一种基于回波扩展熵的穿墙雷达成像方法技术

本发明专利技术提供一种基于回波扩展熵的穿墙雷达成像方法，具体步骤包括：建立穿墙成像模型，获得原始信号数据；对天线阵元所接受的回波信号进行扩展；计算熵值并设定门限；对天线阵元所接收的回波信号反复进行扩展，得到阵元不同时间采样点所对应的扩展熵值，利用该熵值设定门限，获得经过处理后的处理图。本发明专利技术能够消除墙体强杂波对穿墙成像的影响，提高成像精度，减少了天线阵元数目，对硬件设备的要求较低，大大简化了穿墙雷达硬件设备的设计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于回波扩展熵的穿墙雷达成像方法
本专利技术属于穿墙雷达成像
，具体涉及一种根据离散无记忆信源扩展熵值原理，对天线阵元所接收的回波信号进行扩展，并求其熵值，再利用熵值设置门限，消除墙体的影响，实现目标成像的方法。
技术介绍
随着经济社会的飞速发展，无论是军用方面还是民用方面，都迫切地需要穿墙成像(ThroughWallImage，TWI)技术。由于穿墙雷达采用窄脉冲发射信号，具有带宽大、分辨率高、穿透非金属介质能力强的特性，并且不会对人体造成损害。目前，穿墙雷达成像技术被广泛应用于非侵入式探测领域，如巷战中，及时发现隐蔽在障碍物后的敌人，减少战士伤亡；反恐行动中，有效地监视恐怖分子的行动，确认人质安全并实施救援；重大灾害后(如地震)，在废墟中搜寻生还者，以便能够及时进行救援，最大程度地挽救生命；在火车站、飞机场等公共场合，对旅客的行李进行安检，以确保群众生命财产安全。穿墙成像过程中，接收天线阵元接收到的回波信号必然会包含大量强杂波信号(如墙体散射)，而这些杂波信号通常强度大，使得目标信号淹没在这些杂波信号中，从而无法对目标清晰成像。因此，为了实现穿墙目标成像，必须对回波信号进行处理，消除不需要的杂波信号，使得目标能够清晰地呈现出来。针对这一问题，国内外的科研人员进行了深入的研究，提出了不少成像算法。其中，背景对消法能够很好地消除墙体散射等杂波信号，对墙后目标进行成像。然而在实际应用中，该方法不易实现，因为我们不可能将墙后物体移除后对背景进行测量。基于时间门限的算法，是通过设置时间门限将接收回波信号的前部滤除，以此消除墙体散射信号，达到穿墙成像的目的。但是，时间门限选择不当，往往会导致部分目标信号也被消除。其他一些算法，如增加阵元数目，以提高成像精度，而这对硬件要求很高，成本大，穿墙雷达设计将更为复杂。因此，如何在减少阵元的情况下，通过算法处理消除杂波信号的影响，提高成像精度是本领域技术人员所急需解决的难题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于回波扩展熵的穿墙雷达成像方法，针对现有天线阵元多的问题，通过减小阵元数目，利用回波扩展熵值设定门限，增大门限可调范围，消除墙体强杂波的影响，提高成像精度，实现穿墙目标成像。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于回波扩展熵的穿墙雷达成像方法，具体步骤包括：(1)建立穿墙成像模型，获得原始信号数据：利用均匀分布于测线的自发自收天线阵列，依次发射并接收信号，并且导出未经处理的成像图；(2)对天线阵元所接收的回波信号进行扩展：收发天线阵元数目为N，对接收天线接收到的原始回波信号做时间采样，采样点数为M，构成M×N的矩阵e，对矩阵e做如下处理：m＝0,1,2,...,M-1，n＝0,1,2,...,N-1其中再根据离散无记忆的扩展信源熵值理论，对天线阵元所接收的回波信号做扩展处理，扩展次数p＝2,3,...,P(P∈N*，N*为正整数)，扩展后构成M×Np的矩阵E，并对矩阵E进行处理，处理公式为：m＝0,1,2,...,M-1；(3)计算熵值并设定门限：利用如下公式计算熵值：并根据最大熵值理论，设置门限；设置门限后对矩阵e继续处理，获得经过处理后的处理图。本专利技术提供了一种基于回波扩展熵的穿墙雷达成像方法，核心是根据离散无记忆扩展信源熵值的理论，首先利用均匀分布于测线的自发自收天线阵列，依次发生并接收信号，获得未经处理的成像图，其次对天线阵元所接收的回波信号进行多次扩展，计算回波信号扩展后的熵值并对熵值设定门限，并进行多次扩展，利用扩展后的熵值设定门限；最后再消除墙体散射等杂波信号，实现穿墙目标成像。作为优选，步骤(3)中设定门限的公式为：其中α为控制门限的参数；对矩阵e的处理公式为：eZ(m,n)＝Z(m)e(m,n)；所述eZ为矩阵e经过处理后的最终结果。由于墙体散射等杂波信号随天线位置移动的变化不大，而目标信号会随天线位置移动而变化，根据最大熵值理论，杂波信号的熵值较大，而目标信号的熵值较小；因此需要设置门限，消除墙体散射等杂波信号。作为优选，步骤(2)中对天线阵元所接收的回波信号进行扩展的次数至少为三次。本专利技术对天线阵元所接受的回波信号进行至少三次扩展，由离散无记忆扩展信源熵值的理论可知，扩展次数即为熵值扩大倍数，因此能够增大门限可调范围，提高成像的精度，同时所需天线阵元数目也会大大减少；当对天线所接收的回波信号进行至少三次扩展后，成像精度与未经处理时有着显著的提高，所需的阵元数目明显大大减少；因此将扩展次数设置为至少三次。本专利技术与现有的穿墙雷达成像方法相比，有益效果为：(1)能够消除墙体强杂波对穿墙成像的影响，提高成像精度；(2)大大减少了天线阵元数目；(3)对硬件设备的要求较低，大大简化穿墙雷达硬件设备的设计。附图说明图1、本专利技术的算法流程图；图2、穿墙成像模型的结构示意图；图3、未经本专利技术处理的成像示意图图；图4、阵元不同时间采样点所对应的三次扩展熵值示意图；图5、经过本专利技术处理的成像示意图。具体实施方式以下将结合具体实施例对本专利技术提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。如图1所示为本专利技术的算法流程图，本专利技术为一种基于回波扩展熵的穿墙雷达成像方法，具体步骤包括：(1)建立穿墙成像模型，获得原始信号数据：利用均匀分布于测线的自发自收天线阵列，依次发射并接收信号，并且导出未经处理的成像图；(2)对天线阵元所接收的回波信号进行扩展：收发天线阵元数目为N，对接收天线接收到的原始回波信号做时间采样，采样点数为M，构成M×N的矩阵e，对矩阵e做如下处理：m＝0,1,2,...,M-1，n＝0,1,2,...,N-1其中再根据离散无记忆的扩展信源熵值理论，对天线阵元所接收的回波信号做扩展处理，扩展次数p＝2,3,...,P,P∈N*，N*为正整数，扩展后构成M×Np的矩阵E，并对矩阵E进行处理，处理公式为：m＝0,1,2,...,M-1；(3)计算熵值并设定门限：利用如下公式计算熵值：并根据最大熵值理论，设置门限；设定门限的公式为：其中α为控制门限的参数；设置门限后对矩阵e继续处理，对矩阵e的处理公式为：eZ(m,n)＝Z(m)e(m,n)；eZ为矩阵e经过处理后的最终结果，最终获得经过处理后的处理图。以图2所示的穿墙成像模型为例：(1)收发天线阵元数目N＝32，沿平行于墙体的测线均匀分布，分布区间为[0.03,1.27]m，其与墙体之间距离h＝0.05m。发射信号是二阶高斯信号，频率范围为[0.5,2.5]GHz。前墙体和后墙体的材料为混凝土，是均匀无耗介质，厚度d＝0.2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于回波扩展熵的穿墙雷达成像方法，其特征在于：具体步骤包括：(1)建立穿墙成像模型，获得原始信号数据：利用均匀分布于测线的自发自收天线阵列，依次发射并接受信号，并且导出未经处理的成像图；(2)对天线阵元所接收的回波信号进行扩展：收发天线阵元数目为N，对接收天线接收到的原始回波信号做时间采样，采样点数为M，构成M×N的矩阵e，对矩阵e做如下处理：m＝0,1,2,...,M‑1，n＝0,1,2,...,N‑1，其中Σk=0N-1q(m,k)=1;]]>再根据离散无记忆的扩展信源熵值理论，对天线阵元所接收的回波信号做扩展处理，扩展次数p＝2,3,...,P(P∈N*，N*为正整数)，扩展后构成M×Np的矩阵E，并对矩阵E进行处理，处理公式为：Q(m,n)=E(m,n)2Σk=0Np-1E(m,k)2,]]>m＝0,1,2,...,M‑1；(3)计算熵值并设定门限：利用如下公式计算熵值：并根据最大熵值理论，设置门限；设置门限后对矩阵e继续处理，获得经过处理后的处理图。

【技术特征摘要】
1.一种基于回波扩展熵的穿墙雷达成像方法，其特征在于：具体步骤包括：(1)建立穿墙成像模型，获得原始信号数据：利用均匀分布于测线的自发自收天线阵列，依次发射并接收信号，并且导出未经处理的成像图；(2)对天线阵元所接收的回波信号进行扩展：收发天线阵元数目为N，对接收天线接收到的原始回波信号做时间采样，采样点数为M，构成M×N的矩阵e，对矩阵e做如下处理：其中再根据离散无记忆的扩展信源熵值理论，对天线阵元所接收的回波信号做扩展处理，扩展次数p＝2,3,...,P,P∈...

【专利技术属性】
技术研发人员：李家强，蔡洪渊，陈金立，李鹏，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32