一种针对墙体位置未知的角落目标定位方法与流程

本发明涉及多径利用雷达目标定位技术领域，特别是涉及目标位于雷达非直视区且墙体位置未知时的单目标定位方法。

背景技术：

多径利用雷达目标定位技术领域主要利用电磁波在建筑物表面的镜面反射和衍射，对位于雷达非直视区的隐秘目标进行检测、定位和识别，在城市巷战、反恐作战、灾难救援等领域具有重大的应用价值。电磁波在拐角巷道内传播时，存在许多不同的传播路径，其中利用墙角的电磁波衍射可以探测到目标，同时，由于巷道光滑墙体的存在，电磁波从发射雷达发射出去之后会在墙体表面进行一次或者多次反射，以此也可以探测到目标。

国内外许多研究机构开展了非直视情况下利用多径回波对目标探测的研究。荷兰国防研究局利用多径回波产生的距离-多普勒图像区分不同的动目标(deiana,d.,kossen,a.s.,vanrossum,w.l.:'multipathexploitationinanurbanenvironmentusingamimosurveillanceradar'.internationalradarsymposium,vilnius,lithuania,2010,pp.1-4.),瑞典国防研究局利用多径回波成功获取了动目标的微多普勒特征(gustafsson,m.,andersson,asa.,johansson,t.,etal.:'extractionofhumanmicro-dopplersignatureinanurbanenvironmentusingasensing-behind-the-cornerradar',ieeegeoscienceandremotesensingletters,2016,13,(2),pp.187-191).

上述研究只是利用多径探测到了目标，并未实现目标的定位。伊利诺大学芝加哥分校提出了利用点扩散函数和复合点扩散函数对隐秘目标进行定位的方法(setlur,p.,negishi,t.,devroye,n.,etal.:'multipathexploitationinnon-losurbansyntheticapertureradar',ieeejournalofselectedtopicsinsignalprocessing,2014,8,(1),pp.137-152).伊尔默瑙工业大学提出了利用不同多径回波对动目标进行定位的方法(zetik,r.,eschrich,m.,jovanoska,s.,etal.:'lookingbehindacornerusingmultipath-exploitinguwbradar',ieeetransactionsonaerospaceandelectronicsystems,2015,51,(3),pp.1916-1926)，它从目标回波中提取出衍射和一次反射以及两者组合回波，然后利用场景几何结构对目标进行定位。但是上述方法都假设建筑物位置已知，在实际应用中，墙体位置一般未知。因此研究墙体位置未知环境下的非直视目标定位问题具有重要的价值。

技术实现要素：

本发明为解决上述问题，提出了一种适用于墙体位置未知环境下的非直视目标定位方法，首先利用后向投影成像算法估计墙体位置，然后对目标进行成像，提取出雷达图像中的聚焦区域，然后根据聚焦区域中心到阵列中心的距离对聚焦区域进行排序，最后根据多径传输模型将聚焦区域与实际传输路径匹配，并按不同的路径结合墙体位置计算目标位置。

本发明技术方案如下：

一种针对墙体位置未知的角落目标定位方法，包括以下步骤：

步骤1：角落目标多径传输环境参数初始化

巷道的两面平行墙体wall-1和wall-2的位置记为d1、d2，与wall-1垂直的墙体为wall-3，两者组成的墙角位置记为(xc,yc)，其中xc、yc分别为墙角的x轴坐标、y轴坐标。位于雷达非直视区的目标位置记为(xp,yp)；雷达探测目标的两种路径记为path-ⅰ、path-ⅱ，path-ⅰ表示雷达发射的电磁波经过墙体wall-2的一次镜面反射探测到目标的传输路径，path-ⅱ表示雷达发射的电磁波经过墙体wall-2的一次镜面反射和墙体wall-1的一次镜面反射探测到目标的传输路径；

步骤2：墙体位置获取

步骤2.1、将雷达阵列放置于与墙角共线的位置，波束方向对着墙体wall-3方向；

步骤2.2、运用后向投影成像算法获取墙体wall-3的图像，由于墙体具有较强的散射系数，图像中将有明显的wall-3的图像；又由于后向投影成像算法基于距离的成像特性，在wall-3关于阵列对称的位置，出现另一个虚拟墙体图像；

步骤2.3、利用霍夫变换直线提取方法，将上述图像中wall-3所在直线提取出来，用符号line1表示，同时将wall-3的虚拟墙体图像所在直线提取出来，用符号line2表示；由于line1与line2关于雷达阵列所在直线对称，且雷达阵列与墙角共线，可知两条直线的交点就是墙角所在位置；因此求解两条直线line1与line2的交点，即可获得墙角位置(xc,yc)，由于墙角由两面相互垂直的墙体构成，所以墙体wall-1的位置即可获得，为d1＝xc；

步骤2.4、在雷达阵列中心不变的情况下旋转阵列，使其波束方向对着另一面平行墙体wall-2；对该墙体用后向投影算法进行成像，对图像聚焦区域提取，即可获得墙体wall-2的位置d2；

步骤3：采用雷达照射墙体，根据获得的回波信号进行目标位置获取。

进一步的，所述步骤3的具体方法为：

步骤3.1、对目标探测回波进行成像，获得成像结果，记为io(·)；

步骤3.2、提取出io(·)的多个聚焦区域，并按照聚焦区域中心到阵列中心距离从小到大的顺序，对聚焦区域进行排序，得到聚焦区域序列，记为[a11,a12,a22]，并将三个聚焦区域的中心分别记为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)；

步骤3.3、对于聚焦区域a11，根据几何关系，目标位置可以计算为：

步骤3.4、对于聚焦区域a22，根据几何关系，目标位置可以计算为：

步骤3.5、对于聚焦区域a12，根据几何关系，目标位置可由下面方程解出：

其中，表示两个以路径path-ⅰ探测目标的发射天线坐标，表示两个以路径path-ⅱ探测目标的接收天线坐标；||·||为二范数。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种适用于墙体位置未知环境下的非直视目标定位方法，首先通过雷达阵列旋转的方式，同时利用后向投影成像算法估计墙体位置，然后对目标进行成像，提取出雷达图像中的聚焦区域，然后根据聚焦区域中心到阵列中心的距离对聚焦区域进行排序，最后根据多径传输模型将聚焦区域与实际传输路径匹配，并按不同的路径结合墙体位置计算目标位置。本发明的优点是能准确估计非直视区目标的位置，且操作简单，不暴露操作人员位置。本发明可以应用于城市巷战、反恐作战等领域。

附图说明

图1为角落环境下多径传播模型。

图2为具体实施方式中仿真场景示意图。

图3为具体实施方式中对墙体wall-3的成像结果

图4为具体实施方式中仿真场景墙体位置估计结果。

图5为具体实施方式中仿真场景目标位置估计结果。

具体实施方式

下面根据一个gprmax电磁仿真例子给出本发明的具体实施方式：

步骤1：角落目标多径传输环境参数初始化

对存在目标的待探测角落区域，其仿真场景如图2所示，坐标系零点位于场景左下角，墙体wall-1与墙体wall-2平行于y轴，且横坐标分别为d1＝1.8m、d2＝2.5m。墙体wall-3垂直于wall-1，组成的墙角坐标为(xc,yc)＝(1.8m,1.5m)。单目标位于雷达非直视区，坐标为(xp,yp)＝(2.0m,2.1m)。雷达为2发4收的时分mimo雷达，其中两个发射天线位于阵列两端，与其邻近的接收天线相距3.75cm，四个接收天线位于阵列中间，相互之间间隔7.5cm。

步骤2：墙体位置获取

2.1、将雷达阵列放置于与墙角共线的位置，波束方向对着墙体wall-3方向，如图2阵列a所示，其阵列中心坐标为(1.2343m,0.9343m)，且与wall-3夹角θ＝45°。

2.2、运用后向投影成像算法获取墙体wall-3的图像，如图3所示，墙体wall-3在图像中有明显的聚焦区域，同时，在与阵列对称的位置，出现了wall-3的虚拟图像。

2.3、利用霍夫变换直线提取方法，将上述图像中wall-3所在直线提取出来，用符号line1表示，同时将wall-3的虚拟图像所在直线提取出来，用符号line2表示。求解两条直线line1与line2的交点，即可获得墙角位置(xc,yc)＝(1.8m,1.5m)，由于墙角由两面相互垂直的墙体构成，所以墙体wall-1的位置即可获得，为d1＝xc＝1.83m。

2.4、在雷达阵列中心不变的情况下旋转阵列，使其波束方向对着另一面平行墙体wall-2。对该墙体用后向投影算法进行成像，对图像聚焦区域提取，即可获得墙体wall-2的位置，最终仿真结果墙体位置估计如图4所示，黑色虚线即为三面墙体的实际位置。

步骤3：目标位置获取

3.1、对目标探测回波进行成像，获得成像结果如图5所示。

3.2、提取出图5中的多个聚焦区域，并按照聚焦区域中心到阵列中心距离从小到大的顺序，对聚焦区域进行排序，得到聚焦区域序列，记为[a11,a12,a22]，且三个聚焦区域的中心分别为(x1,y1)＝(2.9368m,2.0751m)、(x2,y2)＝(3.2344m,2.0339m)、(x3,y3)＝(3.4393m,2.0812m)。

3.3、对于聚焦区域a11，由式(1)，目标位置可以计算为(xp1,yp1)＝(2.0632m,2.0751m)

3.4、对于聚焦区域a22，由式(2)，目标位置可以计算为(xp2,yp2)＝(2.0781m,2.072m)

3.5、对于聚焦区域a12，由式(3)，目标位置可由计算为(xp3,yp3)＝(2.0393m,2.0812m)

3.6、对以上三个结果求平均，可得最终目标位置为(xp,yp)＝(2.0602m,2.0761m)，如图5中三角形所示，即为目标位置。

具体参数结果如表1所示，第一行为各个参数的真实值，第二行为本发明的估计值，第三行为两者的欧几里德距离。

由上表可以看出，最大的误差仅仅是0.065m。因此本发明提供的适用于墙体位置未知环境下的非直视目标定位方法不仅操作简单不会暴露目标，而且墙体位置及目标位置的估计误差都很小，验证了本发明的正确性和有效性。