一種穿墻雷達成像后多目標跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及穿墻雷達技術(shù)，特別涉及穿墻雷達的多目標檢測跟蹤技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 穿墻雷達是利用發(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的 散射回波數(shù)據(jù)實現(xiàn)對隱蔽目標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，會造成成像后目標圖像散焦、位置偏移和多徑幻象 等。上述目標圖像在后續(xù)的檢測跟蹤算法中會進一步影響目標提取以及目標數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。此 外，墻體后運動目標的高機動性會導(dǎo)致跟蹤性能下降。因此，實際應(yīng)用中，從目標圖像中準 確提取目標位置信息、提高目標數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)正確率、跟蹤算法適配高機動目標是穿墻雷達成 像后跟蹤中的關(guān)鍵問題。
[0003] 對于穿墻雷達隱蔽目標檢測跟蹤的研宄，國內(nèi)外研宄機構(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動目標進行跟蹤。但是這些方法目標運動模型都較為 簡單，沒有考慮目標的高機動性問題。另外，檢測定位算法獲取目標位置一般采用橢圓交叉 定位方法，這種方法下目標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"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 像算法運算復(fù)雜度較高，跟蹤算法較為簡單，不適合實際應(yīng)用。從公開發(fā)表的文獻資料來 看，目前還沒有快速實時地實現(xiàn)成像后對墻體后多個高機動目標進行跟蹤的方法。因此，研 宄一種可實時的多目標成像后跟蹤算法在穿墻雷達目標檢測跟蹤中具有重要的實際應(yīng)用 價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種實用性強，實時性好的，適用于穿墻雷達 的多目標成像后跟蹤方法。
[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，一種穿墻雷達成像后多目標跟 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 動目標進行探測；
[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償值，利用聚焦延遲補償值對探測區(qū)域運用后向投影方法獲得 墻體傳播延遲補償下的圖像；
[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償下的圖像中的高頻噪 點；再對圖像中每一個像素點進行圖像腐蝕操作，最后通過固定門限值去除腐蝕后圖像的 虛假目標；
[0009] 目標提取步驟：將大于固定門限的腐蝕后圖像的像素點的位置集合作為當(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)法計算量測與目標的互 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；計算完量測i與各目標j的 互聯(lián)概率后，對于每一個目標，取在該目標下互聯(lián)概率u最大的量測進入下一個步 驟；
[0011] 預(yù)測與更新步驟：輸入與目標關(guān)聯(lián)上的量測，利用交互式多模型濾波器對各目標 狀態(tài)進行預(yù)測與更新操作以實現(xiàn)目標跟蹤，所述交互式多模型濾波器模型包括勻速運動模 型與協(xié)同轉(zhuǎn)彎模型。
[0012] 本發(fā)明提供適用于穿墻雷達成像的多目標跟蹤算法，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)算法進行目標。同時，交互式 多模型的跟蹤算法充分考慮到了目標的高機動性，目標跟蹤精度高。
[0013] 更進一步的，結(jié)合量測幅度信息的最近領(lǐng)域數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法可提高目標關(guān)聯(lián)正確 率，引入幅度似然比計算量測與目標的互聯(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時刻目標的個數(shù)，入^表示量測i 來自于目標j的幅度似然比，eu表示量測i與目標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] 更進一步的，針對穿墻雷達目標跟蹤的情況，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 速運動模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為
[0018] 本發(fā)明的有益效果是，實時性好，跟蹤精度高的優(yōu)勢，可以直接應(yīng)用到穿墻雷達裝 備中。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明流程圖；
[0020] 圖2為實驗場景及天線擺放圖；
[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為目標提取結(jié)果圖；
[0025] 圖7為算法跟蹤結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[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動目 標進行探測，實際操作時綜合考慮精度與代價靈活設(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償經(jīng)驗值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)射的步進頻信號，為傳播延遲，可表示為
[0034] 7二(vw是像素點（xp，yp)到第m個發(fā)射天線的電磁波傳播距離與像素點（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)所有像素點進行上述操作即可得到圖像I (X，Y)，X，Y是圖像橫縱坐 標索引矩陣。
[0037] 步驟3 :目標提取步驟
[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，取決于雷達帶寬B，31為圓周率，Ar'為距離向計算分辨率，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:估計目標在圖像方位向與距離向所占據(jù)的像素點個數(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的原點移到點（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蝕的運算可表示如下：
，其操作過程是當(dāng) 結(jié)構(gòu)元素Se原點移動到點（x，y)位置，如果Se完全含在A中，則在腐蝕后的圖像上該點為 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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