CN111045006B - 一种基于多成像字典融合的拐角隐蔽目标成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多成像字典融合的拐角隐蔽目标成像方法，解决在城市非视距环境下拐角隐蔽目标成像定位问题。本发明利用MIMO雷达发射电磁波信号通过衍射和反射传播特性进行拐角隐蔽目标成像探测。首先分析了L‑型拐角场景下的衍射和一次反射传播特性；然后基于电磁传播特性构建了衍射和一次反射虚拟雷达阵列，并根据虚拟雷达阵列计算电磁波不同传播路径的时延并建立相应的成像字典，再利用后向投影成像算法得到不同传播路径对应的包含真实目标和虚假目标的原始成像结果；最后将所有的原始成像结果进行乘法融合得到只含有真实目标的雷达图像。本发明实现过程简单，能够得到高质量准确的雷达目标图像，并且能够有效的解决拐角多目标的成像定位问题。

Description

一种基于多成像字典融合的拐角隐蔽目标成像方法

技术领域

本发明属于超宽带MIMO雷达目标成像技术领域，特别是涉及一种基于多成像字典融合的拐角隐蔽目标成像方法。

背景技术

与传统雷达利用电磁波“直视探测”不同，在城市巷战、反恐作战和灾害救援中，具有威胁的目标通常隐藏于复杂建筑环境中，由于被建筑物遮蔽，电磁波无法沿直线传播到威胁或救援目标，只能采用“非直视”方式对其进行探测。由于复杂建筑环境中存在大量的电磁波反射、衍射传播路径，相比电磁透射传播，这些多径传播电磁能量衰减小，可利用传播路径多，多种建筑遮蔽环境均存在，更有利于隐蔽目标探测。因此，多径探测是实现复杂城市环境建筑遮蔽目标探测的最佳方式。

拐角目标探测是多径探测中最典型的一种场景。目前，国内外许多研究机构均开展了利用电磁波多径传播对拐角后隐蔽目标探测的理论与技术研究相关工作。在建筑布局已知的条件下，美国空军实验室的学者在文献(Setlur P,Negishi T,Devroye N,etal.Multipath exploitation in non-los urban synthetic aperture radar[J].IEEEJournal of Selected Topics in Signal Processing,2013,8(1):137-152.)中针对非直视环境下传统合成孔径雷达成像方法失效等问题，分别提出了基于原始时域回波和原始波束形成图像的两种隐藏目标合成孔径雷达成像方法。所提方法仅仅考虑两种典型的电磁波多径传播场景并忽略掉了电磁衍射传播，同时合成孔径雷达因其阵列孔径较大、不易携带、移动灵活性差等缺点，在城市作战环境具有很大的局限性。在文献(Rabaste O,Bosse J,Poullin D,et al.Detection-localization Algorithms in the Around-the-cornerRadar Problem[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2019.)中，作者提出了利用电磁波多径回波进行目标检测和定位的两种方法，并与传统的匹配滤波算法进行了检测性能比较，但是由于场景几何结果的空间模糊性导致了目标定位精度不高。在复杂的城市环境中，雷达回波信号往往包含了大量杂乱的往返雷达与目标间的多径信号，若直接进行目标检测或者从杂乱的回波信号中分选出不同多径对应的回波峰值信号相对困难，同时要满足对城市作战环境中设备可携带性强、抗干扰能力强、对隐蔽目标的定位精度高等要求，利用超宽带MIMO雷达成像技术对拐角后隐蔽目标进行成像探测具有重要的应用价值。

发明内容

为解决复杂城市环境中拐角隐蔽目标探测问题，本发明提出了一种基于多成像字典融合的拐角隐蔽目标成像方法，能够准确地获得拐角后隐蔽目标的清晰雷达图像。本发明计算简单，且实用性高。在已知建筑布局和雷达位置信息的条件下，首先分析了拐角后非视距区域中的电磁波衍射和一次反射的传播特性，再根据电磁传播特性构建出关于衍射和多种一次反射的虚拟雷达阵列，然后根据虚拟雷达阵列计算衍射和一次反射的电磁波传播时延并建立相应的成像字典，利用后向投影成像算法得到包含真实目标和虚假目标的原始雷达图像，最后对所有的原始雷达图像进行乘法融合得到只包含真实目标的清晰雷达图像。

本发明技术方案如下：

一种基于多成像字典融合的拐角目标成像方法，包括以下步骤：

步骤1：探测场景环境参数设置；

一个由Wall-1、Wall-2和Wall-3组成建筑通道为L型拐角的场景，Wall-2和Wall-3成直角；Wall-1为Wall-2和Wall-3形成的直角角内的方形墙体；其中Wall-1的墙角位置记为C＝[x_c,y_c]^T；Wall-2表面的纵坐标记为y_w2，Wall-3表面的横坐标记为x_w2；假设建筑布局是已知的且电磁波在墙面发生的是镜面反射；目标位于Wall-1和Wall-3的通道非直视区域中，记为P＝[x_p,y_p]^T；具有M个发射天线和N个接收天线的超宽带MIMO雷达线性阵列位于Wall-1和Wall-2的通道之中且阵列垂直摆放，雷达中心位置为[x_r,y_r]^T，雷达的第m个发射天线和第n个接收天线位置分别表示为T_m＝[x_r,y_tm]^T和R_n＝[x_r,y_rn]^T；由于Wall-1的遮挡，雷达天线阵列对于目标P不可见，天线发射电磁波信号只能通过墙角C衍射和Wall-1、Wall-2表面镜面反射到达目标位置，反射点分别为W₂、W₃；忽略掉电磁波衰减较大的高次反射路径，仅考虑衍射路径和在Wall-1和Wall-2发生的一次反射路径，这三种传播路径分别命名为：

Path-1：T_m→C→P→C→R_n；

Path-2：T_m→W₂→P→W₂→R_n；

Path-3：T_m→W₃→P→W₃→R_n。

其中，T_m表示发射天线，R_n表示接受天线；

步骤2：衍射和一次反射分布区域划定；

当目标位置满足如下关系时，衍射路径Path-1存在：

当目标位置满足如下关系时，一次反射路径Path-2存在：

当目标位置满足如下关系时，一次反射路径Path-3存在：

步骤3：回波信号预处理；

将接收到的k个周期的回波信号s(t,k)进行MTI处理；该步骤采用两脉冲对消技术，获得目标回波信号s_r,mpn(t,k)，两脉冲对消器结构为：

s_r,mpn(t,k)＝s(t,k)-s(t,k-1) (4)

步骤4：虚拟阵列位置获取

4.1、电磁波信号在墙角C发生衍射，计算Path-1对应的虚拟阵列位置为：

其中，l_t、l_r分别为墙角C到发射天线和接收天线之间的距离；

根据电磁波镜面反射对称性关系可得Path-2和Path-3对应的虚拟阵列位置分别为：

4.2、由步骤4.1得到的虚拟阵列位置，分别计算得到三种路径的传播时延为：

其中，c为电磁波在空气中的传播速度；

步骤5：后向投影成像

基于步骤4得到的不同电磁波路径传播时延，建立相应的成像字典。首先将成像区域划分成X×Y个像素点，即对任意一个像素点P有：

Z_p＝(x_pi,y_pi),i＝1,2,…,X,j＝1,2,…,Y. (9)

根据不同路径的传播时延τ′_i,mpn,i＝1,2,3计算整个图像的像素值：

步骤6：图像融合

通过步骤5得到了三种不同成像字典相对应的原始成像结果，这些雷达图像中不仅包含了真实目标，也包含了许多虚假目标。不同路径对应的成像结果中真实目标位置是相同的，而其他虚假目标则不相同，因此，根据这一特征采用图像乘法融合对虚假目标进行剔除。

6.1、为了保证不同路径的成像结果对同一个像素点的贡献值一致，先对步骤5得到的原始成像结果进行归一化：

其中，abs(·)表示取绝对值，max(·)表示取最大值。

6.2、基于步骤6.1归一化的所有原始图像进行乘法融合：

其中，⊙表示哈达玛积。至此，融合后的I_P(Z_p)图像仅包含了真实目标。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于多成像字典融合的拐角隐蔽目标成像方法。根据建筑布局和雷达位置信息，首先得到了拐角后非直视区域中三种典型的电磁传播路径的分布范围，即电磁衍射、不同反射点的一次反射，再根据场景结构信息构建出关于衍射和一次反射的虚拟雷达阵列，然后根据虚拟雷达阵列计算出三种传播路径的电磁波传播时延并建立相应的成像字典，利用后向投影成像算法得到包含真实目标和虚假目标的原始雷达图像，最后对所有的原始雷达图像进行乘法融合得到只包含真实目标的雷达图像。本发明的有优点是，实现过程简单，实用性强，从信号预处理到雷达图像获取整个过程的计算量小，拐角后隐蔽目标成像定位精度高。本发明还可以应用于城市巷战、反恐维稳、灾害救援等领域。

附图说明

图1为具体实施方式中L-型电磁波传播模型。

图2为具体实施方式中单目标电磁仿真示意图。

图3为具体实施方式中双目标电磁仿真示意图。

图4为具体实施方式中成像模型。

图5为具体实施方式中原始成像结果。

图6为具体实施方式中单目标成像结果。

图7为具体实施方式中双目标成像结果。

具体实施方式

下面结合一个电磁仿真实验给出本发明的具体实施方式：

步骤1：探测场景环境参数设置；

电磁仿真采用为gprMax3.0软件，仿真场景示意图如图2和图3所示，其中图2为单目标电磁仿真示意图，图3为双目标电磁仿真示意图。实验以Wall-2的墙角O为坐标原点，Wall-1的墙角位置坐标为(3m,2m)，Wall-2外表面的纵坐标记为1m，Wall-3外表面的横坐标记为9m，墙体的介电常数为6，磁导率为0.05S/m；仿真考虑了单目标和多目标两种情况，首先单目标坐标为(4m,5m)，多目标的位置分别为(4m,5.7m)和(5.3m,7m)，目标的介电常数为55，磁导率为1.05S/m；仿真雷达***采用两发四收超宽带雷达，阵列孔径为0.6m，阵列垂直摆放，中心坐标为(1.5m,1.7m)；雷达发射信号为步进频连续波信号，起始频率为1GHz，截止频率为2GHz，信号带宽1GHz。

步骤2：衍射和一次反射分布区域划定；

根据步骤1的仿真参数设置可以得到三种路径对应的分布范围，对该范围内的目标进行成像。

步骤3：回波信号预处理；

电磁仿真实验中共获得100个周期的回波数据，将所有周期的回波信号进行两脉冲对消处理，得到对消后的回波信号s_r,mpn(t,k)。

步骤4：虚拟阵列位置获取

4.1、根据步骤1的仿真参数设置可以得到Path-1、Path-2、Path-3三种路径对应的虚拟阵列位置：Path-1对应的虚拟阵列中心坐标为(1.82m,1.55m)，Path-2对应的虚拟阵列中心坐标为(1.5m,0.3m)，Path-3对应的虚拟阵列中心坐标为(16.5m,1.7m)，如图4所示。

4.2、由步骤4.1得到的虚拟阵列位置，分别计算得到八个通道三种路径的传播时延。

步骤5：后向投影成像

基于步骤4得到的不同电磁波路径传播时延，建立相应的成像字典。仿真成像区域设置为10m×12m，成像区域划分成417×434个像素点，利用后向投影成像算法得到原始成像结果，如图5所示给出了第15个周期的Path-2和Path-3的成像结果。

步骤6：图像融合

6.1、为了保证不同路径的成像结果对同一个像素点的贡献值一致，先对步骤5得到的原始成像结果进行归一化，再进行图像乘法融合，得到仅包含真实目标的雷达图像。图6，7分别给出了单目标和双目标的不同路径原始成像结果和融合的结果。

通过仿真实验证明，本发明提供的一种基于多成像字典融合的拐角隐蔽目标成像方法不仅实现过程简单、计算量小，验证了本发明的正确性和可实施性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。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权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种基于多成像字典融合的隐蔽拐角目标成像方法，包括以下步骤：

步骤1：探测场景环境参数设置；

一个由Wall-1、Wall-2和Wall-3组成建筑通道为L型拐角的场景，Wall-2和Wall-3成直角；Wall-1为Wall-2和Wall-3形成的直角角内的方形墙体；其中Wall-1的墙角位置记为C＝[x_c,y_c]^T；Wall-2表面的纵坐标记为y_w2，Wall-3表面的横坐标记为x_w2；假设建筑布局是已知的且电磁波在墙面发生的是镜面反射；目标位于Wall-1和Wall-3的通道非直视区域中，记为P＝[x_p,y_p]^T；具有M个发射天线和N个接收天线的超宽带MIMO雷达线性阵列位于Wall-1和Wall-2的通道之中且阵列垂直摆放，雷达中心位置为[x_r,y_r]^T，雷达的第m个发射天线和第n个接收天线位置分别表示为T_m＝[x_r,y_tm]^T和R_n＝[x_r,y_rn]^T；由于Wall-1的遮挡，雷达天线阵列对于目标P不可见，天线发射电磁波信号只能通过墙角C衍射和Wall-1、Wall-2表面镜面反射到达目标位置，反射点分别为W₂、W₃；忽略掉电磁波衰减较大的高次反射路径，仅考虑衍射路径和在Wall-1和Wall-2发生的一次反射路径，这三种传播路径分别命名为：

Path-1：T_m→C→P→C→R_n；

Path-2：T_m→W₂→P→W₂→R_n；

Path-3：T_m→W₃→P→W₃→R_n；

其中，T_m表示发射天线，R_n表示接受天线；

步骤2：衍射和一次反射分布区域划定；

当目标位置满足如下关系时，衍射路径Path-1存在：

当目标位置满足如下关系时，一次反射路径Path-2存在：

当目标位置满足如下关系时，一次反射路径Path-3存在：

步骤3：回波信号预处理；

将接收到的k个周期的回波信号s(t,k)进行MTI处理；该步骤采用两脉冲对消技术，获得目标回波信号s_r,mpn(t,k)，两脉冲对消器结构为：

s_r,mpn(t,k)＝s(t,k)-s(t,k-1) (4)

步骤4：虚拟阵列位置获取

4.1、电磁波信号在墙角C发生衍射，计算Path-1对应的虚拟阵列位置为：

其中，l_t、l_r分别为墙角C到发射天线和接收天线之间的距离；

根据电磁波镜面反射对称性关系可得Path-2和Path-3对应的虚拟阵列位置分别为：

4.2、由步骤4.1得到的虚拟阵列位置，分别计算得到三种路径的传播时延为：

其中，c为电磁波在空气中的传播速度；

步骤5：后向投影成像

基于步骤4得到的不同电磁波路径传播时延，建立相应的成像字典，首先将成像区域划分成X×Y个像素点，即对任意一个像素点P有：

Z_p＝(x_pa,y_pb),a＝1,2,…,X,b＝1,2,…,Y. (9)

根据不同路径的传播时延τ′_i,mpn,i＝1,2,3计算整个图像的像素值：

步骤6：图像融合

通过步骤5得到了三种不同成像字典相对应的原始成像结果，这些雷达图像中不仅包含了真实目标，也包含了许多虚假目标，不同路径对应的成像结果中真实目标位置是相同的，而其他虚假目标则不相同，因此，根据这一特征采用图像乘法融合对虚假目标进行剔除；

6.1、为了保证不同路径的成像结果对同一个像素点的贡献值一致，先对步骤5得到的原始成像结果进行归一化：

其中，abs(·)表示取绝对值，max(·)表示取最大值；

6.2、基于步骤6.1归一化的所有原始图像进行乘法融合：

其中，⊙表示哈达玛积，至此，融合后的I_P(Z_p)图像仅包含了真实目标。

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