一种基于穿墙雷达的建筑布局重建优化方法技术

本发明专利技术公开一种基于穿墙雷达的建筑布局重建优化方法，应用于穿墙雷达成像技术领域，为解决现有的重建算法计算量较大导致的运行效率低的问题，本发明专利技术首先根据多个位置的接收信号功率与系统采样矩阵的关系对未知场景进行初步成像；然后根据初步成像的图像灰度梯度变化提取建筑布局和内部物体边缘信息，对该初步成像进行区域分割，得到多个子区域；其次分别对不同子区域的原始图像进行自适应迭代阈值二值化操作；最后将不同的子区域二值化后结果融合得到未知场景建筑布局和内部物体成像结果；本发明专利技术的方案能快速高效的实现未知场景建筑布局重建，并且显著地改善了初始重建结果的伪影问题。

An optimization method of building layout reconstruction based on through wall radar

【技术实现步骤摘要】
一种基于穿墙雷达的建筑布局重建优化方法
本专利技术属于穿墙雷达成像
，特别涉及一种对未知场景的建筑布局重建成像技术。
技术介绍
穿墙雷达成像
主要是利用电磁波在建筑空间中传播时的反射，衍射和透射等电磁现象，对未知区域内的目标及建筑布局进行成像，在灾难救援、医疗监控、城市战争等方面具有重要的应用价值和社会意义。电磁波在建筑物空间中传播时会产生较复杂的电磁现象，收发节点在同侧时，可以利用合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)接收建筑物表面的反射信号，实现建筑布局成像。一组正对的发射和接收节点位于建筑场景外两侧，电磁波还会穿透建筑空间，利用透射信号也可以实现未知场景的建筑布局重建。国内外许多研究机构开展了穿墙雷达用于建筑物布局成像的研究。美国陆军实验室介绍了一种适用于房间成像的穿墙雷达的计算机仿真方法，模拟了一个复杂房间的SAR成像(T.Dogaru,A.Sullivan,C.LeandC.Kenyon,"RadarSignaturePredictionforSensing-Through-the-WallbyXpatchandAFDTD-PartII,"2010DoDHighPerformanceComputingModernizationProgramUsersGroupConference,Schaumburg,IL,2010,pp.401-406.)。加拿大国防研究与发展部通过一些实验结果，证明了超宽带雷达的多视点融合方法对内空间映射的可行性(P.SévignyandD.J.DiFilippo,"Amulti-lookfusionapproachtothrough-wallradarimaging,"2013IEEERadarConference(RadarCon13),Ottawa,ON,2013,pp.1-6.)。上述研究均是利用超宽带雷达的合成孔径形式，获取建筑物表面的回波信号进行建筑物布局重建。美国加州大学圣塔芭芭拉分校利用收发分置的窄带信号雷达节点获取不同位置的接收功率，并提出一种基于总变差最小化的建筑布局成像方法(A.Gonzalez-Ruiz,A.GhaffarkhahandY.Mostofi,"AnIntegratedFrameworkforObstacleMappingWithSee-ThroughCapabilitiesUsingLaserandWirelessChannelMeasurements,"inIEEESensorsJournal,vol.14,no.1,pp.25-38,Jan.2014.)。电子科技大学提出了利用不同路径数据融合的方法(L.X.Cao,G.L.Cui,L.J.Kong,etal,“Narrow-BandThrough-WallImagingwithReceivedSignalStrengthData”,InternationalConferenceonInformationFusion,Cambridge,theUnitedKingdom,2018.)，它从多路径获取信号的接收功率，然后利用Radon逆变换的方法对建筑布局进行重建，同时利用连通域提取方法实现多种介质的建筑内部物体成像。但是上述总变差最小化方法对于尺度较大的场景或三维场景，需处理数据量较大，会加重计算负担导致重建效率低。而基于Radon逆变换的方法提升了重建效率，但在融合多路径的采样数据进行重建时，非相干叠加成像会导致建筑场景及内部物体出现部分伪影问题。在实际应用中，通常需要快速高效地实现建筑布局及内部物体的成像。因此研究一种快速高效的建筑布局成像方法，且尽可能减少内部物体成像伪影问题具有重要的研究意义。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于穿墙雷达的建筑布局重建优化方法，通过建立覆盖未知场景的仿真场景，并根据所建立的仿真场景建立坐标系，从而求解得到未知场景建筑布局和内部物体成像。本专利技术采用的技术方案为：一种基于穿墙雷达的建筑布局重建优化方法，包括：S1、根据多个位置的接收信号功率与系统采样矩阵的关系对未知场景进行初步成像；S2、根据初步成像的图像灰度梯度变化提取建筑布局和内部物体边缘信息，对该初步成像进行区域分割，得到多个子区域；S3、分别对不同子区域的原始图像进行自适应迭代阈值二值化操作；S4、将不同的子区域二值化后结果融合得到未知场景建筑布局和内部物体成像结果。步骤S1之前还包括对未知环境及雷达节点未知参数初始化，具体的：所述雷达节点包括发射节点与接收节点，所述发射节点和接收节点在未知场景外沿若干组规划路径(至少4组路径才能覆盖场景的360°范围)同步等间隔移动，通常取移动间隔小于或等于场景分辨率单元格大小。一组规划路径包括位于未知场景两侧的发射节点路径与接收节点路径，且发射节点路径与接收节点路径之间形成的区域完全覆盖未知场景。步骤S1之前还包括建立仿真场景，所述仿真场景的大小为至少覆盖未知场景，并以仿真场景中心点作为坐标原点，并确定仿真场景的分辨率。每次移动的间隔需根据仿真场景的分辨率大小来确定。雷达波束方向为发射节点正对接收节点。所述接收信号功率与系统采样矩阵的关系，表达式为：P≈ΨO其中，P表示归一化衰减功率矩阵，P＝[P1,...PM]T，M表示采样次数，所述采样点数根据覆盖未知场景的采样路径以及每次移动间隔确定；O表示所有单元格的衰减率，O＝[O(r1),...O(rN)]T，O(rn)表示单元格n的衰减率，n＝1,2,3,...,N；Ψ表示M×N阶的系统采样矩阵。所述对未知场景进行初步成像，具体为：将归一化衰减功率矩阵P进行一维傅里叶变换后进行滤波操作，然后进行二维傅里叶反变换，即可得到初始重建结果O。步骤S2所述多个子区域，具体为：将初始重建结果进行分割，得到的建筑布局区域和内部物体区域。本专利技术的有益效果：本专利技术的方法首先将一组收发分置的雷达节点置于未知场景外两侧，让二者沿着若干组规划的路径同步等间隔移动，且在每个位置处均采样一次电磁信号，根据未知场景与雷达收发节点之间的位置关系建立系统采样矩阵，利用滤波反投影算法求解接收的电磁信号与系统采样矩阵的关系方程，得出建筑布局初始重建结果，然后根据图像灰度梯度变化提取建筑布局的边缘信息来进行区域分割，分别对若干子区域进行自适应迭代阈值二值化操作，最后将多个子区域二值化后结果融合得到未知场景建筑布局成像结果；本专利技术具备以下优点：1、快速高效的实现未知场景建筑布局重建；2、显著地改善了初始重建结果的伪影问题；3、无需测量未知场景建筑物边长大小，通过建立覆盖未知场景的仿真场景以及相应的坐标系，即可实现重建；4、本专利技术可以应用于灾难救援、反恐维稳等领域。附图说明图1为收发分置雷达节点工作原理图。图2为具体实施方式中仿真场景及扫描路径示意图(标注两条采样路径以作说明)。图3为具体实施方式中仿真场景的边本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于穿墙雷达的建筑布局重建优化方法，其特征在于，包括：/nS1、根据多个位置的接收信号功率与系统采样矩阵的关系对未知场景进行初步成像；/nS2、根据初步成像的图像灰度梯度变化提取建筑布局和内部物体边缘信息，对该初步成像进行区域分割，得到多个子区域；/nS3、分别对不同子区域的原始图像进行自适应迭代阈值二值化操作；/nS4、将不同的子区域二值化后结果融合得到未知场景建筑布局和内部物体成像结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于穿墙雷达的建筑布局重建优化方法，其特征在于，包括：
S1、根据多个位置的接收信号功率与系统采样矩阵的关系对未知场景进行初步成像；
S2、根据初步成像的图像灰度梯度变化提取建筑布局和内部物体边缘信息，对该初步成像进行区域分割，得到多个子区域；
S3、分别对不同子区域的原始图像进行自适应迭代阈值二值化操作；
S4、将不同的子区域二值化后结果融合得到未知场景建筑布局和内部物体成像结果。


2.根据权利要求1所述的一种基于穿墙雷达的建筑布局重建优化方法，其特征在于，步骤S1之前还包括对未知环境及雷达节点未知参数初始化，具体的：所述雷达节点包括发射节点与接收节点，所述发射节点和接收节点在未知场景外沿若干组规划路径同步等间隔移动，一组规划路径包括位于未知场景两侧的发射节点路径与接收节点路径，且发射节点路径与接收节点路径之间形成的区域完全覆盖未知场景。


3.根据权利要求2所述的一种基于穿墙雷达的建筑布局重建优化方法，其特征在于，步骤S1之前还包括建立仿真场景，所述仿真场景的大小为至少覆盖未知场景，并以仿真场景中心点作为坐标原点，并确定仿真场景的分辨率。


4.根据权利要求3所述的一种基于穿墙雷达的建筑布...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭世盛，张扬，崔国龙，陈家辉，李虎泉，徐彦钦，张伟，孔令讲，杨晓波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51