号进行特征匹配，即可消除建筑物内部结构特征对目标探测的影响，抑制虚警的产生，能够充分利用建筑物内部结构特征信号与目标特征信号的特性进行高效的虚假像抑制，有效抑制由建筑物内部结构分布引起的虚警，提高目标探测的准确性，且无需预先知道建筑物结构特征。

2、本发明通过采用固定位置的等效孔径方式来获取多通道回波信号，从而基于固定雷达利用等效孔径的方式实现建筑物内部结构探测，相比于传统采用移动雷达利用合成孔径的方式实现探测，无需移动雷达装置，通过一次雷达探测即可实现建筑物内部结构探测，可以大大降低操作复杂度，提高探测效率，同时提高探测的实时性，尤其适用于对实时性要求较高的应用场合。

3、本发明可有效对建筑物内部结构特征进行反演，将包含建筑物内部结构特征的回波域信号反演出建筑物内部结构特征，使得可以以建筑物内部结构特征作为参考实现准确的虚警判断，从而在未知建筑物结构特征的情况下即可实现虚警抑制功能，可以灵活的应用于各类应用场合中。

附图说明

图1是本实施例基于建筑物内部结构特征的雷达检测虚警抑制方法的实现流程示意图。

图2是本实施例实现雷达检测虚警抑制的具体实现流程示意图。

图3是在具体应用实施例中实际探测场景建筑结构原理示意图。

图4是本发明具体应用实施例中得到的建筑物内部结构反演结果示意图。

图5是本发明具体应用实施例中得到的目标探测结果示意图。

图6是本发明具体应用实施例中得到的匹配后目标信号示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1、2所示，本实施例基于建筑物内部结构特征的雷达检测虚警抑制方法，步骤包括：

s1.通过穿墙雷达探测系统对建筑物内部区域进行探测，分别获得含有建筑物内部结构特征信息的第一探测信号和含有目标特征信息的第二探测信号；

s2.分别对第一探测信号进行特征值提取，得到建筑物内部的结构特征信号，以及对第二探测信号进行特征值提取，得到目标特征信号；

s3.将得到的目标特征信号与结构特征信号进行匹配，得到特征匹配后的目标信号作为最终目标检测信号输出以滤除虚警。

本实施例将建筑物内部结构探测与目标探测相融合，通过穿墙雷达探测系统分别获得含有建筑物内部结构特征信息的信号以及含有目标特征信息的信号，由探测信号分别获得建筑物内部结构特征信号以及探测区域目标回波信号，将结构特征信号与目标信号进行特征匹配后，即可消除建筑物内部结构特征对目标探测的影响，抑制虚警的产生，能够充分利用建筑物内部结构特征信号与目标特征信号进行高效的虚假像抑制，有效抑制由建筑物内部结构分布引起的虚警。

本实施例中，步骤s1的具体步骤包括：在待测建筑物外侧固定布置穿墙雷达探测系统，穿墙雷达探测系统采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，通过布置的穿墙雷达探测系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号，多通道回波信号包括第一探测信号、第二探测信号。由于在工作频段确定的前提下，采用阵列天线设计构造等效阵列形成等效孔径能增加阵元密度以避免栅瓣，同时也能提高成像的分辨率，本实施例利用上述特性，通过采用固定位置的等效孔径方式来获取多通道回波信号，从而基于固定雷达利用等效孔径的方式实现建筑物内部结构探测，相比于传统采用移动雷达利用合成孔径的方式实现探测，无需移动雷达装置，通过一次雷达探测即可实现建筑物内部结构探测，可以大大降低操作复杂度，提高探测效率，同时提高探测的实时性，尤其适用于对实时性要求较高的应用场合。

在具体应用实施例中，步骤s1提取多通道回波信号时，首先利用三脚架或其它设备使超宽带雷达设备贴墙固定，该超宽带雷达设备采用多发多收天线阵列构造等效阵列，从而形成等效孔径，所有通道依次发射和接收电磁波信号，通过对目标区域直接进行一次检测，获取目标区域多通道回波信号，从而利用穿墙雷达紧贴墙体进行一次探测即可实现虚警抑制功能，进一步提高雷达目标检测的实时性，具体应用实施例中实际探测场景如图3所示。

本实施例步骤s2中进行特征值提取的步骤包括：

s21.将获取的所有通道回波域信号转换为图像域数据；

s22.将图像域数据变换为特征二值图，反演得到建筑物内部结构特征信号或得到目标特征信号。

本实施例由第一探测信号得到建筑物内部结构特征信号、以及由第二探测信号得到目标特征信号均是采用上述步骤实现，通过上述步骤，可有效对建筑物内部结构特征进行反演，将包含建筑物内部结构特征的回波域信号反演出建筑物内部结构特征，使得可以以建筑物内部结构特征作为参考实现准确的虚警判断，从而在未知建筑物结构特征的情况下即可实现虚警抑制功能，可以灵活的应用于各类应用场合中。

本实施例步骤s21中将所有通道回波域信号采用后向投影bp算法进行相干叠加处理，转换得到图像域数据，具体步骤包括：

s211.将成像区域划分为m×n个像素点；

s212.计算每一个像素点与所有收发天线组合之间的双程时延；

s213.根据计算得到的双程时延计算每一个像素点的相位补偿；

s214.根据相位补偿计算等效孔径中各个孔径域数据，将各个孔径域数据累加后得到计算相干叠加结果，并作为转换得到的图像域数据。

通过上述步骤，即可将由等效孔径获取的多通道回波数据转换为图像域数据，上述通过相干叠加处理，可以抑制通道之间非相干的杂波、噪声和旁瓣，且抑制效果好。

在具体应用实施例中，上述采用后向投影bp算法进行相干叠加处理的具体流程为：

首先将成像区域划分为m×n个像素点，由ym(m＝1,2,...,m)和xn(n＝1,2,...,n)分别表示距离向和方位向上像素点的坐标值；

计算每一个像素点(xn,ym)与所有收发天线组合之间的双程时延：

其中，k＝1,2,...,num表示通道标签，(xt(k),yt(k))表示发射天线坐标，(xr(k),yr(k))表示接收天线坐标，c＝3.0×10⁸m/s表示光速；

计算像素点到发射天线的距离dt以及像素点到接收天线的距离dr：

计算每一个像素点(xn,ym)的相位补偿phasek：

phasek(xn,ym)＝exp(j2πfc·(dt+dr)/c)(4)

其中，fc为载频，c为光速；

按下式(5)计算相干叠加结果is(x,y)：

其中，zk(x,y)＝echos(t-τk(x,y))×phasek(x,y)表示第k个孔径域数据，num表示雷达等效孔径数，echos(t-τk(x,y))为时延校正后通道回波信号。

可以理解的，上述将各通道回波域信号转换为图像域数据还可以根据实际需求采用其他方法，以减少实现复杂度等。

本实施例步骤s22中具体将图像域数据进行二维cfar检测，得到图像域数据的特征二值图，具体步骤包括：

s221.设定恒虚警概率以及保护窗；

s222.根据各参考单元的值、恒虚警概率以及保护窗确定门限值；

s223.将图像域数据每个像素点与门限值进行比较，得到特征二值图。

本实施例步骤s222中具体按照下式确定门限值th：

其中，为参考单元均值，且xref(i)为第i个参考单元的值，，α为门限乘积因子，且pa为恒虚警概率，n为参考单元数量。

人体回波和建筑物回波在图像域的差异包括距离向宽度及面积的差异，本实施例通过利用人体回波和建筑物回波在图像域中距离向宽度及面积不同特性进行二维cfar检测，能够利用人体回波和建筑物回波在图像域的差异精确的检测出目标，从而精确的反演出建筑物内部结构特征，且cfar检测中只需选取合适的窗的大小和宽度，就可以使阈值根据回波强度作出自适应变化，保证每个局部区域中都是最优的检测，能提高目标检测概率。

在具体应用实施例中，建筑物内部结构的特征二值图提取步骤为：首先设定恒虚警概率pa以及设定上下左右保护窗：guard_top、guard_bottom、guard_left、guard_right；上下左右参考窗：refer_top、refer_bottom、refer_left、refer_right；然后根据参考单元数量n计算门限乘积因子计算参考单元均值后，再按式(6)计算得到估计门限值th；最后将由含有建筑物结构信息的多通道回波信号转换得到的图像域数据is(x,y)中每个像素点与门限th比较得到建筑物内部结构的特征二值图bis(x,y)，上述估计门限值th也可以采用其他方式进行确定。通过雷达系统获得经过信号预处理后的含有目标特征信息的多通道回波信号echot(t)，采用与上述步骤相同的方式即可得到目标特征二值图bit(x,y)。

可以理解的是，上述由图像域数据得到待测建筑物内部结构特征二值图还可以根据实际需求采用其他方法，如使用最大值阈值法，即将步骤s2得到的图像域数据使用最大值阈值法进行处理，得到待测建筑物内部结构特征二值图，反演得到建筑物内部结构，具体步骤包括：查找所述图像域数据的数组中最大值max(x,y)，取最大值的指定倍数a·max(x,y)作为比较阈值，其中0<a<1，将每个像素点值与所述比较阈值进行比较，将大于比较阈值的像素点值取1，否则取0，得到待测建筑物内部结构特征二值图。

本实施例步骤s3的步骤具体包括：将步骤s2得到的对应结构特征信号结构特征二值图bis(x,y)、与对应目标特征信号的目标特征二值图bit(x,y)中对应元素分别进行匹配，若目标特征二值图bit(x,y)与结构特征二值图bis(x,y)中对应元素值相等或相差值在指定范围内，则对目标特征二值图bit(x,y)中对应元素值进行滤除处理，完成所有元素的匹配后得到匹配后目标信号，即为滤除虚警目标的目标检测信号，可有效抑制内部结构产生的虚警，提高目标探测的准确性。

本实施例具体将建筑物内部结构特征二值图bis(x,y)与目标特征二值图bit(x,y)对应元素按下式进行匹配：

bit(xn,ym)＝(bis(xn,ym)＝bit(xn,ym))？0:1

即若目标特征二值图bit(x,y)与建筑物内部结构特征二值图bis(x,y)对应元素值相等，则令目标特征二值图bit(x,y)中该元素值重新赋值为0，当然也可以根据实际需求采用其他的滤除方式。

如图2所示，本实施例实现穿墙雷达虚警抑制时，具体首先通过超宽带穿墙雷达探测系统对建筑物内部区域进行探测，由雷达系统获得回波数据并经过不同信号预处理分别获得含有建筑物内部结构特征信息的信号和含有目标特征信息的信号；2)将包含建筑物内部结构信息的信号进行后向投影算法和cfar检测等信号处理，反演得到反映建筑物结构特征的结构特征信号，以及对包含目标信息的信号进进行后向投影算法和cfar检测等信号处理，得到目标特征信号；3)将得到的结构特征信号与目标特征信号进行匹配，得到特征匹配后的得到纯净目标信号作为最终目标检测信号输出，实现虚警滤除，从而有效抑制由建筑物内部结构分布引起的虚警。

为验证本发明的有效性，在具体应用实施例中对图3所示的实测数据采用本发明上述方法进行处理，其中房间长约27.3m、宽度大于8m，雷达布置距地面一定高度贴墙放置，其中心距左侧窗户约4.4m，房间内部在约7m、14m、21m处有3个0.5m*0.5m承重柱体，左侧4m、11m和15m为窗户及后侧也存在3个窗户，19m-22.65m间无墙体，图4为经过步骤s2得到的建筑物内部结构反演结果，图5为经过步骤s2得到的目标探测结果，图6为经过步骤s3匹配后得到的最终目标探测结果，由图6可知，经过本发明方法，可以有效滤除建筑物结构的虚景目标，提高目标检测的精度。

本实施例基于建筑物内部结构特征的雷达检测虚警抑制装置，包括：

雷达探测模块，用于通过穿墙雷达探测系统对建筑物内部区域进行探测，分别获得含有建筑物内部结构特征信息的第一探测信号和含有目标特征信息的第二探测信号；

特征提取模块，用于分别对第一探测信号进行特征值提取，得到建筑物内部的结构特征信号，以及对第二探测信号进行特征值提取，得到目标特征信号；

特征匹配模块，用于将得到的目标特征信号与结构特征信号进行匹配，得到特征匹配后的目标信号作为最终目标检测信号输出以滤除虚警。

本实施例中，穿墙雷达探测系统固定布置在待测建筑物外侧，且所采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，穿墙雷达探测系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号。

本实施例基于建筑物内部结构特征的雷达检测虚警抑制装置与上述建筑物内部结构特征的穿墙雷达虚警抑制方法一一对应，上述装置可以实现与上述建筑物内部结构特征的穿墙雷达虚警抑制方法相同的功能，在此不再一一赘述。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。