本發(fā)明涉及穿墻雷達跟蹤墻后動目標(biāo)領(lǐng)域，具體還涉及一種用于提升擴頻穿墻雷達跟蹤動目標(biāo)精度的雜波抑制方法。

背景技術(shù)：

穿墻雷達成像已經(jīng)廣泛用于災(zāi)難救援、建筑物結(jié)構(gòu)布局測定、反恐、城市巷戰(zhàn)等。越來越多的研究人員關(guān)注這個領(lǐng)域，在其研究過程中，所有人都遇到了直達波和墻壁引起的雜波的幅度太強這一問題，這將導(dǎo)致墻后目標(biāo)的定位和跟蹤產(chǎn)生很大的誤差，因此，非常有必要對其進行抑制和消除處理。

背景波消去法可以將背景雜波徹底的消除干凈，但是在實際中很難獲得背景波。一個原因是，實際測量時不可能讓墻后目標(biāo)消失后測量得到背景波；另一個原因是，就算在允許目標(biāo)消失的實驗室環(huán)境中，雷達裝置的細微移動都將導(dǎo)致同一場景的二次測量時的回波的幅度相位產(chǎn)生巨大的變化，以致于無法徹底的將背景波消除掉。空域濾波法和SAR差分法都需要在很低的工作頻率下墻參數(shù)保持恒定且均勻，此外，由于兩種方法都會作用到目標(biāo)域上，因此目標(biāo)的點擴展函數(shù)受損嚴(yán)重，需要額外的處理進行補償。統(tǒng)計方法(包含獨立成分分析法、因子分析法、奇異值分解法和主成分分析法)雖然有更低的計算復(fù)雜性，但是在分析計算前需要提前獲得墻后的目標(biāo)數(shù)量和用于多目標(biāo)的子閾值。交叉極化方法利用雷達系統(tǒng)的交叉極化可以獲得非常顯著的雜波消除效果，但是典型的寬帶天線不可能從傾斜的方位角獲得來自于目標(biāo)的純粹的交叉極化信號。上述方法都是基于步進頻率穿墻雷達和脈沖雷達進行研究的，而基于擴頻穿墻雷達的雜波抑制方法則相對較少。

和其他穿墻雷達相比，擴頻穿墻雷達具有非常強大的抗噪能力、低截獲率、高空間分辨率、工程實踐容易以及信號到達時間估計容易且準(zhǔn)確等諸多優(yōu)點，因此研究擴頻穿墻雷達的目標(biāo)定位跟蹤，尤其是反恐的情況下，是十分有必要的。

由于擴頻穿墻雷達發(fā)射的是一種連續(xù)波，因此幅度遠大于目標(biāo)回波的直達波和墻壁引起的雜波會存在于整個時域信號的接收過程中，這導(dǎo)致目標(biāo)很難被檢測出來。此外，雜波和目標(biāo)回波之間存在的如此之大的幅度值差異會要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲器具有非常高的位數(shù)，進而導(dǎo)致成本的大幅度增加。即使在進行解擴和相關(guān)處理后，可以將雜波與目標(biāo)信息分離，但是其對應(yīng)的相關(guān)峰仍然遠大于目標(biāo)對應(yīng)的相關(guān)峰，這仍然給目標(biāo)的檢測帶來了很大的困難，給存儲器位數(shù)提出了很高的要求。目前，幾乎所有研究人員在采用擴頻穿墻雷達進行動目標(biāo)跟蹤時都使用指數(shù)平均背景消去法，因為該方法操作非常簡單，計算復(fù)雜性很低以及抑制雜波效果非常穩(wěn)健。但是，該方法的指數(shù)平均處理也會作用到目標(biāo)信息上，因此需要額外的補償處理去修補其點擴展函數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于提升擴頻穿墻雷達跟蹤動目標(biāo)精度的雜波抑制方法，該方法可以有效的提升擴頻穿墻雷達動目標(biāo)跟蹤精度，即使目標(biāo)偶爾的靜止依然可以跟蹤到，且該方法可以極大的提升墻后動目標(biāo)跟蹤成像的精度。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，用于提升擴頻穿墻雷達跟蹤動目標(biāo)精度的雜波抑制方法，具體步驟如下：

S100、擴頻穿墻雷達的一發(fā)、兩收天線平行于墻壁擺放，發(fā)射天線發(fā)射擴頻連續(xù)波信號，兩個接收天線同時接收回波信息；

S200、接收天線接收到一個周期的時域回波信號R(n)后，采用波形重建處理模塊重建出第一個重建波形P₁(n)，將P₁(n)從R(n)中消去，獲得去除直達波后的回波信息R₁(n)；

S300、基于回波信息R₁(n)，繼續(xù)采用波形重建處理模塊重建出第二個重建波形P₂(n)，將P₂(n)從R₁(n)中消去，獲得去除直達波和墻壁一次反射波后的回波信息R₂(n)；

S400、重復(fù)步驟S300，分別重建出波形P₃(n)和P₄(n)并從回波中消除掉，進而獲得已經(jīng)消除直達波、墻壁的一次反射波、墻壁的二次反射波和三次反射波后的回波信息R₄(n)；

S500、將回波信息R₄(n)經(jīng)過解擴和相關(guān)算法處理后，獲得強雜波消除后的相關(guān)域信息X_m(n)。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟S100中，擴頻穿墻雷達發(fā)射一組擴頻信號，其表達式為式(1)；

式(1)：

S(t)＝M(t)sin(2πf₀t)

其中：M(t)為具有1023個碼片的M序列碼；f₀為載波的中心頻率；M序列碼是一個以1023個碼片為周期的偽隨機連續(xù)波信號；由于f₀是M碼的碼片頻率的整數(shù)倍，因此信號S(t)也是一個以1023個碼片為周期的周期信號。

步驟S200中重建波形處理模塊的具體步驟如下：

S201、已接收到的時域回波信息R(n)經(jīng)過解擴和相關(guān)算法處理后，獲得其相應(yīng)的相關(guān)域信息X(n)；

S202、依據(jù)X(n)中最大峰值位置計算參數(shù)b₀的初步值；

S203、根據(jù)參數(shù)b、幅度A和發(fā)射波形的公式建立一組重建波形Rw(n)；

S204、將重建波形Rw(n)從接收回波R(n)中消去，并計算剩余信號的能量；

S205、如果剩余信號的能量沒有達到最低，則自適應(yīng)的調(diào)整參數(shù)z和幅度A后，重復(fù)步驟S203、S204，直到剩余信號的能量達到最低為止；

S206、根據(jù)此時的參數(shù)z和幅度A，重建出一組與接收回波R(n)中最強雜波非常接近的重建波形P(n)。

步驟S201中的解擴和相關(guān)處理：雷達接收到時域回波R(t)后，分為I路和Q路，分別與中心頻率為f₀的余弦波和正弦波進行相乘從而完成解擴處理；FFT處理后與本地M序列碼的FFT的共軛相乘后，進行逆FFT處理，然后將其實部和虛部的平方和的開方，獲得相關(guān)域信息X(k)；變量k是其在相關(guān)域的索引，通過檢測X(k)的峰值位置，信號的到達時間TOA可以表示成式(2)；

式(2)：

TOA＝(k_T-k_D)×Δt+d/c

其中：k_T是對應(yīng)于相關(guān)域中峰值的索引值；k_D是對應(yīng)于相關(guān)域中直達波相關(guān)峰峰值的索引值；Δt是采樣間隔；d是接收天線和發(fā)射天線之間的距離；c是光速。

步驟202中，根據(jù)相關(guān)域中最大峰值位置通過式(3)計算參數(shù)b₀的初始值；

式(3)：

b₀＝PP×Δt

其中：^PP是相關(guān)域的峰值位置。

步驟203中，根據(jù)參數(shù)b₀的初始值、參數(shù)A的初始值和式(4)重建一組初始波形Rw(n)。

式(4)：

Rw(n)＝A×S(n)；{n|T_M-b₀≤n≤2T_M-b₀}

其中：A是個在0到1區(qū)間的任意數(shù)，T_M是M序列的周期長。

步驟S204中，將Rw(n)從R(n)中消掉，通過||R(n)-Rw(n)||²計算剩余信號的能量。

步驟S205中，如果剩余信號的能量沒有達到最低，則調(diào)整參數(shù)z和幅度參數(shù)A得到新的重建波形，如式(5)所示；

式(5)：

Rw(n)＝A×S(n)；{n|T_M-(PP×Δt+z)≤n≤2T_M-(PP×Δt+z)}

其中：z是另一個在-10Δt到10Δt區(qū)間內(nèi)的未知數(shù)；

將重建波形從R(n)中消掉，計算剩余信號能量，如果沒有達到最低，則繼續(xù)調(diào)整參數(shù)z和幅度參數(shù)A，直到剩余信號能量達到最低為止。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明為用于去除直達波和墻體引起的雜波的雜波抑制方法，可以用于提升擴頻穿墻雷達定位動目標(biāo)精度；由于該方法的雜波抑制處理不會作用到目標(biāo)域，因此當(dāng)動目標(biāo)靜止片刻時依然能夠檢出動目標(biāo)。該方法對于ADC的需求極低且具有非常強的抗噪能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于提升擴頻穿墻雷達跟蹤動目標(biāo)精度的雜波抑制方法的流程示意圖；

圖2為一個擴頻穿墻雷達進行動目標(biāo)跟蹤成像的實例；

圖3-1一組來自于接收天線R1的時域信號轉(zhuǎn)變成的相關(guān)域信號；

圖3-2對圖3-1進行放大顯示后得到的圖；

圖3-3經(jīng)本發(fā)明提出的雜波抑制方法處理后得到的相關(guān)域信號；

圖3-4經(jīng)指數(shù)平均法抑制雜波后得到的相關(guān)域信號；

圖4-1接收天線R1獲得全部信號；

圖4-2接收天線R1獲得的全部信號經(jīng)過AEABS方法雜波消除后的信號；

圖4-3接收天線R1獲得的全部信號經(jīng)過本發(fā)明方法雜波消除后的信號；

圖4-4兩種去除雜波方法抑制雜波后獲得的時延比較；

圖5-1基于AEABS方法獲得動目標(biāo)跟蹤的成像結(jié)果；

圖5-2基于本發(fā)明方法獲得動目標(biāo)跟蹤的成像結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明用于提升擴頻穿墻雷達跟蹤動目標(biāo)精度的雜波抑制方法，如圖1所示，具體步驟如下：

S100、擴頻穿墻雷達的一發(fā)、兩收天線平行于墻壁擺放，發(fā)射天線發(fā)射擴頻連續(xù)波信號，兩個接收天線同時接收回波信息；

步驟S100中，擴頻穿墻雷達發(fā)射一組擴頻信號，其表達式為式(1)；

式(1)：

S(t)＝M(t)sin(2πf₀t)

其中：M(t)為具有1023個碼片的M序列碼；f₀為載波的中心頻率；M序列碼是一個以1023個碼片為周期的偽隨機連續(xù)波信號；由于f₀是M碼的碼片頻率的整數(shù)倍，因此信號S(t)也是一個以1023個碼片為周期的周期信號；

S200、接收天線接收到一個周期的時域回波信號R(n)后，采用波形重建處理模塊重建出第一個重建波形P₁(n)，將P₁(n)從R(n)中消去，獲得去除直達波后的時域回波信息R₁(n)；

重建波形處理模塊的具體步驟如下：

S201、時域回波信息R(n)經(jīng)過解擴和相關(guān)處理后，獲得其相應(yīng)的相關(guān)域信息X(n)；

解擴和相關(guān)處理：雷達接收到時域回波R(t)后，分為I路和Q路，分別與中心頻率為f₀的余弦波和正弦波進行相乘從而完成解擴處理；FFT處理后與本地M序列碼的FFT的共軛相乘后，進行逆FFT處理，然后將其實部和虛部的平方和的開方，獲得相關(guān)域信息X(k)；

變量k是其在相關(guān)域的索引，通過檢測X(k)的峰值位置，信號的到達時間TOA表示成式(2)；

式(2)：

TOA＝(k_T-k_D)×Δt+d/c

其中：k_T是對應(yīng)于相關(guān)域中峰值的索引值；k_D是對應(yīng)于相關(guān)域中直達波相關(guān)峰峰值的索引值；Δt是采樣間隔；d是接收天線和發(fā)射天線之間的距離；c是光速；

S202、依據(jù)X(n)中最大峰值位置計算參數(shù)b₀的初步值；

根據(jù)相關(guān)域中最大峰值位置通過式(3)計算參數(shù)b₀的初始值；

式(3)：

b₀＝PP×Δt

其中：^PP是相關(guān)域的峰值位置；

S203、根據(jù)參數(shù)b、幅度A和發(fā)射波形的公式建立一組重建波形Rw(n)；

根據(jù)參數(shù)b₀的初始值、參數(shù)A的初始值和式(4)重建一組初始波形Rw(n)；

式(4)：

Rw(n)＝A×S(n)；{n|T_M-b₀≤n≤2T_M-b₀}

其中：A是個在0到1區(qū)間的任意數(shù)，T_M是M序列的周期長；

S204、將重建波形Rw(n)從接收回波R(n)中消去，通過||R(n)-Rw(n)||²計算剩余信號的能量；

S205、如果剩余信號的能量沒有達到最低，則自適應(yīng)的調(diào)整參數(shù)z和幅度A后，重復(fù)步驟S203、S204，直到剩余信號的能量達到最低為止；

如果剩余信號的能量沒有達到最低，則調(diào)整參數(shù)z和幅度參數(shù)A得到新的重建波形，如式(5)所示；

式(5)：

Rw(n)＝A×S(n)；{n|T_M-(PP×Δt+z)≤n≤2T_M-(PP×Δt+z)}

其中：z是另一個在-10Δt到10Δt區(qū)間內(nèi)的未知數(shù)；

將重建波形從R(n)中消掉，計算剩余信號能量，如果沒有達到最低，則繼續(xù)調(diào)整參數(shù)z和幅度參數(shù)A，直到剩余信號能量達到最低為止；

S206、根據(jù)此時的參數(shù)z和幅度A，即可重建出一組與接收回波R(n)中最強雜波非常接近的重建波形P(n)；

S300、基于回波信息R₁(n)，繼續(xù)采用波形重建處理模塊重建出第二個重建波形P₂(n)，將P₂(n)從R₁(n)中消去，獲得去除直達波和墻壁一次反射波后的回波信息R₂(n)；

S400、重復(fù)步驟S300，分別重建出波形P₃(n)和P₄(n)并從回波中消除掉，進而獲得已經(jīng)消除直達波、墻壁的一次反射波、墻壁的二次反射波和三次反射波后的回波信息R₄(n)；

S500、將回波信息R₄(n)經(jīng)過解擴和相關(guān)處理后，獲得強雜波消除后的相關(guān)域信息X_m(n)。

解擴和相關(guān)處理：雷達接收到時域回波R₄(n)后，分為I路和Q路，分別與中心頻率為f₀的余弦波和正弦波進行相乘從而完成解擴處理；FFT處理后與本地M序列碼的FFT的共軛相乘后，進行逆FFT處理，然后將其實部和虛部的平方和的開方，獲得相關(guān)域信息X_m(n)；(參見D.J.R.van Nee and A.J.R.M.Coenen,"New Fast GPS code-acquisition technique using FFT,"Electronics Letters,vol.27,pp.158-160,1991.)

下面通過一個實例證明本發(fā)明方法的效果，如圖2所示。墻后是一個成像區(qū)域5m×5m的正方形區(qū)域。發(fā)射天線位T于(2.5m,-1.2m)，接收天線R1位于(1.5m,-1.2m)，接收天線R2位于(3.5m,-1.2m)。墻后的動目標(biāo)是一個5cm×5cm的金屬塊，它從點A(3.9m,1.7m)勻速移動到點B(1m,1.7m)，停留10秒后，繼續(xù)勻速移動到點C(1m,4.6m)，停留10秒后，繼續(xù)勻速移動到點A。墻壁厚20cm,電導(dǎo)率為0.03，介電常數(shù)為4.5。發(fā)射天線T發(fā)射中心頻率1GHz，帶寬1GHz的擴頻信號。

經(jīng)過解擴和相關(guān)處理后，一組來自于接收天線R1的時域信號R(n)轉(zhuǎn)變成相關(guān)域信號，如圖3-1所示。將其進行放大，即可得到圖3-2。可以看出，直達波和墻壁引起的雜波的幅度值遠大于目標(biāo)的幅度值。目標(biāo)的峰值位置(Peak Position,PP)為793.2。上面的時域信號R(n)經(jīng)過本發(fā)明的雜波消除處理后，雖然有殘余的雜波留下，但是目標(biāo)沒有受到任何影響，PP值依然是793.2，如圖3-3所示。而上面的時域信號R(n)經(jīng)過目前應(yīng)用最廣泛的指數(shù)平均背景波消去法(R.Zetik,S.Crabbe,J.Krajnak,P.Peyerl,J.Sachs,and R."Detection and localization of persons behind obstacles using M-sequence through-the-wall radar,"in Defense and Security Symposium,2006,pp.62010I-62010I-12.)處理后，雖然雜波去除的很干凈，但是目標(biāo)域信息受到嚴(yán)重損害，因此其PP偏離了0.2，如圖3-4所示。所以說，采用本發(fā)明提出的方法可以獲得比AEABS方法更準(zhǔn)確的信號達到時間，且其在雜波抑制時不會作用到目標(biāo)信息域。

圖4-1展示了來自于接收天線R1的全部相關(guān)域信號，可以看出直達波和墻壁雜波很強，目標(biāo)信息完全看不到。圖4-2展示了采用AEABS法進行雜波抑制處理后的全部信號，目標(biāo)信息不太穩(wěn)健。圖4-3展示了采用發(fā)明提出的方法進行雜波抑制處理后的全部信號，目標(biāo)信息很清晰了。將圖4-2和圖4-3中所有的信號到達時間提取后，計算出相應(yīng)的時延，如圖4-4所示。雖然從表面上看，兩種方法獲得的時延有細微的誤差，但這將導(dǎo)致動目標(biāo)的跟蹤成像結(jié)果有很大的不同。

圖5-1展示了基于AEABS法進行雜波抑制處理后的全部信號的動目標(biāo)跟蹤成像結(jié)果，可以看出，其定位誤差非常大。

圖5-2展示了基于本發(fā)明公開的方法法進行雜波抑制處理后的全部信號的動目標(biāo)跟蹤成像結(jié)果，可以看出，目標(biāo)的運動軌跡被準(zhǔn)確的跟蹤出來，其定位誤差較小，其總的定位精度遠高于AEABS法產(chǎn)生的定位精度。

因此可以得出這樣的結(jié)論：和目前應(yīng)用最普遍的AEABS方法相比，本發(fā)明方法可以非常有效的去除直達波和墻壁雜波，且能保證極高的目標(biāo)跟蹤成像精度。該方法不會作用到目標(biāo)信息域上，可以較為完整的保留目標(biāo)信息。