CN109298417A - 一种基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法及装置，该方法步骤包括：S1.在待测建筑物的外侧固定布置雷达系统，雷达系统采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，通过布置的雷达系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号；S2.将步骤S1获取的所有通道回波域信号转换为图像域数据；S3.将步骤S2得到的图像域数据变换为特征二值图，反演得到建筑物内部结构；该装置包括多通道回波信号获取模块、图像域数据转换模块以及内部结构反演模块。本发明具有实现操作简单、易于实现、探测精度及效率高且实时性强等优点。

Description

一种基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法及装置

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，尤其涉及一种基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法及装置。

背景技术

利用电磁波的穿透性，穿墙成像雷达可对墙体等人眼或光学不可见遮蔽区进行探测，将回波信息处理后，能显示成像感兴趣目标区域，因而被广泛应用于城市巷战、反恐斗争、和灾后救援等军事民事领域。通过对建筑物内结构反演与目标探测结果相融合，可以获得探测范围的全景信息，对建筑物内作战参考、精确打击恐怖犯罪分子和目标相对位置确定等具有重要的实用价值，因而通过对建筑物内结构反演以确定建筑布局也成为当前研究和发展的重要方向。

基于雷达探测方式对建筑物内结构进行探测，目前通常都是采用合成孔径阵列，通过移动天线来获取多孔径回波数据，再对多孔径回波数据进行处理，获取一定的建筑物内结构特征，即通过移动雷达位置，利用合成孔径原理来实现对建筑物墙体的成像，典型的如采用一发多收或时分复用多发多收天线布阵方式的穿墙雷达，在每个视角中均需通过多次移动天线来变换位置，以获得多孔径数据。但是采用上述使用合成孔径雷达方式来实现建筑物内结构探测，不仅操作复杂、实现困难，需要多次移动天线来变换位置，且实时性差，不利于实时信号处理，需要各个位置检测完成后才能进行雷达信号处理，无法实时反映出建筑物内部结构与目标状态，不能够适用于实时性要求高的场合中。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现操作简单、易于实现、探测精度及效率高且实时性强的基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法，步骤包括：

S1.在待测建筑物外侧固定布置雷达系统，所述雷达系统采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，通过布置的所述雷达系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号；

S2.将所述步骤S1获取的所有通道回波域信号转换为图像域数据；

S3.将所述步骤S2得到的图像域数据变换为特征二值图，反演得到建筑物内部结构。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S2中将所有通道回波域信号采用后向投影BP算法进行相干叠加处理，转换得到图像域数据。

作为本发明方法的进一步改进，所述采用后向投影BP算法进行相干叠加处理的步骤包括：

S21.将成像区域划分为M×N个像素点；

S22.计算每一个像素点与所有收发天线组合之间的双程时延；

S23.根据计算得到的所述双程时延计算每一个像素点的相位补偿；

S24.根据所述相位补偿计算所述等效孔径中各个孔径域数据，将各个所述孔径域数据累加后得到计算相干叠加结果，并作为转换得到的所述图像域数据。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S22具体按下式计算得到每一个像素点(x_n,y_m)与所有收发天线组合之间的双程时延τ_k：

其中，y_m和x_n分别表示距离向和方位向上像素点的坐标值，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N，k＝1,2,...,NUM为通道标签，NUM为等效孔径数，(x_T(k),y_T(k))为发射天线坐标，(x_R(k),y_R(k))为接收天线坐标，c表示光速，d_T为像素点到发射天线的距离，d_R为像素点到接收天线的距离；

所述步骤S23中计算每一个像素点(x_n,y_m)的相位补偿phase_k的表达式为：

phase_k(x_n,y_m)＝exp(j2πf_c·(d_T+d_R)/c)

其中，f_c为载频，c为光速；

所述步骤S24中按照下式计算得到相干叠加结果I_s(x,y)并作为所述图像域数据；

其中，z_k(x,y)＝echo_s(t-τ_k(x,y))×phase_k(x,y)表示第k个孔径域数据，echo_s(t-τ_k(x,y))为时延校正后通道回波信号。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S3中将图像域数据进行二维CFAR检测，得到待测建筑物内部结构特征二值图，反演得到建筑物内部结构；所述进行二维CFAR检测步骤包括：预先根据人体回波和建筑物回波在图像域的差异确定检测门限值，以待检测单元为中心，将所述步骤S2得到的图像域数据与所述检测门限值进行比较，由比较结果得到所述待测建筑物内部结构特征二值图。

作为本发明方法的进一步改进，所述检测门限值的确定步骤包括：分别设置用于避免目标自遮蔽效应的保护窗、用来估计待检单元背景参考窗和相应的检测概率P_A，根据设置的所述保护窗、参考窗以及检测概率P_A的统计值确定得到所述检测门限值。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S2中将所有通道回波域信号采用基于距离多普勒的成像算法转换为图像域数据。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S3中将图像域数据使用最大值阈值法进行处理，得到待测建筑物内部结构特征二值图，反演得到建筑物内部结构，具体步骤包括：查找所述图像域数据的数组中最大值max(x,y)，取最大值的指定倍数a·max(x,y)作为比较阈值，其中0<a<1，将每个像素点值与所述比较阈值进行比较，将大于所述比较阈值的像素点值取1，否则取0，得到所述待测建筑物内部结构特征二值图。

一种基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测装置，包括：

多通道回波信号获取模块，用于在待测建筑物外侧固定布置雷达系统，所述雷达系统采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，通过布置的所述雷达系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号；

图像域数据转换模块，用于将所述步骤S1获取的所有通道回波域信号转换为图像域数据；

内部结构反演模块，用于将所述步骤S2得到的图像域数据变换为特征二值图，反演得到建筑物内部结构。

作为本发明装置的进一步改进，所述图像域数据转换模块采用基于BP算法的图像域数据转换模块，用于将所有通道回波域信号采用后向投影BP算法进行相干叠加处理，转换得到图像域数据；

所述内部结构反演模块采用基于CFAR检测的内部结构反演模块，用于将图像域数据进行二维CFAR检测，得到待测建筑物内部结构特征二值图，反演得到建筑物内部结构。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法及装置，通过采用固定位置的等效孔径方式来获取多通道回波信号，将回波域数据转换为图像域数据后，由图像域数据反演得到建筑物内部结构，可以基于固定雷达利用等效孔径的方式实现建筑物内部结构探测，相比于传统采用移动雷达利用合成孔径的方式实现探测，无需移动雷达装置，通过一次雷达探测即可实现建筑物内部结构探测，可以大大降低操作复杂度，提高探测效率，同时提高探测的实时性，尤其适用于对实时性要求较高的应用场合。

2、本发明基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法及装置，通过一次雷达探测即可获取多通道回波信号，可以实现建筑物内部结构的实时探测，进而能直接与建筑物内目标探测信号处理方式相融合，有利于准确判定建筑物内部结构和目标的实时状态位置。

3、本发明基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法及装置，进一步利用固定位置的等效孔径多通道回波信号数据进行相干BP成像，一次探测即可获得多通道回波数据，可以对建筑物内部结构进行实时反演，BP成像后根据人体回波和建筑物结构特性对图像域数据进行二维CFAR检测，能精确反演出建筑物内部结构，且能方便的直接与建筑物内目标探测进行融合。

附图说明

图1是本实施例基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法的实现流程示意图。

图2是本发明具体应用实施例中实际探测场景的原理示意图。

图3是本实施例实现建筑物内部结构探测的具体实现流程示意图。

图4是具体应用实施例中实测数据仿真处理结果示意图。

图5是具体应用实施例中对实测数据采用本发明方法得到的结果示意图。

图6是将建筑物内单目标运动和本发明方法相融合得到的探测结果示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法，步骤包括：

S1.在待测建筑物外侧固定布置雷达系统，雷达系统采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，通过布置的雷达系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号。

S2.将步骤S1获取的所有通道回波域信号转换为图像域数据；

S3.将步骤S2得到的图像域数据变换为特征二值图，反演得到建筑物内部结构。

本实施例雷达系统具体为超宽带穿墙雷达设备，利用固定布置的穿墙雷达待测建筑物内部进行探测，返回雷达回波信号；由于在工作频段确定的前提下，采用阵列天线设计构造等效阵列形成等效孔径能增加阵元密度以避免栅瓣，同时也能提高成像的分辨率，本实施例利用上述特性，通过雷达采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，以采用固定位置的等效孔径方式来获取多通道回波信号，将回波域数据转换为图像域数据后，由图像域数据变换为特征二值图后反演得到建筑物内部结构，从而基于固定雷达利用等效孔径的方式实现建筑物内部结构探测，相比于传统采用移动雷达利用合成孔径的方式实现探测，无需移动雷达装置，通过一次雷达探测即可实现建筑物内部结构探测，可以大大降低操作复杂度，提高探测效率，同时提高探测的实时性，尤其适用于对实时性要求较高的应用场合。

建筑物内目标探测时需要实时探测信号进行处理，本实施例上述方法，通过一次雷达探测即可获取多通道回波信号，可以实现建筑物内部结构的实时探测，且与建筑物内目标探测过程可以相互独立并行执行，而不会对建筑物内目标探测造成影响，因而上述建筑物内部结构探测能直接与建筑物内目标探测信号处理方式相融合，有利于准确判定建筑物内部结构和目标的实时状态位置。

在具体应用实施例中，步骤S1提取多通道回波信号时，首先利用三脚架或其它设备使超宽带雷达设备贴墙固定，该超宽带雷达设备采用多发多收天线阵列构造等效阵列，从而形成等效孔径，所有通道依次发射和接收电磁波信号，通过对目标区域直接进行一次检测，获取目标区域多通道回波信号，具体应用实施例中实际探测场景如图2所示，其中房间长约27.3m、宽度大于8m，雷达布置距地面一定高度贴墙放置，其中心距左侧窗户约4.4m，房间内部在约7m、14m、21m处有3个0.5m*0.5m承重柱体，左侧4m、11m和15m为窗户及后侧也存在3个窗户，19m-22.65m间无墙体。

本实施例步骤S2中具体将步骤S1获取的所有通道回波域信号采用后向投影BP算法进行相干叠加处理，转换得到图像域数据。通过采用后向投影BP算法将回波域数据转换为图像域数据，运算简单且实时性强，可以进一步提高探测的实时性。

本实施例中，采用后向投影BP算法进行相干叠加处理的步骤包括：

S21.将成像区域划分为M×N个像素点，由y_m(m＝1,2,…,M)和x_n(m＝1,2,…,N)分别表示距离向和方位向上像素点的坐标值；

S22.计算每一个像素点(x_n,y_m)与所有收发天线组合之间的双程时延；

S23.根据计算得到的所述双程时延计算每一个像素点的相位补偿；

S24.根据相位补偿计算所述等效孔径中各个孔径域数据，将各个孔径域数据累加后得到计算相干叠加结果，并作为转换得到的所述图像域数据。

通过上述步骤，即可将由等效孔径获取的多通道回波数据转换为图像域数据，上述通过相干叠加处理，可以抑制通道之间非相干的杂波、噪声和旁瓣，且抑制效果好。

上述步骤S22具体按下式(1)、(2)、(3)计算得到每一个像素点(x_n,y_m)与所有收发天线组合之间的双程时延：

其中，y_m(m＝1,2,...,M)和x_n(n＝1,2,...,N)分别表示距离向和方位向上像素点的坐标值，k＝1,2,...,NUM为通道标签，NUM为等效孔径数，(x_T(k),y_T(k))为发射天线坐标，(x_R(k),y_R(k))为接收天线坐标，c表示光速，d_T为像素点到发射天线的距离，d_R为像素点到接收天线的距离；

步骤S23中计算每一个像素点(x_n,y_m)的相位补偿phase_k的表达式为：

phase_k(x_n,y_m)＝exp(j2πf_c·(d_T+d_R)/c) (4)

其中，f_c为载频，c为光速；

步骤S24中按照下式(5)计算得到相干叠加结果I_s(x,y)并作为图像域数据；

其中，z_k(x,y)＝echo_s(t-τ_k(x,y))×phase_k(x,y)表示第k个孔径域数据，echo_s(t-τ_k(x,y))为时延校正后通道回波信号。

可以理解的，上述将各通道回波域信号转换为图像域数据还可以根据实际需求采用其他方法以减少实现复杂度等。

本实施例中，步骤S3中将图像域数据进行二维CFAR检测，得到待测建筑物内部结构特征二值图，反演得到建筑物内部结构；进行二维CFAR检测步骤包括：预先根据人体回波和建筑物回波在图像域的差异确定检测门限值，以待检测单元为中心，将步骤S2得到的图像域数据与检测门限值进行比较，由比较结果得到待测建筑物内部结构特征二值图，如当图像域数据的像素值大于检测门限值时取1，否则取为0，即得到特征二值图。人体回波和建筑物回波在图像域的差异包括距离向宽度及面积的差异，即利用人体回波和建筑物回波在图像域中距离向宽度及面积不同特性进行二维CFAR检测。

上述通过二维CFAR检测将图像域数据转换为特征二值图，能够利用人体回波和建筑物回波在图像域的差异精确的检测出目标，从而精确的反演出建筑物内部结构特征，且CFAR检测中只需选取合适的窗的大小和宽度，就可以使阈值根据回波强度作出自适应变化，保证每个局部区域中都是最优的检测，能提高目标检测概率。

本实施例中，检测门限值的确定步骤包括：分别设置用于避免目标自遮蔽效应的保护窗、用来估计待检单元背景参考窗和相应的检测概率P_A，根据设置的保护窗、参考窗以及检测概率P_A的统计值确定得到门限值，具体表达式为：

式中，α为门限因子，P_A为检测概率，N为参与平均的保护窗和参考窗总数，T为最后得到的门限值。

通过上述方法确定门限值后，将步骤S2得到的图像域数据分别与该门限值进行比较以转换为特征二值图，能够充分考虑目标自遮蔽效应进一步提高检测的精度。

可以理解的是，上述由图像域数据得到待测建筑物内部结构特征二值图还可以根据实际需求采用其他方法，如使用最大值阈值法，即将步骤S2得到的图像域数据使用最大值阈值法进行处理，得到待测建筑物内部结构特征二值图，反演得到建筑物内部结构，具体步骤包括：查找所述图像域数据的数组中最大值max(x,y)，取最大值的指定倍数a·max(x,y)作为比较阈值，其中0<a<1，将每个像素点值与所述比较阈值进行比较，将大于比较阈值的像素点值取1，否则取0，得到待测建筑物内部结构特征二值图。

如图3所示，本实施例基于雷达信号处理实现建筑物内结构探测时，具体首先固定超宽带雷达位置后，通过对目标区域直接进行一次检测，获取目标区域多通道回波信号；然后将获取的所有通道回波域信号，采用后向投影BP算法进行相干叠加处理后，得到图像域数据；然后对得到的图像域数据，按照建筑物结构特性进行二维CFAR检测，进而反演出建筑物内部结构。上述利用固定位置的等效孔径多通道回波信号数据进行相干BP成像，一次探测即可获得多通道回波数据，从而可以对建筑物内部结构进行实时反演，BP成像后根据人体回波和建筑物结构特性对图像域数据进行二维CFAR检测，能精确反演出建筑物内部结构，实时性强、实际操作简单及效率高，且能直接与建筑物内目标探测相融合。

为验证本发明的有效性，对图2所示的实测数据分别采用仿真处理以及本发明上述方法进行处理，图4为对如图2所示实测数据仿真处理后结果，图5为采用本发明上述方法进行建筑物内部结构探测的结果，由图4、5可知，采用本发明方法探测到的建筑物内部结构与实际探测场景基本匹配，能够检测出后墙、柱体以及左侧窗户边突出墙体部分，能够准确的反演得到建筑物内部结构；进一步将建筑物内单目标运动和本发明上述方法相融合得到的探测结果如图6所示，即将探测单目标在建筑物内运动结果与建筑物内部结构探测结构相互融合，其中曲线表示目标状态轨迹，斜线框填充区域表示建筑物结构探测结果。

本实施例基于雷达探测反演建筑物内部结构的装置，包括：

多通道回波信号获取模块，用于在待测建筑物外侧固定布置雷达系统，雷达系统采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，通过布置的所述雷达系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号；

图像域数据转换模块，用于将多通道回波信号获取模块获取的所有通道回波域信号转换为图像域数据；

内部结构反演模块，用于将图像域数据转换模块得到的图像域数据变换为特征二值图，反演得到建筑物内部结构。

本实施例中，图像域数据转换模块采用基于BP算法的图像域数据转换模块，用于将所有通道回波域信号采用后向投影BP算法进行相干叠加处理，转换得到图像域数据；

内部结构反演模块采用基于CFAR检测的内部结构反演模块，用于将图像域数据进行二维CFAR检测，得到待测建筑物内部结构特征二值图，反演得到建筑物内部结构。

本实施例上述装置与上述基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法一一对应，在此不再一一赘述。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法，其特征在于，步骤包括：

S1.在待测建筑物外侧固定布置雷达系统，所述雷达系统采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，通过布置的所述雷达系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号；

S2.将所述步骤S1获取的所有通道回波域信号转换为图像域数据；

S3.将所述步骤S2得到的图像域数据变换为特征二值图，反演得到建筑物内部结构。

2.根据权利要求1所述的基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法，其特征在于，所述步骤S2中将所有通道回波域信号采用后向投影BP算法进行相干叠加处理，转换得到图像域数据。

3.根据权利要求2所述的基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法，其特征在于，所述采用后向投影BP算法进行相干叠加处理的步骤包括：

S21.将成像区域划分为M×N个像素点；

S22.计算每一个像素点与所有收发天线组合之间的双程时延；

S23.根据计算得到的所述双程时延计算每一个像素点的相位补偿；

S24.根据所述相位补偿计算所述等效孔径中各个孔径域数据，将各个所述孔径域数据累加后得到计算相干叠加结果，并作为转换得到的所述图像域数据。

4.根据权利要求3所述的基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法，其特征在于，所述步骤S22具体按下式计算得到每一个像素点(x_n,y_m)与所有收发天线组合之间的双程时延S22具体按下式计算得到每一个像素点(x_n,y_m)与所有收发天线组合之间的双程时延τ_k：

其中，y_m和x_n分别表示距离向和方位向上像素点的坐标值，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N，k＝1,2,...,NUM为通道标签，NUM为等效孔径数，(x_T(k),y_T(k))为发射天线坐标，(x_R(k),y_R(k))为接收天线坐标，c表示光速，d_T为像素点到发射天线的距离，d_R为像素点到接收天线的距离；

所述步骤S23中计算每一个像素点(x_n,y_m)的相位补偿phase_k的表达式为：

phase_k(x_n,y_m)＝exp(j2πf_c·(d_T+d_R)/c)

其中，f_c为载频，c为光速；

所述步骤S24中按照下式计算得到相干叠加结果I_s(x,y)并作为所述图像域数据；

其中，z_k(x,y)＝echo_s(t-τ_k(x,y))×phase_k(x,y)表示第k个孔径域数据，echo_s(t-τ_k(x,y))为时延校正后通道回波信号。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法，其特征在于，所述步骤S3中将图像域数据进行二维CFAR检测，得到待测建筑物内部结构特征二值图，反演得到建筑物内部结构；所述进行二维CFAR检测步骤包括：预先根据人体回波和建筑物回波在图像域的差异确定检测门限值，以待检测单元为中心，将所述步骤S2得到的图像域数据与所述检测门限值进行比较，由比较结果得到所述待测建筑物内部结构特征二值图。

6.根据权利要求5所述的基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法，其特征在于，所述检测门限值的确定步骤包括：分别设置用于避免目标自遮蔽效应的保护窗、用来估计待检单元背景参考窗和相应的检测概率P_A，根据设置的所述保护窗、参考窗以及检测概率P_A的统计值确定得到所述检测门限值。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法，其特征在于，所述步骤S2中将所有通道回波域信号采用基于距离多普勒的成像算法转换为图像域数据。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测方法，其特征在于，所述步骤S3中将图像域数据使用最大值阈值法进行处理，得到待测建筑物内部结构特征二值图，反演得到建筑物内部结构，具体步骤包括：查找所述图像域数据的数组中最大值max(x,y)，取最大值的指定倍数a·max(x,y)作为比较阈值，其中0<a<1，将每个像素点值与所述比较阈值进行比较，将大于所述比较阈值的像素点值取1，否则取0，得到所述待测建筑物内部结构特征二值图。

9.一种基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测装置，其特征在于，包括：

多通道回波信号获取模块，用于在待测建筑物外侧固定布置雷达系统，所述雷达系统采用多发多收天线阵列构造等效阵列以形成等效孔径，通过布置的所述雷达系统对目标区域进行检测，获取目标区域的多通道回波信号；

图像域数据转换模块，用于将所述多通道回波信号获取模块获取的所有通道回波域信号转换为图像域数据；

内部结构反演模块，用于将所述图像域数据转换模块得到的图像域数据变换为特征二值图，反演得到建筑物内部结构。

10.根据权利要求9所述的基于雷达信号处理的建筑物内部结构探测装置，其特征在于，所述图像域数据转换模块采用基于BP算法的图像域数据转换模块，用于将所有通道回波域信号采用后向投影BP算法进行相干叠加处理，转换得到图像域数据；

所述内部结构反演模块采用基于CFAR检测的内部结构反演模块，用于将图像域数据进行二维CFAR检测，得到待测建筑物内部结构特征二值图，反演得到建筑物内部结构。