一种基于最小均方误差准则的穿墙雷达耦合信号抑制方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于最小均方误差准则的穿墙雷达耦合信号抑制方法，首先将当前时域回波信号进行8倍插值；其次基于插值后的当前时域回波信号的最大值，与参考时域回波信号的最大值作比较，得到幅度补偿因子，实现时变耦合信号的幅度补偿；然后对参考信号与当前时域回波信号作均方误差运算，搜索出均方误差运算结果中最小值的位置作为时延值，对当前时变耦合信号进行时延补偿；最后采用自适应背景相消法，实现对幅度和时延补偿后的耦合信号的抑制。通过对时变耦合信号幅度和时延的补偿，消除了系统抖动对耦合信号稳定性的影响，结合自适应背景相消，进而成功地解决了常规背景相消方法抑制时变耦合信号时耦合信号残留较大的问题。
【专利说明】
一种基于最小均方误差准则的穿墙雷达耦合信号抑制方法
技术领域
[0001] 本发明属于穿墙雷达探测领域，涉及一种可用于穿墙雷达探测的耦合抑制方法。
【背景技术】
[0002] 在穿墙雷达中，收发天线之间存在着强烈的耦合信号，且持续时间较长，对应作用 距离常常大于1.5m，严重影响近距离目标探测。因此穿墙雷达在探测近距离目标时必须去 除耦合信号的干扰。然而，在实际雷达中，信号发射的系统抖动不可避免，抖动时间往往在 10ps~150ps范围内。系统抖动的存在，使親合信号的幅度和时延不能保持稳定，从而导致 耦合信号抑制不彻底，引起严重虚警。
[0003] 目前常见的耦合信号抑制方法有：平均抵消法、运动目标指示(Moving Target Indication，MTI)法、运动目标检测(Moving Target Detection，MTD)法、主元分析法、横向 滤波自适应抵消法、距离门法等。
[0004] 采用平均抵消法、MTI法、MTD法进行耦合处理的代表文献有：[l]Nag S，Fluhler H,Barnes M.Preliminary interferometric images of moving targets obtained using a time-modulated ultra-wide band through-wall penetration radar[C] .Proceedings of the IEEE Radar Conference.2001:64-69.[2]Nag S,Barnes M A, Payment T,et al.An Ultrawideband through-wall radar for detecting the motion of people in real time[C]?Proceedings of SPIE on Radar Sensor Technology and Data Visualization.2002,4744:48-57.[3]Nag S,Barnes M.A moving target detection filter for an ultra-wideband radar[C]?Proceedings of the 2003IEEE Radar Conference. 2003:147-153.由于实际親合信号的时延和幅度并不能保持稳定，经上 述方法处理后，仍然存在较强的耦合信号残留。
[0005] 采用主元分析法进行耦合抑制处理的代表文献有：李文杰，魏修成，刘洋，等.SVD 滤波法在直达波和折射波衰减处理中的应用[J].石油勘探与开发.2004，31 (5): 71-73.该 方法利用耦合信号和目标信号在投影空间上的差异实现耦合抑制，实现较为复杂，不利于 实时处理。
[0006] 采用横向滤波自适应抵消法进行耦合抑制处理的代表文献有：[1]高守传，黄春 琳，粟毅.基于Rl. S横向滤波自适应抵消法的直达波抑制[J].信号处理.2004，20(6): 566-571. [2]李昂，蒋延生，张安学，等.自适应对消在去除探地雷达信号直达波的应用[J].电波 科学学报.2004,19(2) :223-227.该方法在完成耦合抑制过程的同时亦进行了杂波抑制过 程，但此种方法没有考虑目标类型的影响，往往会带来信噪比损失。
[0007] 采用距离门法进行親合抑制处理的代表文献有：[l]Nag S，Fluhler H,Barnes M.Preliminary interferometric images of moving targets obtained using a time-modulated ultra-wide band through-wall penetration radar[C]?Proceedings of the IEEE Radar Conference.2001:64-69.[2]Attiya A M,Bayram A,Safaai-jazi A,et al.UWB applications for through-wall detection[J].IEEE.2004:3079-3082.该方法 将距离门的耦合信号直接去除或者置零，当耦合距离内含有目标时，目标回波被一起滤除， 从而限制了雷达系统的探测距离。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于最小均方误差准则的穿墙雷达 耦合信号抑制方法，其改善SCR，降低穿墙雷达在探测近距离目标时耦合残留造成的虚警。
[0009] 本发明的技术方案是：
[0010] -种基于最小均方误差准则的穿墙雷达耦合信号抑制方法，包括以下步骤：
[0011] S1.对当前回波信号进行时域8倍插值；
[0012] S2.计算之前所有历史回波信号的均值，作为参考信号，利用参考信号幅度最大值 对经步骤S1时域8倍插值后的当前时域回波信号进行幅度校正，实现时变耦合信号的幅度 补偿；
[0013] S3.利用参考信号与经步骤S2幅度补偿后的当前时域回波信号作均方误差运算， 依据最小均方误差准则，完成时变耦合信号的时延补偿；
[0014] S4.采用自适应背景相消，抑制经幅度和时延补偿后的耦合信号。
[0015] 在本发明的S1中，由于实际系统受限于采样带宽，无法采样到系统抖动，因此对当 前回波信号进行时域8倍插值，近似出系统抖动。设雷达记录了 M个脉冲，每个脉冲有N个距 离单元，第m个脉冲在第n个距离单元的回波信号数据为x(m，n)，8倍插值后的当前时域回波 信号为xi(m，n) 〇
[0016] 在本发明的S2中，计算前m-1个历史回波信号数据均值作为第m个脉冲的参考信 号，用r(m，n)表示，对n进行搜索，计算参考信号和经时域8倍插值后的当前时域回波信号^ (m，n)(以下简称为时域回波信号 XI(m，n))的最大值，并对当前时域回波信号进行幅度补 偿，得到幅度补偿后的时域回波信号为^?，《)(以下简称为时域回波信号》))，其计算 包括以下步骤：
[0017] S2.1参考信号为
其中，i为脉冲数，n为距离单元数，参考 信号的最大值为:_^(111)=11^{1'(111，11)，11 = 1，2，...，1'1}，其中11^为求最大值运算；
[0018] S2.2第m个脉冲的最大值为:MAX(m)=max{xi(m，n)，n=l，2, ? ? ?，N};
[0019] S2.3通过
对时域回波信号幻化，!!)进行幅度补偿。
[0020] 在本发明的S3中，时延补偿后的时域回波信号为(以下简称为时域回波信 号％ (% H))，其计算包括以下步骤：
[0021] S3.1对n进行搜索，计算时域回波信号耳(《，》)和参考信号r(m，n)的均方误差：
，口为时域回波信号A (% ?)的时延偏移量，搜索 均方误差最小值位置P满足MSE(m，pmin) =min(MSE(m，p))，其中min为求最小值运算，pmin对 应的时延即为时域回波信号巧(％?)相对于参考信号r(m，n)的时延偏移量；
[0022] S3.2将时域回波信号平移！Mn对应的时延得到时域回波信号吞(队"）=4卜n)， 完成耦合信号的时延补偿。
[0023]在本发明的S4中，用y(m，n)表示自适应背景相消的结果，其计算包括以下步骤： [0024] S4.1设b(m，n)表示自适应估计得到的背景数据，d(m，n)为输入数据矢量，则自适 应背景相消法的表达式为：
[0025] b(m，n) =wT(m)d(m，n)
[0026] y(nhn) = xr (hl
[0027] 其中
[0028] w(m)为自适应加权系数，w(m) = [wo(m)，wi(m)，…，WL(m)]T，
[0029] 1) = u./; + ("卜-0，I ，I，
[0030] y为自适应增益常数，通常满足(Xy^a+DPiU/t =￡[Tc2(m, /t)]为输入信号 功率，E为数学期望运算，
[0031] 6(111，11)是误差信号，其估计值('::(/〃，〃)可用下式表示，^( /〃，〃）= /)(/",")-/?(/〃-1^)，
[0032] d(m，n)为输入数据矢量，f (w-l,.w)，…，斗.w)]T;:
[0033] S4.2当处理第m=l个时域回波信号&(〃〃》)时，自适应背景相消估计的输出为y(m， n)=0,对应的背景数据为△(?? ?)=乓("〃《)，自适应加权系数为w(m) = [l，0，-_，0]T4llA 数据矢量为= (/?，《)., 0,…，0]T，此时误差信号的估计为=
[0034] S4 . 3当处理第m= 2个时域回波信号乓〇?，《)时，更新自适应加权系数为 （)，…，0]1时更新估计的背景数据为 />(削，/7) = (% (m -1) + 2,"e(flz - 1,/?)耳（"卜u)) ("Z，"），丨'丨迠应背景相消估计的输出为 y(m.n) = xc (mji)-b (mji)= (l - vr(l (in -1 )-2 ie (in -\,n ),v^. (/? -\jt (mji )；
[0035] S4.4依次对后续时域回波信号(/?，《)按照步骤S4.3处理，即可实现自适应背景相 消对经幅度和时延补偿后耦合信号的抑制。
[0036] 本发明首先将当前时域回波信号进行8倍插值;其次基于插值后的当前时域回波 信号的最大值，与参考时域回波信号的最大值作比较，得到幅度补偿因子，实现时变耦合信 号的幅度补偿;然后对参考信号与当前回波信号作均方误差运算，搜索出均方误差运算结 果中最小值的位置作为时延值，对当前时变耦合信号进行时延补偿;最后采用自适应背景 相消法，实现对幅度和时延补偿后的耦合信号的抑制。
[0037] 通过对时变耦合信号幅度和相位的补偿，消除了系统抖动对耦合信号稳定性的影 响，结合自适应背景相消，进而成功地解决了常规背景相消方法抑制时变耦合信号时耦合 信号残留较大的问题，降低了穿墙雷达探测近距离目标时耦合信号残留引起的虚警。
【附图说明】
[0038]图1是本发明的流程图。
[0039]图2是在穿墙探测近距离人体目标时未经耦合抑制处理的实验结果。
[0040]图3是自适应背景相消法在穿墙探测近距离人体目标时耦合抑制处理实验结果。
[0041] 图4是本发明在穿墙探测近距离人体目标时耦合抑制处理实验结果。
【具体实施方式】
[0042] 本发明中穿墙雷达系统工作在贴墙模式下，天线保持静止不动，则可以应用本发 明所阐述的时变耦合信号抑制法对耦合信号进行抑制。
[0043]本发明提出的时变耦合信号抑制法通过实际雷达系统进行了实验验证，实验结果 证明了本发明的有效性。该雷达系统参数如下表所示：
[0045] 首先，选取厚度为30cm的砖墙，在墙壁一侧离墙2.5m处，静止站立一个身高1.75m 的人体目标。穿墙雷达贴墙放置在墙壁另外一侧。
[0046] 然后，进行时变耦合信号的幅度和时延补偿。
[0047] 参照图1，完成时变耦合信号的幅度和时延补偿需经过以下步骤：
[0048] (a)对于当前回波信号x(m，n)作时域8倍插值；
[0049] (b)利用参考信号幅度最大值对经8倍插值后的当前时域回波信号进行幅度校正， 实现时变耦合信号的幅度补偿；
[0050] (c)利用参考信号与经幅度补偿后的当前回波信号作均方误差运算，依据最小均 方误差准则，完成时变耦合信号的时延补偿。
[0051] 步骤(c)输出信号即为完成时延补偿处理的耦合信号，为接下来要做的自适应背 景相消所需的输入信号。
[0052]最后，自适应背景相消抑制耦合信号。对幅度和时延补偿处理后的耦合信号进行 自适应背景相消处理，需经过以下步骤：
[0053] (a)当处理第m=l个时域回波信号&(〃〃")时，自适应背景相消估计的输出为y(m， n) = 0,对应的背景数据为料《，《)_ = :%(w，《) _，自适应加权系数为w(m) = [1，0,…，0]T，输入 数据矢量为二0，此时误差信号为纟=
[0054] (b)当处理第m = 2个时域回波信号&(%?)时，更新自适应加权系数为 = |_u" (/"- 1)+ 2，(/;卜 l，/z). 0,同时更新估计的背景数据为 = (w."(/'? - 1) + ("卜-1，，7)：?( (，?卜-1，# v{m,n) = x(. [in,n )-b [nun ) = (l - (in -1)- 2 /.e [m - \ji ),v^". [m - \ji )；
[0055] (c)对后续时域回波信号按照步骤(b)处理，即可实现自适应背景相消对经 幅度和时延补偿后耦合信号的抑制。
[0056] 本发明通过对时变耦合信号幅度和时延的补偿，将时变耦合信号精确对齐，然后 再进行自适应背景相消处理，较为彻底地抑制了耦合信号，从而得到背景更干净的距离时 间历史图像，提高了信杂比（Signal-to-Clutter Ratio，SCR)，更有利于对近距离目标的探 测。
[0057]实际雷达系统探测实验结果表明，本发明提出的时变耦合信号抑制方法可有效消 除系统抖动对耦合信号稳定性的影响，结合自适应背景相消，较好解决了常规背景相消方 法抑制时变耦合信号时耦合信号残留较大的问题。
[0058]综上所述，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任 何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本 发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种基于最小均方误差准则的穿墙雷达耦合信号抑制方法，其特征在于:包括以下 步骤：51. 对当前回波信号进行时域8倍插值；52. 计算之前所有历史回波信号的均值，作为参考信号，利用参考信号幅度最大值对经 步骤S1时域8倍插值后的当前时域回波信号进行幅度校正，实现时变耦合信号的幅度补偿；53. 利用参考信号与经步骤S2幅度补偿后的当前时域回波信号作均方误差运算，依据 最小均方误差准则，完成时变耦合信号的时延补偿；54. 采用自适应背景相消，抑制经幅度和时延补偿后的耦合信号。2. 根据权利要求1所述的基于最小均方误差准则的穿墙雷达耦合信号抑制方法，其特 征在于： S1中，设雷达记录了 Μ个脉冲，每个脉冲有N个距离单元，第m个脉冲在第η个距离单元的 回波信号数据为x(m，n)，8倍插值后的当前时域回波信号为XI(m，n); S2中，计算前m-1个历史回波信号数据均值作为第m个脉冲的参考信号，用r(m，n)表示， 对η进行搜索，计算参考信号和经时域8倍插值后的当前时域回波信号^化，!!)的最大值，并 对当前时域回波信号进行幅度补偿，得到幅度补偿后的时域回波信号为其计算包 括以下步骤：，其最大值为:MAXref(m) =max{r(m，n)，η = 1， 2,...，Ν}，其中max为求最大值运算； S2.2第m个脉冲的最大值为:MAX(m)=maxUi(m，n)，η=1，2, · · ·，N};对时域回波信号n(m，n)进行幅度补偿。3. 根据权利要求2所述的基于最小均方误差准则的穿墙雷达耦合信号抑制方法，其特 征在于:S3包括以下步骤： S3. 1对η进行搜索，计算时域回波信号Μ%?)和参考信号r(m，n)的均方误差：，|为时域回波信号的时延偏移量，搜索均 方误差最小值位置P满足MSE(m，pmin) =min(MSE(m，p))，其中min为求最小值运算，pmin对应 的时延即为时域回波信号$ (心《):相对于参考信号r(m，η)的时延偏移量； S3.2将时域回波信号5(1?)平移Pmin对应的时延，得到时延补偿后的时域回波信号 n) = 5 (m，《+ρ)，完成親合信号的时延补偿。4. 根据权利要求3所述的基于最小均方误差准则的穿墙雷达耦合信号抑制方法，其特 征在于:S4中，用y(m，n)表示自适应背景相消的结果，其计算包括以下步骤： S4.1设b(m，n)表示自适应估计得到的背景数据，d(m，n)为输入数据矢量，则自适应背 景相消法的表达式为： b(m,n) = wT(m)d(m,n)其中 w(m)为自适应加权系数，w(m) = [w〇(m)，wi(m)，'"，WL(m)]T，^为自适应增益常数，满足〇<〇<[仏+1奸11^1，及=<;^2(吼4为输入信号功率』为 数学期望运算， e(m，n)是误差信号，其估计值可用下式表示，1,?)，： d(m，n)为输入数据矢量，S4.2当处理第m=l个时域回波信号巧彳》?, R):时，自适应背景相消估计的输出为y(m，n) = 0,对应的背景数据为冲《，《)=々(《.?)，自适应加权系数为<111) = [1，0，一，0]1'，输入数据 矢量为= 0，…:，0『，此时误差信号的估计为￡>(/??,= S4.3当处理第m=2个时域回波信号％ (机《)肘，更新自适应加权系数为 =「u·,, - 1)+ 2/λ-1 丨.(/" -.1,/70，…，〇j __，同时更新估计的背景数据为 /)("V?) = (vi以"卜-丨）+ 2,("卜-丨.")$ ("卜-1，"))$.. {m, η)-b {m, η ) = (l - w70 (ft -1)- 2 ps {tn -1, n )x^c (m -1,? ))? (^?H )； S4.4依次对后续时域回波信号4 (m, ?)按照步骤S4.3处理，即可实现自适应背景相消对 经幅度和时延补偿后耦合信号的抑制。
【文档编号】G01S7/36GK105929375SQ201610541650
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月11日
【发明人】朱国富, 贺峰
【申请人】长沙太电子科技有限公司, 长沙太一电子科技有限公司