基于空间特征的MIMO穿墙雷达墙杂波抑制

张斓子 陆必应 周智敏 孙 鑫



基于空间特征的MIMO穿墙雷达墙杂波抑制

张斓子*陆必应 周智敏 孙 鑫

(国防科学技术大学电子科学与工程学院 长沙 410073)

在穿墙成像中，墙体反射波相对于目标回波具有很强的能量，因此对目标的成像及检测造成严重干扰。传统的空域滤波方法基于单发单收阵列体制，利用墙体空间特征不变性有效地抑制墙体杂波。随着MIMO技术越来越多的应用于穿墙雷达，墙体空间特征发生变化，该方法不再适用于MIMO穿墙雷达回波。为解决这一问题，该文分析了MIMO穿墙雷达回波中墙体与目标回波的空间特征，参数化建模结果表明，墙体回波的空间特征与天线阵列的位置无关且具有对称性，而目标回波不具有该特性。根据两者的这一差异，该文提出对称消去法来消除墙体回波。仿真结果表明该方法能够有效地消除墙体杂波，且能够保留目标的全部信息。

MIMO穿墙雷达；杂波抑制；空间特征；对称消去法

1 引言

穿墙雷达成像(Through-the-Wall Radar Imaging, TWRI)技术利用电磁波的低频穿透特性对非透明障碍物后的隐蔽目标进行穿透探测，从而获得目标区域的高分辨图像。TWRI作为新一代的透视成像技术，在城市巷战、灾害救援等领域都有广阔的应用前景，成为近年来雷达领域的一个研究热点[1]。由于穿墙雷达工作环境复杂，且大部分目标自身电磁散射特性较弱，加之电磁波的双程衰减，使得目标信号往往淹没在大量杂波中。其中，墙体杂波往往占有主体地位，造成目标信号被掩盖而无法显现，因此墙体杂波抑制成为TWRI中的一项关键技术。

抑制墙体杂波的方法主要包括背景对消[2]、墙体参数估计[3]、子空间法[4]、墙体图像提取[5]以及空域滤波。其中，空域滤波技术能够在无任何探测场景先验信息的情况下有效地抑制墙体杂波，因此成为TWRI中的一个重要研究方向。传统的空域滤波技术[6]基于单发单收阵列体制，认为墙体回波空间特征具有不变性，因此其空间频谱可近似看作中心频率为零的sinc脉冲，而目标回波空间频谱却明显扩展，故可根据墙体和目标回波的空间特征差异采用具有窄过渡带和线性相位特性或零相位特性的滤波器消除墙体回波。然而由于穿墙雷达多工作在时间、空间受限的城市环境，而单发单收阵列通常具有较大的体积且需要较长的扫描时间，阻碍了穿墙雷达的发展。新兴的多输入多输出(MIMO)技术为这一难题提供了解决方法。MIMO技术通过合理配置收发天线阵列，在减少天线个数的同时大大降低了获取一个成像孔径的扫描时间，因此在穿墙雷达成像中得到了广泛应用。然而此时不同发射/接收天线对记录的墙体回波不再相同，因此不能将其视为零频信号，此时传统的空域滤波技术就不再适用。为了解决这一问题，本文分析了MIMO穿墙雷达接收的墙体与目标回波的空间特征，依据两者的差异，提出对称消去法来抑制墙体回波。

鉴于以上研究背景，本文的章节安排如下：第2节简单地讨论了单发单收阵列下传统的空域滤波技术；第3节从理论上分析了MIMO穿墙雷达回波中墙体与目标回波的空间特征，并进行了验证；第4节分析了MIMO穿墙雷达成像中基于空间特征的墙杂波抑制方法；第5节利用本文算法对仿真数据进行处理，验证方法的有效性；最后总结全文。

2 单发单收穿墙雷达回波空间特征分析

然而这一方法并不适用于收发分置的天线阵列，因为对于不同的发射/接收天线对，墙体回波不再具有相同的延时，而是出现在不同的距离延时上。故空间频率变换后，墙体空间频谱也会展宽，因此传统的空域滤波方法并不适用于收发分置的天线阵列，这就需要对该阵列体制下墙体和目标的空间特征进行分析。

3 MIMO穿墙雷达回波空间特征分析

3.1 墙体和理想点目标空域特性分析

图1 MIMO体制下的信号模型

由图1可以看出，墙体回波不仅包含墙体内表面(近天线)的反射，还有墙体内部多次反射后的信号，可见墙体回波较为复杂。远场条件下，正交混频后的墙体回波近似为[12]

对于目标回波，发射信号经墙后目标反射被接收天线所接收，信号在传播过程中经历了两次墙体透射。远场条件下目标回波信号的时域表达式为

其中[13]

可以看出，与墙体回波不同，目标回波不仅与收发天线的绝对位置有关，还与目标位置有关。

假设天线阵列为2发21收，长度为3.6 m，发射信号是起始频率为500 MHz，步进间隔为2 MHz的步进频信号。理想点目标位于(0,14)处(单位为m，下同)，墙体距离天线7 m，介电常数为4.2，天线阵列中心位置分别处于(0,0)和(-1,0)，图2和图3给出了不同阵列位置时墙体和目标回波的空间特征。显然，改变天线阵列位置，墙体空间特征未发生变化，但理想点目标的空间特征随阵列中心位置的改变而改变。

3.2 典型面目标空域特性分析

在实际应用中，目标并非是上文假设的理想点目标，此时其空间特征将如何变化，是否与上文结论一致，这就需要对不同类型的散射体进行分析。为了得到不同散射体的特性，需要在无电磁干扰下对其进行测量，然而散射体尺寸、方向等参数的差异使得这一工作量巨大，难以实现。因此通常采用对散射体建模的方式来进行理论分析。几何绕射理论(Geometric Theory of Diffraction, GTD)表明，复杂散射体的高频电磁散射特性可以看作是多个简单散射体散射特性之和。而基于这一理论所建立的散射体模型易于实现且具有与实际情况相符的电磁响应。文献[14]给出了双站SAR典型散射体(如二面角、三面角、圆柱体、圆帽和球体)的散射特性，实际中复杂散射体都可以分解为上述简单散射体。

其中。为简化分析，忽略极化方式对回波的影响，将上述模型代入式(12)即得到双站回波。假设二面角中心位于(0,4)处，且，图4为仿真场景示意图。采用与3.1节相同的仿真参数和处理方法，便可得到二面角的空间特征(图5)。可以看出，与理想点目标类似，其空间特征与阵列中心位置同样密切相关。而对于其它类型的散射体，如三面角、圆柱体等，也有相同的特性。这就为基于空间特征差异的穿墙雷达的墙体杂波抑制提供了理论依据。

图3 理想点目标空间特征

图4 目标与阵列位置示意图

图5 二面角空间特征

4 墙体杂波抑制技术

根据上文的分析，采用单发单收阵列时，采用适当的滤波器便可有效地滤除墙体回波而保留目标回波，下面具体分析如何抑制MIMO TWR回波中的墙体信号。

值得注意的是，对于大多数MIMO雷达而言，均可将其分解为多个STVA的组合，可对每个STVA对应的回波数据进行处理，再重构完整的B-Scan矩阵，此时得到的即为墙体杂波抑制后的回波数据。

5 仿真结果及分析

5.1 简单场景建模仿真结果

为验证本文方法的有效性，本文采用电磁建模软件(XFDTD)对穿墙场景进行仿真。首先考虑一个简单场景，墙体与目标位置如图6所示，阵列形式与上文一致，距离墙体1.7 m。

原始回波数据的空间特征如图7(a)所示，可以看出墙体回波的空间特征具有对称性，这与理论分析是一致的，而根据原始图像(如图7(b))显然很难得到目标信息。采用传统的空域滤波方法处理原始数据，其空间特征与成像结果如图8所示，可以看出，目标信号仍然被墙体信号淹没而无法显现，图8(a)也说明墙体回波空间频率带宽展宽，仅消除零频信号并不能实现抑制墙体杂波的目的。图9给出了采用对称消去法处理回波后的结果，消除具有对称性的空间特征后，目标得以凸显，有效地抑制了墙体杂波。为说明图像中的强散射点确实为目标，图10给出了背景对消后的成像结果，而且由图9(a)和图10(a)可知，两者的空间特征近似相同。显然，采用对称消去法能有效抑制墙体杂波，获取目标信息。

5.2 复杂建筑物建模仿真结果

为进一步证明本文方法的有效性，采用相同参数对室内人体目标探测场景进行仿真。建筑物长5m，宽3.7 m，两个人体目标分别距离前墙1.2 m和1.5 m，且两者方位向间距2.6 m，如图11所示。原始图像和处理后图像分别如图12和图13所示，显然，墙杂波抑制后，人体目标得以显现。和背景对消后的成像结果(图14)相比，并未出现方框中所示的虚假目标。这是因为虽然背景对消方法可以有效地消除前墙影响，而对于后墙，遮挡效应的存在会导致部分墙体信号残存。而对称消去法是基于前墙的空间特征，并未对后墙信号进行处理，加之后墙信号通常比目标信号更弱故基本无法在成像结果中显示，因此并不会出现如图14中的虚假目标。

6 结论

本文分析了MIMO TWR回波中墙体与目标的空间特征差异，同时证明了无法采用传统的空域滤波方法来抑制墙体杂波。进一步的分析表明，墙体空间特征具有对称性，因此本文提出对称消去法以消除回波空间特征中的对称部分，从而抑制墙体杂波。此外，由于该方法基于阵列先验知识，故而不会对目标信息造成影响。

图6 仿真场景示意图

图7 原始回波数据

图8 传统方法处理后回波数据

图9 对称消去法处理后回波数据

图10 背景对消后回波数据

图11 FDTD仿真场景图

图12 原始图像

图13 对称消去后的成像结果

图14 背景对消后的成像结果

然而，当具有对称电磁特性的目标处于阵列中垂线上时，目标的空间特征也会具有对称性，此时对称消去法不再适用，幸运的是，具有对称电磁特性的目标在穿墙雷达的实际应用中几乎不存在。因此，总体而言，对于几个或多个STVA组合而成的MIMO天线阵列，对称消去法具有良好的墙杂波抑制效果。

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张斓子： 女，1988年生，硕士生，研究方向为穿墙雷达杂波抑制.

陆必应： 男，1976年生，副教授，博士，主要研究方向为超宽带雷达系统与信息处理.

周智敏： 男，1957年生，教授，博士生导师，主要研究方向为先进探测系统和技术、合成孔径雷达系统、合成孔径雷达成像及目标检测.

A Wall Clutter Suppression Method Based on Spatial Signature in MIMO Through-the-wall Radar Imaging

Zhang Lan-zi Lu Bi-ying Zhou Zhi-min Sun Xin

(,,410073,)

In Through-the Wall Imaging (TWI), wall reflections are often stronger than the target, hence they make great interference on the imaging and detection of the target. Spatial filtering based on single input and single output is a traditional method for wall-clutter mitigation, whereas it is not applicable to MIMO Through-the-Wall Radar (TWR). In this paper, the spatial signatures of wall and target from MIMO TWR measurements are analyzed respectively. The results based on parametric models show that the wall reflections not only have no relations with positions of antenna array, but also have symmetry properties, whereas the target reflections do not. According to the above difference, a new method called symmetry subtraction for suppressing wall reflections is introduced. Simulation results indicate that the proposed method can suppress efficiently the wall reflections without affecting target signal.

MIMO Through-the-Wall Radar (TWR); Clutter suppression; Spatial signature; Symmetry subtraction

TN957.52

A

1009-5896(2014)04-0946-07

10.3724/SP.J.1146.2013.00891

2013-06-24收到，2013-10-14改回

国家自然科学基金(61372161, 61271441)和全国优秀博士学位论文作者专项资金(201046)资助课题

张斓子 zhanglanzi5insist@aliyun.com