一種穿墻雷達(dá)成像后多目標(biāo)跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及穿墻雷達(dá)技術(shù)，特別涉及穿墻雷達(dá)的多目標(biāo)檢測跟蹤技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 穿墻雷達(dá)是利用發(fā)射特定頻段的電磁波穿透建筑物，接收建筑物后人體等目標(biāo)的 散射回波數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對隱蔽目標(biāo)成像檢測跟蹤的特種裝備，近年來已經(jīng)在反恐、巷戰(zhàn)、災(zāi)難救 援等軍事及民用方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于建筑墻體會改變雷達(dá)所發(fā)射電磁波的傳 播路徑及速度，其引起的回波時延誤差，會造成成像后目標(biāo)圖像散焦、位置偏移和多徑幻象 等。上述目標(biāo)圖像在后續(xù)的檢測跟蹤算法中會進(jìn)一步影響目標(biāo)提取以及目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。此 外，墻體后運(yùn)動目標(biāo)的高機(jī)動性會導(dǎo)致跟蹤性能下降。因此，實(shí)際應(yīng)用中，從目標(biāo)圖像中準(zhǔn) 確提取目標(biāo)位置信息、提高目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)正確率、跟蹤算法適配高機(jī)動目標(biāo)是穿墻雷達(dá)成 像后跟蹤中的關(guān)鍵問題。
[0003] 對于穿墻雷達(dá)隱蔽目標(biāo)檢測跟蹤的研宄，國內(nèi)外研宄機(jī)構(gòu)已提出諸多解決方法。 例如，通過最小均方誤差和低復(fù)雜度非線性兩步跟蹤濾波器來得到更加平滑的航跡；利用 a濾波及卡爾曼濾波來對直線運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。但是這些方法目標(biāo)運(yùn)動模型都較為 簡單，沒有考慮目標(biāo)的高機(jī)動性問題。另外，檢測定位算法獲取目標(biāo)位置一般采用橢圓交叉 定位方法，這種方法下目標(biāo)位置精度很大程度上依賴于天線的數(shù)量及其擺放位置。文獻(xiàn)"A new measurement method for through-the-wall detection and tracking of moving targets. Measurement, vol. 46, pp. 1834-1848, 2013. " 中用到了成像后跟蹤的思想，但是成 像算法運(yùn)算復(fù)雜度較高，跟蹤算法較為簡單，不適合實(shí)際應(yīng)用。從公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料來 看，目前還沒有快速實(shí)時地實(shí)現(xiàn)成像后對墻體后多個高機(jī)動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的方法。因此，研 宄一種可實(shí)時的多目標(biāo)成像后跟蹤算法在穿墻雷達(dá)目標(biāo)檢測跟蹤中具有重要的實(shí)際應(yīng)用 價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)時性好的，適用于穿墻雷達(dá) 的多目標(biāo)成像后跟蹤方法。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，一種穿墻雷達(dá)成像后多目標(biāo)跟 蹤方法，包括以下步驟：
[0006] 天線設(shè)置步驟：在墻體的同一水平線上設(shè)置多發(fā)多收MM0天線陣列對墻體后運(yùn) 動目標(biāo)進(jìn)行探測；
[0007] 快速成像步驟：根據(jù)探測場景的墻體厚度以及介電常數(shù)以及線纜長度得到一對發(fā) 射與接收天線的聚焦延遲補(bǔ)償值，利用聚焦延遲補(bǔ)償值對探測區(qū)域運(yùn)用后向投影方法獲得 墻體傳播延遲補(bǔ)償下的圖像；
[0008] 成像優(yōu)化步驟：采用二維低通濾波器去除墻體傳播延遲補(bǔ)償下的圖像中的高頻噪 點(diǎn)；再對圖像中每一個像素點(diǎn)進(jìn)行圖像腐蝕操作，最后通過固定門限值去除腐蝕后圖像的 虛假目標(biāo)；
[0009] 目標(biāo)提取步驟：將大于固定門限的腐蝕后圖像的像素點(diǎn)的位置集合作為當(dāng)前時刻 的量測集合，量測集合中每一個像素點(diǎn)為一個量測，像素值大小作為量測的幅度信息；
[0010] 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)步驟：利用結(jié)合了幅度信息的最近領(lǐng)域數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法計(jì)算量測與目標(biāo)的互 聯(lián)概率ij，i表示量測集合中第i個量測，j表示第j個目標(biāo)；計(jì)算完量測i與各目標(biāo)j的 互聯(lián)概率后，對于每一個目標(biāo)，取在該目標(biāo)下互聯(lián)概率u最大的量測進(jìn)入下一個步 驟；
[0011] 預(yù)測與更新步驟：輸入與目標(biāo)關(guān)聯(lián)上的量測，利用交互式多模型濾波器對各目標(biāo) 狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測與更新操作以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤，所述交互式多模型濾波器模型包括勻速運(yùn)動模 型與協(xié)同轉(zhuǎn)彎模型。
[0012] 本發(fā)明提供適用于穿墻雷達(dá)成像的多目標(biāo)跟蹤算法，算法能在一定允許誤差內(nèi)快 速成像，得到較高質(zhì)量成像結(jié)果；基于二維低通濾波及圖像腐蝕的目標(biāo)定位算法能有效地 提取量測位置信息以及幅度信息；最后利用最近領(lǐng)域數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行目標(biāo)。同時，交互式 多模型的跟蹤算法充分考慮到了目標(biāo)的高機(jī)動性，目標(biāo)跟蹤精度高。
[0013] 更進(jìn)一步的，結(jié)合量測幅度信息的最近領(lǐng)域數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法可提高目標(biāo)關(guān)聯(lián)正確 率，引入幅度似然比計(jì)算量測與目標(biāo)的互聯(lián)概率e ij:
[0015] mk是第k時刻落入波門內(nèi)量測的數(shù)量，M是第k時刻目標(biāo)的個數(shù)，入^表示量測i 來自于目標(biāo)j的幅度似然比，eu表示量測i與目標(biāo)j互聯(lián)的有效似然函數(shù)，b是當(dāng)跟蹤波 門內(nèi)沒有量測時的概率。
[0016] 更進(jìn)一步的，針對穿墻雷達(dá)目標(biāo)跟蹤的情況，提出多模型濾波器設(shè)置為7個，6個 協(xié)同轉(zhuǎn)彎模型濾波器，1個勻速運(yùn)動模型濾波器；
[0017] 其中，協(xié)同轉(zhuǎn)彎模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為
不 同協(xié)同轉(zhuǎn)彎模型區(qū)別在于轉(zhuǎn)彎速率W分別為
，T為信號周期，勻 速運(yùn)動模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為
[0018] 本發(fā)明的有益效果是，實(shí)時性好，跟蹤精度高的優(yōu)勢，可以直接應(yīng)用到穿墻雷達(dá)裝 備中。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明流程圖；
[0020] 圖2為實(shí)驗(yàn)場景及天線擺放圖；
[0021] 圖3為交互式多模型算法流程圖；
[0022] 圖4為快速成像結(jié)果圖；
[0023] 圖5為二維低通濾波結(jié)果圖；
[0024] 圖6為目標(biāo)提取結(jié)果圖；
[0025] 圖7為算法跟蹤結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 流程如圖1所示：
[0027] 步驟1 :天線設(shè)置步驟
[0028] 穿墻雷達(dá)利用設(shè)置在同一水平線上多發(fā)多收MM0天線陣列對一層墻體后運(yùn)動目 標(biāo)進(jìn)行探測，實(shí)際操作時綜合考慮精度與代價(jià)靈活設(shè)置天線個數(shù)。
[0029] 步驟2:快速成像步驟
[0030] 根據(jù)探測場景的墻體厚度d以及介電常數(shù)e以及線纜長度，得到第m個發(fā)射天線 發(fā)射信號第n個接收天線接收信號時的天線聚焦延遲補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)值T '_，!!!= 1，2, ...，Mt， n = 1，2,. . .，Nk，且吣和N K分別是接收及發(fā)射天線個數(shù)，則第n個接收天線接收的第m個 發(fā)射天線發(fā)射的回波信號Ymn(t)為：
[0032] 其中st (t)是所發(fā)射的步進(jìn)頻信號，為傳播延遲，可表示為
[0034] 7二(vw是像素點(diǎn)（xp，yp)到第m個發(fā)射天線的電磁波傳播距離與像素點(diǎn)（x p，yp) 到第n個接收天線的電磁波傳播距離之和，c為光速。根據(jù)現(xiàn)有的后向投影成像算法則有：
[0036]對成像區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)進(jìn)行上述操作即可得到圖像I (X，Y)，X，Y是圖像橫縱坐 標(biāo)索引矩陣。
[0037] 步驟3 :目標(biāo)提取步驟
[0038] 步驟3-1 :對后向投影成像后的圖像I(X，Y)分別進(jìn)行二維低通濾波以抑制高 頻雜波，二維低通濾波器的距離向截止頻率
為距離向理論分 辨率，取決于雷達(dá)帶寬B，31為圓周率，Ar'為距離向計(jì)算分辨率，取決于圖像分辨率， 這里設(shè)定為
3同樣，方位向截止頻率
，Ar'。為方位向計(jì)算分辨 率，取決于圖像分辨率，這里設(shè)定為Ar' e=Ar'，
，為方位向理論分辨率， 其中A為天線波長，D是天線孔徑，Ay為成像區(qū)域長度。從距離向及方位向截止頻率 可得二維低通FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)矩陣為Hlpf(X，Y)，則有二維低通濾波結(jié)果后輸出
，其中?表示二維卷積符號。
[0039] 步驟3-2:估計(jì)目標(biāo)在圖像方位向與距離向所占據(jù)的像素點(diǎn)個數(shù)，并設(shè)置圖像腐 蝕操作中的結(jié)構(gòu)元素Sp
[0040] 步驟3-3:進(jìn)行圖像腐蝕操作，設(shè)置門限T對通過二維橢圓低通濾波器的圖像 I a(X，Y)進(jìn)行二值化處理，得到二值化圖像F(X，Y)，其連通域設(shè)為A，結(jié)構(gòu)元素為上面步驟 3-2所得到S e，當(dāng)一個結(jié)構(gòu)元素Se的原點(diǎn)移到點(diǎn)（x，y)處時，我們將其記作元素Sxy。此時 圖像A被結(jié)構(gòu)元素SJI蝕的運(yùn)算可表示如下：
，其操作過程是當(dāng) 結(jié)構(gòu)元素Se原點(diǎn)移動到點(diǎn)（x，y)位置，如果Se完全含在A中，則在腐蝕后的圖像上該點(diǎn)為 1，否則為0。最后輸出結(jié)果Ie= Ia*E，其中?表示元素逐個相乘。
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