用于重构墙壁后的场景的方法和系统技术方案

本发明专利技术总体上涉及穿墙成像，并且更具体地涉及使用压缩传感和MIMO天线阵列来重构墙壁后的场景。该发明专利技术的一种方法通过穿过墙壁将信号发送至场景中来重构墙壁后的场景。根据反射的信号来估计墙壁的参数。使用所述参数来生成墙壁的介电常数的模型，然后使用所述模型以及稀疏恢复来根据反射的信号将该场景重构为图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及穿墙成像，并且更具体地，涉及使用压缩传感和MIMO天线阵列来重构墙壁后的场景。
技术介绍
穿墙成像穿墙成像(TWI)可以用于从外侧检测封闭结构内部的物体。在TWI中，发送器发射穿墙传播的电磁(EM)雷达脉冲。该脉冲被墙壁的另一侧的物体反射，并且接着传播回接收器作为与所发射的脉冲相卷积的冲激响应。通常，发送器和接收器使用天线阵列。取决于墙壁的介电常数和导磁系数，接收到的信号通常受到来自墙壁的间接二次反射的破坏，这导致在图像中呈现为噪声的幻像伪影。墙壁杂波抑制技术尝试消除TWI中由多路径反射引起的伪影。压缩传感压缩传感(CS)和其它次奈奎斯特采样和获取方法可由稀疏的、欠采样雷达阵列系统使用。天线阵列使用与常规阵列结构相比明显较少的阵列元件来使能雷达信号获取和成像，从而显著地减小了阵列实现成本。稀疏阵列具有远大于所发送的信号的波长的一半的平均元件间间隔，该间隔是用于阵列处理的尼奎斯特间隔。这是使用不均匀元件间隔来实现的，消除了称为光栅波瓣的根本上无法解决的模糊。尽管常规方法已被用于恢复所获取的图像，那些方法遭受由那些阵列展现出的增加的旁瓣的影响。然而，稀疏恢复方法对于旁瓣是足够鲁棒的，因而使能利用明显较少的阵列元件进行成像。如此处使用的，“稀疏度”不是一个相对术语，而是用于表示大多是零值且仅有一些非零值的数据的专业术语。在Mansour于2013年7月22日提交的标题为“Method and System for
Through-the-Wall Imaging using Sparse Inversion for Blind Multi-Path Elimination”的美国申请13/947,426中，通过穿墙发送脉冲检测到墙壁后的场景中的物体。通过被应用于与反射的脉冲相对应的接收到的信号的稀疏正则化最小二乘反演来检测一次冲激响应。还确定了使一次冲激响应与接收到的信号中的相似冲激响应匹配的延迟算子。还可以确定脉冲穿过墙之后但在脉冲被目标反射之前的脉冲的失真。在迭代过程中使用所述失真以细化目标的检测并抑制重影伪像。
技术实现思路
压缩传感(CS)和稀疏阵列处理提供了改善雷达成像系统的新方法。本专利技术的实施方式使用多输入多输出(MIMO)雷达阵列以显著地减小穿墙成像(TWI)的成本和复杂性。当存在分层无损墙壁时，本实施方式考虑嵌套阵列、互质阵列和随机阵列。通过结合考虑墙壁参数的稀疏重构问题来制定和解决墙壁参数估计问题以执行场景重构。MIMO架构显示由于波形分集导致的减小的阵列增益，并且提供更精细空间分辨率、更多的自由度、改善的参数能识性的性能以及多路径拒绝。假定成像的场景是稀疏的，对方法的描述通过检查点扩展函数(PSF)特征在主瓣和旁瓣结构方面分析不同的稀疏阵列架构和墙壁轮廓的成像性能。又称为波束图案(beam pattern)的PSF在稀疏恢复和压缩传感的情况下与互相干性密切相关。PSF的特征对均用于稀疏重构方法的阵列性能提供很好的直觉。因为架构的增加的旁瓣电平降低了常规成像方法的性能，所以使用稀疏重构以利用感兴趣场景的稀疏度。在一个实施方式中，我们应用迭代硬阈值(IHT)。IHT是用于估计墙壁后的反射图的基于贪婪的稀疏信号恢复方法。此外，实施方式提供了根据接收到的数据来估计墙壁轮廓的参数的方法。所述轮廓包括介电常数和导磁系数以及墙壁的厚度。这些参数用于开发用于我们重构方法的成像算子。附图说明图1A是根据本专利技术的实施方式的用于重构墙壁后的场景的系统和方法的示意图；图1B是根据本专利技术的实施方式的用于重构墙壁后的场景的系统和方法的示意图；图1C是本专利技术的实施方式考虑的由于墙壁导致的间接二次反射的示意图；图2是根据本专利技术的实施方式的用于重构墙壁后的场景的系统和方法的框图；图3A是根据本专利技术的实施方式的由一对互质数限定的互质阵列的示意图；图3B是根据本专利技术的实施方式的用于图3A的互质阵列的MIMO阵列波束图案的示意图；图4A是根据本专利技术的实施方式的还包括两个均匀线性阵列的嵌套阵列的示意图；以及图4B是根据本专利技术的实施方式的用于图4A的嵌套阵列的MIMO阵列波束图案的示意图。具体实施方式系统建立如图1A和图1B所示，本专利技术的实施方式提供了一种用于物体50的穿墙成像(TWI)的方法和系统，该方法和系统不需要场景几何的任何先验知识。该方法可以重构墙壁40后的场景60。该系统包括多输入多输出(MIMO)天线阵列10、收发器20以及处理器30。天线包括多个元件11。在现有技术中，元件的间隔通常是均匀的并且等于所发送的信号的波长的一半。在本专利技术的一些实施方式中，天线元件的平均元件间间隔是不均匀的，并且远大于所发送的信号的波长的一半。收发器使用天线阵列的一些或所有天线元件11来发送一个或更多个脉冲14。发送的脉冲穿透墙壁40传播，并且被墙壁40后的场景60中的可能的物体50反射。对应于每个脉冲的反射信号(冲激响应)12由如下描述的阵列10的元件接收。接收到的信号包括通过直接路径接收到的一次反射以及通过多路径接收到的间接的二次反射。应注意，在一些实施方式中，天线元件可以用于仅发送或用于仅接收脉冲或用于既发送又接收脉冲。接收信号12由方法200处理以产生重构包括物体50的场景60的图像70。可以在以总线连接到本领域已知的存储器和输入/输出接口的处理器30中执行该方法。如图1C所示，由于墙壁导致的可以使重构混乱的间接二次反射80特别重要。因此，我们首先估计墙壁的参数，并且使用这些参数以建立如何穿墙反射场景的模型。然后，我们使用模型来进行场景的稀疏恢复。场景重构如图2所示，通过穿墙发送信号14至场景60内，将墙壁40后的场景60重构为图像70，并且根据反射的信号12来估计210墙壁的介电常数和导磁系数的参数。使用所述参数生成220墙壁的模型200。然后，使用该模型、稀疏恢复和压缩传感230，根据反射的信号来重构场景。TWI信号模型我们假定2D成像情景，其中，MIMO雷达阵列10位于与墙壁40相距d0相隔距离的原点13处。Mt发送器(Tx)和Mr接收器(Rx)元件的位置分别为ti,i＝1,...,Mt和ri,i＝1,...,Mr。使用点目标逼近，将直接墙壁反射和加性观察噪声的影响排除之外的接收散射场可以在频域中被写为： y ( t , r , ω ) ≅ ∫ S s ( p ) w ( ω ) g ( r , p , ω ) g ( t , p , ω ) d p . - - - ( 1 ) ]]>在等式(1)中，w(ω)表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于重构墙壁后的场景的方法，该方法包括：穿过所述墙壁将信号发送至所述场景中；根据反射的信号来估计所述墙壁的参数；使用所述参数来生成所述墙壁的介电常数的模型；以及使用所述模型以及稀疏恢复，根据所述反射的信号将所述场景重构为图像，其中，上述步骤在处理器中执行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.13 US 14/153,6861.一种用于重构墙壁后的场景的方法，该方法包括：穿过所述墙壁将信号发送至所述场景中；根据反射的信号来估计所述墙壁的参数；使用所述参数来生成所述墙壁的介电常数的模型；以及使用所述模型以及稀疏恢复，根据所述反射的信号将所述场景重构为图像，其中，上述步骤在处理器中执行。2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过多输入多输出(MIMO)天线阵列来发送或接收所述信号。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述阵列的天线元件的平均元件间间隔是不均匀的，并且远大于所发送的信号的波长的一半。4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述阵列是互质阵列。5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述阵列是嵌套阵列。6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述阵列是随机阵列。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参数包括所述墙壁中的所有层的介电常数和厚度。8.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·布富诺斯，李笠，刘德红，H·曼苏尔，扎菲尔·沙欣奥卢，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP