【doc】步进变频穿墙成像雷达中反投影算法研究

【doc】步进变频穿墙成像雷达中反投影算法研究 步进变频穿墙成像雷达中反投影算法研究 第37卷第6期 2008年l1月 电子科技大学 JournalofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina Vbl_37No.6 NOV.2008 步进变频穿墙成像雷达中反投影算法研究 崔国龙,孔令讲,杨建宇 (电子科技大学电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院成都610054) 【摘要】反投影(back.projection,BP)算法具有很高的成像精度并容易进行各种形式的补偿,是广泛应用于穿墙,探地等领 域的一种有效的时域成像算法.该文把时域反投影算法应用到步进变频穿墙雷达成像中,并根据墙壁的参数提出了用最短时 间法对墙壁的影响进行补偿.通过对实测数据的处理可以看出,反投影算法在穿墙雷达中具有很好的成像精度,最短时间法 也能很好地补偿墙壁对目标成像位置的影响. 关键词反投影成像;步进变频穿墙雷达;最短时间法;墙壁 中图分类号TN957.52文献标识码A Back-ProjectionAlgorithmtoStepped-Frequency Through--the--WallRadarImaging CUIGuo-long,KONGLing-jiang,andYANGJian-yu (SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChin aChengdu610054) AbstractBack-projectionimagingalgorithmiswidelyusedinthrough—the—wallandgroundpenetrating radar(GPR)imagingbecauseofthehighimagequalityandbeingcompensatedeasily.Thispa perintroducesthe Back-Projection(BP,algorithmtothestepped-frequencythrough—the-wallradarandproposesthe time-minimizationmethodtoeliminatethewall'Seffects,suchasrefraction,changinginspee dandattenuation. Proofofconceptisprovidedusingrealdatacollectedinalaboratoryenvironment.Theresultss howthattheBP algorithmoutputsahighqualityimageandthetime-minimizationmethodCaneliminatethe wall'Seffectverywel1. Keywordsback-projectionimaging;stepped—frequencythrough—the—wallradar;thetime-minimization method;thewall 穿墙成像雷达(through.the.wallimagingradar, TWIR)是用来对被障碍物遮挡住的区域进行成像, 在城市巷战,反恐斗争,公安防暴,灾害救援等军 事和民事领域都有着广泛的应用前景.近几年,国 内外许多机构都对穿墙成像雷达进行了广泛和深入 的研究[. 手提式穿墙成像雷达有很高的成像精度并且具 有造价低,轻便,易于携带等特点.步进变频信号 较超短脉冲而言,实现简单,对硬件没有特殊要求, 可以达到相同带宽的超短脉冲一样的性能,适合用 于手提式穿墙成像雷达中的信号形式.反投影算法 具有很高的成像精度并且易于进行各种形式的补 偿,是一种有效的时域成像算法【5】.本文通过发射 步进频率信号合成超宽带信号,取得了较高的距离 分辨率,以满足对墙壁后人体的探测成像要求.步 进变频雷达的回波数据为一系列频点的复信号,根 据时域反投影算法和用步进频率回波数据直接成像 的一致性【6.】,提出对用步进频率回波数据进行逆傅 里叶变换,压缩成等效的时域超短脉冲后,进行反 投影成像. 墙壁的位置,厚度,介电常数以及信号的入射 角等都会影响信号在墙壁中的传输特性.当信号穿 过墙壁,会引起信号传输速度降低,能量衰减和在 墙壁与空气界面的折射.由于墙壁的存在,图像会 出现散焦,偏离真实位置,甚至出现虚假目标.文 献【8]根据折射定律详细地 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了电磁波穿过墙壁引 起的传输速度和折射路径的影响,并对图像进行补 偿,计算繁琐,复杂.本文提出了一种新算法,从 最短时间的角度分析了电磁波透过墙壁的影响并提 出了补偿算法.通过对实测数据的处理可以看出, 该算法可以取得良好的成像补偿效果. 收稿日期:2007—05—21;修回日期:2008—03—25 基金项目:"十一五"预研项目(51307040402) 作者简介:崔国龙(1982一).男,博士生.主要从事穿墙雷达检测与成像方面的研究. 第6期崔国龙等:步进变频穿墙成像雷达中反投影算法研究865 1成像算法 1.1反投影算法 成像模型如图1所示.天线为单发单收,沿x轴 依次移动,间距为d,合成阵元数目为』线阵,天 线的位置为(i=1,2,…,. , d(,'),,, , /d(,: ,,/ ,, 图1成像模型 对于点目标P:=(,Yv),反射系数为 a(xv),天线在处发射信号为(f),则在处接收 的回波信号为: p(,f)=a(Xp)S(t—rp,)(1) 式中:2x为天线在处点目标的回 波延迟.则天线对整个区域D照射所形成的回波数 据为: (,f)=J(,t)dxdy=((f一)(2)DD 依次移动天线位置,采集组回波数据. 成像区域按距离向和方位向划分成有限个像素 点,则处g点的像素为: ,()=EPo(x,,t)l=i=1 ?()(卜(3) lD 式中:2x—d(x.— Xq) 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示天线到像素点 q的延 迟.依次计算每个像素点的像素完成整个场景的成像. 1.2步进频率分析 雷达发射的信号为步进变频信号合成超宽带信 号.下面来考虑反投影算法与步进变频信号之间的 等效关系. 设为发射信号(f)的傅里叶变化,则: = ,)eJ~Xd(4) (t-)=,)eJO#e-Jmr.,d(5) 把式(5)代入式(3),可得像素g处的频域表示: 也)=?(),)eed缈dxdyl_?t=lD (6) 雷达发射信号(f)为步进变频信号,起始频率 为,步进间隔为Aco,K个步进,则信号带宽 B=KAco,带宽内的频率=coo+kAco,k=O,1,…, 一 1.由于步进间隔Aco很小,信号(f)的频谱集 中在带宽内,所以可以近似用求和来代替式(6)中 频率的积分: 1MF一1 ()=?IIa(xv)ES<co~)emkteJa~krt,iAox~xdy["i=lDk=O (7) 从式(3),(7)的推导过程可以看出,时域反投影 算法和步进频率成像算法具有一致性.由于步进变 频雷达接收到的回波数据为一系列步进频率复信 号,可以利用式(7)求各点的像素值,直接成像,但 成像速度很慢.还可以对这些频率信号进行逆傅里 叶(]-F】T)压缩处理变换到时域,根据式(3)中像素点 的求法进行反投影成像,成像速度要快得多. 2墙壁存在下的图像形成 当穿过墙壁时,信号能量要衰减,在墙壁中的 传输速度要减小,在墙壁和空气的界面,由于介电 常数不同而引起折射,使信号偏离直线方向导致目 标的图像偏离真实位置和散焦.在成像中,需要对 墙壁的这些因素影响进行适当的补偿. 2.1电磁波透过墙壁的传播延迟 文献【8】根据折射定律详细地分析了墙壁的折射 影响以及补偿 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 .由于列出的方程组很难求出理 论解,具体操作中只能用数值解法,计算比较复杂, 运算量也比较大. 本文从另外一个角度来考虑墙壁对信号的折射 影响以及补偿方法一最短时间法【9】.电磁波从点 到传播另外一点总是沿着一条特定的路径,使得传 输的时间最短.在同一种均匀的介质中,电磁波是 沿直线传播的.当电磁波从一种介质传输到另外一 种不同介质中时,在两种不同介质的表面传播路径 发生变化,产生折射,满足Snell折射定律.由于在 不同的介质中电磁波的传播速度不同,沿直线传播 的时间将不再是最短,所以产生折射的目的就是在 两种介质中寻找一条最短的传输路径. 图2为电磁波穿墙传播路径示意图.假设墙壁的 厚度为,相对介电常数为,点p,Yv)为成像 区域任意一点,天线放置在=(,一)处,紧靠墙 电子科技大学第37卷 擘,单发单收.信号从天线发射,经墙壁的表面 点折射到达目标点P后再沿原路径返回到天线,则回 波延迟为: f(,P)=2×min(/1/V+f2/c)(8) 式中,.=?(一)+为电磁波在墙壁中传播的 距离;7=?一)+Y;为电磁波在空气中传播的 距离:P为目标的位置向量;1,=c/?为电磁波在 墙壁中的速度;c=3.0×10m/s为光速. yPiY/m P(Xp,Y,: ? M(X,0) r /m Dt , 1'扣— ,'- ,.) 图2电磁波穿墙传播路径不意图 2.2图像形成 由于墙壁的影响,电磁波传播速度和路径都发 生变化,所以需要对式(3)和式(7)qb计算处g点像 素进行适当的修改,则: :?M(,,: ?M()(t-rp, )dxdyli(Xq)t)lXpZ'p)dxdy1, = ?(,,=?)(, (9) GZ,x,)S(cok)ej~'te-m~'AodxdyI, (10) 式中 ,=,(,P)=2×min(/1/V+/c) t,=,(,g)=2×min(11/V+f2/c) 3实测数据处理及结果分析 系统框图如图3所示.本实验采用安捷伦 (Agilent)公司的矢量网络分析仪8753D合成1GB带 宽的信号,点数N=201,频率步进AU=5MHz; 两个带宽为1,4GB阿基米德右螺旋天线来发射和 接收信号;合成阵列长度为3m,间隔为10cm.对3 rex4m的房间进行成像,人站立在墙壁后面,水平 距离为1.5m,距离墙1.7m(脚尖距离墙1.5m),墙 壁厚度=23cm,相对介电常数oer=4. 图3实验系统的框图 由于天线间的直接耦合和墙壁反射的信号能量 要远大于人体反射回波信号的能量,所以需要对直 接耦合和墙壁的反射进行对消.图4是回波数据进行 距离压缩(IFFT)~后的时域图像.图4a是对图像未做 任何处理,可以看到很强的直接耦合和墙壁反射, 无法看到人体反射的信号.由于直接耦合和墙壁的 反射位置固定,而在不同的孔径照射,人体到天线 的距离不同,呈双曲线变化,这样就可以在方位向 上通过平均对消法来消除背景.图4b为通过平均背 景对消后的图像,可以很明显地看到一条人体的双 曲线.反投影(BP)成像处理就是把同一个目标的双 曲线能量积累到目标所在位置. 0 0.5 1.0 厘 坦1.5 2.0 2.5 O246810 距离/m a.背景对消前 O 0.5 1?O 墨L5 2.0 2.5 O24681Ol2 距离/m b.平均背景对消后 图4步进变频回波压缩后时域图像 第6期崔国龙等:步进变频穿墙成像雷达中反投影算法研究867 图5为利用反投影(BP)算法对双曲线进行聚焦 处理而达到对整个场景进行成像的结果.图5a为直 接反投影成像,把墙壁也看成"空气",不考虑速度 的减小和折射影响.从图像上可以明显地看出,在 距离向和方位向上,图像偏离人体的真实位置.图 5b是对墙壁作了补偿后的成像结果,从图上可以看 出,人体的图像真实地反映了人体的位置. O 1 匠 1 恹 2 2 匠 00.51.O1.52.02.53.O 距离/m a.墙壁补偿前 3.5 00.51.O1.52.02.53.03.540 距离/m b.墙壁补偿后 图5反投影成像 4结论 本文详细分析了时域反投影算法和步进变频回 波数据直接成像的一致性,把反投影算法引入到步 进变频穿墙雷达成像中,并提出了用最短时间法来 补偿墙壁对信号传输速度以及折射的影响.通过对 实测数据的处理结果可以看出,反投影算法可以实 现对墙壁后面的人体的探测和成像,且具有很好的 成像精度;最小时间法也能很好地补偿墙壁对信号 速度以及折射的影响. 参考文献 【l】WANGG,AMINMGImagingthroughunknownwalls ustingdifferentstandoffdistances[J].IEEETransonSignal Processing,2006,54:4015-4025. [2】ALLANHUNTA.Widebandimagingradarfor through.the.wallsurveillance[J].SPIE,2004,5403:590.596. 【3】HUNTAR.Imageformationthroughwallsusinga distributedradarsensorarrayIC]//Proceedingsofthe32nd AppliedImageryPa~emRecognitionWorkshop(AIPR'03). 【S.1.】:IEEE,2003. 【4】BOREKSE.Anoverviewofthroughthewallsurveillance forhomelandsecurity[C]//Proceedingsofthe34thApplied ImageryandPatternRecognitionWorkshop(AIPR05).【S.1.】 IEEE.2005. 【5】GREGB.Through-wallsyntheticapertureradar(TWSAR) 3Dimaging【]R】.Canada:DIDCOttawa,2004. 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