用于超宽带MIMO穿墙雷达的运动目标三维成像方法及装置

本公开涉及mimo穿墙雷达运动目标三维成像领域，具体涉及用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像方法及装置。

背景技术：

超宽带mimo雷达因其良好的穿透性和超高的距离向分辨率，广泛应用于穿墙成像领域。mimo穿墙雷达的方位向分辨率取决于mimo阵列的孔径。孔径越大，方位向分辨率越高。与此同时，所需的阵列数量会急剧增加，这些在硬件系统上是难以实现的。

目前工程上大多是通过微波开关切换以时分复用的方式来实现mimo系统，这是以一种简单的结构和较低的成本方式实现mimo收发。但将该系统用于穿墙运动目标3d成像时，雷达通道切换的时延在运动目标中不能忽略，而且在雷达系统中常常通过多次数据的累加来提升回波信号的信噪比，这会进一步降低雷达通道的切换速率。这些通道切换时延会给运动目标3d成像结果带来散焦的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像方法及装置，该方法采用运动补偿方法来解决上述运动目标3d成像散焦的问题。

本公开的第一个方面提供了一种用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像方法，包括：s1，获取运动目标的第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据；s2，对第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据进行预处理，得到第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据；s3，提取第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据中运动目标所处时窗对应的第三mimo通道回波数据及第三参考通道回波数据；s4，采用基于参考通道的运动补偿方法使用第三参考通道回波数据对第三mimo通道回波数据进行补偿，得到补偿后的第四mimo通道回波数据；s5，采用修正的穿墙后向kirchhoff三维成像算法对该第四mimo通道回波数据进行三维成像，得到该运动目标的三维图像。

进一步地，s1中该mimo穿墙雷达采用微波开关切换以时分复用的方式获取第一mimo通道回波数据，及通过位置固定不变的参考通道获取第一参考通道回波数据。

进一步地，s2中对第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据进行预处理包括：s21，对第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据沿快时间方向进行带通滤波处理；s22，采用相邻相减的方式去除s21中经过带通滤波处理后的第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据的背景，得到第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据。

进一步地，s3中提取第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据中运动目标所处时窗对应的第三mimo通道回波数据及第三参考通道回波数据包括：s31，利用一固定时间窗分别将第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据分成多个部分，其中，该固定时间窗包括前窗、后窗及检测单元xcut；前窗及后窗为参考单元；s32，计算检测单元xcut的算数平均值；s33，根据s32中算数平均值判断运动目标是否存在，若xcut≥pz，则该运动目标存在，否则，该运动目标不存在；其中，p是由半时窗长度nc决定的标称系数，z是由参考单元估计的背景杂波值；s34，提取s33中运动目标存在的时窗对应的第三mimo通道回波数据及第三参考通道回波数据。

进一步地，s4包括：s41，将慢时间维度的前一帧数据输出的第三参考通道回波数据及当前帧数据输出的第三参考通道回波数据进行互相关处理，获得该运动目标的运动信息dij_refmig(k)；s42，利用运动信息dij_refmig(k)将第三mimo通道回波数据进行运动补偿，得到补偿后的第四mimo通道回波数据uij_com。

进一步地，s41中该运动信息dij_refmig(k)满足以下关系：

其中，uij_ref为第i帧数据中第j个运动目标对应的第三参考通道回波数据，dij_refmig(k)是第j个运动目标的运动信息，k是第i帧第三mimo通道回波数据扫描时间内对应的第三参考通道回波数据中的第k个通道，k＝1、2、3…、n，第四mimo通道回波数据uij_com满足以下关系：

uij_com＝{slide[dij_refmig(1)，uij(1))]，

slide[dij_refmig(2)，uij(2))]，…，

slide[dij_refmig(m×n)，uij(m×n))]}

其中，函数slide[x，y]表示将序列y向右平移个x位置。

进一步地，s5中修正的穿墙后向kirchhoff三维成像算法满足以下关系：

其中，σr为目标散射特征，n是mimo阵列的单位法线，c是电磁波传播速度，t是传播时间，u是经s4运动补偿后的第四mimo通道回波数据uij_com的简略表示，rt及rr分别表示发送天线tx及接收天线rx到运动目标的距离，则s5中该运动目标的三维图像满足以下关系：

其中，rra(rrb)表示目标到接收天线在墙体(空气)中的距离，ε1和ε2分别是墙体和空气的介电常数，at、ar、bt及br可表示为：

进一步地，该运动目标为任意移动的实物。

本公开的第二个方面提供了一种用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像装置，包括：数据获取模块，用于获取运动目标的第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据；

数据预处理模块，用于对第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据进行预处理，得到第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据；特征提取模块，用于提取第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据中该运动目标所处时窗对应的第三mimo通道回波数据及第三参考通道回波数据；数据补偿模块，用于采用基于参考通道的运动补偿方法使用第三参考通道回波数据对第三mimo通道回波数据进行补偿，得到补偿后的第四mimo通道回波数据；三维成像模块，用于采用修正的穿墙后向kirchhoff三维成像算法对第四mimo通道回波数据进行三维成像，得到该运动目标的三维图像。

本公开提供了一种用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像方法及装置，在通过时分复用方式实现的mimo成像系统中，基于运动补偿方法能够有效解决运动目标3d成像的散焦问题，为穿墙运动目标实时高精度3d成像提供了有效的技术支持。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像方法的流程图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的超宽带mimo穿墙雷达阵列拓扑结构图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的分段cfar的示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的基于参考通道的运动补偿方法流程图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的mimo穿墙运动目标三维成像场景示意图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的运动补偿前后穿墙人体运动目标的三维成像结果示意图；

图7示意性示出了根据本公开实施例的运动补偿前后穿墙人体运动目标的方位-距离向二维投影结果示意图；

图8示意性示出了根据本公开实施例的运动补偿前后穿墙人体运动目标的方位-高度向二维投影结果示意图；

图9示意性示出了根据本公开实施例的用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像装置的框图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。

图1示意性示出了根据本公开实施例的用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像方法的流程图。

如图1所示，该用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像方法包括：

s1，获取运动目标的第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据。

根据本公开的实施例，该mimo穿墙雷达采用微波开关切换以时分复用的方式获取第一mimo通道回波数据，及通过位置固定不变的参考通道获取第一参考通道回波数据。

本公开的实施例中，如图2所示为超宽带mimo穿墙雷达阵列拓扑结构图，mimo穿墙雷达包含4个发射通道，8个接收通道以及1个参考通道，阵列为1.1m×1.1m的正方形面阵，4个发射天线位于面阵的4个顶角，8个接收天线以4个为一组均匀分布在半径分别为0.49m和0.28m的两个同心圆上，参考通道位于阵列中央。发射通道和接收通道通过微波开关切换以时分复用的方式获取第一mimo通道回波数据，一帧回波数据包含32道mimo通道回波数据。发射接收通道每次切换间，参考通道采集一次数据，一帧回波数据包含32道参考通道回波数据，参考通道位置不变，可用于后续对mimo通道回波数据进行运动补偿。总体上，一帧回波数据总共包含64道数据。

本公开的实施例中，所述运动目标为任意移动的穿墙实物，如：运动的人体、动物及金属物体等。

s2，对第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据进行预处理，得到第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据。

根据本公开的实施例，对第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据进行预处理包括：s21，对第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据沿快时间方向进行带通滤波处理，以消除高频和低频杂波带来的影响；s22，采用相邻相减的方式去除s21中经过带通滤波处理后的第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据的背景(如除运动目标外的墙体、室内桌椅等固定目标)，得到预处理后的mimo通道回波数据和预处理后的参考通道回波数据，即第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据。

s3，提取第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据中运动目标所处时窗对应的第三mimo通道回波数据及第三参考通道回波数据。

根据本公开的实施例，采用分段cfar方法提取运动目标所处时窗对应的第三mimo通道回波数据及第三参考通道回波数据。分段cfar方法示意图如图3所示，包括：s31，利用一固定时间窗分别将第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据分成多个部分，多目标检测问题演变成单目标检测问题；其中，分段cfar中该固定时间窗包括前窗(包含nc/2个杂波样本)、后窗(包含nc/2个杂波样本)及检测单元xcut；该前窗及该后窗均为参考单元；s32，计算检测单元xcut的算数平均值；s33，根据s32中该算数平均值判断运动目标是否存在，若xcut≥pz，则该运动目标存在，否则，该运动目标不存在，其满足关系如下：

其中，p是由半时窗长度nc决定的标称系数，z是由参考单元估计的背景杂波值，h1表示目标存在，h0表示目标不存在；s34，提取s33中运动目标存在的时窗对应的第三mimo通道回波数据及第三参考通道回波数据。

具体地，运动目标的算数平均值远大于背景杂波，通过寻找cfar检测的峰值来寻找目标所处时窗。第i帧第二mimo通道回波数据和第二参考通道回波数据分别表示为ui和ui_ref。经分段cfar检测后，获取目标所处时窗对应的mimo通道和参考通道数据矩阵如下：

其中，uij和uij_ref分别是第i帧回波数据中第j个运动目标所处时窗对应的第三mimo通道回波数据和第三参考通道回波数据；k＝1、2、3…、m×n，m×n是通道索引；xi是第j个运动目标的位置，nc为半时窗长度，则时窗长度为2nc+1。

s4，采用基于参考通道的运动补偿方法使用第三参考通道回波数据对第三mimo通道回波数据进行补偿，得到补偿后的第四mimo通道回波数据，以消除目标运动对三维成像的影响。

根据本公开的实施例，在mimo雷达阵列中，参考通道位置固定不变且连续对目标进行数据采集，可以通过参考通道回波数据来获取目标的运动信息。本公开实施例采取的运动补偿步骤结构如图4所示，其具体包括：s41，将慢时间维度的前一帧数据输出的第三参考通道回波数据及当前帧数据输出的第三参考通道回波数据进行互相关处理，获得第j个运动目标的运动信息dij_refmig(k)，其满足以下关系：

其中，dij_refmig(k)是第j个运动目标的运动信息；s42，利用该第j个运动目标的运动信息dij_refmig(k)将第三mimo通道回波数据进行运动补偿，得到补偿后的第四mimo通道回波数据uij_com，该第四mimo通道回波数据uij_com满足以下关系，

其中，函数slide[x，y]表示将序列y向右平移个x位置。

s5，采用修正的穿墙后向kirchhoff三维成像算法对第四mimo通道回波数据进行三维成像，得到运动目标的三维图像。

根据本公开的实施例，mimo穿墙运动目标3d成像场景如图5所示，超宽带mimo穿墙雷达阵列中发射天线tx的位置为(xt，yt，z0)，接收天线rx的位置为(xr，yr，z0)，运动目标的位置表示为(x，y，z)，则修正的穿墙后向kirchhoff三维成像算法可表示为：

其中，σr为目标散射特征，n是mimo阵列的单位法线，c是电磁波传播速度，t是传播时间，u是经s4运动补偿后的第四mimo通道回波数据uij_com的简略表示，rt及rr分别表示发送天线tx及接收天线rx到运动目标的距离，rt及rr可表示为：

其中，设发射接收天线到运动目标在两种媒介质中临界点为和加入墙体影响的后向格林函数gs可表示为：

其中，rta(rtb)表示发射天线到目标在墙体(空气)中的距离，ε1和ε2分别是墙体和空气的介电常数，q是菲涅尔公式求得的系数，可求得修正的穿墙后向kirchhoff三维成像公式为：

其中，rra(rrb)表示运动目标到接收天线在墙体(空气)中的距离，公式11中at、ar、bt及br可表示为：

需说明的是，公式11中at、ar、bt及br无其他含义，仅为简化公式11表示形式的一种字符代替。

本公开实施例中，图6所示为穿墙人体运动目标在运动补偿前后三维成像结果示意图，如图6所示，运动补偿前三维成像结果在方位向拉长，聚焦效果不好，运动补偿后三维成像结果聚焦效果良好。图7为穿墙人体目标运动补偿前后在方位-距离向二维投影结果示意图，如图7所示，运动补偿前目标在方位向被拉长，运动补偿后方位向聚到一起。图8为穿墙人体运动目标运动补偿前后在方位-高度向二维投影结果示意图，如图8所示，运动补偿前目标在方位向和高度向扩散，运动补偿后目标聚焦效果明显变好。

图9示意性示出了根据本公开实施例的用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像装置的结构示意图。

如图9所示，该用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像装置900包括：数据获取模块910、数据预处理模块920、特征提取模块930、数据补偿模块940及三维成像模块950，该装置可以用于实现参考图1所描述的用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像方法中的各个步骤。

数据获取模块910，用于获取运动目标的第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据。

数据预处理模块920，用于对第一mimo通道回波数据及第一参考通道回波数据进行预处理，得到第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据。

特征提取模块930，用于提取第二mimo通道回波数据及第二参考通道回波数据中运动目标所处时窗对应的第三mimo通道回波数据及第三参考通道回波数据。

数据补偿模块940，用于采用基于参考通道的运动补偿方法使用第三参考通道回波数据对第三mimo通道回波数据进行补偿，得到补偿后的第四mimo通道回波数据。

三维成像模块950，用于采用修正的穿墙后向kirchhoff三维成像算法对第四mimo通道回波数据进行三维成像，得到运动目标的三维图像。

根据本公开的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑阵列(pla)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(asic)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式的硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的一个或多个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

例如，数据获取模块910、数据预处理模块920、特征提取模块930、数据补偿模块940及三维成像模块950中的任意多个可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本公开的实施例，数据获取模块910、数据预处理模块920、特征提取模块930、数据补偿模块940及三维成像模块950中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑阵列(pla)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(asic)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，数据获取模块910、数据预处理模块920、特征提取模块930、数据补偿模块940及三维成像模块950中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

本公开提供的一种用于超宽带mimo穿墙雷达的运动目标三维成像方法及装置，通过参考通道运动补偿方法和修正的后向穿墙kirchhoff3d成像算法，能获得精确的穿墙运动目标3d成像结果，有效解决穿穿墙运动目标散焦的问题，为高精度实时穿墙运动目标3d成像提供了有效的技术支持。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的方法和装置的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。