CN106199538A - 用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，扩频穿墙雷达的一发、两收天线平行于墙壁摆放，发射天线发射扩频连续波信号，两个接收天线同时接收回波信息；接收天线接收到一个周期的时域回波信号R(n)后，采用波形重建处理模块重建出第一个重建波形P₁(n)，将P₁(n)从R(n)中消去，获得去除直达波后的回波信息R₁(n)；重复上述步骤，获得回波信息R₄(n)；经过解扩和相关算法处理后，获得强杂波消除后的相关域信息X_m(n)。本发明为用于去除直达波和墙体引起的杂波的杂波抑制方法，可以用于提升扩频穿墙雷达定位动目标精度；由于该方法的杂波抑制处理不会作用到目标域，因此当动目标静止片刻时依然能够检出动目标。

Description

用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法

技术领域

本发明涉及穿墙雷达跟踪墙后动目标领域，具体还涉及一种用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法。

背景技术

穿墙雷达成像已经广泛用于灾难救援、建筑物结构布局测定、反恐、城市巷战等。越来越多的研究人员关注这个领域，在其研究过程中，所有人都遇到了直达波和墙壁引起的杂波的幅度太强这一问题，这将导致墙后目标的定位和跟踪产生很大的误差，因此，非常有必要对其进行抑制和消除处理。

背景波消去法可以将背景杂波彻底的消除干净，但是在实际中很难获得背景波。一个原因是，实际测量时不可能让墙后目标消失后测量得到背景波；另一个原因是，就算在允许目标消失的实验室环境中，雷达装置的细微移动都将导致同一场景的二次测量时的回波的幅度相位产生巨大的变化，以致于无法彻底的将背景波消除掉。空域滤波法和SAR差分法都需要在很低的工作频率下墙参数保持恒定且均匀，此外，由于两种方法都会作用到目标域上，因此目标的点扩展函数受损严重，需要额外的处理进行补偿。统计方法(包含独立成分分析法、因子分析法、奇异值分解法和主成分分析法)虽然有更低的计算复杂性，但是在分析计算前需要提前获得墙后的目标数量和用于多目标的子阈值。交叉极化方法利用雷达系统的交叉极化可以获得非常显著的杂波消除效果，但是典型的宽带天线不可能从倾斜的方位角获得来自于目标的纯粹的交叉极化信号。上述方法都是基于步进频率穿墙雷达和脉冲雷达进行研究的，而基于扩频穿墙雷达的杂波抑制方法则相对较少。

和其他穿墙雷达相比，扩频穿墙雷达具有非常强大的抗噪能力、低截获率、高空间分辨率、工程实践容易以及信号到达时间估计容易且准确等诸多优点，因此研究扩频穿墙雷达的目标定位跟踪，尤其是反恐的情况下，是十分有必要的。

由于扩频穿墙雷达发射的是一种连续波，因此幅度远大于目标回波的直达波和墙壁引起的杂波会存在于整个时域信号的接收过程中，这导致目标很难被检测出来。此外，杂波和目标回波之间存在的如此之大的幅度值差异会要求模数转换器和存储器具有非常高的位数，进而导致成本的大幅度增加。即使在进行解扩和相关处理后，可以将杂波与目标信息分离，但是其对应的相关峰仍然远大于目标对应的相关峰，这仍然给目标的检测带来了很大的困难，给存储器位数提出了很高的要求。目前，几乎所有研究人员在采用扩频穿墙雷达进行动目标跟踪时都使用指数平均背景消去法，因为该方法操作非常简单，计算复杂性很低以及抑制杂波效果非常稳健。但是，该方法的指数平均处理也会作用到目标信息上，因此需要额外的补偿处理去修补其点扩展函数。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，该方法可以有效的提升扩频穿墙雷达动目标跟踪精度，即使目标偶尔的静止依然可以跟踪到，且该方法可以极大的提升墙后动目标跟踪成像的精度。

本发明所采用的技术方案是，用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，具体步骤如下：

S100、扩频穿墙雷达的一发、两收天线平行于墙壁摆放，发射天线发射扩频连续波信号，两个接收天线同时接收回波信息；

S200、接收天线接收到一个周期的时域回波信号R(n)后，采用波形重建处理模块重建出第一个重建波形P₁(n)，将P₁(n)从R(n)中消去，获得去除直达波后的回波信息R₁(n)；

S300、基于回波信息R₁(n)，继续采用波形重建处理模块重建出第二个重建波形P₂(n)，将P₂(n)从R₁(n)中消去，获得去除直达波和墙壁一次反射波后的回波信息R₂(n)；

S400、重复步骤S300，分别重建出波形P₃(n)和P₄(n)并从回波中消除掉，进而获得已经消除直达波、墙壁的一次反射波、墙壁的二次反射波和三次反射波后的回波信息R₄(n)；

S500、将回波信息R₄(n)经过解扩和相关算法处理后，获得强杂波消除后的相关域信息X_m(n)。

本发明的特点还在于，

步骤S100中，扩频穿墙雷达发射一组扩频信号，其表达式为式(1)；

式(1)：

S(t)＝M(t)sin(2πf₀t)

其中：M(t)为具有1023个码片的M序列码；f₀为载波的中心频率；M序列码是一个以1023个码片为周期的伪随机连续波信号；由于f₀是M码的码片频率的整数倍，因此信号S(t)也是一个以1023个码片为周期的周期信号。

步骤S200中重建波形处理模块的具体步骤如下：

S201、已接收到的时域回波信息R(n)经过解扩和相关算法处理后，获得其相应的相关域信息X(n)；

S202、依据X(n)中最大峰值位置计算参数b₀的初步值；

S203、根据参数b、幅度A和发射波形的公式建立一组重建波形Rw(n)；

S204、将重建波形Rw(n)从接收回波R(n)中消去，并计算剩余信号的能量；

S205、如果剩余信号的能量没有达到最低，则自适应的调整参数z和幅度A后，重复步骤S203、S204，直到剩余信号的能量达到最低为止；

S206、根据此时的参数z和幅度A，重建出一组与接收回波R(n)中最强杂波非常接近的重建波形P(n)。

步骤S201中的解扩和相关处理：雷达接收到时域回波R(t)后，分为I路和Q路，分别与中心频率为f₀的余弦波和正弦波进行相乘从而完成解扩处理；FFT处理后与本地M序列码的FFT的共轭相乘后，进行逆FFT处理，然后将其实部和虚部的平方和的开方，获得相关域信息X(k)；变量k是其在相关域的索引，通过检测X(k)的峰值位置，信号的到达时间TOA可以表示成式(2)；

式(2)：

TOA＝(k_T-k_D)×Δt+d/c

其中：k_T是对应于相关域中峰值的索引值；k_D是对应于相关域中直达波相关峰峰值的索引值；Δt是采样间隔；d是接收天线和发射天线之间的距离；c是光速。

步骤202中，根据相关域中最大峰值位置通过式(3)计算参数b₀的初始值；

式(3)：

b₀＝PP×Δt

其中：^PP是相关域的峰值位置。

步骤203中，根据参数b₀的初始值、参数A的初始值和式(4)重建一组初始波形Rw(n)。

式(4)：

Rw(n)＝A×S(n)；{n|T_M-b₀≤n≤2T_M-b₀}

其中：A是个在0到1区间的任意数，T_M是M序列的周期长。

步骤S204中，将Rw(n)从R(n)中消掉，通过||R(n)-Rw(n)||²计算剩余信号的能量。

步骤S205中，如果剩余信号的能量没有达到最低，则调整参数z和幅度参数A得到新的重建波形，如式(5)所示；

式(5)：

Rw(n)＝A×S(n)；{n|T_M-(PP×Δt+z)≤n≤2T_M-(PP×Δt+z)}

其中：z是另一个在-10Δt到10Δt区间内的未知数；

将重建波形从R(n)中消掉，计算剩余信号能量，如果没有达到最低，则继续调整参数z和幅度参数A，直到剩余信号能量达到最低为止。

本发明的有益效果是，本发明为用于去除直达波和墙体引起的杂波的杂波抑制方法，可以用于提升扩频穿墙雷达定位动目标精度；由于该方法的杂波抑制处理不会作用到目标域，因此当动目标静止片刻时依然能够检出动目标。该方法对于ADC的需求极低且具有非常强的抗噪能力。

附图说明

图1为本发明用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法的流程示意图；

图2为一个扩频穿墙雷达进行动目标跟踪成像的实例；

图3-1一组来自于接收天线R1的时域信号转变成的相关域信号；

图3-2对图3-1进行放大显示后得到的图；

图3-3经本发明提出的杂波抑制方法处理后得到的相关域信号；

图3-4经指数平均法抑制杂波后得到的相关域信号；

图4-1接收天线R1获得全部信号；

图4-2接收天线R1获得的全部信号经过AEABS方法杂波消除后的信号；

图4-3接收天线R1获得的全部信号经过本发明方法杂波消除后的信号；

图4-4两种去除杂波方法抑制杂波后获得的时延比较；

图5-1基于AEABS方法获得动目标跟踪的成像结果；

图5-2基于本发明方法获得动目标跟踪的成像结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，如图1所示，具体步骤如下：

S100、扩频穿墙雷达的一发、两收天线平行于墙壁摆放，发射天线发射扩频连续波信号，两个接收天线同时接收回波信息；

步骤S100中，扩频穿墙雷达发射一组扩频信号，其表达式为式(1)；

式(1)：

S(t)＝M(t)sin(2πf₀t)

其中：M(t)为具有1023个码片的M序列码；f₀为载波的中心频率；M序列码是一个以1023个码片为周期的伪随机连续波信号；由于f₀是M码的码片频率的整数倍，因此信号S(t)也是一个以1023个码片为周期的周期信号；

S200、接收天线接收到一个周期的时域回波信号R(n)后，采用波形重建处理模块重建出第一个重建波形P₁(n)，将P₁(n)从R(n)中消去，获得去除直达波后的时域回波信息R₁(n)；

重建波形处理模块的具体步骤如下：

S201、时域回波信息R(n)经过解扩和相关处理后，获得其相应的相关域信息X(n)；

解扩和相关处理：雷达接收到时域回波R(t)后，分为I路和Q路，分别与中心频率为f₀的余弦波和正弦波进行相乘从而完成解扩处理；FFT处理后与本地M序列码的FFT的共轭相乘后，进行逆FFT处理，然后将其实部和虚部的平方和的开方，获得相关域信息X(k)；

变量k是其在相关域的索引，通过检测X(k)的峰值位置，信号的到达时间TOA表示成式(2)；

式(2)：

TOA＝(k_T-k_D)×Δt+d/c

其中：k_T是对应于相关域中峰值的索引值；k_D是对应于相关域中直达波相关峰峰值的索引值；Δt是采样间隔；d是接收天线和发射天线之间的距离；c是光速；

S202、依据X(n)中最大峰值位置计算参数b₀的初步值；

根据相关域中最大峰值位置通过式(3)计算参数b₀的初始值；

式(3)：

b₀＝PP×Δt

其中：^PP是相关域的峰值位置；

S203、根据参数b、幅度A和发射波形的公式建立一组重建波形Rw(n)；

根据参数b₀的初始值、参数A的初始值和式(4)重建一组初始波形Rw(n)；

式(4)：

Rw(n)＝A×S(n)；{n|T_M-b₀≤n≤2T_M-b₀}

其中：A是个在0到1区间的任意数，T_M是M序列的周期长；

S204、将重建波形Rw(n)从接收回波R(n)中消去，通过||R(n)-Rw(n)||²计算剩余信号的能量；

S205、如果剩余信号的能量没有达到最低，则自适应的调整参数z和幅度A后，重复步骤S203、S204，直到剩余信号的能量达到最低为止；

如果剩余信号的能量没有达到最低，则调整参数z和幅度参数A得到新的重建波形，如式(5)所示；

式(5)：

Rw(n)＝A×S(n)；{n|T_M-(PP×Δt+z)≤n≤2T_M-(PP×Δt+z)}

其中：z是另一个在-10Δt到10Δt区间内的未知数；

将重建波形从R(n)中消掉，计算剩余信号能量，如果没有达到最低，则继续调整参数z和幅度参数A，直到剩余信号能量达到最低为止；

S206、根据此时的参数z和幅度A，即可重建出一组与接收回波R(n)中最强杂波非常接近的重建波形P(n)；

S300、基于回波信息R₁(n)，继续采用波形重建处理模块重建出第二个重建波形P₂(n)，将P₂(n)从R₁(n)中消去，获得去除直达波和墙壁一次反射波后的回波信息R₂(n)；

S400、重复步骤S300，分别重建出波形P₃(n)和P₄(n)并从回波中消除掉，进而获得已经消除直达波、墙壁的一次反射波、墙壁的二次反射波和三次反射波后的回波信息R₄(n)；

S500、将回波信息R₄(n)经过解扩和相关处理后，获得强杂波消除后的相关域信息X_m(n)。

解扩和相关处理：雷达接收到时域回波R₄(n)后，分为I路和Q路，分别与中心频率为f₀的余弦波和正弦波进行相乘从而完成解扩处理；FFT处理后与本地M序列码的FFT的共轭相乘后，进行逆FFT处理，然后将其实部和虚部的平方和的开方，获得相关域信息X_m(n)；(参见D.J.R.van Nee and A.J.R.M.Coenen,"New Fast GPS code-acquisitiontechnique using FFT,"Electronics Letters,vol.27,pp.158-160,1991.)

下面通过一个实例证明本发明方法的效果，如图2所示。墙后是一个成像区域5m×5m的正方形区域。发射天线位T于(2.5m,-1.2m)，接收天线R1位于(1.5m,-1.2m)，接收天线R2位于(3.5m,-1.2m)。墙后的动目标是一个5cm×5cm的金属块，它从点A(3.9m,1.7m)匀速移动到点B(1m,1.7m)，停留10秒后，继续匀速移动到点C(1m,4.6m)，停留10秒后，继续匀速移动到点A。墙壁厚20cm,电导率为0.03，介电常数为4.5。发射天线T发射中心频率1GHz，带宽1GHz的扩频信号。

经过解扩和相关处理后，一组来自于接收天线R1的时域信号R(n)转变成相关域信号，如图3-1所示。将其进行放大，即可得到图3-2。可以看出，直达波和墙壁引起的杂波的幅度值远大于目标的幅度值。目标的峰值位置(Peak Position,PP)为793.2。上面的时域信号R(n)经过本发明的杂波消除处理后，虽然有残余的杂波留下，但是目标没有受到任何影响，PP值依然是793.2，如图3-3所示。而上面的时域信号R(n)经过目前应用最广泛的指数平均背景波消去法(R.Zetik,S.Crabbe,J.Krajnak,P.Peyerl,J.Sachs,and R."Detection and localization of persons behind obstacles using M-sequencethrough-the-wall radar,"in Defense and Security Symposium,2006,pp.62010I-62010I-12.)处理后，虽然杂波去除的很干净，但是目标域信息受到严重损害，因此其PP偏离了0.2，如图3-4所示。所以说，采用本发明提出的方法可以获得比AEABS方法更准确的信号达到时间，且其在杂波抑制时不会作用到目标信息域。

图4-1展示了来自于接收天线R1的全部相关域信号，可以看出直达波和墙壁杂波很强，目标信息完全看不到。图4-2展示了采用AEABS法进行杂波抑制处理后的全部信号，目标信息不太稳健。图4-3展示了采用发明提出的方法进行杂波抑制处理后的全部信号，目标信息很清晰了。将图4-2和图4-3中所有的信号到达时间提取后，计算出相应的时延，如图4-4所示。虽然从表面上看，两种方法获得的时延有细微的误差，但这将导致动目标的跟踪成像结果有很大的不同。

图5-1展示了基于AEABS法进行杂波抑制处理后的全部信号的动目标跟踪成像结果，可以看出，其定位误差非常大。

图5-2展示了基于本发明公开的方法法进行杂波抑制处理后的全部信号的动目标跟踪成像结果，可以看出，目标的运动轨迹被准确的跟踪出来，其定位误差较小，其总的定位精度远高于AEABS法产生的定位精度。

因此可以得出这样的结论：和目前应用最普遍的AEABS方法相比，本发明方法可以非常有效的去除直达波和墙壁杂波，且能保证极高的目标跟踪成像精度。该方法不会作用到目标信息域上，可以较为完整的保留目标信息。

Claims (8)

1.用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，其特征在于，具体步骤如下：

S100、扩频穿墙雷达的一发、两收天线平行于墙壁摆放，发射天线发射扩频连续波信号，两个接收天线同时接收回波信息；

S200、接收天线接收到一个周期的时域回波信号R(n)后，采用波形重建处理模块重建出第一个重建波形P₁(n)，将P₁(n)从R(n)中消去，获得去除直达波后的回波信息R₁(n)；

S300、基于回波信息R₁(n)，继续采用波形重建处理模块重建出第二个重建波形P₂(n)，将P₂(n)从R₁(n)中消去，获得去除直达波和墙壁一次反射波后的回波信息R₂(n)；

S400、重复步骤S300，分别重建出波形P₃(n)和P₄(n)并从回波中消除掉，进而获得已经消除直达波、墙壁的一次反射波、墙壁的二次反射波和三次反射波后的回波信息R₄(n)；

S500、将回波信息R₄(n)经过解扩和相关算法处理后，获得强杂波消除后的相关域信息X_m(n)。

2.根据权利要求1所述的用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，其特征在于，步骤S100中，扩频穿墙雷达发射一组扩频信号，其表达式为式(1)；

式(1)：

S(t)＝M(t)sin(2πf₀t)

其中：M(t)为具有1023个码片的M序列码；f₀为载波的中心频率；M序列码是一个以1023个码片为周期的伪随机连续波信号；由于f₀是M码的码片频率的整数倍，因此信号S(t)也是一个以1023个码片为周期的周期信号。

3.根据权利要求1所述的用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，其特征在于，步骤S200中重建波形处理模块的具体步骤如下：

S201、已接收到的时域回波信息R(n)经过解扩和相关算法处理后，获得其相应的相关域信息X(n)；

S202、依据X(n)中最大峰值位置计算参数b₀的初步值；

S203、根据参数b、幅度A和发射波形的公式建立一组重建波形Rw(n)；

S204、将重建波形Rw(n)从接收回波R(n)中消去，并计算剩余信号的能量；

S205、如果剩余信号的能量没有达到最低，则自适应的调整参数z和幅度A后，重复步骤S203、S204，直到剩余信号的能量达到最低为止；

S206、根据此时的参数z和幅度A，重建出一组与接收回波R(n)中最强杂波非常接近的重建波形P(n)。

4.根据权利要求3所述的用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，其特征在于，步骤S201中的解扩和相关处理：雷达接收到时域回波R(t)后，分为I路和Q路，分别与中心频率为f₀的余弦波和正弦波进行相乘从而完成解扩处理；FFT处理后与本地M序列码的FFT的共轭相乘后，进行逆FFT处理，然后将其实部和虚部的平方和的开方，获得相关域信息X(k)；变量k是其在相关域的索引，通过检测X(k)的峰值位置，信号的到达时间TOA可以表示成式(2)；

式(2)：

TOA＝(k_T-k_D)×Δt+d/c

其中：k_T是对应于相关域中峰值的索引值；k_D是对应于相关域中直达波相关峰峰值的索引值；Δt是采样间隔；d是接收天线和发射天线之间的距离；c是光速。

5.根据权利要求4所述的用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，其特征在于，步骤202中，根据相关域中最大峰值位置通过式(3)计算参数b₀的初始值；

式(3)：

b₀＝PP×Δt

其中：PP是相关域的峰值位置。

6.根据权利要求5所述的用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，其特征在于，步骤203中，根据参数b₀的初始值、参数A的初始值和式(4)重建一组初始波形Rw(n)

式(4)：

Rw(n)＝A×S(n)；{n|T_M-b₀≤n≤2T_M-b₀}

其中：A是个在0到1区间的任意数，T_M是M序列的周期长。

7.根据权利要求6所述的用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，其特征在于，步骤S204中，将Rw(n)从R(n)中消掉，通过||R(n)-Rw(n)||²计算剩余信号的能量。

8.根据权利要求7所述的用于提升扩频穿墙雷达跟踪动目标精度的杂波抑制方法，其特征在于，步骤S205中，如果剩余信号的能量没有达到最低，则调整参数z和幅度参数A得到新的重建波形，如式(5)所示；

式(5)：

Rw(n)＝A×S(n)；{n|T_M-(PP×Δt+z)≤n≤2T_M-(PP×Δt+z)}

其中：z是另一个在-10Δt到10Δt区间内的未知数；

将重建波形从R(n)中消掉，计算剩余信号能量，如果没有达到最低，则继续调整参数z和幅度参数A，直到剩余信号能量达到最低为止。