穿墙雷达目标定位新方法

用到为止 ,对应的 N 个输出处理过程如下 :感兴趣的区域在距离向和方位向被分成有限数目的像素 , 位于 Xq (距离 Rq 方位θq) 的重建像素可由对 N 个接收天线收到的信号求和 , 运用不同的时间延迟和权重 , 对应 的处理系统见图 3 。对于单目标的情况 , w m 是施加在第 n 个接收天线输出上的权重 ,聚焦延迟τq , m n应用于 第 n 个接收天线的输出 (发射天线位于第 m 个位置) ,该延迟可由式 (9) 给出
Key words : radar ; location ; ambiguity ; dielectric constant ; trajectory
采用微波信号穿透障碍物 (如墙 、门以及其他非透明材料) 进行监视对军用和民用来说都有其重要的意 义 。穿墙定位近来已经被用于救灾抢险 、墙后目标探测 、监视及侦察等 。国内外有基于探测墙后人的存在及 跟踪其运动轨迹的研究[1 ] ,这些研究均假设墙的参数如墙的厚度和介电常数为已知 。然而 ,在实际场合 ,墙 体参数事先是不知道的 ,需要适当的估计 ,才能获得未失真的人体的位置 ,墙体参数估计错误会导致定位位 置偏离其真实位置 。目标偏离其真实位置受墙体参数估计的影响 ,同时也受目标距离天线队列位置的影响 , 有必要对这些影响做分析 ,由此引入了一种新的方法 ,运用该方法可在无墙体先验知识的情况下定位目标 。
设电波的 3 段传播路径在 x2y 平面上的投 影分别为 l1 , l m 和 l2 ,则
l1 + lm + l2 = ( xl - x n) 2 + ( zl - z p) 2 ≡ D
(2) 结合式 (1) 及图 1 中的几何关系 ,有
sin θ1 sin θ2
=
εr =
l1
l
2 1
+
( ym
-
t) 2
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1 70 武 汉 理 工 大 学 学 报 2010 年 5 月
N
∑ z mq ( t) =
w m a ( Xp) s ( t - τp , m n + τq , m n)
n =1
τq , m n
=
rm , q , air
+ c
l n , q ,air
+
rm , q , wall
+ v
l n , q , wall
=
rm , q ,air
+ c
l n , q , air
文章编号 :167124431 (2010) 1020169205
Ne w Method f or Target Location Using Wall2Penetrating Radar
L I S hu2w ei1 ,2 ,3 , YA N L ei1 ,2 , YA N G S hao2w en3 , S U N Hua2bo1 ,2
度及介电常数模糊时所产生的目标位置移动的影响 ,对于每一种结构的天线队列 ,可获取当墙体参数变化时目标位置改
变的轨迹 ,目标真实位置可由不同轨迹的交点得到 。仿真结果验证了方法的有效性 。
关键词 : 雷达 ; 定位 ; 模糊 ; 介电常数 ; 轨迹
中图分类号 : TN 95
文献标识码 : A
c/ ε的关系 。 rm , p ,air和 rm , p ,wall分别代表第 m 个发射电波到达目标 p 过程中其在空气中和在墙中的传输 距离 , l n , p ,air和 l n , p ,wall分别代表电波从目标 p 传输至第 n 个接收天线过程中其在空气中和在墙中的传输距
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1 信号穿透介质墙的数学模型
考虑一简单均质的墙体 ,设其厚度为 t ,介电常数为εr , 见图 1 。为了进一步简化问题 , 可认为墙的厚度
收稿日期 :2009212227. 作者简介 :李述为 (19752) ,男 ,博士后 ,讲师. E2mail :lishuwei751103 @163. com
τp , m n =
rm , p ,air + c
l n , p ,air
+
rm , p , wall + v
l n , p , wall
=
rm , p ,air
+ c
l n , p ,air
+
ε( rm , p ,wall + l n , p ,wall)
c
(8)
其中 , c 是光在空气中的传输速度 , v 是电波在介质墙中的传输速度 , 墙的介电常数为ε, 式 (8) 利用了 v =
电磁波从目标到达雷达接收位置路径见图
1 ,由折射定律和有关物理性质 ,有
sin θ1
=
nr n0
si
n
θ2
=
v v
0 r
si
n
θ2
=
εr sin θ2
(1) 其中 , n0 和 nr 分别代表空气和墙的折射率 , 设 墙是非磁性的 ,即 μr = 1 , v0 , v r 分别对应电波在 空气中和墙中的速度 。
l
2 m
+
t2
lm
(3)
将式 (3) 做以下变形
l1 =
ym - t
1 εr
+
t2
l 2mεr
-
1
(4)
同理 ,经推导可得到与之对应的式子
l2 =
- yl
1 εr
+
t2
l 2mεr
-
1
(5)
经推导[2 ] ,可得到 l m 的值 ,图 1 中电波传播路径的 3 段长度分别为
l3 =
l
2 m
+
t2 l4
设第 m 个位置发射天线的坐标为 Xtm = ( x tm , ytm ) ,辐射场景的宽带信号为 s ( t) ,第 n 个接收天线位于 Xrn =
( x rn , y rn) ,单个点目标位于 Xp = ( x p , yp) = ( R psin θp , R pcos θp) ,第 n 个接收天线的输出为
第 32 卷 第 10 期 李述为 ,晏 磊 ,杨绍文 ,等 :穿墙雷达目标定位新方法 171
离 。在给定墙的参数情况下 ,墙内和墙外的传输距离可较精确地计算 (计算过程可参考第 1 节相关内容) ,从
而可获得式 (8) 中的时间延迟[3 ] 。
由式 (7) 和式 (8) 所描述的处理过程一直持续到第 m 个天线发射信号直到所有 N 个接收天线相继地使
ym n ( Xp) = a ( Xp) s ( t - τp , m n)
(7)
其中 , a ( Xp) 是点目标反射的复数幅度 , 宽带信号 s ( t ) 是窄脉冲 , 可提供期望的距离分辨率 。传输时延 τp , m n是信号从第 m 个发射天线到目标 Xp ,然后返回到第 n 个接收天线的时间 ,表达式为
tenna arrays. For each antenna array , target trajectory is generated using different wall parameters. The intersection of different trajectories is t he true target position. The simulating results demonstrate t hat t he met hod is efficient .
(1. Institute of Remote Sensing and Geographic Information Systems , Peking University , Beijing 100871 , China ; 2. Beijing Key Laboratory of Spatial Information Integration & 3S Applications ,Peking University ,Beijing 100871 ,China ;
和高度比雷达信号波长大得多 ,忽略多径效应的影响 , 从点目标 ( x n , ym , z p) 到雷达接收点 ( x l , yl , z l) 的路 径可由几何光学定律推导出 ,当然 ,这个路径是与 2 点间的直线距离不相同的 ,即使是垂直入射 ,也存在时间 延迟的问题 。问题的关键是找到电波到墙壁的入射点和穿透墙壁后到达接收天线的折射点 , 一旦这 2 个点 确定后 ,电波在空气中和在墙壁内的传播路径就很容易得到 ,从而可对目标进行定位 。
=
l
2 1
+
( ymΒιβλιοθήκη -t) 2 l5 =
l
2 2
+
y
2 l
(6)
2 穿墙定位基本原理
考虑单一的发射和单一的接收天线子阵 ,用于合成拥有 M 单元发射和拥有 N 单元接收的线性队列 , 天
线队列中单元的位置已知 ,为了简化问题 ,天线紧贴墙壁放置 ,成像区域沿着 Y 轴正方向分布 , 如图 2 所示 ,
M
MN
∑ ∑∑ z q ( t) =
w tmzmq ( t) =
w tm w rna ( Xp) s ( t - τp , m n + τq , m n)
m =1
m =1 n =1
(11)
其中 , w tm是施加在第 m 个发射天线产生的信号 z m ( t) 上的权重 。与聚焦延迟不同 , 权重 w rn和 w tm 与像素
+
ε( rm , q ,wall + l n , q ,wall)
c
(9) (10)
对同一个重建像素合成不同位置接收天线的输出信号 ,可得到场景的相干图像 ,式 (10) 中的变量除了目 标像素 p 被聚焦像素 q 代替外 ,其余的与式 (8) 中的相同 。如果 Xp = Xq ,则聚焦延迟τq , m n与目标传输延迟 τp , m n相等 ,在这种情况下 , 式 (9) 中的所有信号在像素 Xp = Xq 处相干叠加 ; 如果 Xp ≠Xq , 聚焦延迟与传输
延迟不相等 ,式 (9) 中的信号非相干叠加 。在本质上 ,上述的目标回波的相干和非相干叠加等效于在像素 Xp 的距离向和方位向形成波束 。距离向分辨率的提高可由采用更大带宽的脉冲来获得 , 方位向分辨率的提高
可通过增加发射或 (和) 接收天线的孔径来得到 。
上述的处理过程需要对 M 个发射天线位置重复处理来产生 M 个复数合成信号 , z mq ( t) , m = 1 , 2 , …, M ,对应成像像素 Xq ,最终对应像素位于 Xq 处的复数信号可相关线性加权合成得到
3. Guizhou Aviation Industry Group Limited Company , Guiyang 550009 , China)
Abstract : According to wall parameters inaccurate , a new met hod for target location is proposed. The algorit hm corrects t he shifts of target positions due to ambiguities in t he wall t hickness and dielectric constant using different transmit and receive an2
李述为1 ,2 ,3 ,晏 磊1 ,2 ,杨绍文3 ,孙华波1 ,2
(1. 北京大学遥感与地理信息系统研究所 ,北京 100871 ;2. 北京大学空间信息集成与 3S 工程 应用北京市重点实验室 ,北京 100871 ;3. 贵州航空工业集团有限责任公司 ,贵阳 550009)
摘 要 : 针对墙体参数不确定性问题 ,提出了一种雷达目标定位新方法 。采用不同的收发天线队列校正了由于墙的厚
第 32 卷 第 10 期 2010 年 5 月
武 汉 理 工 大 学 学 报
JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
DO I :10. 3963/ j. issn. 167124431. 2010. 10. 039
穿墙雷达目标定位新方法
Vol. 32 No. 10 May. 2010