一种穿墙雷达成像方法、装置、设备及系统与流程

1.本发明涉及穿墙雷达成像技术领域，特别涉及一种穿墙雷达成像方法、装置、设备及系统。


背景技术：

2.穿墙雷达成像是一种新型透视成像技术，在城市作战、灾后营救等领域有广泛应用，常见的成像技术有红外成像、热成像、超声波探测、可见光成像等。电磁波由于具有良好的穿透性，能够对非透明介质后的目标进行探测以及成像。
3.在穿墙雷达成像中，由于墙反射而产生的强烈杂波往往会压倒来自墙后或建筑物内静止目标的回波信号，目前为止已经开发了许多方法用来消除墙杂波，但这些墙杂波去除方法一般基于两种假设：1)墙面响应远强于墙后目标响应；2)墙体内无异物反射回波，在每个天线扫描位置，墙面反射是相对恒定的信号，而目标反射是变化的信号。
4.然而，在实际中对于许多建筑结构来说，墙内存在一层钢筋或者公用管道等异物，这也会产生强烈的杂波。这种强烈的干扰反射可能会压倒性地掩盖来自墙后被测目标的回波信号。并且，这种杂波比目标杂波强，比墙杂波弱。另一方面，这类杂波在每个扫描位置上也是变化的。
5.因此，目前受墙面和墙内异物的反射杂波的干扰，导致待测目标的穿墙雷达成像质量相对较差。


技术实现要素：

6.基于此，本发明的目的是提供一种穿墙雷达成像方法、装置、设备及系统，以解决现有穿墙雷达成像质量差的技术问题。
7.根据本发明实施例的一种穿墙雷达成像方法，所述方法包括：
8.获取收发共置天线在多个观测位置点采集到的穿墙雷达回波信号集；
9.对所述穿墙雷达回波信号集进行预处理，以去除所述穿墙雷达回波信号集当中的固定墙体静态背景的回波信号，所述固定墙体静态背景的回波信号包括外墙表面的回波信号和内墙表面的回波信号；
10.将预处理后的穿墙雷达回波信号集及预设调谐参数输入到预设的低秩稀疏优化算法当中进行求解，以从所述预处理后的穿墙雷达回波信号集当中提取出待检测目标的回波信号；
11.根据所述待检测目标的回波信号，构建所述待检测目标的图像。
12.另外，根据本发明上述实施例的一种穿墙雷达成像方法，还可以具有如下附加的技术特征：
13.进一步地，对所述穿墙雷达回波信号集进行预处理，以去除所述穿墙雷达回波信号集当中的固定墙体静态背景的回波信号的步骤包括：
14.通过二维的高通滤波器来对所述穿墙雷达回波信号集进行预处理，以去除所述穿
墙雷达回波信号集当中的固定墙体静态背景的回波信号。
15.进一步地，将预处理后的穿墙雷达回波信号集及预设调谐参数输入到预设的低秩稀疏优化算法当中进行求解的步骤包括：
16.按照低秩稀疏分解的思想，将所述预处理后的穿墙雷达回波信号集分解为低秩部分和稀疏部分，低秩部分为墙体内异物的回波信号，稀疏部分为待检测目标的回波信号；
17.基于低秩部分和稀疏部分分别构建低秩矩阵l和稀疏矩阵s；
18.将低秩矩阵l和稀疏矩阵s及预设调谐参数λ输入到低秩稀疏优化算法当中进行求解。
19.进一步地，所述低秩稀疏优化算法的表达式为：
[0020][0021]
式中，‖l‖
*
表示低秩矩阵l的核范数，是低秩矩阵l奇异值的和，以及‖s‖1表示稀疏矩阵s的l1范数，λ为预设调谐参数，用于平衡核范数项和l1范数项。
[0022]
进一步地，将预处理后的穿墙雷达回波信号集及预设调谐参数输入到预设的低秩稀疏优化算法当中进行求解的步骤包括：
[0023]
将所述预处理后的穿墙雷达回波信号集及所述预设调谐参数输入到所述低秩稀疏优化算法当中，并借助凸优化工具箱进行求解。
[0024]
进一步地，获取收发共置天线在多个观测位置点采集的穿墙雷达回波信号集的步骤之前，还包括：
[0025]
控制所述收发共置天线自左向右沿平行于墙体方向均匀步进前进，以使所述收发共置天线在多个所述观测位置点分别采集穿墙雷达回波信号。
[0026]
根据本发明实施例的一种穿墙雷达成像装置，所述装置包括：
[0027]
信号获取模块，用于获取收发共置天线在多个观测位置点采集到的穿墙雷达回波信号集；
[0028]
信号前处理模块，用于对所述穿墙雷达回波信号集进行预处理，以去除所述穿墙雷达回波信号集当中的固定墙体静态背景的回波信号，所述固定墙体静态背景的回波信号包括外墙表面的回波信号和内墙表面的回波信号；
[0029]
信号后处理模块，用于将预处理后的穿墙雷达回波信号集及预设调谐参数输入到预设的低秩稀疏优化算法当中进行求解，以从所述预处理后的穿墙雷达回波信号集当中提取出待检测目标的回波信号；
[0030]
图像重构模块，用于根据所述待检测目标的回波信号，构建所述待检测目标的图像。
[0031]
本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的穿墙雷达成像方法。
[0032]
本发明还提出一种穿墙雷达成像设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的穿墙雷达成像方法。
[0033]
本发明还提出一种穿墙雷达成像系统，所述系统包括：
[0034]
如上述的穿墙雷达成像设备；以及
[0035]
收发共置天线，与所述穿墙雷达成像设备连接，所述收发共置天线能够自左向右沿平行于墙体方向均匀步进前进。
[0036]
与现有技术相比：通过对穿墙雷达回波信号集进行预处理，先去除固定墙体静态背景的杂波信号，再利用墙壁内钢筋或管道等异物的相关低秩特征和待测目标的空间稀疏特征，将墙体内存在异物的杂波抑制和墙后目标信号增强问题建模为低秩稀疏表示问题，从而有效地去除墙体内管道或钢筋等异物的强反射，并增强墙后目标的穿墙雷达图像，提高穿墙雷达成像质量。
附图说明
[0037]
图1为本发明第一实施例中的穿墙雷达成像方法的流程图；
[0038]
图2为本发明实施例提供的雷达探测系统图；
[0039]
图3为本发明实施例提供的雷达探测系统接收的反射回波组成图；
[0040]
图4为本发明实施例提供的雷达接收到的回波数据；
[0041]
图5为本发明实施例提供的系统场景的剖面图；
[0042]
图6为本发明实施例提供的待检测目标的图像重构的结果图；
[0043]
图7为本发明第二实施例中的穿墙雷达成像方法的流程图；
[0044]
图8为本发明第三实施例中的穿墙雷达成像装置的结构示意图；
[0045]
图9为本发明第四实施例中的穿墙雷达成像设备的结构示意图。
[0046]
以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
[0047]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
[0048]
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0049]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0050]
实施例一
[0051]
请参阅图1，所示为本发明第一实施例中的穿墙雷达成像方法，所述方法具体包括步骤s01-s04。
[0052]
步骤s01，获取收发共置天线在多个观测位置点采集的穿墙雷达回波信号集。
[0053]
如图2所示，在具体实施时，可以让收发共置天线自左向右沿平行于墙体方向均匀步进前进，测量方向上共有n个天线观测位置点。如图3所示，在墙体内存在钢筋或管道等异常介质的情况下，接收天线将会采集到四种类型的回波信号，分别为：
[0054]
1)、来自外墙表面的回波信号；
[0055]
2)、来自墙内钢筋或管道等异常介质的回波信号；
[0056]
3)、来自内墙表面的回波信号；以及
[0057]
4)、来自待测目标的回波信号。通常来说，在穿墙雷达系统模型中，墙壁为横向均匀层，因此外墙表面的回波信号和内墙表面的回波信号都是固定墙体静态背景的回波信号，而墙内的钢筋或管道等异常介质统称为墙内异物。
[0058]
基于上述描述，则第n个天线观测位置采集到的信号可建模为：
[0059]zn
(t)＝wn(t) ln(t) sn(t)
[0060]
其中，wn(t)为固定墙体静态背景的回波信号，ln(t)为墙体内钢筋或管道等异物所产生的回波信号(属于强杂波信号)，可视为相关的背景信号，sn(t)为待检测目标的回波信号。例如，请参阅图4，所示为雷达系统所接收到的包含 wn(t)、ln(t)以及sn(t)三种不同信号的回波数据。
[0061]
示例而非限定，在本实施例当中，测量方向上有n＝43个天线位置。本系统的探测空间大小为1m
×
1m，墙体厚度为0.12m，中心频率为1.5ghz，带宽为1ghz，天线扫描步进为0.02m。探测目标放置于空间场景中距离向为0.4m，方位向为0.5m处。
[0062]
步骤s02，对所述穿墙雷达回波信号集进行预处理，以去除所述穿墙雷达回波信号集当中的固定墙体静态背景的回波信号，所述固定墙体静态背景的回波信号包括外墙表面的回波信号和内墙表面的回波信号。
[0063]
也即，经过步骤s02预处理之后，预处理后的穿墙雷达回波信号集的信号模型可表达为：
[0064]
xn(t)＝ln(t) sn(t)
[0065]
步骤s03，将预处理后的穿墙雷达回波信号集及预设调谐参数输入到预设的低秩稀疏优化算法当中进行求解，以从所述预处理后的穿墙雷达回波信号集当中提取出待检测目标的回波信号。
[0066]
具体来说，对所获取的雷达信号在每个扫描位置都进行样本采集，样本采集数为m，则xn(t)、ln(t)、sn(t)都可以表示为m
×
1的向量，将所有n个扫描位置的数据整合之后，可以得到以下m
×
n数据矩阵：
[0067]
x＝[x1，x2，x3，
…
，xn]
[0068]
l＝[l1，l2，l3，...，ln]
[0069]
s＝[s1，s2，s3，...，sn]
[0070]
由于l包含了相关的背景信号，因此l矩阵的秩比较低，而对于目标的数据矩阵s，由于目标特征存在空间稀疏性，因此，s是一个稀疏矩阵，则数据矩阵x因此可以表示为稀疏矩阵s和低秩矩阵l的叠加。因此可以建立低秩稀疏表示的优化问题：
[0071][0072]
其中，||l||
*
表示核范数，是l奇异值的和，以及||s||1表示l1范数。调谐参数λ用于平衡核范数项和l1范数项。
[0073]
示例而非限定，在本系统中，样本采集数m＝637，xn(t)、ln(t)、sn(t)都可以表示为637
×
1的向量，x、l、s都是维度为637
×
43的矩阵。通过数学分析可得，对于m
×
n维度的矩
阵，调谐参数是最优选择。则上述优化问题可表示为
[0074][0075]
因此，在本发明中λ取值为λ＝0.0396。
[0076]
步骤s04，根据所述待检测目标的回波信号，构建所述待检测目标的图像。
[0077]
即，输入经过预处理的雷达回波数据x和调谐参数λ，借助于凸优化工具箱对上述问题进行求解，则可提取出矩阵s，从而得到墙后的目标探测。图5为系统场景的剖面图，图6为求解后的图像结果，可以得到在距离向为0.4m，方位向为0.5m的位置处有目标的图像重建。
[0078]
综上，本发明上述实施例当中的穿墙雷达成像方法，通过对穿墙雷达回波信号集进行预处理，先去除固定墙体静态背景的杂波信号，再利用墙壁内钢筋或管道等异物的相关低秩特征和待测目标的空间稀疏特征，将墙体内存在异物的杂波抑制和墙后目标信号增强问题建模为低秩稀疏表示问题，从而有效地去除墙体内管道或钢筋等异物的强反射，并增强墙后目标的穿墙雷达图像，提高穿墙雷达成像质量。
[0079]
实施例二
[0080]
请参阅图7，所示为本发明第二实施例中的穿墙雷达成像方法，所述方法具体包括步骤s11至步骤s17。
[0081]
步骤s11，控制所述收发共置天线自左向右沿平行于墙体方向均匀步进前进，以使所述收发共置天线在多个所述观测位置点分别采集穿墙雷达回波信号。
[0082]
步骤s12，获取收发共置天线在多个观测位置点采集到的穿墙雷达回波信号集。
[0083]
步骤s13，通过二维的高通滤波器来对所述穿墙雷达回波信号集进行预处理，以去除所述穿墙雷达回波信号集当中的固定墙体静态背景的回波信号，所述固定墙体静态背景的回波信号包括外墙表面的回波信号和内墙表面的回波信号。
[0084]
步骤s14，按照低秩稀疏分解的思想，将所述预处理后的穿墙雷达回波信号集分解为低秩部分和稀疏部分，低秩部分为墙体内异物的回波信号，稀疏部分为待检测目标的回波信号。
[0085]
步骤s15，基于低秩部分和稀疏部分分别构建低秩矩阵l和稀疏矩阵s。
[0086]
步骤s16，将低秩矩阵l和稀疏矩阵s及预设调谐参数λ输入到低秩稀疏优化算法当中，并借助凸优化工具箱进行求解，以从所述预处理后的穿墙雷达回波信号集当中提取出待检测目标的回波信号。
[0087]
其中，所述低秩稀疏优化算法的表达式为：
[0088][0089]
式中，‖l‖
*
表示低秩矩阵l的核范数，是低秩矩阵l奇异值的和，以及‖s‖1表示稀疏矩阵s的l1范数，λ为预设调谐参数，用于平衡核范数项和l1范数项。
[0090]
也即，在具体实施时，在进行优化问题求解的过程当中，会基于低秩稀疏分解的思想，自动将预处理后的穿墙雷达回波信号集分解为低秩部分和稀疏部分，由于墙体内钢筋或管道等异物所产生的回波信号视为相关的背景信号，因此这部分信号的秩比较低，视为
低秩部分，而待检测目标的回波信号存在空间稀疏性，因此这部分信号视为稀疏部分；然后，基于低秩部分和稀疏部分分别构建低秩矩阵l和稀疏矩阵s，接下来就需要借助低秩稀疏优化算法来进行优化求解，优化求解的目的是抑制低秩矩阵l、增强稀疏矩阵s，从而经过优化求解之后，能够提取出增强后的、受低秩矩阵l干扰小的稀疏矩阵s，以高质量的提取出待检测目标的回波信号。
[0091]
步骤s17，根据所述待检测目标的回波信号，构建所述待检测目标的图像。
[0092]
实施例三
[0093]
本发明另一方面还提供一种穿墙雷达成像装置，请查阅图8，所示为本发明第三实施例中的穿墙雷达成像装置，所述穿墙雷达成像装置包括：
[0094]
信号获取模块11，用于获取收发共置天线在多个观测位置点采集到的穿墙雷达回波信号集；
[0095]
信号前处理模块12，用于对所述穿墙雷达回波信号集进行预处理，以去除所述穿墙雷达回波信号集当中的固定墙体静态背景的回波信号，所述固定墙体静态背景的回波信号包括外墙表面的回波信号和内墙表面的回波信号；
[0096]
信号后处理模块13，用于将预处理后的穿墙雷达回波信号集及预设调谐参数输入到预设的低秩稀疏优化算法当中进行求解，以从所述预处理后的穿墙雷达回波信号集当中提取出待检测目标的回波信号；
[0097]
图像重构模块14，用于根据所述待检测目标的回波信号，构建所述待检测目标的图像。
[0098]
进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述信号前处理模块12还用于通过二维的高通滤波器来对所述穿墙雷达回波信号集进行预处理，以去除所述穿墙雷达回波信号集当中的固定墙体静态背景的回波信号。
[0099]
进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述信号后处理模块13还用于按照低秩稀疏分解的思想，将所述预处理后的穿墙雷达回波信号集分解为低秩部分和稀疏部分，低秩部分为墙体内异物的回波信号，稀疏部分为待检测目标的回波信号；基于低秩部分和稀疏部分分别构建低秩矩阵l和稀疏矩阵s；将低秩矩阵l和稀疏矩阵s及预设调谐参数λ输入到低秩稀疏优化算法当中进行求解。
[0100]
进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述低秩稀疏优化算法的表达式为：
[0101][0102]
式中，‖l‖
*
表示低秩矩阵l的核范数，是低秩矩阵l奇异值的和，以及‖s‖1表示稀疏矩阵s的l1范数，λ为预设调谐参数，用于平衡核范数项和l1范数项。
[0103]
进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述信号后处理模块13还用于将所述预处理后的穿墙雷达回波信号集及所述预设调谐参数输入到所述低秩稀疏优化算法当中，并借助凸优化工具箱进行求解。
[0104]
进一步地，在本发明一些可选实施例当中，所述穿墙雷达成像装置还包括：
[0105]
天线控制模块，用于控制所述收发共置天线自左向右沿平行于墙体方向均匀步进前进，以使所述收发共置天线在多个所述观测位置点分别采集穿墙雷达回波信号。
[0106]
上述各模块、单元被执行时所实现的功能或操作步骤与上述方法实施例大体相
同，在此不再赘述。
[0107]
综上，本发明上述实施例当中的穿墙雷达成像装置，通过对穿墙雷达回波信号集进行预处理，先去除固定墙体静态背景的杂波信号，再利用墙壁内钢筋或管道等异物的相关低秩特征和待测目标的空间稀疏特征，将墙体内存在异物的杂波抑制和墙后目标信号增强问题建模为低秩稀疏表示问题，从而有效地去除墙体内管道或钢筋等异物的强反射，并增强墙后目标的穿墙雷达图像，提高穿墙雷达成像质量。
[0108]
实施例四
[0109]
本发明另一方面还提出一种穿墙雷达成像设备，请参阅图9，所示为本发明第四实施例当中的穿墙雷达成像设备，包括存储器20、处理器10以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序30，所述处理器10执行所述计算机程序30时实现如上述的穿墙雷达成像方法。
[0110]
其中，处理器10在一些实施例中可以是中央处理器(central processing unit, cpu)、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器 20中存储的程序代码或处理数据，例如执行访问限制程序等。
[0111]
其中，存储器20至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器20在一些实施例中可以是穿墙雷达成像设备的内部存储单元，例如该穿墙雷达成像设备的硬盘。存储器20在另一些实施例中也可以是穿墙雷达成像设备的外部存储装置，例如穿墙雷达成像设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd) 卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，存储器20还可以既包括穿墙雷达成像设备的内部存储单元也包括外部存储装置。存储器20不仅可以用于存储安装于穿墙雷达成像设备的应用软件及各类数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0112]
需要指出的是，图9示出的结构并不构成对穿墙雷达成像设备的限定，在其它实施例当中，该穿墙雷达成像设备可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
[0113]
综上，本发明上述实施例当中的穿墙雷达成像设备，通过对穿墙雷达回波信号集进行预处理，先去除固定墙体静态背景的杂波信号，再利用墙壁内钢筋或管道等异物的相关低秩特征和待测目标的空间稀疏特征，将墙体内存在异物的杂波抑制和墙后目标信号增强问题建模为低秩稀疏表示问题，从而有效地去除墙体内管道或钢筋等异物的强反射，并增强墙后目标的穿墙雷达图像，提高穿墙雷达成像质量。
[0114]
实施例五
[0115]
本发明第五实施例提出一种穿墙雷达成像系统，所述系统包括：
[0116]
上述实施例四所述的穿墙雷达成像设备；以及
[0117]
收发共置天线，与所述穿墙雷达成像设备连接，所述收发共置天线能够自左向右沿平行于墙体方向均匀步进前进。
[0118]
本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述的穿墙雷达成像方法。
[0119]
本领域技术人员可以理解，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任
何计算机可读存储介质中，以供指令执行系统、装置或设备 (如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读存储介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0120]
计算机可读存储介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom 或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读存储介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0121]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或它们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga) 等。
[0122]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0123]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。