連續波穿墻雷達系統的目標檢測新算法

丁一鵬 方廣有

(中國科學院電子學研究所電磁場與微波技術研究室,北京 100190)

連續波穿墻雷達系統的目標檢測新算法

丁一鵬 方廣有

(中國科學院電子學研究所電磁場與微波技術研究室,北京 100190)

分辨率和測量精度是衡量穿墻雷達性能的重要指標。針對連續波穿墻雷達信噪比低、檢測精度差以及在頻率混疊區域目標信號難以識別等問題,重新分析了接收信號的組成,修正了回波的數學模型并推導了一種基于頻域解調斜-自適應濾波的聯合檢測新算法。新算法以在頻率混疊區域準確識別并分離目標為主要目的,計算機仿真結果表明:新算法無論是在分辨率還是檢測精度方面較傳統的成像結果都有了明顯的提高,同時還兼具目標信息匹配等優勢,為連續波穿墻雷達的高精度成像提供可能。

連續波穿墻雷達;頻譜分離;Clean算法;解調頻;自適應濾波器

1.引 言

穿墻探測雷達(T hrough Wall Radar,T WR)是近幾年根據軍事和反恐需要提出的一種用來探測被障礙物遮擋目標的新型雷達。穿墻探測雷達通過發射電磁波信號來穿透墻壁、樹叢、隔板等障礙物,并分析接收到的目標(人體)回波數據,對隱藏在障礙物后的目標進行檢測與成像[1-2]。它可以對建筑物內的可疑目標進行外部的非侵入式探測,并對建筑物內的運動目標進行監測,從而大幅度提高作戰人員對周邊環境的態勢感知能力,對提高反恐作戰的成功率,減少人員傷亡起著重要的作用[3]。此外,穿墻探測雷達還可以廣泛應用于公安防暴、災害救援等諸多領域。

目前,研究中的穿墻探測雷達主要包括:基于脈沖[4-5]或調頻信號[6-7]的超寬帶雷達和連續波雷達[8-9]。其中,超寬帶雷達在成像精度上存在一定的優勢,它發射的超寬帶信號瞬時相對帶寬大于25%,具有較高的距離分辨率,有利于目標的定位檢測,同時其豐富的低頻分量保證其良好的穿透特性與作用距離。但是在實際應用中,超寬帶雷達也存在著諸多限制與不足。首先,雷達采用的超寬帶信號對收發模塊以至于天線都提出了較高的要求,硬件成本較大。在穿墻過程中,雷達的高頻信號分量容易產生大幅度的衰減而丟失。此外,超寬帶雷達的成像結果容易遭到檢測過程中噪聲的干擾,高精度的成像需要復雜的噪聲抑制與目標識別算法的支持[10]。相對而言,連續波雷達憑借其低廉的價格、緊湊的結構以及優秀的靜態雜波抑制能力一直受到著人們的廣泛關注。傳統的連續波穿墻雷達成像算法利用短時傅立葉變換在頻譜上對不同目標進行識別,然后根據接收信號的相位信息對不同目標的角度與距離進行檢測,最后綜合得到的信息對目標的運動軌跡進行成像。然而,實際應用表明,當目標間的頻譜無法順利分離,即目標處于頻率混疊區域時,連續波穿墻雷達的檢測性能將大幅度降低,甚至無法成像[11]。因此,如何提高連續波雷達的分辨能力,對相近頻率的目標合理進行分離與識別是進一步發展連續波雷達的關鍵技術之一。

為解決上述問題,大量學者進行了深入的研究,并提出了許多優化算法。文獻[8]提出了一種利用頻率積分代替信號相位檢測的新方法,有效平滑了檢測結果,提高了檢測性能。但該算法仍然未能解決頻率混疊下的目標識別與檢測問題。此外,由于積分的累積效應,檢測誤差也會產生積累,一段時間內的錯誤檢測結果將疊加到整個檢測過程中并產生持續的影響。文獻[11]提出了一種修正的Willion-Ville(WV)檢測方法,利用 WV變換相對于短時傅立葉變換較高的分辨能力來提高算法的檢測精度。但WV變換存在著嚴重的交叉項干擾問題,雖然文章提出的修正算法通過加權值在一定程度上緩解了這一現象,但該算法目前仍只適用于目標頻率不發生混疊情況下的高精度成像,在實際應用中尚存在較大局限性。在解決頻率混疊情況下的目標識別問題上,文獻[9]提出了一種重要的聯合處理算法。該算法在“頻率-角度”二維平面對目標進行識別,并根據“頻率-角度”二維連續性原則對檢測的數據進行分類,具有較大的實用價值。但該算法的核心思想依舊是短時傅立葉變換。短時傅立葉變換固有的時間與頻率分辨率的折中影響了該算法的精度,限制了其進一步的發展。

作者參考CLEAN”算法[12,15]和調頻信號的特點,重新修正了穿墻雷達在成像過程中的信號模型[13-15],使其更加切合實際信號。在對連續波穿墻雷達回波信號重新建模的基礎上,提出了一種結合“CLEAN”算法,利用自適應濾波器在頻域對信號進行高分辨分離與檢測的新方法,并將其應用于連續波穿墻雷達成像方面。最后通過仿真比較,驗證了新算法的先進性和優越性。

2.信號模型

連續波體制的穿墻雷達接收信號可以近似認為是式(1)所示的幾個部分的線性疊加,即:

式中:s(t)表示發射信號經目標(人體)反射后的回波信號;b(t)與c(t)分別表示檢測過程中接收的墻面直達波分量和天線耦合波分量;n(t)表示測量過程中接收的噪聲分量。若發射信號是一個頻率為fc的單頻正弦信號,則距離發射機r米處目標的回波信號可以表示為:s(t)= ej2πfc(t-τ)+Ψ,其中 Ψ是發射信號的初始相位;τ表示信號在傳輸過程中的時延,即:τ= 2r/C,C為光速。記為運動目標的多普勒頻移,則接收信號可表示為:s(t) = ej2π(fc+fd)t+Ψ.因此,當檢測過程中存在 N 個運動目標時,接收的總信號可近似表示為式(2)所示經過解調和濾波處理,除去載波頻率fc與直達波的影響后信號可近似認為如式(3)所示

傳統的連續波穿墻雷達算法通常對接收機信號進行短時傅立葉變換,通過不同目標間相異的多普勒頻移分離目標并完成檢測,如式(4)所示

式中:∠SR1(fDn)和∠SR2(fDn)分別表示目標n在不同接收機中同一載頻信號分量的相位信息;d表示接收機間距;Δf是雙頻發射信號的載波頻率差。∠Sf 1(f′Dn)和 ∠Sf 2(fDn)分別表示目標n在同一個接收機不同載頻信號分量的相位信息。

3.修正信號模型

傳統的連續波穿墻雷達算法通常只適用于頻率非混疊區域的檢測,即不同目標間的多普勒頻率可通過短時傅立葉變換正確分離時的檢測。當不同目標間的頻率差小于短時傅立葉變換的最小頻率分辨單元時,傳統算法的檢測性能將大幅度降低,甚至出現錯誤的檢測結果。而短時傅立葉變換是一種低分辨率的變換方法,因此,傳統算法的低分辨能力成為限制連續波穿墻雷達進一步發展的重要因素之一。此外,傳統的連續波穿墻雷達算法還存在著目標信息匹配的難題。如何將檢測數據根據目標分組配對也是近年來優化連續波穿墻雷達算法的熱點之一。

傳統的連續波雷達成像算法采用短時傅立葉變換,并認為處理信號是局部平穩的,即在較短的一個檢測時窗內,近似認為信號的頻率不發生變化,用正弦信號逼近真實的信號分量。然而,通過上一節式(3)的信號模型可知,任意時刻,目標的多普勒頻移與目標距接收機的距離成正比,是時間的函數。因此,接收信號實際屬于非平穩信號。短時傅立葉變換首先利用窗函數截取出一小段信號“切片”,在“切片”內數據近似平穩的前提假設下,利用處理平穩數據的方法(傅立葉變換)去近似分析非平穩數據,由此產生了數據局域平穩程度和窗長度之間的矛盾,從而最終導致了低分辨能力的缺陷。因此,為提高檢測的精度、加強算法的分辨能力,短時傅立葉變換已不再適應實際的需求,需要對接收信號重新建模。

一般來說,由于目標(人體)的運動十分復雜,且具有不可預測的特點,其時頻譜一般也呈復雜曲線。不過,對于人體一類惰性較大的目標,特別是在室內這種低速運動的環境下,目標的時頻曲線通常可近似為低次多項式。因此,在很多情況下,目標的時頻曲線可用多條具有不同斜率的直線進行逼近,即接收信號可近似為多個線性調頻信號的疊加。因此,接收信號可近似表示為式(5)所示

式中:mi、ni和θi分別表示第i個調頻信號分量的調制斜率、調制頻率和初始相位;M表示分解的調頻信號數,且在通常情況下滿足M ≥N.則目標i的多普勒頻移可以表示為:fdi= mit+ni,更切合真實的頻率變化情況。

4.頻域解調斜-濾波聯合算法

頻域解調斜-濾波算法是一種高分辨的非平穩信號處理方法。基于修正的信號模型,該算法通過解調斜變換,將一維的時域信號映射到“調制斜率-頻率”二維平面,并對不同目標進行識別。因此,即使在某一時段內,目標間的頻率充分接近,只要在整個檢測范圍內,目標信號間的調頻斜率存在差異,信號仍可順利分離。這在很大程度上解決了頻率混疊區域內的目標識別問題。算法采用自適應濾波技術,濾波器參數可隨背景噪聲幅度、信號強度等一系列因素進行自適應的調整,確保在分離一個信號分量時盡可能少地引入其他目標分量,保證了算法的準確性。因為分離后的信號成分都是單分量的,所以算法采用了比短時傅立葉變換具有更高精度的Willion-Ville變換,而不必考慮交叉項帶來的影響,這也大大提高了算法的精度。此外,“CLEAN”算法的最強信號提取機制與循環修正模式也對算法整體性能的進一步提高作出了積極的貢獻。除了上述提到的檢測精度與分辨能力的提高,頻域解調斜-濾波算法還擁有許多其他傳統算法所不具有的優勢。首先,該算法不需要引入窗函數,對整個觀測時間內的數據進行一次處理,運算量較小,適合于穿墻雷達的實時檢測模式。其次,頻域解調斜-濾波算法屬于連續檢測算法,不存在傳統算法中的目標間信號匹配和識別問題,這為許多實際應用(諸如目標追蹤、特定目標監控等)提供了很大的方便。不過,當同一目標的信號由于調頻斜率的變化被分為幾段通過式(7),我們將一維的時間信號變換到了二維的“調制斜率-頻率”域。根據變換后信號最大幅值點的坐標,可以確定最強回波分量的調頻斜率m1。根據檢測結果m1,補償最強信號頻率的二次項并進行傅立葉變換,如式(8)所示時,各段信號連接處的檢測結果可能會出現重疊并存在一定誤差。這一問題可通過算法上處理進行一定的補償與修正。

下面就頻域解調斜-濾波算法的相關步驟詳細進行分析:

首先,計算接收信號的總能量,如式(6)所示

其次,對該信號進行解調斜變換,如式(7)所示

此時,經過了解調斜過程的最強回波分量可近似視為一正弦信號,在頻域表示為一類沖擊形式,而其他信號分量的頻率廣泛分布在某一頻率段內,在頻域近似表示為一類矩形波形式。根據背景信號的大小,自適應地設計高斯濾波器寬度,使其盡可能的逼近信號寬度。在包含絕大部分檢測的沖擊信息的前提下,盡可能少地引入其他目標信號或背景信號的干擾。濾波器的頻域表示如式(9)所示

式中:f0表示濾波器的峰值坐標;a表示濾波器寬度,可根據背景信號的幅值自適應地進行調整。

在頻域分離最強信號分量,并將信號還原到時域,如式(10)所示

計算信號的剩余能量,如式(11)所示

當E0/E大于某一預先設定的閾值時,說明剩余信號中仍含有待檢測分量。重復過程式(6)～(11)并分離出次最強信號s2,并根據檢測結果修正之前分離的信號分量s1.循環以上過程直至E0/E小于某一閾值,檢測結束。最后,根據檢測信號的相位信息,參考式(4),則可求出目標的方位信息,繪出運動軌跡。

綜上,頻域解調斜-濾波算法的完整流程如圖1示:

圖1 頻域解調斜-濾波算法流程圖

5.系統仿真

因為高度角檢測和方向角檢測原理一致,只是檢測所處平面不同,所以不失一般性,我們僅就二維成像的情況加以仿真驗證。下面我們分兩種情況對兩個運動目標進行仿真,a)檢測過程中,目標間的頻譜不發生混疊;b)檢測過程的某一時段內,目標間的頻譜發生混疊;仿真過程中,設雙頻連續波雷達的發射頻率分別為2.4 GHz和2.41 GHz.兩個接收機間的距離約為半個波長,即約12.5 cm.傳 統算法檢測時,短時傅立葉變換的窗函數取0.25 s的Hamming窗,兩個實驗的觀測時間統一設置為4 s.

情況a),假設兩個運動目標 A、B,其中A以 2.5 m/s的速度從坐標點(0,10)的位置沿平行于X軸方向移動,4 s后到達坐標點(10,10);B以1 m/s的速度從坐標點(0,10)的位置朝雷達方向移動,4 s后到達坐標點(0,6).其中目標A的多普勒頻率大約從0 Hz變化到-28.3 Hz,而目標B的多普勒頻率保持為約16 Hz.很明顯,在整個檢測時間段內,兩個目標的多普勒頻率沒有發生混疊現象。運動軌跡示意圖如圖2示,接收信號的時變譜和成像結果分別如圖3和4所示。從圖3(a)中可以發現,由于短時傅立葉變換所固有的時間-頻率分辨率的相互制約,傳統成像算法的檢測圖像較為粗糙,時頻譜曲線的分辨率較低。因此在對應的檢測圖像中將出現較為嚴重的波紋現象,如圖4(a)、(c)所示。此外,觀察圖4(b)的檢測圖像,我們可以發現直接采用Willion-Ville變換,檢測結果中存在著嚴重的交叉項干擾,因此不適合直接應用于穿墻雷達的檢測。但在新算法順利分離信號分量的基礎上,配合Wi-l lion-Ville變換,檢測的時變譜曲線具有較高的精度和分辨能力,如圖4(c)所示。綜上,雖然傳統算法的檢測結果比較粗糙,但在目標頻譜不發生混疊的前提下,傳統算法依然可以通過圖像近似分辨出目標各自的運動軌跡。相比之下,新算法的檢測圖像與正確軌跡像基本一致,可以更清晰準確地反映目標的真實位置。

情況b),同樣假設兩個運動目標A、B,其中A以5 m/s的速度從坐標點(-10,10)的位置沿平行于X軸方向移動,4 s后到達坐標點(10,10);B以1 m/s的速度從坐標點(0,10)的位置朝雷達方向移動,4 s后到達坐標點(0,6).其中目標A的多普勒頻率大約從56.6 Hz變化到-56.6 H z,而目標B的多普勒頻率保持約16 Hz。運動軌跡示意圖如圖5所示,接收信號的時頻譜和成像結果分別如圖6、7所示。同樣,由于短時傅立葉變換較低的精度,在圖7(a)和(c)的檢測結果中存在著較為嚴重的波紋現象。此外,從圖6(a)的觀察,我們可以發現在大約t為1.5～2 s時,檢測的頻譜中出現了混疊現象,頻率無法順利分離。對應圖7(a)、(c)的檢測結果,可以發現傳統算法的檢測圖像在這一區域發生了錯誤,并在合成的運動軌跡(e)中導致了部分不可解釋的運動軌跡。這對整體檢測結果的準確性和可讀性造成了較大影響。同時,還可以注意到,由于傳統算法每個時刻點的檢測屬于獨立檢測,在檢測過程中,特別是在存在頻率相交的環境下,容易發生目標信息的誤匹配。這種情況在諸如目標追蹤、特定目標監控等實際應用領域可能會造成目標丟失、錯誤目標追蹤等不利影響。參考圖6(d)的時頻曲線可以看到,由于目標B頻率的調頻斜率近似不變(等于0),所以檢測結果仍為一條直線;而目標A的頻率曲線則根據其調頻斜率的變化情況,被自動劃分為了三段獨立調頻信號的疊加。圖7(b)、(d)和(f)檢測結果顯示:新算法不僅具有較高的精度和分辨力,消除了傳統算法圖像中波紋和混疊區域的影響,同時還具有較好的目標識別、追蹤能力。雖然各段信號的連接處可能存在小小的誤差,但總體而言,較大幅度改善了連續波穿墻檢測的檢測效果,在實際應用領域中,具有較高的潛力和應用價值。

圖4 目標運動軌跡檢測

6.結 論

本文在簡要介紹了傳統連續波穿墻雷達信號模型的基礎上,分析了傳統算法中存在的缺陷以及產生這些缺陷的根本原因。針對目前傳統連續波穿墻雷達成像算法在頻率混疊區域信號難以分離、信噪比低、目標檢測困難等問題,提出了一種頻域解調斜-濾波聯合檢測的新算法。在對連續波穿墻雷達回波信號重新建模的基礎上,配合“CLEAN”算法,利用自適應濾波器在頻域對回波信號進行高分辨的分離與檢測。以仿真試驗證明,頻域解調斜-濾波算法在不額外增加算法復雜度的前提下,大大提高了檢測精度,解決了目標信息匹配的難題,改善了頻譜混疊區域的成像效果,為連續波穿墻雷達的高精度成像提供了可能。

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New target detection algorithm for continuous wave through wall radar

DING Y-i peng FANG Guang-you
(Institute of Electronics,ChineseA cademy of Sciences,Dep artment of Electromagnetic and Microwave research,Beij ing 100190,China)

T he resolving power and detection precision are vital indicators to measure the performance of a through wall radar(TWR).For continuous wave through wall radar(CW-TWR),low signal to noise rate(SNR),poor detection precision and undistinguishable signals in frequency ambiguous zones are the main drawbacks that hamper its prevalent use.T o handle these issues,the components of the

signal are re-analysed,and a new slope demodulation-adaptive filter united algorithm is proposed based on the modified echo model.T he simulation results verify that the proposed algorithm can properly recognize and separat targets even in frequency ambiguous zones,and has a better performance upon the resolving power and detection precision.Besides,the new algorithm has the advantage of result matching based on the targets.T he possibility for the high resolution imaging of the CW-T WR can be obtained with the new algorithm.

continuous wave through wall radar;frequency separation;CLEAN a-l gorithm;slop-demodulation;adaptive filter

TN957.52

A

1005-0388(2010)03-0590-07

丁一鵬 (1987-),男,湖南人,中國科學院電子學研究所,電磁場與微波技術專業博士生,主要從事連續波體制的穿墻雷達算法與信號處理方面的研究。

方廣有 (1963-),男,河南人,研究員,博士生導師,中科院電磁輻射與探測技術重點實驗室主任,中科院“百人計劃”優秀人員,主要研究方向包括:超寬帶雷達成像理論與方法、探底雷達技術、地下資源電磁勘探技術、月球/火星探測雷達技術等。

2009-09-08

國家自然科學基金資助課題(編號:60551002)

聯系人:丁一鵬E-mail:dingyipeng@sina.com