一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法。被测目标的周围布置多个探测器，通过探测器向被测目标发射出电磁波对被测目标进行空间稀疏采样获得散射电磁场，并且建立隔墙成像模型/无墙成像模型，利用压缩感知算法对隔墙成像模/无墙成像模型进行求解获得被测目标的实时成像，并且根据成像模型中测量矩阵的奇异值曲线确定有效测量次数。本发明专利技术方法的探测器工作于单频点，具有价格低廉、部署简单、计算快速、隔墙成像等特点。

A real-time microwave sensing method based on compressed sensing

The invention discloses a real-time microwave partition image imaging method based on space compressed sensing. Several detectors are arranged around the target, and the electromagnetic waves are emitted by the detector to the measured target, and the scattered electromagnetic field is obtained by space sparse sampling, and the partition wall imaging model / non wall imaging model is established, and the image model / wall free imaging model of the partition wall is solved by using the compression sensing algorithm to obtain the measured target. For real-time imaging, and according to the singular value curve of the measurement matrix in the imaging model, the effective measurement times are determined. The detector of the method operates at a single frequency point, and has the characteristics of low cost, simple deployment, fast computation, and partition wall imaging.

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法
本专利技术涉及了一种微波隔墙成像方法，尤其是涉及了一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法。
技术介绍
微波是频率在300MHz-300GHz，对应波长为1m-1mm的电磁波。与可见光波不同，在微波频段具有对非金属物质的穿透能力。利用这一独特性质，微波成像能够对获取目标的位置、形状、材料属性等多种信息量，即使待测目标位于遮蔽物体(墙体)之后。微波成像具有安全、非接触、成本低等特点，因此广泛应用于安全检查、隔墙监视、医学成像等军用、民用领域。微波成像是指以微波作为信息载体的一种成像手段，其原理是利用微波频段的电磁波照射被测物体，通过被物体激发的散射场测量值来重构物体的形状或介电常数分布。微波成像在本质上是一个逆散射问题，其根据散射的回波信号反演提取目标特征信息。尽管在微波成像领域已经取得了一些进展，但实时成像，尤其对于隔墙成像，仍然是一项技术难题。目前为止，人们已经提出了适用于不同情形下求解逆散射方程的不同算法。例如线性迭代和多种非线性优化方法等定量方法，以及线性取样法和时间反演算子等定性算法。上述算法需要通过对正向问题进行完全建模分析并求解非线性反演方程，从而导致巨大的时间耗费，因此难以用于某些需求实时成像的应用场合。对于隔墙成像这种复杂应用情景，在未知墙体信息的条件下，无疑会增加了未知目标的计算量和计算难度。压缩感知理论在2006年以来被广泛研究，与传统的奈奎斯特采样定理相比，压缩感知方法只需要稀疏采样就可恢复原始信号，从而极大地降低了系统复杂性和信号处理时间。实现压缩感知方法的难点在于如何实现对目标的多次非线性随机测量。将压缩感知技术的应用于雷达系统，这类雷达被称之为压缩感知雷达。大多数已有的压缩感知雷达研究都主要与算法有关。与其他基于压缩感知技术的应用相似，为了实现对原始信号的高度重建，需要在压缩感知雷达系统中引入随机性。大多数的基于压缩感知雷达隔墙成像系统都是基于传统的雷达体系结构和雷达信号处理方法，例如采用宽带信号(如跳频或脉冲信号)的穿墙雷达成像(TWRI)。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所要解决的技术问题是提供了一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：在已知被测目标的周围存在墙体情况下，被测目标的周围布置多个探测器构成探测器网络，通过探测器向被测目标发射并接收电磁波来对被测目标进行空间稀疏采样，经校准处理获得散射电磁场，并且建立隔墙成像模型/无墙成像模型，利用压缩感知算法对隔墙成像模型/无墙成像模型进行求解获得被测目标的实时成像。所述的探测器随机地布置在墙体周围并围成一圈，沿周向间隔均布。所述的通过探测器对被测目标进行空间稀疏采样，具体是针对每一个探测器均采用以下方式进行采样处理：以所述探测器作为发射，朝向被测目标发出电磁波，然后以包括所述探测器自身在内的各个探测器依次作为接收进行采样。本专利技术根据未知墙体信息和已知墙体信息两种情形对被测目标的物体进行不同的模型建模。当未知被测目标周围的墙体信息情况下，将墙体和目标等同为一个目标结合体建立以下公式的无墙成像模型，将总电磁场E近似为入射电磁场Ei，无墙成像模型表示为：E＝EiX＝Es/Gs·E其中，X为成像区域中的复介电常数，Es和E分别表示为散射电磁场和总电磁场，Gs为从待测目标位置到作为接收的探测器位置的自由空间格林函数矩阵，Ei表示入射电磁场。上述方式也可针对被测目标的周围不存在墙体情况下进行处理。当已知被测目标周围的墙体信息情况下，将总电磁场E近似为入射电磁场Ei和墙体所带来的散射电磁场Esw的总和，隔墙成像模型表示为：E＝Ei+EswX＝Es/Gs·E其中，X为成像区域中的复介电常数分布，Es和E分别表示为目标所带来的散射电磁场和总电磁场，Gs为从待测目标位置到作为接收的探测器位置的自由空间格林函数矩阵，Esw表示墙体所带来的散射电磁场，Ei表示入射电磁场。本专利技术中，当未知被测目标的周围是否存在墙体情况下以及当已知被测目标的周围存在墙体且未知墙体信息情况下，在被测目标的外周围布置多个围成一圈的探测器，采用无墙成像模型进行微波成像。当已知被测目标的周围存在墙体且已知墙体信息情况下，采用上述增加墙体信息补偿的隔墙成像模型进行微波成像。空间稀疏采样的有效采样次数由针对隔墙成像模/无墙成像模型中测量矩阵进行奇异值求解获得的奇异值曲线进行选择，测量矩阵Λ表示为：Λ＝Gs·E其中，E表示为总电磁场，Gs为从待测目标位置到作为接收的探测器位置的自由空间格林函数矩阵。按照以下方式选择空间稀疏采样的有效采样次数：1)先逐步递增采样总次数：针对每个探测器作为发射进行采样时，从作为接收的探测器数量从1开始以1为单位递增增加，使得m个探测器进行空间稀疏采样的采样总次数从m开始以m为单位递增增加；2)每次递增采样总次数后，处理获得奇异值曲线；若递增采样总次数后的奇异值曲线与奇异值坐标轴之间的垂直面积增加百分比超过预设面积百分阈值时，则重复步骤1)；若递增采样总次数后的奇异值曲线与奇异值坐标轴之间的垂直面积增加百分比不超过预设面积百分阈值时，则停止此次递增采样总次数，以此次递增采样总次数前对应的采样总次数作为有效采样次数。所述探测器为工作于单频点的天线。所述空间稀疏采样通过射频开关切换或者电机平台移动实现。本专利技术的有益效果是：本专利技术不同于
技术介绍
中在时域中的信号随机实现随机非相干测量，将不同测量探测器随机的放置在空间不同位置，可以实现对目标的空间稀疏采样，从而实现压缩感知应用。本专利技术方法的特点在于不需要特殊设计探测器功能，具有价格低廉、部署简单等优点，采用压缩感知算法对隔墙成像模型进行快速计算，从而能够对隔墙物体实现实时成像。本专利技术通过空间随机分布的探测器网络实现稀疏采样，具有结构简单，部署方便，计算快速、隔墙成像等优点。附图说明图1是本专利技术隔墙成像系统的示意图。图2是本专利技术实施例的测量矩阵的奇异值曲线。图3是本专利技术实施例的目标和墙的原始图像。图4是本专利技术实施例的未知存在墙体信息的隔墙重建图像。图5是本专利技术实施例的已知墙体信息的隔墙重建图像。图中：被测目标1、墙体2、成像区域3、探测器网络4。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，详细描述本专利技术的实施过程。如图1所示，当未知被测目标1的周围是否存在墙体2情况下以及当已知被测目标1的周围存在墙体2且未知墙体2信息情况下，被测目标1/墙体2的周围布置多个探测器构成探测器网络4，探测器随机地布置在被测目标1/墙体2周围并围成一圈，沿周向间隔均布。通过探测器向被测目标发射并接收电磁波来对被测目标进行空间稀疏采样，经校准处理获得散射电磁场，并且建立无墙成像模型，利用压缩感知算法对无墙成像模型进行求解获得被测目标的实时成像。无墙成像模型表示为：E＝EiX＝Es/Gs·E其中，X为成像区域3中的复介电常数，Es和E分别表示为散射电磁场和总电磁场，Gs为从待测目标位置到作为接收的探测器位置的自由空间格林函数矩阵，Ei表示入射电磁场。如图1所示，当已知被测目标1的周围存在墙体2且已知墙体2信息情况下，墙体2的周围布置多个探测器构成探测器网络4，探测器随机地布置在墙体2周围并围成一圈，沿周向间隔均布。通过探测器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法，其特征在于：被测目标(1)的周围布置多个探测器构成探测器网络(4)，通过探测器向被测目标发射并接收电磁波来对被测目标进行空间稀疏采样，经校准处理获得散射电磁场，并且建立隔墙成像模型/无墙成像模型，利用压缩感知算法对隔墙成像模型/无墙成像模型进行求解获得被测目标的实时成像。

【技术特征摘要】
1.一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法，其特征在于：被测目标(1)的周围布置多个探测器构成探测器网络(4)，通过探测器向被测目标发射并接收电磁波来对被测目标进行空间稀疏采样，经校准处理获得散射电磁场，并且建立隔墙成像模型/无墙成像模型，利用压缩感知算法对隔墙成像模型/无墙成像模型进行求解获得被测目标的实时成像。2.根据权利要求1所述的一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法，其特征在于：所述的探测器随机地布置在墙体(2)周围并围成一圈，沿周向间隔均布。3.根据权利要求1所述的一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法，其特征在于：所述的通过探测器对被测目标(1)进行空间稀疏采样，具体是针对每一个探测器均采用以下方式进行采样处理：以所述探测器作为发射，朝向被测目标发出电磁波，然后以包括所述探测器自身在内的各个探测器依次作为接收进行采样。4.根据权利要求1所述的一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法，其特征在于：当未知被测目标(1)周围的墙体信息情况下，将墙体和目标等同为一个目标结合体建立以下公式的无墙成像模型，无墙成像模型表示为：E＝EiX＝Es/Gs·E其中，X为成像区域(3)中的复介电常数，Es和E分别表示为散射电磁场和总电磁场，Gs为从待测目标位置到作为接收的探测器位置的自由空间格林函数矩阵，Ei表示入射电磁场。5.根据权利要求1所述的一种基于空间压缩感知的实时微波隔墙成像方法，其特征在于：当已知被测目标(1)周围的墙体信息情况下，隔墙成像模型表示为：E＝E...

【专利技术属性】
技术研发人员：周天益，冉立新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33