基于空間特征的MIMO穿墻雷達(dá)墻雜波抑制

張斕子 陸必應(yīng) 周智敏 孫 鑫

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基于空間特征的MIMO穿墻雷達(dá)墻雜波抑制

張斕子*陸必應(yīng) 周智敏 孫 鑫

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073)

在穿墻成像中，墻體反射波相對(duì)于目標(biāo)回波具有很強(qiáng)的能量，因此對(duì)目標(biāo)的成像及檢測(cè)造成嚴(yán)重干擾。傳統(tǒng)的空域?yàn)V波方法基于單發(fā)單收陣列體制，利用墻體空間特征不變性有效地抑制墻體雜波。隨著MIMO技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于穿墻雷達(dá)，墻體空間特征發(fā)生變化，該方法不再適用于MIMO穿墻雷達(dá)回波。為解決這一問題，該文分析了MIMO穿墻雷達(dá)回波中墻體與目標(biāo)回波的空間特征，參數(shù)化建模結(jié)果表明，墻體回波的空間特征與天線陣列的位置無(wú)關(guān)且具有對(duì)稱性，而目標(biāo)回波不具有該特性。根據(jù)兩者的這一差異，該文提出對(duì)稱消去法來(lái)消除墻體回波。仿真結(jié)果表明該方法能夠有效地消除墻體雜波，且能夠保留目標(biāo)的全部信息。

MIMO穿墻雷達(dá)；雜波抑制；空間特征；對(duì)稱消去法

1 引言

穿墻雷達(dá)成像(Through-the-Wall Radar Imaging, TWRI)技術(shù)利用電磁波的低頻穿透特性對(duì)非透明障礙物后的隱蔽目標(biāo)進(jìn)行穿透探測(cè)，從而獲得目標(biāo)區(qū)域的高分辨圖像。TWRI作為新一代的透視成像技術(shù)，在城市巷戰(zhàn)、災(zāi)害救援等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，成為近年來(lái)雷達(dá)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。由于穿墻雷達(dá)工作環(huán)境復(fù)雜，且大部分目標(biāo)自身電磁散射特性較弱，加之電磁波的雙程衰減，使得目標(biāo)信號(hào)往往淹沒在大量雜波中。其中，墻體雜波往往占有主體地位，造成目標(biāo)信號(hào)被掩蓋而無(wú)法顯現(xiàn)，因此墻體雜波抑制成為TWRI中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

抑制墻體雜波的方法主要包括背景對(duì)消[2]、墻體參數(shù)估計(jì)[3]、子空間法[4]、墻體圖像提取[5]以及空域?yàn)V波。其中，空域?yàn)V波技術(shù)能夠在無(wú)任何探測(cè)場(chǎng)景先驗(yàn)信息的情況下有效地抑制墻體雜波，因此成為TWRI中的一個(gè)重要研究方向。傳統(tǒng)的空域?yàn)V波技術(shù)[6]基于單發(fā)單收陣列體制，認(rèn)為墻體回波空間特征具有不變性，因此其空間頻譜可近似看作中心頻率為零的sinc脈沖，而目標(biāo)回波空間頻譜卻明顯擴(kuò)展，故可根據(jù)墻體和目標(biāo)回波的空間特征差異采用具有窄過渡帶和線性相位特性或零相位特性的濾波器消除墻體回波。然而由于穿墻雷達(dá)多工作在時(shí)間、空間受限的城市環(huán)境，而單發(fā)單收陣列通常具有較大的體積且需要較長(zhǎng)的掃描時(shí)間，阻礙了穿墻雷達(dá)的發(fā)展。新興的多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)為這一難題提供了解決方法。MIMO技術(shù)通過合理配置收發(fā)天線陣列，在減少天線個(gè)數(shù)的同時(shí)大大降低了獲取一個(gè)成像孔徑的掃描時(shí)間，因此在穿墻雷達(dá)成像中得到了廣泛應(yīng)用。然而此時(shí)不同發(fā)射/接收天線對(duì)記錄的墻體回波不再相同，因此不能將其視為零頻信號(hào)，此時(shí)傳統(tǒng)的空域?yàn)V波技術(shù)就不再適用。為了解決這一問題，本文分析了MIMO穿墻雷達(dá)接收的墻體與目標(biāo)回波的空間特征，依據(jù)兩者的差異，提出對(duì)稱消去法來(lái)抑制墻體回波。

鑒于以上研究背景，本文的章節(jié)安排如下：第2節(jié)簡(jiǎn)單地討論了單發(fā)單收陣列下傳統(tǒng)的空域?yàn)V波技術(shù)；第3節(jié)從理論上分析了MIMO穿墻雷達(dá)回波中墻體與目標(biāo)回波的空間特征，并進(jìn)行了驗(yàn)證；第4節(jié)分析了MIMO穿墻雷達(dá)成像中基于空間特征的墻雜波抑制方法；第5節(jié)利用本文算法對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，驗(yàn)證方法的有效性；最后總結(jié)全文。

2 單發(fā)單收穿墻雷達(dá)回波空間特征分析

然而這一方法并不適用于收發(fā)分置的天線陣列，因?yàn)閷?duì)于不同的發(fā)射/接收天線對(duì)，墻體回波不再具有相同的延時(shí)，而是出現(xiàn)在不同的距離延時(shí)上。故空間頻率變換后，墻體空間頻譜也會(huì)展寬，因此傳統(tǒng)的空域?yàn)V波方法并不適用于收發(fā)分置的天線陣列，這就需要對(duì)該陣列體制下墻體和目標(biāo)的空間特征進(jìn)行分析。

3 MIMO穿墻雷達(dá)回波空間特征分析

3.1 墻體和理想點(diǎn)目標(biāo)空域特性分析

圖1 MIMO體制下的信號(hào)模型

由圖1可以看出，墻體回波不僅包含墻體內(nèi)表面(近天線)的反射，還有墻體內(nèi)部多次反射后的信號(hào)，可見墻體回波較為復(fù)雜。遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，正交混頻后的墻體回波近似為[12]

對(duì)于目標(biāo)回波，發(fā)射信號(hào)經(jīng)墻后目標(biāo)反射被接收天線所接收，信號(hào)在傳播過程中經(jīng)歷了兩次墻體透射。遠(yuǎn)場(chǎng)條件下目標(biāo)回波信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為

其中[13]

可以看出，與墻體回波不同，目標(biāo)回波不僅與收發(fā)天線的絕對(duì)位置有關(guān)，還與目標(biāo)位置有關(guān)。

假設(shè)天線陣列為2發(fā)21收，長(zhǎng)度為3.6 m，發(fā)射信號(hào)是起始頻率為500 MHz，步進(jìn)間隔為2 MHz的步進(jìn)頻信號(hào)。理想點(diǎn)目標(biāo)位于(0,14)處(單位為m，下同)，墻體距離天線7 m，介電常數(shù)為4.2，天線陣列中心位置分別處于(0,0)和(-1,0)，圖2和圖3給出了不同陣列位置時(shí)墻體和目標(biāo)回波的空間特征。顯然，改變天線陣列位置，墻體空間特征未發(fā)生變化，但理想點(diǎn)目標(biāo)的空間特征隨陣列中心位置的改變而改變。

3.2 典型面目標(biāo)空域特性分析

在實(shí)際應(yīng)用中，目標(biāo)并非是上文假設(shè)的理想點(diǎn)目標(biāo)，此時(shí)其空間特征將如何變化，是否與上文結(jié)論一致，這就需要對(duì)不同類型的散射體進(jìn)行分析。為了得到不同散射體的特性，需要在無(wú)電磁干擾下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，然而散射體尺寸、方向等參數(shù)的差異使得這一工作量巨大，難以實(shí)現(xiàn)。因此通常采用對(duì)散射體建模的方式來(lái)進(jìn)行理論分析。幾何繞射理論(Geometric Theory of Diffraction, GTD)表明，復(fù)雜散射體的高頻電磁散射特性可以看作是多個(gè)簡(jiǎn)單散射體散射特性之和。而基于這一理論所建立的散射體模型易于實(shí)現(xiàn)且具有與實(shí)際情況相符的電磁響應(yīng)。文獻(xiàn)[14]給出了雙站SAR典型散射體(如二面角、三面角、圓柱體、圓帽和球體)的散射特性，實(shí)際中復(fù)雜散射體都可以分解為上述簡(jiǎn)單散射體。

其中。為簡(jiǎn)化分析，忽略極化方式對(duì)回波的影響，將上述模型代入式(12)即得到雙站回波。假設(shè)二面角中心位于(0,4)處，且，圖4為仿真場(chǎng)景示意圖。采用與3.1節(jié)相同的仿真參數(shù)和處理方法，便可得到二面角的空間特征(圖5)?？梢钥闯?，與理想點(diǎn)目標(biāo)類似，其空間特征與陣列中心位置同樣密切相關(guān)。而對(duì)于其它類型的散射體，如三面角、圓柱體等，也有相同的特性。這就為基于空間特征差異的穿墻雷達(dá)的墻體雜波抑制提供了理論依據(jù)。

圖3 理想點(diǎn)目標(biāo)空間特征

圖4 目標(biāo)與陣列位置示意圖

圖5 二面角空間特征

4 墻體雜波抑制技術(shù)

根據(jù)上文的分析，采用單發(fā)單收陣列時(shí)，采用適當(dāng)?shù)臑V波器便可有效地濾除墻體回波而保留目標(biāo)回波，下面具體分析如何抑制MIMO TWR回波中的墻體信號(hào)。

值得注意的是，對(duì)于大多數(shù)MIMO雷達(dá)而言，均可將其分解為多個(gè)STVA的組合，可對(duì)每個(gè)STVA對(duì)應(yīng)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再重構(gòu)完整的B-Scan矩陣，此時(shí)得到的即為墻體雜波抑制后的回波數(shù)據(jù)。

5 仿真結(jié)果及分析

5.1 簡(jiǎn)單場(chǎng)景建模仿真結(jié)果

為驗(yàn)證本文方法的有效性，本文采用電磁建模軟件(XFDTD)對(duì)穿墻場(chǎng)景進(jìn)行仿真。首先考慮一個(gè)簡(jiǎn)單場(chǎng)景，墻體與目標(biāo)位置如圖6所示，陣列形式與上文一致，距離墻體1.7 m。

原始回波數(shù)據(jù)的空間特征如圖7(a)所示，可以看出墻體回波的空間特征具有對(duì)稱性，這與理論分析是一致的，而根據(jù)原始圖像(如圖7(b))顯然很難得到目標(biāo)信息。采用傳統(tǒng)的空域?yàn)V波方法處理原始數(shù)據(jù)，其空間特征與成像結(jié)果如圖8所示，可以看出，目標(biāo)信號(hào)仍然被墻體信號(hào)淹沒而無(wú)法顯現(xiàn)，圖8(a)也說明墻體回波空間頻率帶寬展寬，僅消除零頻信號(hào)并不能實(shí)現(xiàn)抑制墻體雜波的目的。圖9給出了采用對(duì)稱消去法處理回波后的結(jié)果，消除具有對(duì)稱性的空間特征后，目標(biāo)得以凸顯，有效地抑制了墻體雜波。為說明圖像中的強(qiáng)散射點(diǎn)確實(shí)為目標(biāo)，圖10給出了背景對(duì)消后的成像結(jié)果，而且由圖9(a)和圖10(a)可知，兩者的空間特征近似相同。顯然，采用對(duì)稱消去法能有效抑制墻體雜波，獲取目標(biāo)信息。

5.2 復(fù)雜建筑物建模仿真結(jié)果

為進(jìn)一步證明本文方法的有效性，采用相同參數(shù)對(duì)室內(nèi)人體目標(biāo)探測(cè)場(chǎng)景進(jìn)行仿真。建筑物長(zhǎng)5m，寬3.7 m，兩個(gè)人體目標(biāo)分別距離前墻1.2 m和1.5 m，且兩者方位向間距2.6 m，如圖11所示。原始圖像和處理后圖像分別如圖12和圖13所示，顯然，墻雜波抑制后，人體目標(biāo)得以顯現(xiàn)。和背景對(duì)消后的成像結(jié)果(圖14)相比，并未出現(xiàn)方框中所示的虛假目標(biāo)。這是因?yàn)殡m然背景對(duì)消方法可以有效地消除前墻影響，而對(duì)于后墻，遮擋效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致部分墻體信號(hào)殘存。而對(duì)稱消去法是基于前墻的空間特征，并未對(duì)后墻信號(hào)進(jìn)行處理，加之后墻信號(hào)通常比目標(biāo)信號(hào)更弱故基本無(wú)法在成像結(jié)果中顯示，因此并不會(huì)出現(xiàn)如圖14中的虛假目標(biāo)。

6 結(jié)論

本文分析了MIMO TWR回波中墻體與目標(biāo)的空間特征差異，同時(shí)證明了無(wú)法采用傳統(tǒng)的空域?yàn)V波方法來(lái)抑制墻體雜波。進(jìn)一步的分析表明，墻體空間特征具有對(duì)稱性，因此本文提出對(duì)稱消去法以消除回波空間特征中的對(duì)稱部分，從而抑制墻體雜波。此外，由于該方法基于陣列先驗(yàn)知識(shí)，故而不會(huì)對(duì)目標(biāo)信息造成影響。

圖6 仿真場(chǎng)景示意圖

圖7 原始回波數(shù)據(jù)

圖8 傳統(tǒng)方法處理后回波數(shù)據(jù)

圖9 對(duì)稱消去法處理后回波數(shù)據(jù)

圖10 背景對(duì)消后回波數(shù)據(jù)

圖11 FDTD仿真場(chǎng)景圖

圖12 原始圖像

圖13 對(duì)稱消去后的成像結(jié)果

圖14 背景對(duì)消后的成像結(jié)果

然而，當(dāng)具有對(duì)稱電磁特性的目標(biāo)處于陣列中垂線上時(shí)，目標(biāo)的空間特征也會(huì)具有對(duì)稱性，此時(shí)對(duì)稱消去法不再適用，幸運(yùn)的是，具有對(duì)稱電磁特性的目標(biāo)在穿墻雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用中幾乎不存在。因此，總體而言，對(duì)于幾個(gè)或多個(gè)STVA組合而成的MIMO天線陣列，對(duì)稱消去法具有良好的墻雜波抑制效果。

[1] Amin M G. Through-the-Wall Radar Imaging[M]. New York: Chemical Rubber Co. Press, 2011: 307-309.

[2] 介利軍, 歐陽(yáng)繕, 楊潔. 超寬帶穿墻雷達(dá)成像技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2012, 34(5): 35-39.

Jie Li-jun, Ouyang Shan, and Yang Jie. A study on ultra wideband through-wall radar imaging technology[J]., 2012, 34(5): 35-39.

[3] 王涵寧, 陸必應(yīng), 周智敏, 等. 基于墻體參數(shù)估計(jì)的穿墻成像與校正算法[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2011, 5(4): 430-436.

Wang Han-ning, Lu Bi-ying, Zhou Zhi-min,An algorithm of through-wall imaging and correction based on the estimation of wall parameters[J]., 2011, 5(4): 430-436.

[4] Gaikwad A N, Singh D, and Nigam M J. Application of clutter reduction techniques for detection of metallic and low dielectric target behind the brick wall by stepped frequency continuous wave radar in ultra-wideband range[J].,&, 2011, 5(4): 416-425.

[5] Jin Tian, Chen Bo, and Zhou Zhi-min. Image-domain estimation of wall parameters for autofocusing of through- the-wall SAR imagery[J].2013, 51(3): 1836-1843.

[6] Yoon Y S and Amin M G. Spatial filtering for wall-clutter mitigation in through-the-wall radar imaging[J]., 2009, 47(9): 3192-3208.

[7] 陳浩文, 黎湘, 莊釗文. 一種新興的雷達(dá)體制—MIMO雷達(dá)[J]. 電子學(xué)報(bào), 2012, 40(6): 1190-1198.

Chen Hao-wen, Li Xiang, and Zhuang Zhao-wen. A rising radar system—MIMO radar[J]., 2012, 40(6): 1190-1198.

[8] 吳世有, 譚愷, 徐艷云, 等. 超寬帶穿墻雷達(dá)天線陣列配置分析及運(yùn)動(dòng)人體跟蹤成像算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2012, 34(11): 2601-2607.

Wu Shi-you, Tan Kai, Xu Yan-yun,Study on UWB through-wall radar antenna array configuration and moving person tracking and imaging algorithm[J].&, 2012, 34(11): 2601-2607.

[9] Jin Tian, Lou Jun, and Zhou Zhi-min. Extraction of landmine features using a forward-looking ground penetrating radar with MIMO array[J]., 2012, 50(10): 4135-4144.

[10] 金添, 婁軍, 宋千, 等. 虛擬孔徑天線配置及其成像性能研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2011, 33(10): 2458-2463.

Jin Tian, Lou Jun, Song Qian,Study on antenna configuration of virtual aperture and its associated imaging performance[J].&, 2011, 33(10): 2458-2463.

[11] Lu Bi-ying, Zhao Yang, Sun Xin,Design and analysis of ultra wide band split transmit virtual aperture array for through the wall imaging[J],, 2013, DOI:10.1155/2013/934509.

[12] 王涵寧, 陸必應(yīng), 周智敏, 等. 一種基于時(shí)域差分的穿墻雷達(dá)BP成像算法[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2012, 34(1): 44-48.

Wang Han-ning, Lu Bi-ying, Zhou Zhi-min,A back- projection algorithm to through-the-wall radar imaging based on time-domain difference[J]., 2012, 34(1): 44-48.

[13] Sun Xin, Lu Bi-ying, Jin Tian,A fast echo construction method in through the wall simulation and analysis[C]. Proceedings of Image Analysis Signal Processing, Hangzhou, 2012: 208-212.

[14] Jackson J A, Rigling B D, and Moses R L. Canonical scattering feature models for 3D and bistatic SAR[J]., 2010, 46(2): 525-541.

張斕子： 女，1988年生，碩士生，研究方向?yàn)榇走_(dá)雜波抑制.

陸必應(yīng)： 男，1976年生，副教授，博士，主要研究方向?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)系統(tǒng)與信息處理.

周智敏： 男，1957年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)探測(cè)系統(tǒng)和技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)、合成孔徑雷達(dá)成像及目標(biāo)檢測(cè).

A Wall Clutter Suppression Method Based on Spatial Signature in MIMO Through-the-wall Radar Imaging

Zhang Lan-zi Lu Bi-ying Zhou Zhi-min Sun Xin

(,,410073,)

In Through-the Wall Imaging (TWI), wall reflections are often stronger than the target, hence they make great interference on the imaging and detection of the target. Spatial filtering based on single input and single output is a traditional method for wall-clutter mitigation, whereas it is not applicable to MIMO Through-the-Wall Radar (TWR). In this paper, the spatial signatures of wall and target from MIMO TWR measurements are analyzed respectively. The results based on parametric models show that the wall reflections not only have no relations with positions of antenna array, but also have symmetry properties, whereas the target reflections do not. According to the above difference, a new method called symmetry subtraction for suppressing wall reflections is introduced. Simulation results indicate that the proposed method can suppress efficiently the wall reflections without affecting target signal.

MIMO Through-the-Wall Radar (TWR); Clutter suppression; Spatial signature; Symmetry subtraction

TN957.52

A

1009-5896(2014)04-0946-07

10.3724/SP.J.1146.2013.00891

2013-06-24收到，2013-10-14改回

國(guó)家自然科學(xué)基金(61372161, 61271441)和全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)資金(201046)資助課題

張斕子 zhanglanzi5insist@aliyun.com