一种针对已知多层非均匀墙体的聚焦时延计算方法
【技术领域】
[0001] 属于穿墙雷达目标成像技术领域，特别涉及到穿墙雷达多层非均匀墙体补偿。
【背景技术】
[0002] 对墙后隐蔽目标成像是穿墙雷达成像技术研宄的主要工作之一。由于墙体的存 在，会改变电磁波的传播速度和传播路径，带来相位误差，如果不对其补偿，成像后目标散 焦，错位，不利于后续对目标的检测和跟踪。如何对墙体进行精确补偿以避免或减少上述现 象很重要。现实中存在的多为多层非均匀墙体，且多层非均匀墙体对成像结果造成的散焦 和错位现象更加严重，实现对多层非均匀墙体的补偿非常重要。
[0003] 针对墙体的存在使目标散焦，错位这些现象，国内外研宄机构做了大量的工作。美 国维拉诺瓦大学的研宄人员Moeness G. Amin等人针对单层均勾墙体提出了折射定律的补 偿方法，可以将目标补偿到准确位置且对目标散焦程度有一定改善，但此方法仅适用于均 匀墙体，实用性较差；电子科技大学的研宄人员贾勇等人针对非均匀墙体提出了基于固定 时延方法的自聚焦补偿算法，此算法由于要遍历大量固定时延值，因此时间复杂度很高；国 防科技大学的研宄学者周志敏等人提出了一种快速的图像域滤波的自聚焦补偿方法，此方 法仅适用于均匀墙体，过于局限，实用性较差。
[0004] 目前针对多层非均匀墙体的研宄非常少，大多数研宄集中于单层均匀墙体。由于 水的介电常数为80,普通墙体的介电常数为10左右，当墙体受空气中湿度的影响或雨淋后 其前后表面的介电常数会高于墙体中心的介电常数，即墙体介电常数沿着墙体厚度方向变 化，本发明处理的墙体对象为此种非均匀墙体。实际中大多数墙体也为非均匀墙体，因此研 宄多层非均匀墙体的补偿算法具有重要的理论价值和应用价值。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是，提供一种针对已知多层非均匀墙体的聚焦时延计算方 法，先由天线阵列采集得到目标的回波信息，即距离像；其次针对墙体模型计算成像区域各 像素点到收发天线的聚焦时延；最后使用后向投影成像算法进行成像，从而达到定位精确 的目的。
[0006] 本发明技术方案为一种针对已知多层非均匀墙体的聚焦时延计算方法，该方法包 括：
[0007] 步骤1 :通过M个发射天线，发射信号，通过N个接收天线的阵列接收信号；每个接 收天线都会接收各发射天线的发射信号，并计算收到信号的时延，获得MXN个时延数据；
[0008] 步骤2:获取墙体的信息，包括：墙体的数量、厚度、位置、墙体介电常数与腔体纵 株的关系式；
[0009] 步骤3 :将成像场景划分为有限个像素单元，根据几何关系：电磁波从发射天线到 各像素单元的传播距离的水平分量等于发射天线与像素单元的横坐标之差的绝对值，不同 发射天线到不同像素单元的入射角度；
[0010] 步骤4:将墙体沿着厚度方向上细分成无限小层，这些小层的厚度无限接近于0， 视为每小层为均匀墙体；利用步骤2获得墙体信息和步骤3获得的针对不同发射天线到不 同像素单元的入射角度，利用折射定律计算出各发射信号到达各像素单元的时延；采用相 同的方法获得不同像素单元到不同接收天线信号所需的时间；从而获得针对同一个像素单 元不同发射天线与不同接收天线之间信号的时延；
[0011] 步骤5 :将步骤1获得时延数据与步骤4获得各像素单元的时延进行匹配，找到最 为匹配的一个像素区域，认定其为目标区域。
[0012] 所述步骤3的几何关系：电磁波从发射天线到像素单元q的传播距离的水平分量 等于发射天线与像素单元q的横坐标之差的绝对值的表示为：
[0013]
[0014]
[0015]
[0016] 其中：像素单元q的坐标为（V yq)，气为发射天线Tm的横坐标，尽^与巧^分 别表示电磁波在从发射天线T1Jf播到像素单元q的过程中，电磁波在Wall 1与Wall 2中传 播距离的水平分量，N个接收天线的天线阵列距离第一堵墙为Iv两堵墙间距为h，两堵墙 厚度分别为Id2，介电常数与纵轴y的关系分别为￡l(y)，e2(y)，&为入射角。
[0017] 所述步骤4采用如下公式计算信号在单个墙体中的时延：
[0018]
[0019] 本发明提供一种针对已知多层非均匀墙体的聚焦时延计算方法，首先获得距离 像，即目标的回波信息；其次将墙体细分成足够多的小层，这样每一小层可以看作是均匀 的，根据折射定律写出电磁波从发射天线到达接收天线的传播时延表达式；随后根据几何 关系计算出入射角，即可得到聚焦时延；最后BP成像。综上所述，本方法能够针对介电常数 在墙体厚度方向上变化的墙体进行精确补偿，准确计算出电磁波穿透墙体所产生的延时。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明一种针对已知多层非均匀墙体的聚焦时延计算方法的处理流程图。
[0021] 图2为穿墙雷达多层墙体的回波模型。
[0022] 图3为墙体分层模型。
[0023] 图4为仿真的阵列结构。
[0024] 图5为仿真场景。
[0025] 图6为墙体介电常数与纵轴y的关系。
[0026] 图7为仿真得到的距离像。
[0027] 图8为使用本补偿方法最后成像结果。
[0028] 图9为直接使用回波数据的成像结果。
【具体实施方式】
[0029] 基于M发N收配置的步进频穿墙雷达，流程如图1所示。具体步骤如下：
[0030] 步骤1 :获得距离像
[0031] 针对M个发射天线，N个接收天线的阵列，假设发射天线发射信号为s (t)，则第η 个接收天线接收到的信号为\mn(t) =s(t-Tmn)，其中τ_表示第m个天线发射，经过目标 反射后，再到第η个天线接收的时延。假设距离像矩阵为D，则D可以表示为：
[0032]
(1)
[0033] 步骤2:计算聚焦时延
[0034] 如图2所示，为典型的多层墙体的穿墙雷达回波模型。第一堵墙为Wall1，第二堵 墙为Wall2，两堵墙厚度分别为Id2，介电常数与纵轴y的关系分别为￡l(y)，e 2(y)。M个 发射天线，N个接收天线的天线阵列距离第一堵墙为Iv两堵墙间距为Iv A，B，C，D，E，F， G，H为电磁波的传播路径与两堵墙的交点。/r",,，\,,，i = 1，2, 3为电磁波在空气中的传 播距离。Wi, i = 1，2, 3, 4为两堵墙的表面。将成像场景划分为有限个像素单元，对于任意 像素单元q计算其聚焦时延，具体有以下步骤：
[0035] 步骤2-1 :以Wall1为例，将墙体沿着厚度方向上细分成k层，第i层的厚度为Ayi, 令λ = π1?1χ{Λγ?}，? = 12,…k，当λ无限趋近于〇时，第i层的介电常数可以看作是不 变的，为S1(Yi),即每一小层均可看作是均匀墙体，如图3所示。假设电磁波在第一层墙体 的入射角为 <，则根据折射定律可得：
[0036] ⑵
[0037] (3)
[0038] 其中sin气，，，i = 1，2."k为电磁波在第i小层的折射角。则可以得到sin气与 SinA,,..:的关系，即：
[0039]
⑷
[0040] 扩展⑷式可以得到sinI与sin U关系，即：
[0041]
(5)
[0042] 步骤2-2 :对于发射天线Tm，计算电磁波在第i小层中的传播时延为：
[0043]
(6)
[0044] 将（5)式代入（6)式可以得到：
(7)
[0045]
[0046] 则电磁波在Wal I1中的传播时延可以表不为：
(8)
[0047]
[0048] 同理计算出电磁波在