陳 誠, 劉 濤, 曹來保, 何志華, 黃春琳, 粟 毅

(國防科技大學電子科學學院, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

得益于電磁波對介質(zhì)的穿透能力、非接觸的測量方式和有效獲取目標散射特性的能力,全息穿透雷達(holographic subsurface radar,HSR)已在無損探測領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大潛力。區(qū)別于探地雷達(ground penetrating radar,GPR)與穿墻雷達(through-the-wall radar,TWR),HSR使用的工作頻段更高,能對幾何尺寸更小(厘米級甚至毫米級)的淺埋目標實現(xiàn)高分辨率成像,且系統(tǒng)制作成本更低。然而,現(xiàn)有的HSR成像算法往往對平面介質(zhì)模型適應(yīng)性較好,而對非平整表面介質(zhì)中埋藏目標成像效果欠佳。而又因為其工作頻段較高,實際探測時介質(zhì)表面的較小起伏相對于波長而言,已經(jīng)足夠在成像結(jié)果中形成嚴重雜波干擾,因此研究非平整表面雜波抑制方法是HSR系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

目前,針對HSR穿透非平整表面介質(zhì)成像中雜波干擾的研究相對較少。一種直接的方法是使用與介質(zhì)電磁特性相近的柔性材料將非平整表面填平,再應(yīng)用目前已發(fā)展成熟的算法進行成像處理,但在實際應(yīng)用中獲取相匹配的填充材料較為困難;利用射線追蹤技術(shù),可以在雷達掃描時測量出非平整表面的幾何參數(shù),通過仿真軟件可以估算出表面回波并進行去除,這種方法的局限性在于表面回波測量以及仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)通常存在較大誤差。區(qū)域均值對消法(subdomain mean cancellation,SDMC)將掃描區(qū)域劃分為適量子區(qū)域,對每個子區(qū)域進行均值對消處理,但該方法對表面粗糙度大且起伏無規(guī)律的介質(zhì)的適用性較差。譜域濾波法(spectral domain filtering,SDF)基于雷達回波中目標與介質(zhì)譜域分布特性差異實現(xiàn)雜波抑制,適用于去除錐面、柱面等旋轉(zhuǎn)對稱曲面回波,但如果目標是線狀且沿母線方向分布,會在譜域濾波時對目標譜信息造成大量損失,從而影響成像質(zhì)量。文獻[25]提出通過回歸分析方法解析出連續(xù)緩慢變化的非平整表面函數(shù),然而實際應(yīng)用中的表面往往是隨機起伏,甚至存在非連續(xù)表面,此時無法獲取到適用的解析函數(shù)。采用共形天線陣或共形合成孔徑掃描能夠在特定場景有效改善成像效果,如通過半球形模型表面共形陣列天線對乳房進行成像掃描,實現(xiàn)早期乳腺癌檢測以及安全檢查時,采用圓柱面掃描對人體隱藏武器進行排查。但這類方法僅限于特定目標檢測,應(yīng)用范圍較窄。

鑒于上述方法的局限性,本文提出一種基于雙頻對消(double-frequency cancellation,DFC)的非平整表面雜波抑制方法。該方法通過獲取高低兩種頻率下的雷達回波數(shù)據(jù),分別建立兩種頻率下的回波信號模型,結(jié)合不同頻率雷達回波中目標信號與非平整表面特性差異,通過理論推導(dǎo)估算出表面回波與原回波對消,實現(xiàn)非平整表面雜波抑制,并提出了減小估算誤差的可行思路,最后通過仿真與實測數(shù)據(jù),定量和定性地分析了實驗結(jié)果,表明本文方法能夠有效抑制非平整表面雜波。

1 DFC模型

對于HSR系統(tǒng),接收到的雷達回波通常由目標回波與雜波組成,特別是在進行非平整表面介質(zhì)中目標探測時,雜波主要表現(xiàn)為非平整表面回波以及天線之間的直耦波,其中直耦波可通過錄取系統(tǒng)對空數(shù)據(jù)進行去除。因此,設(shè)某時刻雷達天線位于(,),表示掃描水平面橫向坐標,表示縱向坐標,記此時采集低頻條件下獲取的雷達回波為,可以構(gòu)建與時間相關(guān)的回波模型如下:

()=cos[(-)+]+cos[(-)+]

(1)

式中：第一項表征表面回波;第二項表征目標回波;和分別表示表面與目標回波的幅度;和分別表示表面與目標回波時延;為低頻信號頻率;表示系統(tǒng)初始相位。那么,高頻條件下天線處于同一位置時回波模型可以同樣表示為

(2)

=cos(-)+cos(-)

(3)

(4)

再經(jīng)同相-正交(inphase-quadrature, IQ)解調(diào)后輸出,可表示為

=ej( -)+ej( -)

(5)

(6)

通過系統(tǒng)校準,可以去除系統(tǒng)初始相位和′的影響,從而輸出簡化為

=ej +ej

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

那么,可以根據(jù)上述參數(shù)擬合出表面回波的近似值:

(12)

(13)

然而,通過單一頻點數(shù)據(jù)來估算時延,存在距離模糊問題,即

(14)

式中:為整數(shù)。

(15)

為解決不能估計出所帶來的模糊,可在系統(tǒng)設(shè)計時將高頻設(shè)計為低頻的整數(shù)倍,以2倍為例,即′=2,則可將上述不可解模糊簡化為二相模糊,即

(16)

將原回波與擬合回波對消,可得

(17)

由于?,因此可通過比較|-|與||的大小來判斷的奇偶性,即

(18)

(19)

最后,對回波矩陣逐點進行DFC處理后,使用全息成像算法獲得成像結(jié)果,對于結(jié)果中由估計誤差引起的殘留雜波,可結(jié)合文獻[30]中提出的成像增強算法處理,可在增強目標的同時進一步抑制圖像中殘留的雜波。

2 實驗與分析

這里通過仿真和實測實驗兩種方式對所提方法進行驗證,并定量和定性地分析了本文方法在抑制非平整表面雜波方面的有效性。

2.1 仿真實驗設(shè)計

仿真實驗數(shù)據(jù)通過CST電磁仿真軟件錄取,實驗?zāi)繕藶橐幌鄬殡姵?shù)為2.8的塑料圓柱,其半徑=25 mm,高=30 mm,埋藏于相對介電常數(shù)為2.44的干燥土壤中,埋藏深度=30 mm。天線距土壤表面40 mm沿水平面進行掃描,掃描面大小為200 mm×200 mm,步進間隔為10 mm,發(fā)射信號頻率分別為5 GHz和10 GHz。仿真實驗場景如圖1所示。

圖1 仿真實驗場景示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation experiment scenario

2.2 實測實驗設(shè)計

實測數(shù)據(jù)通過本課題組設(shè)計的穿透成像實驗系統(tǒng)獲取,該系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(安捷倫 N5230C)、精確定位二維移動掃描平臺、接收天線、發(fā)射天線及上位機組成。其中,發(fā)射與接收天線安裝在移動掃描平臺上,通過上位機控制平臺的移動與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)的接收和處理,實驗場景如圖2所示。

圖2 實測實驗場景圖Fig.2 Schematic diagram of real experiment

實驗采用的介質(zhì)為一塊厚度為35 mm的非平整丙烯腈/J二烯/苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS)塑料板,其表面最大高程差為15 mm,如圖3所示。在其背面分別布設(shè)有一枚一元硬幣與一金屬圓環(huán)作為目標,圓環(huán)內(nèi)外半徑分別為20 mm與40 mm,圖4展示了兩目標的外觀與詳細位置關(guān)系。實驗系統(tǒng)采用的掃描頻率范圍為10～20 GHz,頻段內(nèi)共計1 001個頻點,在頻率范圍內(nèi)均勻分布。天線距離介質(zhì)表面最高點約10 mm,掃描區(qū)域范圍為300 mm×300 mm,采樣間隔為5 mm。實驗中使用的低頻為10 GHz,高頻為20 GHz。

圖3 實驗介質(zhì)Fig.3 Experimental medium

圖4 實驗?zāi)繕薋ig.4 Experimental targets

分別通過仿真與實測實驗系統(tǒng)獲取回波數(shù)據(jù),對上述數(shù)據(jù)分別通過SDF、SDMC及DFC等處理,仿真實驗結(jié)果與實測結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5 仿真實驗結(jié)果圖Fig.5 Simulation imaging results

圖6 實測實驗結(jié)果圖Fig.6 Real experiment imaging results

2.3 實驗結(jié)果與分析

圖5列出了仿真實驗數(shù)據(jù)經(jīng)各類處理前后的結(jié)果圖。通過仿真獲取的原始低頻、高頻回波分別如圖5(a)和圖5(b)所示,對低頻回波直接進行成像處理,得到成像結(jié)果圖5(c),從上述結(jié)果圖中均無法辨識目標,可以看出土壤非平整表面回波完全將目標回波掩蓋;圖5(d)為通過本文方法擬合出的表面回波,圖5(e)為將擬合回波與原始低頻回波對消后的結(jié)果,從對消后回波中已經(jīng)可以分辨出目標輪廓,處理后回波成像結(jié)果如圖5(f)所示,圖中可以清晰觀察出目標的形狀與尺寸,且與實際目標參數(shù)相符,證明了所提方法抑制雜波的有效性。在此基礎(chǔ)上利用成像增強算法進行處理,可在增強目標的同時進一步抑制圖像中的殘留雜波,如圖5(g)所示。SDF和SDMC處理后成像結(jié)果分別如圖5(h)和圖5(i)所示,兩幅圖像中均難以分辨出目標圖像,表明兩種方法在處理起伏劇烈的非平整表面時效果欠佳。

圖6為對實測數(shù)據(jù)進行上述處理前后的結(jié)果,其中圖6(a)和圖6(b)分別為通過系統(tǒng)獲取的低頻和高頻回波,從圖中可以看到明顯的非平整表面回波輪廓;低頻成像結(jié)果如圖6(c)所示,盡管成像結(jié)果中能看到部分目標,但由于強表面雜波干擾,已無法辨識出目標具體形狀;圖6(d)～圖6(g)為DFC處理各階段的結(jié)果,盡管DFC后回波與成像結(jié)果仍殘留部分雜波,但成像結(jié)果中已經(jīng)可以分辨出目標為一環(huán)形與一圓形,結(jié)合增強成像處理后可進一步抑制殘留雜波得到更清晰的目標圖像;圖6(h)為SDF后的成像結(jié)果,與處理前對比改善有限,這是由于SDF方法主要應(yīng)用于錐面、柱面等旋轉(zhuǎn)對稱曲面雜波抑制,對非對稱表面適應(yīng)性較差;SDMC處理后成像結(jié)果如圖6(i)所示,可以看出該方法對目標區(qū)域外的雜波抑制效果較好,但目標區(qū)域并未改善,這是由于均值對消過程中部分目標回波信息也被對消,從而導(dǎo)致成像結(jié)果中目標信息丟失。

為了進一步量化評估各方法的抑制雜波性能,表1記錄了仿真與實測數(shù)據(jù)經(jīng)各種方法處理前后成像結(jié)果的目標信雜比(signal-to-clutter ratio,SCR),即圖像目標區(qū)域平均功率與雜波區(qū)域平均功率的比值,其定義為

(20)

式中:表示目標區(qū)域平均功率;表示雜波區(qū)域平均功率;和分別表示目標和雜波區(qū)域;和分別表示目標和雜波區(qū)域內(nèi)像素點個數(shù);()和()分別表示目標和雜波區(qū)域各點的像素值大小。

表1 不同方法處理后成像結(jié)果SCR參數(shù)Table 1 SCR of imaging results processed by different methods dB

從表1中的SCR評價指標來看,無論是應(yīng)用于仿真還是實測數(shù)據(jù),采用DFC方法都能夠較好地抑制成像結(jié)果中的雜波成分,在此基礎(chǔ)上結(jié)合成像增強方法后能夠更顯著提升成像結(jié)果中的SCR,達20 dB以上。SDMC對SCR提升程度相對較小,約3～4 dB。SDF應(yīng)用于該類復(fù)雜非平整表面時幾近失效,甚至在處理仿真數(shù)據(jù)后SCR有所降低,表明DFC方法更適用于實際非平整介質(zhì)內(nèi)無損探測。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于DFC的非平整表面雜波抑制方法,通過獲取高低兩種頻率下的雷達回波數(shù)據(jù),利用不同頻率雷達回波中目標信號與非平整表面特性差異來擬合表面回波實現(xiàn)對消,并結(jié)合仿真與實測數(shù)據(jù)驗證了該方法抑制非平整表面雜波的有效性。值得注意的是,實驗系統(tǒng)高頻、低頻回波均采用同一天線通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀獲取,而在實際應(yīng)用中需盡量保持高頻與低頻天線輻射區(qū)、波束寬度與輻射角一致以減小系統(tǒng)誤差。