本发明专利技术公开了一种基于距离补偿和低秩稀疏分解的穿墙雷达钢筋杂波抑制方法，在通过均值对消去除墙体杂波后，利用霍夫变换定位钢筋位置并估计电磁波在墙体中的传播速度。然后计算钢筋杂波的偏移距离，通过距离补偿将其偏移为一条水平直线。基于低秩稀疏分解和全变分正则化模型，提取目标回波矩阵。最后，进行逆距离补偿以恢复目标回波的原始形状。仿真和混合实验数据的实验结果表明，与直接使用现有的SVD方法和RPCA方法相比，所提出的方法取得了更好的钢筋杂波抑制效果。的钢筋杂波抑制效果。的钢筋杂波抑制效果。
【技术实现步骤摘要】
一种基于距离补偿和低秩稀疏分解的钢筋杂波抑制方法
[0001]本专利技术属于穿墙雷达领域，尤其涉及一种基于距离补偿和低秩稀疏分解的钢筋杂波抑制方法。
技术介绍
[0002]穿墙雷达(TWR,trough
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the
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wall radar)利用电磁波的穿透特性对室内目标进行探测，广泛应用于反恐、维稳、城市巷战、执法抓捕、灾难救援等领域。然而，电磁波与复杂建筑墙体相互作用，产生反射、折射、衍射等效应，致使雷达回波信号微弱、墙体杂波强等。因此，迫切需要研究墙体杂波抑制方法，为后续实现目标高分辨成像和精确识别提供技术支撑。
[0003]目前，墙体杂波抑制方法主要包括背景对消、子空间分解、低秩稀疏分解等。其中，背景对消方法利用空场景数据去除墙体杂波。子空间分解方法通过特征值分解，选取墙体杂波对应的特征值并置零，重构回波矩阵，实现墙体杂波抑制。低秩稀疏分解方法根据墙体杂波低秩性和目标稀疏性，建立低秩
‑
稀疏优化问题，利用非精确的拉格朗日乘子法求解，获取稀疏分量，实现墙体杂波抑制。存在的主要问题包括：现有技术手段无法有效抑制墙体钢筋杂波。
技术实现思路
[0004]为解决上述问题，本专利技术提出一种基于距离补偿和低秩稀疏分解的钢筋杂波抑制算法，既能有效抑制穿墙雷达数据中的钢筋杂波，又能一定程度上保留目标区域。
[0005]本专利技术所述一种基于距离补偿和低秩稀疏分解的钢筋杂波抑制算法，通过一下技术方案实现：
[0006]步骤1：将穿墙雷达数据矩阵X建模成矩阵G，矩阵L和矩阵S之和，其中，矩阵G代表墙体杂波数据，矩阵L代表钢筋杂波数据，稀疏矩阵S代表目标回波数据；
[0007]步骤2：将穿墙雷达回波数据中的墙体杂波数据G基于均值对消方法去除；
[0008]步骤3:采用霍夫变换检测钢筋杂波顶点的位置(i0,j0)和估计电磁波在墙体内的传播速度v；
[0009]步骤4：根据得到的参数，计算钢筋杂波在每一个A
‑
scan中的偏移量，并采用距离补偿将钢筋杂波偏移成一条水平直线；
[0010]步骤5：将进行偏移后的穿墙雷达数据矩阵D建模成低秩矩阵L和稀疏矩阵S之和，其中，低秩矩阵L代表钢筋杂波数据，稀疏矩阵S代表目标回波数据；
[0011]步骤6：采用低秩稀疏分解方法对稀疏矩阵S进行提取；
[0012]步骤7：采用逆距离补偿还原稀疏矩阵S中的目标回波原始形态，求解得到的稀疏矩阵T即为杂波抑制后的目标数据矩阵；
[0013]有益效果：
[0014]1、本专利技术提供一种基于距离补偿和低秩稀疏分解的穿墙雷达钢筋杂波抑制方法，
采用距离补偿将钢筋杂波偏移成一条水平直线，提升了钢筋杂波的低秩性，能使信号模型更加符合低质稀疏分解算法的要求，杂波抑制效果更好。
[0015]2、本专利技术提供一种基于距离补偿和低秩稀疏分解的穿墙雷达钢筋杂波抑制方法，采用一种带有全变分的低秩稀疏分解算法，将低秩稀疏分解优化问题转化为基于最小化低秩矩阵秩函数、稀疏矩阵稀疏度以及稀疏矩阵全变分正则化项之和的联合优化问题，其中，最小化低秩矩阵秩函数能抑制钢筋杂波，稀疏矩阵稀疏度能增强目标回波，稀疏矩阵全变分正则化项能够进一步滤除剩余的钢筋杂波成分和背景噪声。此外，仿真实验和实测实验表明，本专利技术能够提高穿墙雷达数据的目标杂波比，是一种有效的穿墙雷达钢筋杂波抑制方法。
附图说明
[0016]图1是本专利技术方法基于的穿墙雷达场景信号模型；
[0017]图2是本专利技术实施方式的信号处理流程图；
[0018]图3是本专利技术方法基于的钢筋回波几何关系模型；
[0019]图4是本专利技术方法仿真采取的场景图；
[0020]图5是不同方法处理仿真数据的结果图，其中，(a)为原始数据，(b)为采用SVD方法处理仿真数据的结果图，(c)为采用RPCA方法处理仿真数据的结果，(d)为采用本专利技术方法处理仿真数据的结果图。
[0021]图6是本专利技术方法实测采取的场景图；
[0022]图7是不同方法处理实测混合数据的结果图，其中，(a)为原始数据，(b)为采用SVD方法处理实测混合数据的结果图，(c)为采用RPCA方法处理实测混合数据的结果，(d)为采用本专利技术方法处理实测混合数据的结果图。
[0023]具体实施过程
[0024]本专利技术目的在于解决现有的方法对钢筋杂波无法有效抑制的问题，提出了一种基于距离补偿和低秩稀疏分解的钢筋杂波抑制方法。本专利技术适用于均匀介质墙体，只单层钢筋且均匀分布的模型，为后续实现目标高分辨成像和精确识别提供技术支撑。
[0025]图1是本专利技术基于的穿墙雷达信号模型，其中，g1和g2表示墙体表面反射波，l表示钢筋回波，s表示目标回波。图2是本专利技术实施方式的信号处理流程图。本专利技术基于穿墙雷达单发单收的情况，在获取到时域回波后，本专利技术通过以下步骤实现：
[0026]步骤1：穿墙雷达原始回波信号建模；
[0027]将得到的穿墙雷达原始回波数据矩阵X建模成矩阵G，矩阵L和矩阵S之和，其中，矩阵G代表墙体杂波数据，矩阵L代表钢筋杂波数据，稀疏矩阵S代表目标回波数据。
[0028]步骤2：均值对消，去除墙体杂波；
[0029]墙体杂波信号沿测线方向基本不变，具有大致相同的波形、幅值和时延。通过沿水平方向对构成B
‑
scan的各A
‑
scan雷达数据进行平均，得到平均通道，再将各A
‑
scan相减，消除墙体杂波信号。该方法用数学公式表示：
[0030][0031]其中，X(i,j),X'(i,j)∈
M
×
N
分别表示墙体杂波去除前后的B
‑
scan数据,M表示时间
采样点数，N表示穿墙雷达测量的A
‑
scan道数。
[0032]步骤3：霍夫变换，检测钢筋回波顶点位置坐标，估计电磁波传播速度；
[0033]如图3所示的钢筋几何关系模型，钢筋回波在B
‑
scan中为双曲线，其离散化的曲线方程表示为：
[0034][0035]其中，i,j分别表示B
‑
scan中的行坐标和列坐标，i0,j0分别表示钢筋回波顶点的行坐标和列坐标，i,i0的取值范围为[1,M],j,j0的取值范围为[1,N],dx表示天线的步进距离，dt表示时间采样间隔，v表示电磁波在墙体中的传播速度。
[0036]根据曲线方程C
i0,j0,v
(i,j,v)，给定v的取值范围，计算(i0,j0)
[0037]对应的双曲线特征点T
n
的坐标(i
n
,n)。计算霍夫变换的统计量：
[0038][0039]于是，钢筋回波的顶点位置及速度估计值为：
[0040][0041]步骤4：距离补偿，将钢筋回波偏移成水平直线；...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于距离补偿和低秩稀疏分解的穿墙雷达钢筋杂波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将穿墙雷达数据矩阵X建模成矩阵G，矩阵L和矩阵S之和，其中，矩阵G代表墙体杂波数据，矩阵L代表钢筋杂波数据，稀疏矩阵S代表目标回波数据；步骤2：将穿墙雷达回波数据中的墙体杂波数据G基于均值对消方法去除；步骤3：采用霍夫变换检测钢筋杂波顶点的位置(i0，j0)和估计电磁波在墙体内的传播速度v；步骤4：根据得到的参数，计算钢筋杂波在每一个A
‑
scan中的偏移量，并采用距离补偿将钢筋杂波偏移成一条水平直线；步骤5：将进行偏移后的穿墙雷达数据矩阵D建模成低秩矩阵L和稀疏矩阵S之和，其中，低秩矩阵L代表钢筋杂波数据，稀疏矩阵S代表目标回波数据；步骤6：采用低秩稀疏分解方法对稀疏矩阵S进行提取；步骤7：采用逆距离补偿还原稀疏矩阵S中的目标回波原始形态，求解得到的稀疏矩阵T即为杂波抑制后的目标数据矩阵。2.如权利要求1所述的一种基于距离补偿和低质稀疏分解的穿墙雷达杂波抑制方法，其特征在于，通过均值对消将钢筋回波去除：其中，X(i，j)，X1(i，j)∈
N
×
N
分别表示墙体杂波去除前后的B
‑
scan数据，M表示时间采样点数，N表示穿墙雷达测量的A
‑
scan道数。3.如权利要求1所述的一种基于距离补偿和低质稀疏分解的穿墙雷达杂波抑制方法，其特征在于，基于霍夫变换，检测钢筋回波顶点位置坐标，估计电磁波传播速度；钢筋回波在B
‑
scan中为双曲线，其离散化的曲线方程表示为：其中，i，j分别表示B
‑
scan中的行坐标和列坐标，i0，j0分别表示钢筋回波顶点的行坐标和列坐标，i，i0的取值范围为[1，M]，j，j0的取值范围为[1，N]，dx表示天线的步进距离，dt表示时间采样间隔，v表示电磁波在墙体中的传播速度；根据曲线方程给定v的取值范围，计算(i0，j0)对应的双曲线特征点T
n，v
的坐标(i
n，v
，n
v
)；计算霍夫变换的统计量：于是，钢筋回波的顶点位置及速度估计值为：4.如权利要求1所述的一种基于距离补偿和低质稀疏分解的穿墙雷达杂波抑制方法，其特征在于，距离补偿，将钢筋回波偏移成水平直线，提升钢筋杂波的低秩性；计算钢筋回波各A
‑
scan的时延偏移点数Δi：
其中，Δi
′
和Δi
″
分别表示Δi的整数部分和小数部分；于是，将钢筋回波进行...
【专利技术属性】
技术研发人员：渠晓东，杨小鹏，张定，赵毅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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