非均匀墙体及封闭空间中穿墙雷达高分辨成像技术

Through wall radar provides capability for non-contact inspecting targets hidden behind barriers such as buildings, shelters and ruins, and it can be used in counter-terrorism, law enforcement, rescue mission and medical care scenarios. Much of the existing literature in through wall radar area has focused on imaging of the simple targets behind the single homogenous wall, clutter reduction of wall reflections and antenna coupling. However, the real circumstance that through wall radar facing is far more complex than this simple scene. The electromagnetic wave propagation in the complex scenes (non-homogenous, frequency dispersion, stratified media and enclosed space) leads to severe clutter and multipath interference. And the propagating parameters are highly uncertain. They are the major problems in current research. This proposed project will carry out research on through wall radar high resolution imaging technology in the enclosed structures with non-homogenous media. An electromagnetic propagation model based on non-homogenous multi-layer wall will be built to calculate the reflection coefficient and estimate the unknown wall parameters. For multipath mitigation, an expectation-maximization (EM) algorithm based on the multi-sensor scheme is developed to associate radar measurement set which contains ghosts caused by multipath to each real target.And multiple hypothesis tesing(MHT) is employed to futher mutigate multipath. This research will boost the development of the through wall radar imaging technology, and make it feasible to get the image in more realistic situations.

穿墙雷达可对建筑、掩体和废墟等进行外部非入侵式探测，在反恐、警戒、救灾、医疗等场合具有重要作用。穿墙雷达现有研究中，成像多针对单层均匀墙体后的若干简单目标，杂波抑制多针对墙体反射波和天线耦合波。穿墙雷达面临的真实环境远比此类简单场景复杂，电磁波在复杂场景（非均匀色散介质和封闭空间）中传播所产生的严重杂波、多径干扰以及传播参数不确定等问题，是当前穿墙雷达研究的难点。本课题针对非均匀墙体及封闭空间中穿墙雷达高分辨成像技术开展研究。建立非均匀多层墙体的电磁传播模型，反演墙体反射系数，研究未知墙体参数的估计方法；将期望最大（EM）算法与多传感器信息观测相结合，完成观测与目标之间的关联，并基于多重假设检验模型进行判决，从而抑制多径引起的虚假目标。本项研究将推进穿墙成像技术的发展，使之能够在更加贴近实际的环境中获取图像。

穿墙雷达可对建筑、掩体和废墟等进行外部非入侵式探测，在反恐、警戒、救灾、医疗等场合具有重要作用。穿墙雷达现有研究中，成像多针对单层均匀墙体后的若干简单目标，杂波抑制多针对墙体反射波和天线耦合波。穿墙雷达面临的真实环境远比此类简单场景复杂，电磁波在复杂场景中传播所产生的严重杂波、多径干扰以及传播参数不确定等问题，是当前穿墙雷达研究的难点。.本课题针对非均匀墙体及封闭空间中穿墙雷达高分辨成像技术开展研究。建立非均匀多层墙体的电磁传播模型，反演墙体反射系数，研究未知墙体参数的估计方法；将期望最大算法与多传感器信息观测相结合，完成观测与目标之间的关联，并基于多重假设检验模型进行判决，从而抑制多径引起的虚假目标。.针对非均匀墙体参数估计问题，首先分析了常见墙体建筑结构的电磁波传播模型，测试了6种常见介质的介电常数，统计介质的相对介电常数和相对磁导率，得到结论：介质的相对介电常数实部比较平稳，相对磁导率基本介于0.95～1.1之间，均为非铁磁性介质；其次，针对穿墙雷达成像算法对墙体参数特别是介质介电常数依赖很大，但是实际墙体（非均匀介质）无法得到准确的介电常数的问题，使用自由空间模型代替墙体模型，研究了两种墙体参数补偿算法：基于一二介质算法对应频点成像结果相位差统计分布函数最大值补偿方法和频点间相位互相关补偿方法，并利用两种补偿方法得到成像结果。.针对封闭空间中多径抑制问题，在成像过程中引入期望最大算法，研究利用多帧观测的空间分布信息，在迭代中最大化目标观测的对数似然函数期望，完成目标位置状态的估计，进而得到“观测－目标”的关联，并基于多重假设检验模型进行判决，剔除多径分量造成的鬼影。.在整个课题进展过程中，课题组开展了多次穿墙探测实验，包括杂波抑制实验、K波段、X波段成像实验、T型目标数据处理实验、墙面不同区域反射回波差异性测量实验等，对本课题理论研究和方法改进进行了实验数据验证处理。