摘 要：直達(dá)波相對(duì)目標(biāo)回波具有很強(qiáng)的能量，使其對(duì)穿墻探測(cè)雷達(dá)(TWDR)的目標(biāo)回波信號(hào)檢測(cè)造成了嚴(yán)重干擾?？筛鶕?jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)直達(dá)波的強(qiáng)相關(guān)性，基于SVD分解提取參考直達(dá)波，采用自適應(yīng)對(duì)消算法抑制直達(dá)波。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果看出，此方法有效地抑制了直達(dá)波，將回波的信干比(SIR)由-20.402 dB提高到20.479 dB。

關(guān)鍵詞：穿墻探測(cè)雷達(dá)；SVD分解；自適應(yīng)對(duì)消；干擾抑制

中圖分類號(hào)：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0108403

Direct Wave Suppression to Through the Wall Detection Radar

WANG Zhao，KONG Lingjiang，YANG Jianyu

(School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：The direct wave，because of its great energy，has great effect to the detection of the target echo of the TWDR.In terms of the strongly correlation of the direct wave and based on the SVD decomposition to distill the referenced direct wave，we applied the adaptive interference canceling method to remove the direct wave.From the result after disposing，this method can remove the direct wave and increases Singal to Interference Ratio(SIR) effectively.

[JP2]Keywords：through the wall detection radar;SVD decomposition;adaptive interference canceling;interference suppression[JP]

1 引 言

穿墻探測(cè)雷達(dá)(Through the Wall Detection Radar，TWDR)因?yàn)榉纯侄窢?zhēng)、災(zāi)后救援等軍用和民用方面的迫切需要而成為近年來的一個(gè)研究重點(diǎn)。穿墻探測(cè)雷達(dá)通過發(fā)射超寬帶(UBW)電磁波來穿透墻壁、樹叢、隔板等障礙物，并分析接收到的目標(biāo)(人體)回波信號(hào)，對(duì)隱藏在障礙物后的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)并成像^[1，2]。由于穿墻探測(cè)雷達(dá)信號(hào)的超寬帶(UBW) 特性，使得回波信號(hào)非常微弱，常常淹沒在直達(dá)波(天線耦合波，墻壁表面直接反射波)和噪聲中。因而，如何有效去除直達(dá)波，提高信號(hào)的信干比(SIR)成為TWDR信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。 

通過國內(nèi)外很多學(xué)者的研究，目前所提出的主要的直達(dá)波去除方法有對(duì)消法(均值對(duì)消、系統(tǒng)辨別等)，子空間投影法等^[3-6]。其中，子空間投影法計(jì)算量大，不易實(shí)時(shí)處理。而對(duì)消法處理簡單方便，是目前采用最廣泛的直達(dá)波抑制方法。由于在探測(cè)范圍不大的情況下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)表面起伏變化不大，因而各測(cè)點(diǎn)接收信號(hào)中的直達(dá)波具有很強(qiáng)的相關(guān)性，而直達(dá)波與目標(biāo)回波的相關(guān)性相對(duì)較小，則可通過找一路參考直達(dá)波采用自適應(yīng)對(duì)消技術(shù)去除直達(dá)波。本文通過分析TWDR接收信號(hào)的特點(diǎn)，提出了一種基于最小方差準(zhǔn)則(LMS)的自適應(yīng)直達(dá)波對(duì)消法，并應(yīng)用于穿墻探測(cè)雷達(dá)中。

2 信號(hào)模型

TWDR的接收信號(hào)可以近似認(rèn)為是由公式(1)所示的幾部分信號(hào)線性疊加而成，即:

其中n(t)表示測(cè)量以及系統(tǒng)引起的隨機(jī)噪聲，直達(dá)波d(t)=b(t)+c(t)，b(t)，c(t)，分別表示墻壁表面反射與天線耦合波。因此TWDR接收信號(hào)可簡化為：

而如果從系統(tǒng)角度考慮，TWDR信號(hào)模型可以表示為：

其中hd(t)，hm(t)分別表示直達(dá)波和目標(biāo)沖擊響應(yīng)函數(shù)，fs(t)表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)。

由TWDR信號(hào)模型可以看出，直達(dá)波的去除可采用對(duì)消法估計(jì)出各測(cè)點(diǎn)的直達(dá)波di(t)，然后從接收信號(hào)中減去。對(duì)消法去除直達(dá)波的核心在于如何有效地估計(jì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的直達(dá)波信號(hào)。在測(cè)量范圍不是很大，探測(cè)表面比較平穩(wěn)的情況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的直達(dá)波信號(hào)具有很強(qiáng)的相關(guān)性(近似相同)，因而找到一路直達(dá)波信號(hào)(不含目標(biāo)信號(hào))，以此為基礎(chǔ)估計(jì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的直達(dá)波信號(hào)并與接收信號(hào)相抵消是一種主要的直達(dá)波去除方法。

平均對(duì)消法是一種常采用的對(duì)消法，其核心思想是散射信號(hào)si(t)只在目標(biāo)(人體)的正前方幾個(gè)掃描點(diǎn)較強(qiáng)，在遠(yuǎn)離目標(biāo)的掃描點(diǎn)上強(qiáng)度快速下降，而直達(dá)波di(t)在各個(gè)點(diǎn)上的強(qiáng)度近似相同，因此獲取多個(gè)測(cè)點(diǎn)回波數(shù)據(jù)求平均可得到參考直達(dá)波信號(hào)d(t)(只含有少量的目標(biāo)回波信息)：

平均對(duì)消法就是將d(t)直接與各個(gè)測(cè)點(diǎn)的接收信號(hào)wi(t)相減，從而達(dá)到對(duì)直達(dá)波的抑制。此算法的優(yōu)點(diǎn)在于簡單且處理快速，但缺點(diǎn)在于不能適應(yīng)不同測(cè)點(diǎn)直達(dá)波信號(hào)的變化，比如：墻壁表面起伏引起的直達(dá)波幅度及時(shí)延的變化，此情況下直達(dá)波的殘留成分可能對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的檢測(cè)造成很大的干擾。

由式(2)可見每個(gè)測(cè)點(diǎn)的直達(dá)波信號(hào)可近似看作發(fā)射信號(hào)經(jīng)過線形系統(tǒng)hid(t)產(chǎn)生的，但是各個(gè)測(cè)點(diǎn)的表面差異以及系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的hid(t)是隨機(jī)變化的。因此各個(gè)測(cè)點(diǎn)接收信號(hào)可以近似地看作一隨機(jī)過程，且在實(shí)際測(cè)量中直達(dá)波和回波的先驗(yàn)知識(shí)很難得到，所以固定濾波器無法滿足要求。自適應(yīng)濾波器具有自動(dòng)調(diào)整自身參數(shù)的能力，其設(shè)計(jì)可不需要直達(dá)波和目標(biāo)回波的先驗(yàn)知識(shí)，適合于TWDR測(cè)量處理。本文提出一種由參考直達(dá)波d(n)作為輸入，各個(gè)測(cè)點(diǎn)接收信號(hào)wi(n)作為期望輸出的自適應(yīng)對(duì)消去除直達(dá)波的方法。

3 自適應(yīng)濾波去除直達(dá)波

自適應(yīng)濾波去除直達(dá)波的原理是通過一路與各個(gè)測(cè)點(diǎn)接收信號(hào)中的直達(dá)波強(qiáng)相關(guān)而與目標(biāo)回波信號(hào)弱相關(guān)的參考輸入信號(hào)，通過自適應(yīng)算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)字濾波器的參數(shù)使得參考信號(hào)經(jīng)過濾波后很好地與各個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)中的直達(dá)波成分相對(duì)消。其模型如圖1所示(未考慮隨機(jī)噪聲)。

自適應(yīng)濾波其參考輸入信號(hào)一般選取一路不含目標(biāo)回波信息的信號(hào)(近似為直達(dá)波信號(hào))，由于各個(gè)測(cè)點(diǎn)的直達(dá)波信號(hào)具有很強(qiáng)的相關(guān)性，而直達(dá)波與目標(biāo)回波的相關(guān)性相比之下要小很多，這樣各個(gè)測(cè)點(diǎn)直達(dá)波成分就能很好地抵消，同時(shí)目標(biāo)信息得以保留。

由算法模型可知，此LMS橫向自適應(yīng)濾波器的輸入為參考直達(dá)波，因而參考直達(dá)波的選取就成為影響處理效果的關(guān)鍵因素之一。本文采用了基于奇異值分解(SVD)的直達(dá)波參考信號(hào)提取方法。

4 直達(dá)波信號(hào)提取

TWDR測(cè)量過程中是一個(gè)線測(cè)一個(gè)線測(cè)進(jìn)行的，將每個(gè)線測(cè)作為一個(gè)處理單元，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的接收信號(hào)wi

回波數(shù)據(jù)矩陣可以表示[WTHX]W[WTBX]=[WTHX]N[WTBX]+[WTHX]D，[WTBX]其中[WTHX]D[WTBX]為直達(dá)波信號(hào)矩陣，[WTHX]N[WTBX]為包含目標(biāo)信號(hào)、噪聲、雜波等弱信號(hào)矩陣。由于在各個(gè)測(cè)點(diǎn)直達(dá)波信號(hào)變化不是很大，具有很強(qiáng)的相關(guān)性，秩為1(理想情況下可以認(rèn)為各個(gè)測(cè)點(diǎn)直達(dá)波相同)，而弱信號(hào)矩陣可以認(rèn)為在各個(gè)測(cè)點(diǎn)隨機(jī)分布，近似認(rèn)為是隨機(jī)噪聲，秩為M。

當(dāng)l=1時(shí)，即[WTHX]W(1)=σ1[WTHX]w[WTBX]1為矩陣的最近秩1矩陣，由于直達(dá)波能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波以及隨機(jī)噪聲、雜波等，所以在[WTHX]W[WTBX]中[WTHX]D[WTBX]占有主導(dǎo)地位，且秩為1。因而[WTHX]W[WTBX](1)中包含[WTHX]D[WTBX]的絕大部分信息，而含有少量的目標(biāo)回波、隨機(jī)噪聲信息，可任意選取[WTHX]W[WTBX](1)的一列向量作為參考直達(dá)波信號(hào)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

[JP2]實(shí)驗(yàn)中采用步進(jìn)變頻雷達(dá)，雷達(dá)中心頻率為1.5 GHz，帶寬B=1 G，頻率步進(jìn)Δf=5 MHz，點(diǎn)數(shù)N=201，目標(biāo)人體垂直站立離墻1.5 m，空間采樣間隔為10 cm，房間尺寸3 m×4 m，共采集了30組數(shù)據(jù)。LMS橫向?yàn)V波器的階數(shù)M=6，增益常數(shù)μ=0.001，圖2中為采集的一組原始數(shù)據(jù)，圖3~圖5分別是采用不同的算法進(jìn)行直達(dá)波抑制處理后的效果。由計(jì)算可得，采用平均對(duì)消算法直達(dá)波抑制了46.052 dB， 采用LMS自適應(yīng)對(duì)消算法直達(dá)波抑制了56.348 dB。可見自適應(yīng)對(duì)消算法的效果更加理想。用自適應(yīng)對(duì)消算法雖然對(duì)目標(biāo)回波也帶來了一定的損失，但信干比卻由處理前的SIR=-20.402 dB提高到SIR=20.794 dB。[JP]

6 結(jié) 語

本文研究了TWDR接受信號(hào)的直達(dá)波抑制方法。采用了LMS自適應(yīng)對(duì)消算法，其中的參考直達(dá)波是基于SVD分解方法來提取的。LMS自適應(yīng)算法的優(yōu)點(diǎn)在于他能動(dòng)態(tài)地跟蹤各個(gè)測(cè)點(diǎn)直達(dá)波信號(hào)幅度與時(shí)延的變化，可以有效抑制探測(cè)表面起伏變化過快而引起的直達(dá)波局部畸變。在穿墻人體探測(cè)中，如果墻壁表面起伏變化較快的情況下，此算法在與平均對(duì)消算法比較時(shí)，效果更優(yōu)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Falconer D G，F(xiàn)icklin R W，KonoligeK G.Robot-Mounted Through-wall Radar for Detecing，Locating，and Identifing Building Occupants [Z].2000 IEEE International Conference on Robtics Automation，San Francisco，2000.

［2］Nag S，F(xiàn)luhler H，Barnes M P.Reliminary inter-ferometric Images of Moving Targets Obtained Using a Time-modulated Ultra-wide Band Through-wall Penetration Radar [Z].2001 IEEE Radar Conference，Atlanta，2001.

［3］許德剛，朱子平，洪一.自適應(yīng)濾波在無源探測(cè)中對(duì)雜波抑制的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2006，28(2):202-204.

［4］肖艷軍，李建勛.基于小波變換的信號(hào)濾波在探地雷達(dá)中的應(yīng)用[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21(1):140-145.

［5］Ho K C， Paul D Gader.A Linear Predicition Land Mine Detection Algorithm for Hand Held Ground Penetrating Radar [J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2002，40(6):1 374-1 384.

［6］Andress Jostingmeier，Omar A.S.Clutter Removal for Landmine using Different Signal Processing [Z].2004 Tenth International Conference on Ground Penetrating Dadar，delft，2004.

［7］A.Van der Merwe，Gutpa I J.A Novel Signal Processing Technique for Clutter Reduction in GPR Measurements of Small Shallow Landmines[J].IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.，2000，38(6):2 627-2 637.



作者簡介

王 昭 男，1980年出生，四川岳池縣人，在讀碩士研究生。主要從事信號(hào)獲取與探測(cè)方面的工作。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>