本發(fā)明涉及穿墻雷達(dá)技術(shù)，特別涉及穿墻雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)定位技術(shù)。

背景技術(shù)：

穿墻雷達(dá)系統(tǒng)主要是利用特定頻段電磁波的特性對(duì)諸如門(mén)、墻以及其他非透明物質(zhì)等障礙物后的隱蔽目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。這類(lèi)設(shè)備在反恐作戰(zhàn)、災(zāi)難營(yíng)救、場(chǎng)館安保及公安執(zhí)法等軍事和民用領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。由于穿墻雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的電磁波在傳播過(guò)程中會(huì)受到探測(cè)區(qū)域前非均勻物質(zhì)和周?chē)鷱?fù)雜建筑環(huán)境的干擾，導(dǎo)致雷達(dá)回波數(shù)據(jù)處理得到的目標(biāo)時(shí)延存在誤差，由此直接造成當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的估計(jì)位置與真實(shí)位置存在較大偏移。而這一存在偏移的目標(biāo)位置信息會(huì)干擾雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于目標(biāo)數(shù)量的準(zhǔn)確判定以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的起始、關(guān)聯(lián)和終止。因此，從復(fù)雜建筑環(huán)境接收到的回波數(shù)據(jù)中精確提取目標(biāo)的位置信息是保障穿墻雷達(dá)系統(tǒng)能夠正常工作的關(guān)鍵。

基于對(duì)非透明物質(zhì)后隱蔽目標(biāo)檢測(cè)定位方法的研究，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出很多解決思路。其一是利用大孔徑天線陣列對(duì)隱蔽目標(biāo)探測(cè)，通過(guò)相干成像處理獲取目標(biāo)的位置信息，典型的處理手段有bp成像方法。文獻(xiàn)“compressivesensing-basedmultipathexploitationforstationaryandmovingindoortargetlocalization.ieeejournalofselectedtopicsinsignalprocessing.vol.9,no.8,pp.1469-1483,2015.”中利用基于穿墻雷達(dá)成像處理的壓縮感知方法來(lái)對(duì)室內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行定位。這類(lèi)方法可以獲得目標(biāo)的高精度細(xì)節(jié)信息，但是其對(duì)設(shè)備的硬件指標(biāo)要求苛刻，并且此類(lèi)穿墻雷達(dá)設(shè)備體積龐大，不易攜帶，實(shí)際應(yīng)用中效率低。另一類(lèi)采用非相干處理的技巧，其中運(yùn)用最為廣泛的是橢圓交叉定位方法。電子科技大學(xué)對(duì)這種方法的定位性能進(jìn)行研究，文獻(xiàn)“ellipse-cross-localizationaccuracyanalysisofthrough-the-wallradar.ieeeradarconference,2009.”中詳細(xì)討論了傳統(tǒng)橢圓交叉定位方法的性能。這類(lèi)方法應(yīng)用條件簡(jiǎn)單，定位原理也只是基于探測(cè)模型的幾何結(jié)構(gòu)建立的，實(shí)現(xiàn)硬件簡(jiǎn)單，天線孔徑小，能夠?qū)崿F(xiàn)便攜化設(shè)備平臺(tái)的搭建，但是這類(lèi)方法對(duì)雷達(dá)的距離分辨率要求高，雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)距精度直接關(guān)系到定位的精確度，在現(xiàn)有系統(tǒng)誤差作用下，該類(lèi)雷達(dá)系統(tǒng)定位精度表現(xiàn)并不良好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提出一種適用于穿墻雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)定位方法，首先通過(guò)回波數(shù)據(jù)獲取多個(gè)目標(biāo)獨(dú)自的距離信息(即目標(biāo)與天線的距離)，然后通過(guò)橢圓-雙曲線聯(lián)合的定位方法獲得各個(gè)目標(biāo)的位置狀態(tài)信息。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，本發(fā)明基于一發(fā)n(n≥3)收天線陣列配置的穿墻雷達(dá)，使用一種適用于穿墻雷達(dá)的目標(biāo)定位方法，包括以下步驟：

步驟1：基于回波數(shù)據(jù)提取各接收天線與目標(biāo)的距離r1,r2,…,r3；

步驟2：將雷達(dá)探測(cè)區(qū)域分為兩個(gè)子區(qū)域，將雷達(dá)天線陣列正對(duì)的豎直區(qū)域定義為第一子區(qū)域，將非第一子區(qū)域的雷達(dá)探測(cè)區(qū)域定義為第二子區(qū)域；

對(duì)位于第一子區(qū)域的目標(biāo)采用雙曲線定位法獲取目標(biāo)的位置狀態(tài)信息；

對(duì)位于第二子區(qū)域的目標(biāo)采用橢圓交叉定位法獲取目標(biāo)的位置狀態(tài)信息；

其中雙曲線定位法具體為：

對(duì)n個(gè)距離r1,r2,…,r3進(jìn)行兩兩交叉，配對(duì)得到三組橢圓交叉點(diǎn)和一組雙曲線交叉點(diǎn)；

將三組橢圓交叉點(diǎn)的坐標(biāo)均值化后結(jié)合一組雙曲線交叉點(diǎn)橫坐標(biāo)得到目標(biāo)的定位坐標(biāo)。

本發(fā)明的雙曲線定位法在天線陣列的中心垂直方向能夠提供更高的定位精度。但由于雙曲線的發(fā)散特性，在天線陣列的平行方向，定位精度會(huì)出現(xiàn)惡化。故限定在探測(cè)重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)(天線正對(duì)的豎直區(qū)域)執(zhí)行本發(fā)明的雙曲線定位法，而在探測(cè)重點(diǎn)區(qū)域外依然沿用傳統(tǒng)橢圓交叉定位方法，以充分保障定位精度，從而解決了傳統(tǒng)定位方法的點(diǎn)跡漂移問(wèn)題，為后續(xù)的跟蹤工作提供了正常的點(diǎn)跡。

具體的，圈定探測(cè)重點(diǎn)區(qū)域只與天線間距相關(guān)，即對(duì)于目標(biāo)橫坐標(biāo)位于最優(yōu)化范圍[xmin,xmax]內(nèi)，均可采用本發(fā)明的雙曲線定位法，其中x1、x2、x2分別表示不同收天線的橫坐標(biāo)。即在本發(fā)明在定位目標(biāo)時(shí)，可直接采用本發(fā)明的雙曲線定位法計(jì)算目標(biāo)定位坐標(biāo)(x,y)，再判斷x是否屬于[xmin,xmax]，若是，則輸出目標(biāo)定位坐標(biāo)(x,y)；否則，基于橢圓交叉定位法獲取目標(biāo)的位置狀態(tài)信息并輸出。

進(jìn)一步的，基于回波數(shù)據(jù)提取各接收天線與目標(biāo)的距離具體為：

101：從回波數(shù)據(jù)中提取出原始距離像平面，包括數(shù)據(jù)完整性檢測(cè)、旁瓣抑制和檢測(cè)區(qū)域確定等；

102：根據(jù)穿墻雷系統(tǒng)與電纜延時(shí)補(bǔ)償值、以及雷達(dá)有效探測(cè)范圍對(duì)原始距離像平面進(jìn)行截?cái)?，得到目?biāo)距離像；從而減少待處理的數(shù)據(jù)量；

103：采用相鄰周期脈沖對(duì)消檢測(cè)法，檢測(cè)目標(biāo)距離像的動(dòng)目標(biāo)，得到動(dòng)目標(biāo)距離像；

104：對(duì)動(dòng)目標(biāo)距離像進(jìn)行二維低通濾波處理以及分辨率抽取處理；通過(guò)低筒鋁箔濾出掉高頻的噪聲，降低極值提取的虛警率；按理預(yù)設(shè)分辨率進(jìn)行抽取，達(dá)到降低部分虛警，減少計(jì)算運(yùn)行成本的目的。

105：對(duì)步驟104處理后的動(dòng)目標(biāo)距離像進(jìn)行目標(biāo)距離數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)配對(duì)處理，得到配對(duì)好的不同接收通道的距離和項(xiàng)，即各接收天線與目標(biāo)的距離：

步驟105-1：一般情況下，會(huì)出現(xiàn)距離和個(gè)數(shù)大于目標(biāo)個(gè)數(shù)的情況，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，需要進(jìn)行多周期不同目標(biāo)的距離和分類(lèi)，剔除部分虛假的點(diǎn)跡。

用向量r1,k、r2,k表示不同接收通道在當(dāng)前周期k的輸出的距離和向量，即距離和項(xiàng)，用r1,k(i)、r2,k(i)分別表示r1,k、r2,k的元素，即接收通道的距離和。設(shè)置兩個(gè)中間數(shù)組updatar1和updatar2，用來(lái)存儲(chǔ)更新與當(dāng)前周期k相鄰的最近的兩個(gè)接收通道的非零距離和，updatari(j)用于表示中間數(shù)組updatari的第j個(gè)元素，其中i＝1，2。

設(shè)定距離和分類(lèi)關(guān)聯(lián)門(mén)限為r_classify，則分類(lèi)關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

|ri,k(i)-updatari(j)|＜r_classify，i＝1,2

即，若兩通道距離和同時(shí)滿(mǎn)足上述分類(lèi)關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則時(shí)，分類(lèi)關(guān)聯(lián)成功，兩通道距離和r1,k(i),r2,k(i)更新中間數(shù)組updatar1(j)和updatar2(j)，用來(lái)分類(lèi)關(guān)聯(lián)下周期距離和；沒(méi)有滿(mǎn)足分類(lèi)關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則的距離和，updatar1(j)和updatar2(j)保持不更新。

步驟105-2：假設(shè)兩通道分類(lèi)后的距離和矩陣為p1、p2，第k個(gè)周期的距離和向量分別為r1,k和r2,k。由于兩個(gè)通道的處理是相互獨(dú)立的，這兩個(gè)向量所含的距離和并不是按目標(biāo)一一對(duì)應(yīng)的，且個(gè)數(shù)也會(huì)不同。距離和配對(duì)的目的就是從這兩個(gè)通道中將能夠進(jìn)行定位的距離和對(duì)提取出來(lái)。兩個(gè)通道距離和配對(duì)的準(zhǔn)則是|r1,k(i)-r2,k(j)|＜d1+d2，其中，r1,k(i),r2,k(j)為兩通道檢測(cè)輸出距離和r1,k、r2,k的元素，d1、d2、d3為接收天線和發(fā)射天線的距離。距離和配對(duì)是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的兩個(gè)通道之間進(jìn)行的，通過(guò)距離和配對(duì)處理，可以消除部分虛假的檢測(cè)輸出距離和?；谏鲜鋈我鈨赏ǖ赖呐鋵?duì)處理，得到配對(duì)好的三個(gè)通道的距離和項(xiàng)r1,k、r2,k、r3,k。

綜上，本發(fā)明的有效效果是：本發(fā)明提出了一種穿墻雷達(dá)多目標(biāo)探測(cè)中對(duì)各個(gè)目標(biāo)的定位方法，該方法能夠有效識(shí)別雷達(dá)圖像中的真實(shí)目標(biāo)和它們的即時(shí)未知狀態(tài)信息，在提高定位精度的同時(shí)不會(huì)造成真實(shí)目標(biāo)的丟失。相比于傳統(tǒng)的橢圓交叉定位方法，本發(fā)明能夠防止正常信噪比條件下目標(biāo)定位點(diǎn)跡的漂移，結(jié)合后續(xù)的跟蹤工作得到良好的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了穿墻雷達(dá)在封閉建筑物環(huán)境中的實(shí)際使用性能，為操作人員做出正確的決策提供了有力的保障。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及天線擺放圖；

圖2為兩通道目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)配對(duì)結(jié)果圖；

圖3為墻后一定區(qū)域內(nèi)定位精度gdop曲線圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明首先通過(guò)回波數(shù)據(jù)預(yù)處理得到原始距離像平面，使用相鄰周期脈沖對(duì)消方法過(guò)濾強(qiáng)靜止雜波以及利用門(mén)限檢測(cè)方法過(guò)濾場(chǎng)景噪聲，從而提取場(chǎng)景中活動(dòng)目標(biāo)的距離信息，再將得到的目標(biāo)距離信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，基于目標(biāo)距離特性的分類(lèi)方法和配對(duì)方法獲取多個(gè)目標(biāo)獨(dú)自的距離信息，最后通過(guò)橢圓-雙曲線聯(lián)合的定位方法獲得各個(gè)目標(biāo)的位置狀態(tài)信息。

實(shí)施例

一部一發(fā)三收配置的步進(jìn)頻穿墻雷達(dá)探測(cè)場(chǎng)景如圖1所示，其中目標(biāo)為p，t1表示發(fā)射天線，r1～r3為接收天線，相鄰兩兩陣元間的距離為30cm，穿墻雷達(dá)系統(tǒng)離墻5米放置在墻體正對(duì)地點(diǎn)，發(fā)射中心頻率為1.8ghz、帶寬1ghz的步進(jìn)頻率連續(xù)波信號(hào)，該信號(hào)的頻率步進(jìn)為2mhz。墻體的厚度dw和相對(duì)介電常數(shù)為0.30m和7.6，其中dx表示墻體長(zhǎng)度，雷達(dá)信號(hào)為s0(t)，各接收天線的回波信號(hào)為s1′(t)～s3′(t)，坐標(biāo)原點(diǎn)為t1處，目標(biāo)位于(0,4)m處。

具體實(shí)施步驟如下：

步驟1：場(chǎng)景目標(biāo)提取。

從回波數(shù)據(jù)中提取出原始距離像平面，根據(jù)穿墻雷系統(tǒng)與電纜延時(shí)補(bǔ)償值、以及雷達(dá)有效探測(cè)范圍對(duì)原始距離像平面進(jìn)行截?cái)?，得到目?biāo)距離像。本實(shí)施例中，電纜延時(shí)補(bǔ)償值取值為2.1465m。

利用相鄰周期脈沖對(duì)消方法對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)形成的原始距離像平面進(jìn)行處理得到動(dòng)目標(biāo)。然后利用二維低通濾波器濾除掉高頻噪聲，降低虛警率。最后對(duì)得到的距離像平面按預(yù)設(shè)分辨率進(jìn)行抽取，得到場(chǎng)景目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的距離像平面，即動(dòng)目標(biāo)距離像。

步驟2：目標(biāo)距離數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)配對(duì)步驟

將上述得到的動(dòng)目標(biāo)距離像和矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行雙門(mén)限檢測(cè)，抑制雜波和噪聲，利用有、無(wú)目標(biāo)下回波數(shù)據(jù)幅值的特點(diǎn)，選取兩個(gè)門(mén)限來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)：無(wú)目標(biāo)情況下選取噪聲基底幅值為170，有目標(biāo)時(shí)采用周期內(nèi)歸一化均值加門(mén)限因子作為門(mén)限進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。設(shè)抽取后的距離像平面幅值矩陣為a＝[a1,a2,…,am]^t，m表示周期數(shù)目。第m個(gè)周期的門(mén)限設(shè)置為：

其中nnoise為噪聲基底門(mén)限值，δfactor為冗余值(門(mén)限因子)，確保消除較強(qiáng)雜波的干擾，消除部分虛警，但同時(shí)會(huì)影響微弱目標(biāo)的檢測(cè)。在本次實(shí)例中門(mén)限因子取值0.15。更新后的幅值矩陣記為at。

三個(gè)接收通道的回波距離像經(jīng)過(guò)固定門(mén)限檢測(cè)會(huì)輸出三組距離和信息，對(duì)上述三組距離和分別進(jìn)行極值提取，具體步驟為：對(duì)幅值矩陣at中的每一行做二階差分，其中二階差分小于零的單元為極大值單元，保留其原有值，其他單元置零。第m行二階差分如下：

max_a＝diff(sign(diff(am)))

diff(am)＝am(2:nc)-am(1:nc-1)

檢測(cè)判決規(guī)則如下：

在上述處理后對(duì)距離像平面幅值矩陣進(jìn)行二值化處理，得到歸一化幅值矩陣am。

對(duì)上述歸一化幅值矩陣中儲(chǔ)存的距離和項(xiàng)進(jìn)行兩兩分類(lèi)處理，利用三角形的性質(zhì)兩邊之差小于第三邊，其中一組分類(lèi)的結(jié)果如圖2所示。將關(guān)聯(lián)上的目標(biāo)距離和存儲(chǔ)，未關(guān)聯(lián)上的一定窗口周期內(nèi)小于一定數(shù)量判定為虛警，本實(shí)例中分類(lèi)窗口周期選取為30個(gè)，虛警判決周期數(shù)為15。最后得到的三個(gè)通道的距離和矩陣。

步驟3：采用本發(fā)明的雙曲線定位法計(jì)算目標(biāo)的坐標(biāo)。

人體運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在如圖2所示場(chǎng)景中做定點(diǎn)小幅度晃動(dòng)，通過(guò)大量仿真數(shù)據(jù)的擬合，得到定位新方法的幾何精度因子geometricdilutionofprecision(gdop)圖，如圖3所示。在穿墻雷達(dá)領(lǐng)域內(nèi)，進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵區(qū)域主要在于天線陣列的正前方。圖中顯示，天線陣列范圍正前方的定位誤差得到了大幅改善，且隨著天線陣列與場(chǎng)景點(diǎn)的距離增大，定位點(diǎn)的誤差越小。這一點(diǎn)有利于穿墻雷達(dá)在車(chē)載、機(jī)載平臺(tái)的應(yīng)用。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說(shuō)明書(shū)中所公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類(lèi)似目的的替代特征加以替換；所公開(kāi)的所有特征、或所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。