多角度探测模式下结合Hough变换与SVR的墙后目标定位算法

多普勒穿墙雷达在定位墙后目标时,存在以下两个难点:(1)准确获取频率混叠区域目标瞬时频率;(2)通过获取精确的墙体参数来减小墙体对定位造成的影响。针对以上问题该文提出了一种结合Hough变换和支持向量回归-BP神经网络的目标定位算法。该文首先设计了一种多视角融合穿墙目标探测模型框架,通过获取不同视角下的目标位置来提供辅助估计墙体参数信息;其次,结合差分进化算法和切比雪夫插值多项式提出了一种目标瞬时频率曲线的高精度提取和估计算法;最后,利用估计的墙体参数信息,提出了一种基于BP神经网络的目标运动轨迹补偿算法,抑制了障碍物对目标定位结果的扭曲影响,实现了对墙后目标的精确定位。实验结果表明,相较于传统的短时傅里叶方法,该文所述方法可以准确提取时频混叠区域的目标瞬时频率曲线并减小墙体造成的影响,从而实现墙后多目标的准确定位,整体定位精度提升了约85%。

基于微多普勒角点特征与Non-Local机制的穿墙雷达人体步态异常终止行为辨识技术

穿墙雷达能够穿透建筑物墙体,实现室内人体目标探测。利用深度学习提取不同肢节点的微多普勒特征,可以有效辨识障碍物后的人体行为。但是,当生成训练、验证集与生成测试集的受试者不同时,基于深度学习的行为识别方法测试准确率相对验证准确率往往较低,泛化能力较差。因此,该文提出一种基于微多普勒角点特征与Non-Local机制的穿墙雷达人体步态异常终止行为辨识技术。该方法利用Harris与Moravec检测器提取雷达图像上的角点特征,建立角点特征数据集;利用多链路并行卷积和Non-Local机制构建全局上下文信息提取网络,学习图像像素的全局分布特征;将全局上下文信息提取网络重复堆叠4次得到角点语义特征图,经多层感知机输出行为预测概率。仿真和实测结果表明,所提方法可以有效识别室内人体步行过程中存在的坐卧、跌倒等突发步态异常终止行为,在提升识别准确率、鲁棒性的前提下,有效控制泛化精度误差不超过6.4%。

基于遗传算法的无人机载穿墙三维SAR航迹规划方法

传统手持或车载穿墙雷达由于架设高度受限,无法对城市高层建筑内部目标进行透视成像,无人机载穿墙雷达具有灵活机动、高效便捷、无高度限制等优势,可对城市高层楼宇进行大范围三维穿透探测。三维层析合成孔径雷达(SAR)成像广泛采用多基线扫描模式,以获得高度向高分辨能力,但存在高度向空域欠采样导致的栅瓣问题。对此,该文提出一种基于遗传算法的无人机载穿墙三维SAR航迹规划方法,通过非均匀化飞行航迹,削弱周期性的雷达回波能量叠加,从而抑制栅瓣、实现更优的成像质量。该算法结合飞行距离与无人机载穿墙雷达成像质量的内在关系,建立了无人机航迹规划代价函数;利用遗传算法对3种典型的无人机飞行轨迹关键控制点进行基因编码,并进行基因杂交、变异等以优化种群与个体;最终通过最小化代价函数,分别筛选出3种典型飞行模式下的最优飞行航迹。仿真和实测数据的三维成像结果表明:相较于传统等间距多基线飞行模式,所提方法显著抑制了成像目标的栅瓣效应;此外,无人机斜线飞行的航迹长度明显缩短,提高了无人机载穿墙SAR成像效率。

分布式无线组网超宽带穿墙雷达系统设计与联合定位

单发单收穿墙雷达具备便携、系统简单、可独立工作等优势,但难以实现目标二维定位与跟踪。该文基于便携式单发单收雷达设计了一套分布式无线组网穿墙雷达系统,同时提出了一种目标联合定位方法,能够兼顾系统便携、低成本和目标二维信息估计。首先,设计了基于互补格雷码发射波形的超宽带雷达系统,解决了同频段多台雷达同时工作互相干扰的问题;分布式无线组网超宽带穿墙雷达系统包括3个雷达节点,并通过无线模块与数据处理中心通信。其次,提出了一种基于行为认知理论和模板匹配相结合的数据同步方法,通过识别各雷达数据中的相同运动状态来解决无线组网雷达慢时同步问题,摆脱了传统同步方法对硬件的苛刻要求。最后,提出基于Levenberg-Marquardt(L-M)最优化算法的雷达位置自估计和目标位置求解方法,实现了无先验雷达节点位置信息下的目标快速定位与跟踪。通过仿真分析与实验验证,该文设计的无线组网雷达系统可以实现目标二维定位与实时跟踪,雷达自身位置的估计精度优于0.06 m,对运动人体目标定位精度优于0.62 m。

基于仿真样本迁移学习的穿墙雷达高分辨成像方法

针对带标注实测样本受限情况下的遮蔽多目标高分辨成像问题,提出一种基于迁移学习的穿墙雷达成像方法。首先,搭建生成对抗子网络实现带标签仿真数据到实测数据的迁移,解决带标签数据制作困难的问题;然后,联合使用注意力机制、自适应残差块及多尺度判别器提高图像迁移质量,引入结构一致性损失函数减小图像间的感知差异;最后,利用带标签数据训练穿墙雷达目标成像子网络,实现穿墙雷达多目标高分辨成像。实验结果表明,所提方法能有效缩小仿真图像和实测图像域间差异,实现穿墙雷达带标签伪实测图像生成,系统性解决了穿墙雷达遮蔽目标成像面临的旁/栅瓣鬼影干扰、目标图像散焦、多目标互扰等问题,在单、双和三目标场景下成像准确率分别达到98.24%,90.97%和55.17%,相比于传统CycleGAN方法,所提方法成像准确率分别提升了2.29%,40.28%和15.51%。

基于三维墙体补偿的快速重聚焦算法

超宽带穿墙雷达具备穿透墙体的能力,结合多输入多输出(MIMO)技术可以实现墙体后侧隐蔽目标的成像,为建筑物内人员检测和定位提供了丰富的信息。该文基于调频连续波(FMCW)体制下的多发多收超宽带穿墙雷达系统,提出了一种闭环干涉校准方法,校正了由系统内部误差产生的图像散焦。墙体的存在会导致目标成像位置偏离真实位置,该文推导了联合通道和像素点的三维墙体补偿算法,并基于其几何特性,提出快速重聚焦算法。首先去除墙体影响、确定目标存在区域;鉴于区域几何特性,选择适应区域形状的球坐标网格划分;分区域进行局部重聚焦,避免了因电磁波衰减导致成像结果中出现强目标掩盖弱目标的现象,并且球坐标形式的网格划分和局部成像大大缩减了算法耗时。通过仿真分析与实验验证,该文提出的系统校准方法能有效补偿系统误差,快速重聚焦算法可以实现墙后人体多目标三维定位,各维度定位精度优于10 cm,计算效率相对其余算法提升了5倍左右。从目标检测概率方面,所提算法相比其余算法不会出现弱目标的漏检。

Improved Multi-channel Blind Image Restoration Algorithm for UWB Radar

The imaging problem of low signal to noise ratio （SNR）echo is very important for ultra-wide band （UWB） through-wall radar. An improved multi-channel blind image restoration algorithm based on sub-space and constrained least square （CLS） is presented and applied to UWB radar system to deal with this issue. The high resolution of radar image is equivalent to multi-channel blind image restoration based on the improved model of the through-wall radar echo. And a new cost function is proposed to the multi-channel blind image restoration by considering the concept of sub-space as the limitation of blur identification. The proposed algorithm has all advantages of CLS and sub-space, and converts the image estimation to alternating-minimizing the two cost functions. Experimental results prove that the proposed algorithm is effective at improving the resolution of radar image even at low SNR.

典型城市建筑材料的L波段电磁衰减特性研究

针对隔墙探测雷达的实际应用需求,研究了三种常见墙体对1~2 GHz电磁波的衰减特性.利用电磁波理论,仿真分析了这三种常见墙体的穿墙衰减特性;在微波暗室和隔墙情况下分别测试了电磁波的衰减,得到电磁波穿墙后的衰减值.实测结果表明,仿真结果和实测结果的衰减趋势基本一致;蒸压灰砂砖墙的电磁波衰减能力在三种常见墙体中最强,达到每厘米厚度衰减0.510~1.081d B.

分布式穿墙成像雷达空间配准方法

分布式穿墙成像雷达利用多个穿墙雷达节点在多个视角对室内目标协同探测,可以有效弥补传统单视角穿墙探测的不足。提出了一种基于高斯混合模型的分布式穿墙成像雷达空间配准方法,根据各个节点探测结果中多目标位置关系求解雷达节点位置。首先将各个雷达节点的量测点集建模为高斯混合模型;然后将雷达节点配准问题转化为求解最优坐标变换参数的优化问题;最后采用粒子群优化求解,实现雷达节点空间配准。仿真与实测结果验证了该方法的有效性。

基于改进Camshift的穿墙雷达运动人体目标成像跟踪算法

针对穿墙雷达运动人体目标图像"闪烁"与"抖动"的特点,提出基于改进Camshift的穿墙雷达运动人体目标成像跟踪算法。首先,针对形成的连续多帧穿墙雷达图像以及对应的颜色概率分布图,引入目标预测过程以确定图像中运动目标搜索波门,消除波门外的杂波干扰;然后,利用颜色概率分布图,在波门内自适应迭代调整目标搜索窗尺度,匹配形状与大小变化的目标图像以提取目标位置;最后,对提取的目标位置进行α-β滤波,形成连续平滑的目标运动跟踪航迹,实现基于穿墙雷达成像的建筑物内运动人体稳定航迹跟踪。多输入多输出(MIMO)穿墙雷达实验结果显示,与传统Camshift和Meanshift算法相比,改进后算法的跟踪航迹误差分别降低了40.99%和43.09%,获得了更加准确和平滑的目标运动航迹。

基于改进EEMD的穿墙雷达动目标微多普勒特性分析

穿墙雷达动目标探测中人的心跳、呼吸、手臂摆动等运动的微多普勒信号是非线性、非平稳信号,可以采用经验模式分解(EMD)对其进行时频分析。由于EMD分解存在模式混合问题,该文提出一种改进的整体平均经验模式分解(EEMD)方法,并将其应用于穿墙雷达人的运动微多普勒特性分析中,并且对分解后的每个本征模式函数(IMF)进行Hilbert-Huang变换(HHT),得到信号的时间-频率-能量谱。仿真数据和实验结果分析均表明,改进的EEMD方法不仅能够有效消除EMD中的模式混合问题,将人运动微多普勒信号中的不同频率尺度分解在不同的IMF中,而且还能够有效抑制原始信号中的噪声,提高信噪比,得到更精细、更清晰的时频分布。

超宽带穿墙雷达天线阵列配置分析及运动人体跟踪成像算法

近场区域的非接触式穿墙条件下运动人体的实时跟踪成像探测是超宽带雷达在火灾救援、安全保卫、城市巷战以及人身安全等方面的一个重要应用。该文基于超宽带短脉冲穿墙雷达,推导分析一种MIMO阵列排列方式,并在修正的Kirchhoff算法基础上引出简单适用的成像步骤应用于慢速运动人体的跟踪探测中,给出5 Hz的图像更新速率从而实现实时成像。仿真结果验证了新的MIMO阵列排列方式的有效性,并为穿墙雷达系统研制提供了依据。实验结果说明该文提出的成像步骤具有可行性,能够有效地实现墙后运动人体的实时成像,跟踪滤波处理后,可以获得较为理想的目标运动轨迹。

超宽带穿墙雷达对人体动目标探测的实验研究

分析超宽带穿墙雷达动目标检测原理,提出一种新的自适应背景相消方法用于抑制强杂波干扰。介绍了超宽带穿墙雷达实验系统,利用该系统对非金属墙壁后人体动目标进行探测实验,并分别针对处于不同运动状态目标的实验数据进行分析。实验结果表明,超宽带穿墙雷达对非金属墙体具有较强的穿透性,对墙后处于径向运动、原地静止、原地体动及切向运动等运动状态的人体目标均具有较好的探测能力,提出的动目标检测算法能够适应复杂环境的应用。

穿墙雷达系统中信号检测的新算法

针对冲击体制穿墙雷达系统中回波信号结构复杂、信噪比低、信号检测困难等问题,提出一种小波-双谱联合检测新算法.在对穿墙雷达回波信号建模的基础上,用联合算法将非相干累积后的回波信号经过小波包变换提高信噪比,再用双谱算法进行信号检测.实验结果验证了新算法的有效性,能提供比单独使用其中任一算法更高的检测精度.该算法能反映墙壁后物体的距离-方位信息,为穿墙雷达系统成像提供了可能.

超宽带穿墙雷达成像技术研究

文中详细介绍了超宽带穿墙雷达试验系统及其数据处理技术。针对试验系统中基于延时-求和波束形成方法的传统超宽带成像算法目标分辨率低、容易产生误判的缺点,引入最小方差无畸变响应波束加权及相关因子加权,优化成像算法,并应用于墙后隐藏目标的检测、成像试验。外场试验表明,应用优化后的成像算法,系统能对未知场景中的目标给予准确定位,目标杂波比改善了9.41 dB。

穿墙雷达多视角建筑布局成像

穿墙雷达成像主要包括建筑物的建筑布局成像和内部隐蔽目标成像,其中,建筑布局成像形成的建筑物墙体图像作为参照物能够确定隐蔽目标在建筑物内的相对位置,进而辅助内部隐蔽目标成像实现墙体穿透相位补偿和多径杂波抑制。该文提出了一种多视角建筑布局成像算法,针对多个视角的合成孔径探测回波,首先采用后向投影成像算法形成多幅包含部分墙体图像的单视角建筑布局图像;然后采用M-N-K检测器融合多幅单视角建筑布局图像,形成一幅包含全部墙体图像的二值化建筑布局全景图像;最后,采用中值滤波和Hough变换抑制墙体图像的空洞残缺和边缘毛刺,形成相对整齐的建筑布局全景图像。XFDTD仿真数据和穿墙雷达实验数据验证了算法的正确性和可行性。

超宽带脉冲穿墙雷达互相关BP成像

根据超宽带脉冲穿墙雷达目标回波信号与发射信号具有较强相关性的特点,提出一种新的互相关后向投影(BP)成像算法,该算法将沿天线合成孔径方向各接收阵元的回波信号与发射信号先进行互相关,将获得的互相关信号再利用BP算法进行相干成像。与回波信号进行直接BP成像相比,该算法具有消除脉冲建立时间对回波延迟时间估计误差的影响,提高目标成像的位置精度;能有效抑制背景噪声,提高图像信噪比。利用时域有限差分(FDTD)方法对穿墙场景进行电磁仿真,通过对成像方法结果的比较,表明互相关BP成像算法在成像位置精度和图像信噪比方面明显优越于直接BP成像算法。

基于空间特征的MIMO穿墙雷达墙杂波抑制

在穿墙成像中,墙体反射波相对于目标回波具有很强的能量,因此对目标的成像及检测造成严重干扰。传统的空域滤波方法基于单发单收阵列体制,利用墙体空间特征不变性有效地抑制墙体杂波。随着MIMO技术越来越多的应用于穿墙雷达,墙体空间特征发生变化,该方法不再适用于MIMO穿墙雷达回波。为解决这一问题,该文分析了MIMO穿墙雷达回波中墙体与目标回波的空间特征,参数化建模结果表明,墙体回波的空间特征与天线阵列的位置无关且具有对称性,而目标回波不具有该特性。根据两者的这一差异,该文提出对称消去法来消除墙体回波。仿真结果表明该方法能够有效地消除墙体杂波,且能够保留目标的全部信息。

步进变频穿墙成像雷达中反投影算法研究

反投影(back-projection,BP)算法具有很高的成像精度并容易进行各种形式的补偿,是广泛应用于穿墙、探地等领域的一种有效的时域成像算法。该文把时域反投影算法应用到步进变频穿墙雷达成像中,并根据墙壁的参数提出了用最短时间法对墙壁的影响进行补偿。通过对实测数据的处理可以看出,反投影算法在穿墙雷达中具有很好的成像精度,最短时间法也能很好地补偿墙壁对目标成像位置的影响。

基于扩展信源熵值的穿墙成像雷达墙体强杂波抑制

提出了基于扩展信源熵值理论的超宽带穿墙成像雷达墙体强杂波抑制方法.首先将回波信号离散化,计算离散信源的概率空间并对该离散信源进行扩展,计算得到扩展后含有墙体强杂波和目标回波的新信源的熵值.然后根据墙体杂波熵值与目标信号熵值的差异设定门限,自适应选取最佳门限调节因子,对回波信号进行杂波抑制处理.经过墙体强杂波抑制处理后,利用后向投影方法对目标进行成像.以基于时域有限差分方法(Finite Difference-Time Domain,FDTD)的仿真软件Gpr Max2D/3D所获得的穿墙雷达数据进行仿真实验,分别通过基于信源熵值的方法与本文所提方法来抑制墙体强杂波并成像,通过对比结果可知,前者的目标-杂波比增量为15.51dB,后者的目标–杂波比增量为19.74dB.因此,本文所提方法能够在相同测量方式下得到更为精确的成像,而且可以在保证成像效果的前提下大大减少天线扫描次数.