一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，包括采集多組回波接收信號，對其進(jìn)行距離向的傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)；對頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行模值計算，對計算的模值進(jìn)行速度向的傅里葉變換，對變換后得到的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)一步求取模值；將求取的模值按照距離向進(jìn)行相干積累；對相干積累后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)閾值處理和基于距離單元的目標(biāo)特征提??；根據(jù)橢圓定位方法定位目標(biāo)位置坐標(biāo)，并顯示目標(biāo)位置。本發(fā)明可以對時間抖動引起的動態(tài)雜波進(jìn)行有效抑制，提高信號信雜比，可以減小目標(biāo)檢測的復(fù)雜度，減小虛警概率。
【專利說明】
一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超寬帶穿墻雷達(dá)是通過穿透墻體等障礙物對人體目標(biāo)進(jìn)行探測、定位和成像的裝 置，廣泛應(yīng)用于反恐、廢墟搜救等領(lǐng)域。因?yàn)槌瑢拵盘栃枰┩刚系K物并探測到人體目標(biāo) 信號，使得雷達(dá)系統(tǒng)必須具有良好的時間穩(wěn)定性和相參性能，但是實(shí)際應(yīng)用中會不可避免 的出現(xiàn)時間抖動的情況，比如系統(tǒng)硬件不理想、環(huán)境變化等都會引起系統(tǒng)時間抖動，導(dǎo)致靜 態(tài)雜波變?yōu)閯討B(tài)雜波，降低信號信噪比人體目標(biāo)信號容易被雜波淹沒，增加了對目標(biāo)信號 的檢測難度。
[0003] -般地，采用增加雷達(dá)系統(tǒng)暖機(jī)時間，在一定程度上對時間抖動進(jìn)行改善，但是對 于系統(tǒng)硬件原因引起的時間抖動，效果不明顯；另有學(xué)者研究了一種低時間抖動的采樣模 塊，但是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，增加了設(shè)計成本;另外有研究從耦合回波的角度對時間抖動 進(jìn)行抑制，但是此方法只對距離雷達(dá)較近的區(qū)域有效，遠(yuǎn)距離的人體目標(biāo)信號依然會受到 影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方 法，本方法可以減小穿墻雷達(dá)系統(tǒng)中時間抖動對目標(biāo)信號檢測的影響，有效抑制了強(qiáng)靜態(tài) 雜波的殘余，提高了穿墻雷達(dá)探測性能。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，包括以下步驟：
[0007] (1)采集多組回波接收信號，對其進(jìn)行距離向的傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻域數(shù) 據(jù)；
[0008] (2)對頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行模值計算，對計算的模值進(jìn)行速度向的傅里葉變換，對變換后 得到的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)一步求取模值；
[0009] (3)將求取的模值按照距離向進(jìn)行相干積累；
[0010] (4)對相干積累后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)閾值處理和基于距離單元的目標(biāo)特征提??；
[0011] (5)根據(jù)橢圓定位方法定位目標(biāo)位置坐標(biāo)，并顯示目標(biāo)位置。
[0012] 所述步驟⑴中，共采集M*N組信號數(shù)據(jù)，其中Μ是有效脈沖長度，代表距離向數(shù)據(jù)， Ν是脈沖組數(shù)，代表速度向數(shù)據(jù)。
[0013] 所述步驟(1)中，對采集的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行距離向傅里葉變換，使傅里葉變換的點(diǎn)數(shù) 大于等于距離向數(shù)據(jù)。
[0014] 所述步驟(2)中，對頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行求取模值。
[0015] 所述步驟(2)中，傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)等于速度向數(shù)據(jù)的數(shù)目。
[0016] 所述步驟(3)中，相干積累是將每行的元素進(jìn)行相加。
[0017] 所述步驟(4)中，自適應(yīng)閾值的具體過程包括：
[0018] (4-1)確定探測的最小距離和最大距離，對應(yīng)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，截取相干積累后 的數(shù)據(jù)集合中兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)之間的數(shù)據(jù)；
[0019 ] (4-2)確定每個單元門的數(shù)據(jù)個數(shù)和單元門個數(shù)；
[0020] (4-3)對每一個單元門內(nèi)的幅度值求平均，得到的平均值作為本單元的閾值；
[0021] (4-4)保留大于等于當(dāng)前單元門閾值的數(shù)據(jù)。
[0022]所述步驟(4-2)中，最大距離對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)加1后與最小距離對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)的 差值，差值與每個單元門的數(shù)據(jù)個數(shù)的比值的正無窮方向取整后的結(jié)果，為單元門個數(shù)。 [0023]所述步驟(4-4)中，小于當(dāng)前單元門閾值的幅度值置為零。
[0024]所述步驟(4)中，基于距離單元的目標(biāo)特征提取方法的過程包括：
[0025] (4-a)設(shè)定人體目標(biāo)最小包絡(luò)寬度，保留大于其的包絡(luò)信號；
[0026] (4-b)對保留下來的所有信號包絡(luò)取最大值，判斷相鄰最大值之間的間距，如果兩 者間距大于Rinter則兩者保留，否則剔除靠后的最大值，其中Rinter是最小可分辨的目標(biāo) 間距，小于此間距則認(rèn)為兩個包絡(luò)是一個目標(biāo)，大于或者等于此間距則認(rèn)為兩個包絡(luò)是兩 個目標(biāo)。
[0027] (4-c)根據(jù)保留下來的信號，取其最大值個數(shù)為人體目標(biāo)個數(shù)。
[0028] 所述步驟(4-c)中，信號最大值位置為人體目標(biāo)與系統(tǒng)發(fā)射天線和每路接收天線 的距離和。
[0029]本發(fā)明的工作原理為：
[0030] 天線陣列包括一路發(fā)射天線和兩路接收天線;接收天線返回信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采 集得到回波信號數(shù)據(jù)，對回波信號進(jìn)行距離向傅里葉變換，得到頻域數(shù)據(jù);對頻域數(shù)據(jù)求模 值并做速度向的傅里葉變換;對結(jié)果求模值，沿速度向加權(quán)求和，得到一維距離像，通過目 標(biāo)檢測算法得到目標(biāo)在每個接收通道上的距離值;利用橢圓定位算法計算得到人體目標(biāo)的 坐標(biāo)位置并顯示。
[0031] 本發(fā)明的有益效果為：
[0032] (1)本發(fā)明可以減小穿墻雷達(dá)系統(tǒng)中時間抖動對目標(biāo)信號檢測的影響，有效抑制 了強(qiáng)靜態(tài)雜波的殘余，提高了穿墻雷達(dá)探測性能；
[0033] (2)本發(fā)明可以對時間抖動引起的動態(tài)雜波進(jìn)行有效抑制，提高信號信雜比，可以 減小目標(biāo)檢測的復(fù)雜度，減小虛警概率；
[0034] (3)本發(fā)明中距離向傅里葉變換結(jié)果求模值然后再做速度向傅里葉變換，傳統(tǒng)的 做法是對距離向傅里葉變換的結(jié)果直接做速度向傅里葉變換，求取模值的好處是抑制靜態(tài) 雜波的殘余，提高信號信雜比。
[0035] (4)采用自適應(yīng)閾值和基于距離單元的目標(biāo)特征提取方法可以實(shí)現(xiàn)對多個目標(biāo)的 檢測，與傳統(tǒng)方法相比大大減小了虛警和漏檢的概率，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0036] (5)橢圓定位算法可以更加準(zhǔn)確的確定目標(biāo)位置，使得目標(biāo)定位更加準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明的測試系統(tǒng)示意圖；
[0038]圖2為本發(fā)明的流程圖；
[0039]圖3為本發(fā)明的距離fft之后直接做速度向fft的信號示意圖；
[0040]圖4為本發(fā)明的距離fft之后求模值再做速度向fft的信號示意圖；
[0041]圖5為本發(fā)明的目標(biāo)檢測前的信號示意圖；
[0042]圖6為本發(fā)明的使用基于距離單元的目標(biāo)特征提取方法的目標(biāo)檢測結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0043]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0044]如圖1所示，系統(tǒng)主要由收發(fā)信機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)組成。發(fā)射機(jī)發(fā)送2-4Ghz的 調(diào)頻信號，經(jīng)過墻壁后到達(dá)目標(biāo)，由目標(biāo)反射回的部分信號穿過墻壁后由接收機(jī)接收，經(jīng)過 放大等處理后，數(shù)據(jù)采集卡按照一定的采樣率進(jìn)行采集，共有兩路接收，共采集M*N*2組，發(fā) 送給上位機(jī)，上位機(jī)調(diào)用matlab相關(guān)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，最終顯示計算得到的目標(biāo) 位置坐標(biāo)。
[0045]如圖2所示，是上位機(jī)的算法處理流程圖，兩路數(shù)據(jù)的處理方法一樣，以第一路為 例。M*N組數(shù)據(jù)，Μ為行組數(shù)，N為列組數(shù)，首先對每列做24欠(其中2k> = M)傅里葉變換并求模 值，得到2k*N組數(shù)據(jù);然后對2k*N組數(shù)據(jù)按照行做N次傅里葉變換并求模值，依然是2 k*N組數(shù) 據(jù);按照列的方向累加得到2k*l的數(shù)據(jù);2k*l的數(shù)據(jù)中包含了目標(biāo)的距離信息，經(jīng)過目標(biāo)檢 測方法后得到目標(biāo)與發(fā)射天線和接收天線的距離和；由橢圓定位算法，可以求得目標(biāo)的坐 標(biāo)位置(x，y)，顯示在matlab的畫圖窗口中。
[0046] 具體包括：
[0047] (1)數(shù)據(jù)采集卡采集接收機(jī)信號，共采集M*N組，其中Μ是有效脈沖長度，代表距離 向數(shù)據(jù)，Ν是脈沖組數(shù)，代表速度向數(shù)據(jù)；
[0048] (2)對Μ*Ν組數(shù)據(jù)做距離向傅里葉變換，傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)為24欠(其中2k>=Μ)，得 至lj2k*N的頻域數(shù)據(jù)；
[0049] (3) 2k*N的頻域數(shù)據(jù)是復(fù)數(shù)，對2k*N中的每個元素計算模值，得到模值Rv;
[0050] (4)對(3)中的結(jié)果做速度向傅里葉變換，傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)為N次，得到2k*N的頻 域數(shù)據(jù)；
[0051] (5)對(4)中結(jié)果做求模運(yùn)算得到模值，然后按照距離向進(jìn)行相干積累，得到2k*l 的數(shù)據(jù)；
[0052] (6)對(5)中的結(jié)果進(jìn)行目標(biāo)檢測處理，包括自適應(yīng)閾值和基于距離單元的目標(biāo)特 征提取方法；
[0053] (7)根據(jù)橢圓定位原理計算目標(biāo)位置坐標(biāo)，并在圖像中顯示目標(biāo)位置。
[0054]所述步驟(3)中，求模運(yùn)算的過程是:頻域數(shù)據(jù)格式為A+i*B(其中i代表虛部），對 2k*N中的每個元素計算模值Rv，計算公式為
[0055] = ViS2 + B2 Cl)
[0056] 所述步驟(5)中，相干積累的過程是：
[0057] R(q) = ELiX(q,i) (2)
[0058] 其中1彡q彡2k。
[0059] 所述步驟(6)中，自適應(yīng)閾值方法的過程是：
[ΟΟ?Ο] 1)首先確定系統(tǒng)探測的最小距離Rmin和最遠(yuǎn)距離Rmax，對應(yīng)到數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為Nmin和 Nmax，截取R (q)從Nm i η到Nmax點(diǎn)的數(shù)據(jù)；
[0061 ] 2)確定單元門的數(shù)據(jù)個數(shù)為k，則單元門個數(shù)為：
[0062]
(3)
[0063]其中ceil是指向正無窮方向取整；
[0064] 3)對每一個單元門內(nèi)的幅度值求平均，得到的平均值作為本單元的閾值，因此共 有Ndr個不同的閾值構(gòu)成目標(biāo)檢測閾值；
[0065] 4)大于當(dāng)前單元門閾值的幅度值保留，小于當(dāng)前單元門閾值的幅度值置為零； [0066]基于距離單元的目標(biāo)特征提取方法的過程是：
[0067] 經(jīng)過自適應(yīng)閾值檢測之后的數(shù)據(jù)中包含真實(shí)人體目標(biāo)和虛假目標(biāo)，人體目標(biāo)信號 的特征是信號包絡(luò)寬，而由雜波引起的虛假目標(biāo)的特征是信號包絡(luò)窄，由此設(shè)定人體目標(biāo) 最小包絡(luò)寬度為widspace，小于widspace的包絡(luò)被認(rèn)為是虛假目標(biāo)剔除，大于widspace的 包絡(luò)被保留；對保留下來的所有信號包絡(luò)取最大值，判斷相鄰最大值之間的間距，如果兩者 間距大于Rinter則兩者保留，否則剔除靠后的最大值，經(jīng)過上述判斷后保留下來的信號最 大值個數(shù)即為人體目標(biāo)個數(shù)，信號最大值位置為人體目標(biāo)與系統(tǒng)發(fā)射天線和每路接收天線 的距離和。
[0068] 所述步驟(7)中，橢圓定位原理計算目標(biāo)位置坐標(biāo)的過程是：
[0069] 對于典型的一發(fā)兩收(一個發(fā)射天線兩個接收天線)系統(tǒng)，三個天線在水平方向處 于同一條直線，作為坐標(biāo)系橫軸，過發(fā)射天線所在點(diǎn)垂直三個天線所在直線的直線為縱軸。 坐標(biāo)系原點(diǎn)為發(fā)射天線所在的位置，接收天線1距離發(fā)射天線的距離為，接收天線2距離發(fā) 射天線的距離為，因此接收天線1的坐標(biāo)為(_dl，0)，接收天線2的坐標(biāo)為(d2,0)，步驟(6)中 檢測得到的目標(biāo)與發(fā)射天線和第一路接收天線的距離和為Π ，與發(fā)射天線和第二路接收天 線的距離和為r2。目標(biāo)位置記為(x，y)。雙邊橢圓交叉定位坐標(biāo)計算公式：
[0070]
[0071] 其中，^是目標(biāo)到發(fā)射天線和接收天線1的距離之和，r2是目標(biāo)到發(fā)射天線和接收 天線2的距離之和。
[0072]如圖3所示，原始數(shù)據(jù)是一個目標(biāo)在距離墻后9米左右走動信號，經(jīng)過距離向fft之 后直接做速度向fft的結(jié)果，雜波干擾的影響，導(dǎo)致從圖中無法分辨出目標(biāo)的位置，信雜比 極低。
[0073]如圖4所示，原始數(shù)據(jù)是一個目標(biāo)在距離墻后9米左右走動信號，經(jīng)過距離fft之后 求模值再做速度向fft的結(jié)果，很明顯地，從圖中可以分辨出目標(biāo)位置，信雜比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于圖 3〇
[0074] 如圖5所示，是相干積累的信號，原始數(shù)據(jù)來源于四個目標(biāo)站立靜止，下一步需要 進(jìn)行目標(biāo)檢測。
[0075] 如圖6所示，是使用基于距離單元的目標(biāo)特征提取方法的目標(biāo)檢測結(jié)果，可以檢測 出四個目標(biāo)。
[0076] 上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是:包括以下步驟： (1) 采集多組回波接收信號，對其進(jìn)行距離向的傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)； (2) 對頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行模值計算，對計算的模值進(jìn)行速度向的傅里葉變換，對變換后得到 的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)一步求取模值； (3) 將求取的模值按照距離向進(jìn)行相干積累； (4) 對相干積累后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)閾值處理和基于距離單元的目標(biāo)特征提?。? (5) 根據(jù)橢圓定位方法定位目標(biāo)位置坐標(biāo)，并顯示目標(biāo)位置。2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是:所 述步驟（1)中，共采集M*N組信號數(shù)據(jù)，其中Μ是有效脈沖長度，代表距離向數(shù)據(jù)，N是脈沖組 數(shù)，代表速度向數(shù)據(jù)。3. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是:所 述步驟（1)中，對采集的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行距離向傅里葉變換，使傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)大于等于距 離向數(shù)據(jù)； 如權(quán)利要求1所述的一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是:所述 步驟(2)中，對頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行求取模值。4. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是:所 述步驟(2)中，傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)等于速度向數(shù)據(jù)的數(shù)目。5. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是:所 述步驟(3)中，相干積累是將每行的元素進(jìn)行相加。6. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是:所 述步驟(4)中，自適應(yīng)閾值的具體過程包括： (4-1)確定探測的最小距離和最大距離，對應(yīng)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，截取相干積累后的數(shù) 據(jù)集合中兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)之間的數(shù)據(jù)； (4-2)確定每個單元門的數(shù)據(jù)個數(shù)和單元門個數(shù)； (4-3)對每一個單元門內(nèi)的幅度值求平均，得到的平均值作為本單元的閾值； (4-4)保留大于當(dāng)前單元門閾值的數(shù)據(jù)。7. 如權(quán)利要求6所述的一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是:所 述步驟(4-2)中，最大距離對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)加1后與最小距離對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)的差值，差值 與每個單元門的數(shù)據(jù)個數(shù)的比值的正無窮方向取整后的結(jié)果，為單元門個數(shù)。8. 如權(quán)利要求6所述的一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是:所 述步驟(4-4)中，小于當(dāng)前單元門閾值的幅度值置為零。9. 如權(quán)利要求1所述的一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是:所 述步驟(4)中，基于距離單元的目標(biāo)特征提取方法的過程包括： (4-a)設(shè)定人體目標(biāo)最小包絡(luò)寬度，保留大于其的包絡(luò)信號； (4-b)對保留下來的所有信號包絡(luò)取最大值，判斷相鄰最大值之間的間距，如果兩者間 距大于最小可分辨的目標(biāo)間距，則兩者保留，否則剔除靠后的最大值； (4-c)根據(jù)保留下來的信號，取其最大值個數(shù)為人體目標(biāo)個數(shù)。10. 如權(quán)利要求9所述的一種用于超寬帶穿墻雷達(dá)中抑制時間抖動的方法，其特征是： 所述步驟(4-c)中，信號最大值位置為人體目標(biāo)與系統(tǒng)發(fā)射天線和每路接收天線的距離和。
【文檔編號】G01S13/88GK105974375SQ201610268302
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】楊秀蔚, 趙興文, 常天英, 楊傳法, 顏廣
【申請人】山東省科學(xué)院自動化研究所