CN107656255B - 基于多径回波的超宽带雷达动目标二维定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于多径回波的超宽带雷达动目标二维定位方法，包括步骤：对接收回波进行距离压缩和杂波抑制，获得目标和多径的距离‑慢时间信息图样；通过短时傅里叶变换，得到目标在对应时间段的观测速度；设定侧面墙体与雷达间距的备选集和相应的速度集，选取误差最小所对应的墙体距离作为雷达与侧面墙体之间的距离；结合侧面墙体距离、目标回波和多径回波信号确定目标的二维坐标，获得最终检测结果。本发明在检测过程中，利用侧面墙体反射的多径回波，将单通道雷达的动目标检测问题转换为双站定位问题，实现对运动目标的二维定位。

Description

基于多径回波的超宽带雷达动目标二维定位方法

技术领域

本发明涉及超宽带雷达目标探测技术领域，特别地，涉及一种基于多径回波信号的超宽带雷达室内动目标定位方法。

背景技术

超宽带雷达具有距离分辨率高，穿透性强的特点，适用于公安、消防和反恐救援中的目标检测、鉴别和跟踪。目标探测时，如果场景中有较理想的反射体存在，将会产生较强的多径信号，在检测图像中形成虚像，影响目标运动状态检测和参数估计。研究表明，对于室内目标检测，来自侧面墙体反射的多径回波是各类多径中对检测效果影响最为明显的一类反射波。考虑到侧面多径的出现是目标、墙体和雷达相互作用的产物，它的出现具有规律性，隐藏着侧面墙体的位置信息，因此对侧面墙体多径信号进行分析处理可以获得更加丰富的建筑场景信息，有利于提高检测性能。

采用单通道收发信号的超宽带雷达成本低、体积小，但受限于单发单收的***体制，常规处理方式下不能获得目标的方位信息，只能得到目标与雷达的相对距离信息。

因此，目前在侧面墙体多径的信息利用方面存在以下问题：

(1)需要先验已知室内建筑物的布局结构，然后才能对多径信息进行处理。

(2)需要获取来自室内前后左右四个方向墙体的多径回波，才能实现对目标的空间定位。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于多径回波信号的超宽带雷达室内动目标定位方法，以解决目标的方位信息获得过程受到收发***限制的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于多径回波的超宽带雷达动目标二维定位方法，包括步骤：

A、对接收回波进行距离压缩和杂波抑制，获得目标和多径的距离-慢时间图像；

B、通过短时傅里叶变换，得到目标在对应时间段的观测速度；

C、设定侧面墙体与雷达间距的备选集和相应的速度集，选取误差最小所对应的墙体距离作为雷达与侧面墙体之间的距离；

D、结合侧面墙体与雷达之间的距离、目标回波和多径回波信号确定目标的二维坐标，获得最终检测结果；所述多径回波信号指与侧面墙体发生不大于两次反射的信号。

优选的，步骤A中，对观测时间内的信号进行脉冲压缩，提取各个时刻的距离图像，峰值处对应目标的距离，目标峰值后的第一个峰值对应多径的距离。

优选的，步骤B中，连续多个时刻的距离-多普勒图像中，图像的最亮区域对应目标的检测位置。

优选的，步骤B中，对连续多个时刻的距离-多普勒图像进行恒虚警检测和聚类处理。

优选的，步骤C中，取值间隔为0.2m。

优选的，所述侧面墙体包括混凝土、木板、石板墙体中的至少任意一种。

本发明具有以下有益效果：

对于L波段等低频段的超宽带雷达***，通常可以不考虑墙体表面的粗糙程度，将侧面墙体对电磁波的反射近似为镜面反射。根据镜面反射原理，目标的侧面墙体多径可以等效为与侧面墙体对称放置的另一部一维雷达接收的目标回波，从而可以联合目标回波和多径回波进行处理，获取目标的方位信息，从而提高对目标的检测性能。

本发明在检测过程中，无需已知侧面墙体和雷达之间的距离信息，根据速度的测算，实现对侧面墙体的测距：通过计算整个观测时间段内目标的真实观测速度和备选速度集合的相对误差，选取误差最小所对应的墙体距离作为实际中雷达与侧面墙体之间的距离。利用侧面墙体反射的多径回波，将单通道雷达的动目标检测问题转换为双站定位问题，实现对运动目标的二维(距离和方位)定位。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明处理流程示意图；

图2为自由空间(自由空间指雷达与目标均在室内放置，探测过程不需要穿透房间的墙壁)的目标检测模型；

图3为穿墙场景的目标检测模型；

图4为0-4s距离-慢时间图像；(a)自由空间场景；(b)穿墙探测场景。

图5为1s时刻距离压缩得到的目标和多径的距离；(a)自由空间场景；(b)穿墙探测场景。

图6为1s时刻采用0.25s时间窗对应的距离-多普勒图像；(a)自由空间场景；(b)穿墙探测场景。

图7为各侧面墙体距离对应的多普勒相对误差；(a)侧面墙体假设距离为0-8m时的自由空间场景；(b)侧面墙体假设距离为1.5-2.5m时的自由空间场景；(c)墙体距离为0-7m时的穿墙探测场景；(d)墙体距离为2.5-5.5m时的穿墙探测场景。

图8为0-4s目标的最终检测结果，虚线对应真实轨迹，实线对应检测得到的目标运动轨迹；(a)自由空间场景；(b)穿墙探测场景。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

首先，对接收回波进行距离压缩和杂波抑制，获得目标和多径的距离-慢时间信息；然后，通过短时傅里叶变换得到目标在对应时间段的观测速度；接着，设定侧面墙体与雷达间距的备选集和相应的速度集，根据多普勒相对误差确定侧面墙体的距离；最后，结合侧面墙体距离、目标回波和多径回波确定目标的二维坐标，获得最终检测结果。本发明无需已知侧面墙体和雷达之间的距离信息，在目标定位过程中，可完成对侧面墙体距离的测定。本发明只考虑与侧面墙体发生不大于两次反射的多径信号，更多反射次数的多径信号由于强度太弱而忽略。

为便于阐述本发明所述方法，附图给出本发明采用的目标检测的双站定位模型，附图2对应自由空间(即不穿墙场景)的检测模型，附图3对应穿墙场景的检测模型。

附图2中，O为直角坐标系的原点，雷达的位置记为R(-r,0)，观测时间内目标从位置A₁(x₁,y₁)运动至A₂(x₂,y₂)，雷达关于侧面墙体的对称位置为R'(r,0)。直达波的传播路线为R→A₁→R。侧面墙体多径的传播路线为R→A₁→C→R或R→C→A₁→R，对于L波段的超宽带雷达，墙面可以视作镜面反射，则A₁C+CR＝A₁R'，侧面墙体多径可以视作由R'(r,0)处的雷达对目标进行观测的结果。根据双站定位原理，分别以R(-r,0)为圆心，A₁R为半径和R'(r,0)为圆心，A₁R'为半径做圆，对方程组(1)进行求解，方程组的两组解中大于零的解即对应目标位置A₁(x₁,y₁)。

同理可得下一个观测时刻的目标位置A₂(x₂,y₂)。

根据式(2)和式(3)可分别得到目标的运动速度v_r和雷达对目标的观测速度v_d。

附图3中，前墙厚度为d，介电常数为ε。前墙会对电磁波的传播产生折射效应，电磁波的传播路径可以根据斯涅尔定律进行求解，此处的观测过程同样可以等效为两个单站雷达的联合定位。O为直角坐标系的原点，令雷达位置为R(x_R,y_R)，目标位置为D(x_D,y_D)，雷达波束入射角为θ(A点处的入射角为θ_A，B点处为θ_B)，折射角为(A点处的折射角为B点处为)，目标的镜面反射点为G(x_G,y_G)，目标到达时间为τ₁，多径达到时间为τ₂。求解非线性方程组(4)得到目标的位置D(x_D,y_D)。

根据目标在不同时刻的坐标变化同样可以求解运动速度和观测速度。此处需要注意的是，雷达对目标的观测角度同样要考虑墙体的折射效应。

当侧面墙体与雷达的距离已知时，可以直接采用上述模型对目标的空间位置和运动状态进行求解。但在实际中，尤其对于穿墙场景的探测问题，雷达与侧面墙体距离无法提前获悉，目标检测过程中需要先对侧面墙体进行测距，然后才能实现目标的二维定位，其技术方案包括以下处理步骤，处理流程如图1所示：

第一步，确定目标和多径的距离

对观测时间内的信号进行脉冲压缩，对于穿墙场景，在距离压缩后还应进行均值滤波，根据运动目标和墙体杂波的多普勒差异，将墙体杂波消除，得到目标和多径的距离-慢时间信息；

第二步，计算短时距离-多普勒

对脉冲压缩后的信号，沿慢时间进行短时傅里叶变换，得到连续多个时刻的距离-多普勒图像，对距离-多普勒图像进行恒虚警检测和聚类处理，精确估计目标的观测速度；

第三步，构建侧面墙体距离备选集和对应的速度集合

根据实际建筑结构和多径的可观测动态范围等物理限制条件确定侧面墙体距离的上下边界值，取值间隔依据侧面墙体测距所需精度进行设置。根据自由空间或穿墙模型计算相应的目标位置，根据位置变化确定观测速度。

第四步，侧面墙体距离测定

计算整个观测时间段内目标的真实观测速度和备选速度集合的相对误差，选取误差最小所对应的墙体距离作为实际中雷达与侧面墙体之间的距离。

第五步，目标二维定位

依据该侧面墙体距离对应的双站模型确定目标的二维坐标，由此确定目标的实际空间位置。

如此，本申请利用侧面墙体反射的多径回波，将一维雷达的动目标检测问题转换为双站定位问题，实现对运动目标的二维定位。

下面结合实例对本发明做进一步解释。

录制一人室内径向运动的实际场景，对本文所提方法的侧面墙体测距和目标定位的性能进行测试。两组实验设计如下：(1)雷达贴前墙放置于室内(房间结构：7m*16m)，距房间两侧墙体中最近一侧的距离2m，人于室内距该侧墙体3m往复运动。(2)雷达于室外紧贴前墙放置(房间结构：16m*7m，墙体厚度0.26m，混凝土材质)，距侧面墙体4m，人距侧面墙体2m往复运动。对4s时间长度的回波数据进行处理。

按下面步骤实施：

第一步，确定目标和多径的距离。对观测时间内的信号进行脉冲压缩，提取各个时刻的距离图像，根据峰值信息确定目标和多径的距离。图5中回波信号包络的最高峰对应目标的距离(图(a)与图(b)分别对应实验(1)自由空间实验(2)穿墙探测实验，图6、图8中的标注与此一致)，目标所在回波包络峰值后的第一个峰值的横坐标对应多径的距离。

第二步，计算短时距离-多普勒。对脉冲压缩后的信号，沿慢时间进行短时傅里叶变换，可以得到连续多个时刻的距离-多普勒图像。图6中目标的距离-多普勒信息通过处理已获得聚焦，图像的最亮区域对应目标的检测位置。由于人体在检测过程中存在距离和多普勒信息的扩展，还需进行恒虚警检测和聚类处理，精确获取目标的距离和速度信息。

第三步，构建侧面墙体距离备选集和对应的速度集合。根据实际场景和多径的可观测条件等物理限制确定侧面墙体距离的上下边界值，取值间隔依据侧面墙体测距所需精度进行设置。本场景中，设置侧面墙体距离的备选集为0-8m，取值间隔为0.2m。分别根据自由空间和穿墙模型计算相应的目标位置和速度集合。

第四步，侧面墙体距离测定。计算整个观测时间段内目标的真实观测速度和备选速度集合的相对误差，选取误差最小所对应的墙体距离作为实际中雷达与侧面墙体之间的距离。误差F_dD的计算公式为：

其中，N为侧面墙体的备选集，γ为雷达对目标的观测角度，ε为经门限检测、层次聚类后得到的感兴趣区域(ROI)对应的多普勒值，A为ROI对应的信号幅度。遍历墙体距离的取值区间后，所有墙体距离中相对误差最小的点即为目标和墙体的距离。根据目标距离、多径距离、观测速度，得到“墙体距离—多普勒相对误差”曲线(如图7所示，其中，图(b)是图(a)的局部放大图，对应实验(1)自由空间探测场景；图(d)是图(c)的局部放大图，对应实验(2)穿墙探测场景，)，曲线的峰值点对应距雷达最近一侧墙体的距离，室内场景为2.1m，穿墙探测为4.2m，与实际的墙***置(室内场景为2m，穿墙探测为4m)偏差在0.2m以内。

第五步，目标二维定位。依据该侧面墙体距离对应的双站定位模型确定目标的二维坐标，由此确定目标的实际空间位置。根据侧面墙体距离得到目标在整个观测时间内的二位坐标(如图8所示)，与实验过程中的位置变化基本吻合，受环境杂波的影响，定位精度存在小幅度波动。

以上所述仅是本发明的一种应用实例，本发明中针对的混凝土墙体还可以是其他诸如木板、石板等可穿透障碍物。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多径回波的超宽带雷达动目标二维定位方法，其特征在于，包括步骤：

A、对接收回波进行距离压缩和杂波抑制，获得目标和多径的距离-慢时间图像；

B、通过短时傅里叶变换，得到目标在对应时间段的观测速度；

C、设定侧面墙体与雷达间距的备选集和相应的速度集，计算整个观测时间段内目标的真实观测速度和备选速度集合的相对误差，选取误差最小所对应的墙体距离作为雷达与侧面墙体之间的距离；

D、结合侧面墙体与雷达之间的距离、目标回波和多径回波信号确定目标的二维坐标，获得最终检测结果；所述多径回波信号指与侧面墙体发生不大于两次反射的信号。

2.根据权利要求1所述的超宽带雷达动目标二维定位方法，其特征在于，步骤A中，对观测时间内的信号进行脉冲压缩，提取各个时刻的距离图像，峰值处对应目标的距离，目标峰值后的第一个峰值对应多径的距离。

3.根据权利要求2所述的超宽带雷达动目标二维定位方法，其特征在于，步骤B中，沿慢时间进行短时傅里叶变换，得到连续多个时刻的距离-多普勒图像，连续多个时刻的距离-多普勒图像中，图像的最亮区域对应目标的检测位置。

4.根据权利要求3所述的超宽带雷达动目标二维定位方法，其特征在于，步骤B中，对连续多个时刻的距离-多普勒图像进行恒虚警检测和聚类处理。

5.根据权利要求4所述的超宽带雷达动目标二维定位方法，其特征在于，步骤C中，在侧面墙体距离与雷达间距的备选集中取值间隔为0.2m。

6.根据权利要求1所述的超宽带雷达动目标二维定位方法，其特征在于，所述侧面墙体包括混凝土、木板、石板墙体中的至少任意一种。