基于二维最小相位相干因子的MIMO穿墙雷达成像方法

本发明涉及雷达成像技术领域，具体涉及一种基于二维最小相位相干因子的mimo穿墙雷达成像方法。

背景技术：

多输入多输出(multipleinputmultipleoutput,mimo)穿墙雷达利用电磁波良好的穿透特性，可以对建筑物、堡垒、草丛等隐蔽物后的目标进行成像，同时mimo穿墙雷达通过多个发射端发射特定波形，多个接收端接收各路散射信号并进行联合处理，可以在阵元数目有限的情况下极大地提高阵元利用率。为了有效区分不同目标，天线阵列要具备孔径大、阵元多的特点。但随着对便携性能的需求，小孔径穿墙成像雷达已成为现代穿墙雷达发展的趋势，另外在实际应用中系统天线尺寸在很多情况下不能满足理论上完全消除栅瓣的天线间距大小，这样会造成穿墙雷达成像结果中会存在栅瓣和旁瓣，对目标探测成像造成干扰。因此，寻找有效的mimo穿墙雷达成像方法来抑制栅瓣和旁瓣很有必要。

抑制栅瓣和旁瓣常用相干因子(coherencefactor,cf)和相位相干因子(phasecoherencefactor,pcf)对成像结果进行加权处理。cf由阵列接收到的信号在图像中某个的点的相干性决定，可以作一个加权因子校正图像域的每一个像素点，减少由复杂环境下成像过程中的聚焦错误，同时能够降低旁瓣和栅瓣，减少杂波影响。pcf基于孔径数据的相位多样性，同样可以作为一个加权因子对旁瓣和栅瓣进行抑制。cf和pcf对方位向栅瓣和旁瓣有较好的抑制作用，但两者在距离向的抑制作用并不理想。

文献‘s.li,m.amin,q.an,g.zhao,etal,2-dcoherencefactorforsidelobeandghostsuppressionsinradarimaging,ieeetrans.antennaspropag.vol.68,no.2,feb.2020’提出了基于二维相干因子(two-dimensionalcoherencefactor,2-dcf)和二维相位相干因子(two-dimensionalphasecoherencefactor,2-dpcf)的mimo雷达成像方法，可同时抑制方位向和距离向的栅瓣和旁瓣干扰。文献中指出2-dpcf加权成像优于2-dcf加权成像，但2-dpcf将pcf和距离向pcf(rangephasecoherencefactor,rpcf)做简单的相乘处理，只综合了相位相干因子pcf和距离向相位相干因子rpcf的部分优点，栅瓣和旁瓣抑制性能还有待于进一步提高。因此，寻找一种能够更好综合pcf和rpcf优点的成像方法对提升mimo穿墙雷达成像质量具有重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于二维最小相位相干因子的mimo穿墙雷达成像方法，包括：

步骤1：通过平行于墙体的mimo天线阵元记录第m个发射阵元和第n个接收阵元对应的k个频率点的回波信号，k＝1,2…,k，其中第k个频率点的回波信号表示为其中m＝1,2…,m，n＝1,2…,n，m表示发射阵元的总个数，n表示接收阵元的总个数；

步骤2：采用背景对消法去除回波信号中的背景杂波信号bmn(k)，背景杂波信号包括天线直耦波和墙体反射信号，得到目标反射信号rmn(k)：

步骤3：将待成像区域进行网格化，计算每个网格的传输时延，采用fdbp算法得到各像素点的像素值；

步骤4：根据像素点处的相位多样性计算相位相干因子和距离向相位相干因子；

步骤5：根据相位相干因子和距离向相位相干因子，计算二维最小相位相干因子，并对fdbp成像结果进行加权得到最终成像结果。

所述步骤3包括：

步骤3.1：将待成像区域均匀划分为s行、t列，计算第(x,y)个像素网格对应的第m个发射阵元和第n个接收阵元的传输时延τmn(x,y)：

其中，(x,y)表示第x行、第y列的像素网格，x＝1,2，…,s，y＝1,2，…,t，c表示光速，v是电磁波在墙体中的传播速度，εr为墙体的相对介电常数，l1～l6分别表示电磁波从发射阵元至墙体前表面之间的传播距离、电磁波在墙体中的传播距离、电磁波从墙体后表面至第(x,y)个像素的传播距离、电磁波从第(x,y)个像素至墙体后表面的传播距离、电磁波返回时在墙体中的传播距离、电磁波从墙体前表面至接收阵元的传播距离；

步骤3.2：对于由第m个发射阵元和第n个接收阵元组成的收发通道，成像结果的第(x,y)个像素网格的像素值smn(x,y)可表示为：

式中，j表示虚数单位，fk表示第k个频点的频率；

步骤3.3：对所有通道进行相干叠加后，得到fdbp算法的成像结果i(x,y)：

所述步骤4包括：

步骤4.1：将smn(x,y)的辐角作为smn(x,y)的瞬时相位，记为

步骤4.2：计算第(x,y)个像素网格的像素对应的相位相干因子pcf(x,y)：

其中m＝1,2…,m，n＝1,2…,n，std表示求标准差，std²表示求标准差的平方；

步骤4.3：计算第k个频率点对应的成像结果sk(x,y)：

步骤4.4：将sk(x,y)的辐角作为sk(x,y)的瞬时相位，记为

步骤4.5：计算第(x,y)个像素网格的像素对应的距离向相位相干因子：

其中，k＝1,2…,k，std表示求标准差，std²表示求标准差的平方：

所述步骤5包括：

步骤5.1：计算第(x,y)个像素网格的像素对应的二维最小相位相干因子：

mpcf^2d(x,y)＝min{pcf(x,y)，rpcf(x,y)}²(10)

步骤5.2：将二维最小相位相干因子作为加权因子对fdbp算法的成像结果进行加权得到最终成像结果

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于二维最小相位相干因子的mimo穿墙雷达成像方法，通过在每个像素点选取pcf和rpcf两个最小值的平方作为加权因子更好综合了pcf和rpcf的优点，在方位向和距离向均有良好的栅瓣和旁瓣杂波抑制效果。与现有的成像方法相比，本发明所提供的mimo穿墙雷达成像方法不仅可以有效抑制杂波干扰，而且可以进一步提高成像重建结果分辨率，更有助于对墙后隐蔽目标的探测和成像。

附图说明

图1为本发明中的基于二维最小相位相干因子的mimo穿墙雷达成像方法流程图；

图2为本发明中的穿墙成像几何示意图；

图3为本发明中的穿墙雷达探测场景仿真示意图；

图4为本发明中的基于2-dpcf的mimo穿墙雷达成像结果图；

图5为本发明中的基于2-dmpcf的mimo穿墙雷达成像结果图；

图6为本发明中的基于2-dpcf和2-dmpcf成像结果在峰值处方位向剖面对比图；

图7为本发明中的基于2-dpcf和2-dmpcf成像结果在峰值处距离向剖面对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明，本发明提供的一种基于二维最小相位相干因子的mimo穿墙雷达成像方法，能够更好的综合pcf和rpcf优点，降低栅瓣和旁瓣干扰，提高成像重建质量。

如图1所示，一种基于二维最小相位相干因子的mimo穿墙雷达成像方法，包括：

步骤1：建立如图3所示的穿墙雷达探测场景模型，穿墙成像几何示意图如图2所示，图2中l1,l2,l3,l4,l5,l6分别表示电磁波从发射阵元至墙体前表面之间的传播距离、电磁波在墙体中的传播距离、电磁波从墙体后表面至第(x,y)个像素的传播距离、电磁波从第(x,y)个像素至墙体后表面的传播距离、电磁波返回时在墙体中的传播距离、电磁波从墙体前表面至接收阵元的传播距离，通过平行于墙体的mimo天线阵元记录第m个发射阵元和第n个接收阵元对应的k个频率点的回波信号，k＝1,2…,k，其中第k个频率点的回波信号表示为其中m＝1,2…,m，n＝1,2…,n，m表示发射阵元的总个数，n表示接收阵元的总个数；

步骤2：采用背景对消法去除步骤1中回波信号中的背景杂波信号bmn(k)，背景杂波信号包括天线直耦波和墙体反射信号，得到目标反射信号rmn(k)：

步骤3：将待成像区域进行网格化，计算每个网格的传输时延，采用频域后向投影(frequency-domainbackprojection,fdbp)算法得到各像素点的像素值，包括：

步骤3.1：将待成像区域均匀划分为s行、t列，计算第(x,y)个像素网格对应的第m个发射阵元和第n个接收阵元的传输时延τmn(x,y)：

其中，(x,y)表示第x行、第y列的像素网格，x＝1,2，…,s，y＝1,2，…,t，c表示光速，v是电磁波在墙体中的传播速度，εr为墙体的相对介电常数，l1～l6分别表示电磁波从发射阵元至墙体前表面之间的传播距离、电磁波在墙体中的传播距离、电磁波从墙体后表面至第(x,y)个像素的传播距离、电磁波从第(x,y)个像素至墙体后表面的传播距离、电磁波返回时在墙体中的传播距离、电磁波从墙体前表面至接收阵元的传播距离；

步骤3.2：对于由第m个发射阵元和第n个接收阵元组成的收发通道，成像结果的第(x,y)个像素网格的像素值smn(x,y)可表示为：

式中，j表示虚数单位，fk表示第k个频点的频率；

步骤3.3：对所有通道进行相干叠加后，得到fdbp算法的成像结果i(x,y)：

步骤4：根据像素点处的相位多样性计算相位相干因子pcf和距离向相位相干因子rpcf，包括：

步骤4.1：将smn(x,y)的辐角作为smn(x,y)的瞬时相位，记为

步骤4.2：计算第(x,y)个像素网格的像素对应的相位相干因子pcf(x,y)：

其中m＝1,2…,m，n＝1,2…,n，std表示求标准差，std²表示求标准差的平方；

步骤4.3：计算第k个频率点对应的成像结果sk(x,y)：

步骤4.4：将sk(x,y)的辐角作为sk(x,y)的瞬时相位，记为

步骤4.5：计算第(x,y)个像素网格的像素对应的距离向相位相干因子rpcf(x,y)：

其中，k＝1,2…,k，std表示求标准差，std²表示求标准差的平方：

步骤5：根据相位相干因子和距离向相位相干因子，计算二维最小相位相干因子(two-dimensionalminimumphasecoherencefactor,2-dmpcf)，并对fdbp成像结果进行加权得到最终成像结果，包括：

步骤5.1：计算第(x,y)个像素网格的像素对应的二维最小相位相干因子mpcf^2d(x,y)：

mpcf^2d(x,y)＝min{pcf(x,y)，rpcf(x,y)}²(10)

步骤5.2：将二维最小相位相干因子作为加权因子对fdbp算法的成像结果进行加权得到最终成像结果

本发明的效果通过以下实验进一步说明，仿真实验场景如图3所示，墙体平行于x轴，中心为(2.5m，0.6m)，墙体厚度为0.2m，长度为5m，电导率为0.01s/m，相对介电常数为7.6。目标1和目标2分别是圆心位于(1.7m，3m)，(3.4m，3m)处，半径为0.1m的圆形金属目标。mimo阵列平行于墙体，中心位于(2.5m,0.1m)处，mimo阵列总长为2.55m，mimo阵列的等效虚拟阵元均匀无冗余，等效虚拟阵元个数为32个，等效虚拟阵元相应的权值均设为1，等效虚拟阵元与等效虚拟阵元间距d＝0.15m，距阵列中心3m处方位向分辨率为0.1m，栅瓣水平小于-30db。

正演仿真软件采用的是基于时域有限差分方法的gprmax软件，激励源为中心频率为2ghz的雷克波，时窗为50ns。仿真得到mimo穿墙雷达时域回波数据。采用背景相消法对时域回波数据进行预处理来去除背景杂波。然后由于成像方法在频域进行，采用傅里叶变换技术将预处理后的时域数据变换到频域。在每个通道得到带宽为1ghz-3ghz，频率步长为20mhz的101个频点回波数据。成像区域大小为3m*3m，其中方位向从1m到4m，距离向从1.5m到4.5m，共划分为300*300个网格，分别采用基于二维相位相干因子(two-dimensionalphasecoherencefactor,2-dpcf)的成像方法和基于2-dmpcf的成像方法得到如图4和图5的成像结果，图像的动态显示范围均为0db～-40db。

为了定量描述杂波抑制的效果，使用积分旁瓣比(integratedsideloberatio,islr)对成像质量进行评价。islr定义为：

其中etotal和emain分别是图像的总能量和目标主瓣能量，lg表示以10为底的对数。图4和图5的islr分别为-87.54db和-115.48db。基于2-dmpcf成像结果的islr比基于2-dpcf成像结果的islr降低了27.94db。

为了更好的观察两种成像方法对杂波的抑制作用，图6和图7分别给出了两种成像方法成像结果中峰值点位置在方位向和距离向的剖面图。在图6中-3db宽度从4个像素降低为3个像素，在图7中-3db宽度从4个像素降低为3个像素，这说明基于2-dmpcf的成像方法在方位向和距离向上获得更好的分辨率。由此可以看出本发明提供的基于2-dmpcf的mimo穿墙雷达成像方法不仅可以有效抑制旁瓣和栅瓣杂波干扰，而且提高了成像重建分辨率。