一種基于逆時(shí)反演的穿墻雷達(dá)基準(zhǔn)面校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基準(zhǔn)面校正方法，特別是設(shè)及一種基于逆時(shí)反演的穿墻雷達(dá)基準(zhǔn) 面校正方法，屬于穿墻雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 超寬帶穿墻成像雷達(dá)在反恐、地震災(zāi)害的捜救工作中起著不可或缺的作用，而在 現(xiàn)有的超寬帶穿墻雷達(dá)相關(guān)文獻(xiàn)中，模型建立多是W天線陣列緊貼墻體或者與墻體平行為 前提。然而在實(shí)際應(yīng)用中，無法保證天線陣列與墻體平行，尤其是某些特殊場(chǎng)合，如反恐或 人質(zhì)解救。如果現(xiàn)有算法不做任何改動(dòng)，直接應(yīng)用于天線陣列傾斜的情況，那么基于時(shí)延估 計(jì)的算法則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，而某些其他算法則可能會(huì)直接失效。因此，考慮天線陣列與 墻體之間存在未知傾角的模型是有必要的。
[0003] 針對(duì)運(yùn)一問題，現(xiàn)有文獻(xiàn)已針對(duì)傾斜ΜΙΜΟ陣列條件下的穿墻雷達(dá)成像問題進(jìn)行了 研究。其W幾何模型與信號(hào)時(shí)延為切入點(diǎn)，估計(jì)ΜΙΜΟ陣列與墻體的相對(duì)位置關(guān)系(傾角和距 離），并且估計(jì)了墻體未知參數(shù)(介電常數(shù)與厚度）。通過估計(jì)上述未知參數(shù)，對(duì)成像進(jìn)行補(bǔ) 償，達(dá)到修正墻后目標(biāo)位置的目的。然而，該算法仍完全依賴于時(shí)延估計(jì)，目標(biāo)位置修正的 精度仍會(huì)受限于時(shí)延估計(jì)的精度。
[0004] 因此，如何在天線陣列傾斜的情況下，通過基準(zhǔn)面校正，實(shí)現(xiàn)穿墻雷達(dá)成像的目標(biāo) 位置精準(zhǔn)有效，是具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于逆時(shí)反演的穿墻 雷達(dá)基準(zhǔn)面校正方法，特別適用于天線陣列傾斜的情況;能夠有效地消除天線陣列傾斜造 成的目標(biāo)錯(cuò)位與崎變的影響，與已有方法相比，可提供更高的成像精度，并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、可 得到真實(shí)的場(chǎng)景成像，具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于逆時(shí)反演的穿墻雷達(dá)基準(zhǔn)面校正方法，包括W下步驟：
[000引1)建立穿墻成像模型；
[0009] 假設(shè)需捜索的目標(biāo)置于兩層墻體之間，兩層墻體依次為前墻體和后墻體；
[0010] 將天線陣列布置于前墻體之外的傾斜測(cè)線上，設(shè)天線陣列與水平面之間存在傾角 9,并設(shè)天線陣列的陣列中屯、與前墻體之間的垂直距離為η;
[0011] 2)估計(jì)未知參數(shù)；
[0012] 通過天線陣列接收到的回波信號(hào)時(shí)延，估計(jì)出天線陣列與水平面之間的傾角Θ、Κ 及天線陣列的陣列中屯、與前墻體之間的垂直距離η運(yùn)兩個(gè)未知參數(shù)；
[001引 3)基準(zhǔn)面校正；
[0014]根據(jù)步驟2)估計(jì)得到的未知參數(shù)，確定天線陣列的坐標(biāo)，并確定水平基準(zhǔn)面;再根 據(jù)電磁波逆時(shí)傳播原理，將傾斜測(cè)線上的天線陣列延拓至水平基準(zhǔn)面，則將其等效于布置 在水平基準(zhǔn)面的虛擬天線陣列接收回波信號(hào)，獲得沒有發(fā)生崎變的目標(biāo)成像結(jié)果。
[0015] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述目標(biāo)為電導(dǎo)體。
[0016] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述前墻體和后墻體均為均勻介質(zhì)板，均勻介質(zhì)板的厚度 為d、相對(duì)介電常數(shù)為Er、電導(dǎo)率為0。
[0017] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述天線陣列包括均勻分布于傾斜測(cè)線上的兩個(gè)發(fā)射陣 元、一個(gè)收發(fā)陣元、W及N個(gè)接收陣元組成，其中N為大于等于4的偶數(shù);所述收發(fā)陣元位于中 屯、，為天線陣列的陣列中屯、;兩個(gè)發(fā)射陣元位于天線陣列的兩端，N個(gè)接收陣元依次均勻分 布于傾斜測(cè)線上。
[0018] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述步驟2)估計(jì)未知參數(shù)，具體為，
[0019] 2-1)設(shè)收發(fā)陣元為TR，收發(fā)陣元TR關(guān)于前墻體前表面的鏡像為TR' ；
[0020] 設(shè)任意一對(duì)W收發(fā)陣元TR為中點(diǎn)、并與收發(fā)陣元TR等距呈對(duì)稱分布的接收陣元為 Rn和R(N-n+l)，N為大于等于4的偶數(shù)、η為大于等于1的自然數(shù)；
[0021] 2-2)收發(fā)陣元TR接收到前墻體的回波信號(hào)，根據(jù)回波時(shí)延，通過式（1)計(jì)算估計(jì)出 天線陣列的陣列中屯、與前墻體之間的垂直距離η，
[0022]
(1)
[0023] 其中，tTR為收發(fā)陣元TR與前墻體前表面的回波時(shí)延，C為電磁波在空氣中的傳播速 度；
[0024] 2-3)由收發(fā)陣元TR發(fā)射的電磁波信號(hào)，經(jīng)前墻體前表面反射，由任意一對(duì)接收陣 元Rn和R(N-n+l)接收；將接收陣元Rn和R(N-n+O的回波時(shí)延苗。和分別表示為式（2a)和式 (2b),
[0027] 其中，In為收發(fā)陣元TR與接收陣元Rn或R(N-W)之間的距離，目η為接收陣元Rn與水平 面之間的傾角；
[0028] 2-4)根據(jù)式(2a)和式(2b)得到回波時(shí)延差A(yù)tnW式(3)表示，
[0029]
(3)
[0030] 根據(jù)回波時(shí)延差式(3)得到接收陣元Rn與水平面之間的傾角θη的估計(jì)計(jì)算式為式 (4)，
[0031]
(4)
[0032] 2-5)將Ν個(gè)接收陣元W收發(fā)陣元TR為中點(diǎn)、并與收發(fā)陣元TR等距呈對(duì)稱分布分為 Ν/2組，重復(fù)步驟2-3)至步驟2-4)估計(jì)出每一組接收陣元與水平面之間的傾角、共估計(jì)獲得 N/^2個(gè)傾角值；
[0033] 再對(duì)N/^2組回波信號(hào)估計(jì)的傾角取均值，根據(jù)式(5)得到天線陣列與水平面之間的 傾角9，
[0034]
(5)
[0035] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述步驟3)基準(zhǔn)面校正，具體為，
[0036] 3-1)根據(jù)步驟2)估計(jì)得到的天線陣列與水平面之間的傾角Θ、Κ及天線陣列的陣 列中屯、與前墻體之間的垂直距離η，確定天線陣列的坐標(biāo)，將天線陣列分布的傾斜測(cè)線記為 ΑΒ線；
[0037] 選取距離前墻體h處的水平測(cè)線CD線為水平基準(zhǔn)面，將傾斜測(cè)線ΑΒ線上的天線陣 列的接收陣元Ri、R2、……、Rn-i、Rn均延拓至水平基準(zhǔn)面，獲得水平測(cè)線CD線上均勻分布的虛 擬天線陣列的接收陣元依次為R/、化/、……、Rn-/、IV，N為大于等于4的偶數(shù)；
[0038] 3-2)記傾斜測(cè)線AB線上的天線陣列所接收的回波信號(hào)為Eab，是已知量；
[0039] 記水平測(cè)線CD線上的虛擬天線陣列所接收的回波信號(hào)為Ecd，是待求解量；
[0040] 根據(jù)電磁波在二維空間中傳播情況的波動(dòng)方程式(6)，W及已知量Eab，將求解Ecd 的問題轉(zhuǎn)換為求解SCD(t)，
[0041]
(6)
[0042] 其中，scD(t)為由待求解量Ecd得到的散射源函數(shù)；
[0043] 3-3)利用迭代的方法求解scD(t)，根據(jù)式(7)逐步收斂至真值，
[0044]
(7)
[0045] 將求解scD(t)的問題轉(zhuǎn)換為求解Δ SCD;
[0046] 3-4)分別記墻從)和墻W所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)幅度為ED+1和E%則電場(chǎng)幅度差值Δ E表示 為式(8)，
[0047] ΔΕ = Εη"-Εη (8)
[004引電場(chǎng)幅度差值Δ Ε需滿足式(9)，
[0049]
錢)
[0050] 式(9)可通過式(10)中的格林函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，
[0051] Δ Ε = Π ]·6(χ,γ,t;x'，y '，t'）· Δ scD(x'，y'，t'）dx'dy'dt' （10)
[0052] 其中，G(x,y ,t;x'，y '，t'）為公式(9)的格林函數(shù)；
[0053] 則可得式(11)和式(12)，
[005引其中，648^,，7,，0為傾斜測(cè)線48線上的天線陣列所接收的回波信號(hào)648， 巧B柄,乂,0為第η次迭代時(shí)傾斜測(cè)線AB線處的電場(chǎng)強(qiáng)度巧g;
[0059] 求解泛函式(13)的極小值，需要求解其泛函梯度；
[0060] 構(gòu)造泛函式(13)的變分為式(14)，
[0066] 根據(jù)反演理論求解式（16)，將殘差(心W -心沿逆時(shí)方向傳播，通過時(shí)域有限差 分法求解式(16)對(duì)應(yīng)的波動(dòng)方程，從而解得泛函梯度；
[0067] 由于泛函式（13)取極小值，故Δ K = 0，則可得式（17)求解Δ SCD，
[006引 Δ scD(x'，y'，t'）=-grad(K) (17)
[0069]