适用于MIMO穿墙雷达成像的快速墙体补偿方法与流程

本发明涉及一种雷达成像探测方法，尤其涉及一种适用于mimo穿墙雷达成像的快速墙体补偿方法。

背景技术：

在基于mimo(multipleinputmultipleoutput)穿墙雷达的探测建筑物内部应用中，通过成像来定位、识别和提取目标是一个基本的探测需求。由于建筑物墙体大于自由空间的电磁参数(主要指介电常数)将导致墙体内电磁波速度下降，从而增大了电磁波在天线与目标间的传播延迟，而电磁波速度的改变伴随着折射现象，将导致电磁波的实际传播延迟难以快速、准确估算，成像过程中若忽略墙体穿透影响(即假设为自由空间)，则会造成目标图像散焦和位置偏移，造成实际应用中目标定位、识别和提取困难，因此需要有效的墙体补偿方法修正墙体穿透带来的影响。

现有的墙体补偿方法如基于牛顿–霍纳迭代法、牛顿-拉夫逊迭代法求解四阶多项式方程(超越方程)以及最短路径法等存在计算量过大的问题，难以实现实时处理，限制了方法在实际探测中的使用。

技术实现要素：

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，利用求解计算横坐标获取传播延迟方法，克服传统墙体补偿方法因迭代和遍历带来的运算量过大的问题，实现有效墙体补偿的同时，实现实时处理的适用于mimo穿墙雷达成像的快速墙体补偿方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种适用于mimo穿墙雷达成像的快速墙体补偿方法，包括以下步骤：

(1)在墙体一面紧贴墙体布设一探头朝向墙体另一面的mimo穿墙雷达，所述mimo穿墙雷达收发通道总数为n，墙体设置mimo穿墙雷达的一面为设置面，另一面为分界面；

(2)以该mimo穿墙雷达紧贴墙体一面的中心点为原点建立坐标系，在mimo穿墙雷达探测范围内选定一矩形成像区域，在矩形成像区域依据横纵坐标等间距指定像素点；

(3)mimo穿墙雷达进行多发多收实孔径正视探测，发射信号为超宽带脉冲信号，收集的多通道回波数据表示为{s(n,t),n＝1,2,l,n}，其中t为回波信号在第n个收发通道中的接收延迟；

(4)寻找第一个像素点对应的上端计算横坐标；

(41)依次对收发通道编号，第一个收发通道中，发射天线和接收天线中心点分别与像素点p(x,y)连线，连线与分界面法线构成夹角θ1,h,发、θ1,h,收，根据折射原理，计算θ1,h,发、θ1,h,收的折射角φ1,h,发，φ1,h,收；

(42)以发射天线中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,h,发，该射线与分界面交点处横坐标为h1,发，以接收天线中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,h,收，该射线与分界面交点处横坐标为h1,收，将(h1,发，h1,收)标记为该收发通道对应的上端计算横坐标；

(43)依次计算所有收发通道对应的上端计算横坐标(hn,发、hn,收)，n＝1，2，……n；

(5)寻找第一个像素点对应的下端计算横坐标；

(51)在第一个收发通道中，发射天线和接收天线中心点在分界面的正投影分别与与像素点p(x,y)连线，构成夹角θ1,l,发、θ1,l,收，根据折射原理，计算θ1,l,发、θ1,l,收的折射角φ1,l,发，φ1,l,收；

(52)以发射天线中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,l,发，该射线与分界面交点处横坐标为l1，发，以接收天线中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,l,收，该射线与分界面交点处横坐标为l1，收，将(l1,发，l1,收)标记为该收发通道对应的下端计算横坐标；

(53)依次计算所有收发通道对应的下端计算横坐标(ln,发、ln,收)，n＝1，2，……n；

(6)计算第一个像素点对应所有收发通道的传播延迟值；

(61)在第一个收发通道中，h1,发和l1,发加权求和得到g1,发，h1,收和l1,收加权求和得到g1,收；

(62)根据g1,发和g1,收分别计算发射天线、接收天线的传播延迟τ1,发，τ1,收，得到传播延迟值(τ1,发、τ1,收)；

(63)重复上述步骤，得到该像素点对应所有收发通道的传播延迟值(τn,发、τn,收)，n＝1，2，……n；

(7)重复步骤(4)、(5)、(6)，计算所有像素点对应所有收发通道的传播延迟值；

(8)对每个像素点，根据多通道回波数据{s(n,t),n＝1,2,l,n}，和该像素点对应的所有收发通道的传播延迟值，按照后向投影成像形成最终图像。

作为优选：所述步骤(41)中，根据折射原理，计算θ1,l,发、θ1,l,收、的折射角φ1,l,发，φ1,l,收，具体为：根据以下公式计算：

其中，εw为墙体的相对介电常数。

作为优选：所述步骤(61)中，h1,发和l1,发加权求和得到g1,发，h1,收和l1,收加权求和得到g1,收，具体如下：

g1,发＝k×h1,发+(1-k)×l1,发

g1,收＝k×h1,收+(1-k)×l1,收

其中εw为墙体的相对介电常数。

作为优选：所述步骤(62)中，根据g1,发和g1,收分别计算发射天线、接收天线的传播延迟τ1,发，τ1,收：

其中(x,y)为像素点的坐标，dw为墙体厚度，x1,发和x1,收为第1个收发通道的发射天线中心点和接收天线中心点的横坐标。

作为优选：所述步骤(8)具体为：

(81)对第一个像素点，根据多通道回波数据{s(n,t),n＝1,2,l,n}，和该像素点对应的所有收发通道的传播延迟值，按照后向投影成像计算该像素点像素值；

(82)重复上述步骤，按照后向投影成像计算所有像素点的像素值，得到最终图像。

作为优选：步骤(81)中，位于p(x,y)的像素点的像素值计算为：

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明针对mimo雷达穿墙探测成像来定位、识别和提取目标的探测需求，提供一种适用于mimo穿墙雷达成像的快速墙体补偿方法，该方法利用求解计算横坐标获取传播延迟方法，克服传统墙体补偿方法因迭代和遍历带来的运算量过大的问题，同时，具有矫正目标图像位置偏移、聚焦成像区域大的良好特性，最终得到的输出图像可用于定位、识别和提取目标，在需要实时处理的mimo穿墙雷达成像应用中具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明中mimo穿墙雷达探测示意图；

图2为第一个像素点得到上端计算横坐标的原理图；

图3为第一个像素点得到下端计算横坐标的原理图；

图4为本发明流程图；图5为实施例2中仿真设置图；

图5为实施例2中仿真场景设置图；

图6为实施例2的多通道回波数据；

图7为实施例2的最后成像结果；

图8为直接后向投影成像对比图。

图中：1、墙体；2、mimo穿墙雷达；3、静止目标1；4、静止目标2；5、静止目标3；6、待测静止目标；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图4，一种适用于mimo穿墙雷达成像的快速墙体补偿方法，包括以下步骤：

(1)在墙体1一面紧贴墙体1布设一探头朝向墙体1另一面的mimo穿墙雷达2，所述mimo穿墙雷达2收发通道总数为n，墙体1设置mimo穿墙雷达2的一面为设置面，另一面为分界面；

(2)以该mimo穿墙雷达2紧贴墙体1一面的中心点为原点建立坐标系，在mimo穿墙雷达2探测范围内选定一矩形成像区域，在矩形成像区域依据横纵坐标等间距指定像素点；

(3)mimo穿墙雷达2进行多发多收实孔径正视探测，发射信号为超宽带脉冲信号，收集的多通道回波数据表示为{s(n,t),n＝1,2,l,n}，其中t为回波信号在第n个收发通道中的接收延迟；

(4)寻找第一个像素点对应的上端计算横坐标；

(41)依次对收发通道编号，第一个收发通道中，发射天线和接收天线中心点分别与像素点p(x,y)连线，连线与分界面法线构成夹角θ1,h,发、θ1,h,收，根据折射原理，计算θ1,h,发、θ1,h,收的折射角φ1,h,发，φ1,h,收；

所述步骤(41)中，根据折射原理，计算θ1,l,发、θ1,l,收、的折射角φ1,l,发，φ1,l,收，具体为：根据以下公式计算：

其中，εw为墙体1的相对介电常数；

(42)以发射天线中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,h,发，该射线与分界面交点处横坐标为h1,发，以接收天线中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,h,收，该射线与分界面交点处横坐标为h1,收，将(h1,发，h1,收)标记为该收发通道对应的上端计算横坐标；

(43)依次计算所有收发通道对应的上端计算横坐标(hn,发、hn,收)，n＝1，2，……n；

(5)寻找第一个像素点对应的下端计算横坐标；

(51)在第一个收发通道中，发射天线和接收天线中心点在分界面的正投影分别与与像素点p(x,y)连线，构成夹角θ1,l,发、θ1,l,收，根据折射原理，计算θ1,l,发、θ1,l,收的折射角φ1,l,发，φ1,l,收；

(52)以发射天线中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,l,发，该射线与分界面交点处横坐标为l1，发，以接收天线中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,l,收，该射线与分界面交点处横坐标为l1，收，将(l1,发，l1,收)标记为该收发通道对应的下端计算横坐标；

(53)依次计算所有收发通道对应的下端计算横坐标(ln,发、ln,收)，n＝1，2，……n；

(6)计算第一个像素点对应所有收发通道的传播延迟值；

(61)在第一个收发通道中，h1,发和l1,发加权求和得到g1,发，h1,收和l1,收加权求和得到g1,收，所述步骤(61)中，h1,发和l1,发加权求和得到g1,发，h1,收和l1,收加权求和得到g1,收，具体如下

g1,发＝k×h1,发+(1-k)×l1,发

g1,收＝k×h1,收+(1-k)×l1,收

其中εw为墙体1的相对介电常数；

(62)根据g1,发和g1,收分别计算发射天线、接收天线的传播延迟τ1,发，τ1,收，得到传播延迟值(τ1,发、τ1,收)；具体为：

其中(x,y)为像素点的坐标，dw为墙体1厚度，x1,发和x1,收为第1个收发通道的发射天线中心点和接收天线中心点的横坐标。

(63)重复上述步骤，得到该像素点对应所有收发通道的传播延迟值(τn,发、τn,收)，n＝1，2，……n；

(7)重复步骤(4)、(5)、(6)，计算所有像素点对应所有收发通道的传播延迟值；

(8)对每个像素点，根据多通道回波数据{s(n,t),n＝1,2,l,n}，和该像素点对应的所有收发通道的传播延迟值，按照后向投影成像形成最终图像，具体为：

(81)对第一个像素点，根据多通道回波数据{s(n,t),n＝1,2,l,n}，和该像素点对应的所有收发通道的传播延迟值，按照后向投影成像计算该像素点像素值；位于p(x,y)的像素点的像素值计算为：

(82)重复上述步骤，按照后向投影成像计算所有像素点的像素值，得到最终图像。

参见图1，我们设置墙体1、mimo穿墙雷达2和待测静止目标6。为了更好的说明本实施例，图1为本发明中mimo穿墙成像雷达探测示意图；mimo穿墙雷达2收发通道总数为n，为了便于展示，图1中为2发8收的mimo穿墙雷达2，包括分别位于两端的两发射天线，和位于中间的接收天线，从左到右，第1个发射天线与第1个接收天线构成第1个收发通道，第1个发射天线与第2个接收天线构成第2个收发通道，依次类推，一共16个收发通道。

同理，采用2发4收的mimo穿墙雷达2则收发通道总数为8，以此类推。

参见图2，步骤(4)为寻找第一个像素点对应的上端计算横坐标；根据步骤(41)(42)(43)需要得到所有收发通道对应的上端计算横坐标，我们以第一个收发通道为例：

(41)对收发通道编号，第一个收发通道中，发射天线为t1，接收天线为r1，如图，二者与像素点p(x,y)连线，t1对应的连线与分界面法线构成夹角θ1,h,发，r1对应的连线与分界面法线构成夹角θ1,h,收，然后根据折射远离计算计算θ1,h,发、θ1,h,收的折射角φ1,h,发，φ1,h,收；

(42)以t1中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,h,发，这样射线就会与分界面相交，交点处横坐标为h1,发，同理以r1中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,h,收，该射线与分界面交点处横坐标为h1,收，将(h1,发，h1,收)标记为该收发通道对应的上端计算横坐标；

以上步骤完成了第一个收发通道的上端计算横坐标；同理，可以得到同一像素点对应所有收发通道的上端计算横坐标；

参见图3，步骤(5)为寻找第一个像素点对应的下端计算横坐标；我们以第一个收发通道为例：

(51)对收发通道编号，第一个收发通道中，发射天线为t1，接收天线为r1，如图，二者分界面的正投影分别与与像素点p(x,y)连线，与分界面法线构成夹角θ1,l,发、θ1,l,收，根据折射原理，计算θ1,l,发、θ1,l,收的折射角φ1,l,发，φ1,l,收；

(52)以t1中心点为端点作射线，该射线与设置面法线夹角为φ1,l,发，射线必然与分界面形成交点，交点处的横坐标为l1，发，同理处理r1，得到另一交点处横坐标为l1，收，将(l1,发，l1,收)标记为该收发通道对应的下端计算横坐标；

以上步骤完成了第一个收发通道的下端计算横坐标；同理，可以得到同一像素点对应所有收发通道的下端计算横坐标。

本发明中：先设置雷达，选定探测区域、将其分解为像素矩阵，再进行探测得到回波信号；然后，寻找每个像素点对应的上端计算横坐标、下端计算横坐标；为了更好的描述本发明方案，我们假设收发通道为16个：

步骤(4)中，根据步骤(41)(42)，得到第一个像素点对应第一个收发通道的上端计算横坐标(h1,发，h1,收)，也就是1组横坐标值，这一组横坐标值为2个，分别为h1,发，h1,收，再步骤(43)得到16组通道对应的值，共计16组，每组包含2个值，分别对应发射天线和接收天线的，共计32个值；

步骤(5)中，同理得到第一个像素点对应16个通道的下端计算横坐标，共计16组，每组包含2个值，分别对应发射天线和接收天线的，共计32个值；

按相同的通道分类，将步骤(4)(5)中，相同通道中对应发射天线的值加权求和，对应接收天线的值加权求和，再利用加权求和的值计算传播延迟：

例如，第一个通道中，h1,发和l1,发加权求和得到g1,发，h1,收和l1,收加权求和得到g1,收，根据(g1,发、g1,收)计算得到传播延迟值(τ1,发、τ1,收)；同理得到16个通道的传播延迟值，共16组，32个值；

综上，一个像素点，共计对应了16组传播延迟值；

重复上述步骤，得到所有像素点各自的16组传播延迟值。

然后利用步骤(8)，每个像素点依次计算，将多通道回波数据{s(n,t),n＝1,2,l,n}，与各自对的16组传播延迟值带入后向投影成像算法中，形成可用于定位、识别和提取目标最终图像。

实施例2：参见图5到图7，为了更好的说明本发明，实施例2利用matlab进行仿真实验。

(1)在matlab中设置如图5所示的仿真场景，其中，均一稳定的建筑物墙体1厚度为35cm，相对介电常数为9，在墙体1一面紧贴墙体1布设一探头朝向墙体1另一面的mimo穿墙雷达2，mimo穿墙雷达2中的mimo阵列由两个发射天线和八个接收天线组成，相邻收发天线间距为7.5cm，相邻接收天线间距为15cm。

(2)收发天线的中心均为mimo阵列中心，mimo阵列中心位于(0m,0m)，在雷达探测区域内放置三个小球作为静止目标，静止目标13、静止目标24、静止目标35，位置分别为(-2.7m，1.9m)、(-0.5m,7.3m)和(1.9m,4.1m)。以该mimo穿墙雷达2紧贴墙体1一面的中心点为原点建立坐标系，在mimo穿墙雷达2探测范围内选定矩形成像区域(x,y),x∈[-4m,4m],y∈[0.35m,8m]，在矩形成像区域依据横纵坐标等间距0.5cm指定像素点,共计1601×1531＝2451131个像素点。

(3)利用matlab仿真其进行正视探测，发射信号为高斯脉冲包络的正弦信号，中心频率1.5ghz，带宽为1ghz，两个发射天线依次进行信号发射，对于每次发射，八个接收天线同时接收，共计十六个收发通道，得到如图5所示的多通道回波数据。

(4)采用实施例1步骤(4)的方法，寻找第一个像素点对应的上端计算横坐标；

(5)采用实施例1步骤(5)的方法，寻找第一个像素点对应的下端计算横坐标；

(6)采用实施例1步骤(6)的方法，计算第一个像素点对应所有收发通道的传播延迟值；

(7)重复步骤(4)、(5)、(6)，计算所有像素点对应所有收发通道的传播延迟值；

(8)对第一个像素点，根据多通道回波数据{s(n,t),n＝1,2,l,n}，和该像素点对应的所有收发通道的传播延迟值，按照后向投影成像计算该像素点像素值；位于p(x,y)的像素点的像素值计算为：

重复上述步骤，按照后向投影成像计算所有像素点的像素值，得到最终图像。

为了说明本发明提供方法的优势，给出忽略墙体1影响，直接后向投影成像得到的图像图8。从图7最终图像i(x,y)可以看出本发明提供的方法具有良好的目标图像聚焦效果。从两图比较可以看出，本发明矫正目标图像位置偏移效果好，可实现有效的墙体1补偿。