超寬帶穿墻雷達(dá)成像算法研究.pdf

1、通過(guò)電磁波實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物例如墻、門(mén)以及不透明材料的穿透探測(cè)已經(jīng)成為一種有力的工具，在軍事和民用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。穿墻雷達(dá)成像目前已被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)的監(jiān)視以及偵察任務(wù)中，其中可以利用穿墻雷達(dá)成像來(lái)實(shí)現(xiàn)反恐任務(wù)中對(duì)人質(zhì)進(jìn)行探測(cè)以及定位；還可以應(yīng)用于自然災(zāi)害中對(duì)生還者的搜尋、營(yíng)救工作中，例如地震以及雪崩等。
　　穿墻雷達(dá)成像算法需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題為：1)非線性性；2）病態(tài)性；3）墻體作用的影響；4）實(shí)時(shí)性。本文基于時(shí)域有限差分(F

2、inite Difference Time Domain FDTD)仿真模擬穿墻場(chǎng)景，針對(duì)這四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，取得的研究成果如下：
　　1.研究了超寬帶(Ultra-Wideband UWB)信號(hào)的穿墻特性，驗(yàn)證了UWB信號(hào)穿透墻體的過(guò)程中經(jīng)歷了時(shí)間的延遲，信號(hào)的衰減以及波形的失真，討論了發(fā)射信號(hào)頻率，墻體材料，墻體厚度以及目標(biāo)信息對(duì)接收信號(hào)的影響。
　　2.提出了一種基于支持向量機(jī)(Support Vec

3、tor Machine SVM)的實(shí)時(shí)方法來(lái)處理穿墻成像問(wèn)題，所提方法避免了計(jì)算墻體的作用，且成功地解決了穿墻成像問(wèn)題中存在的非線性和病態(tài)性。穿墻成像問(wèn)題可以重建為尋找、建立目標(biāo)散射信號(hào)與目標(biāo)信息之間的映射關(guān)系，因此，該問(wèn)題的非線性以及由墻體所造成的傳播效應(yīng)便包含在此映射關(guān)系中，而這個(gè)映射關(guān)系可以通過(guò) SVM訓(xùn)練得到；支持向量機(jī)中的超參數(shù)具有正則化的作用；一旦訓(xùn)練過(guò)程完成，預(yù)測(cè)階段只需幾秒的時(shí)間。仿真結(jié)果證實(shí)該方法是可行的，有效的，且具

4、有魯棒性。
　　3.提出了一種基于相關(guān)向量機(jī)(Relevance Vector Machine RVM)的實(shí)時(shí)方法來(lái)解決穿墻成像問(wèn)題，所提方法避免了計(jì)算墻體的作用，且能同時(shí)解決穿墻成像問(wèn)題中存在的非線性和病態(tài)性。非線性性包含在目標(biāo)散射信號(hào)與目標(biāo)信息的關(guān)系中，而此關(guān)系可以通過(guò)RVM訓(xùn)練得到；因?yàn)镽VM輸出的是一個(gè)概率性的結(jié)果，因此，反演過(guò)程中的病態(tài)性就自然地考慮到了，而不要再使用其他正則化方法；一旦訓(xùn)練完成，預(yù)測(cè)階段只需幾秒時(shí)間。仿

5、真結(jié)果顯示基于RVM的穿墻成像算法在正確性、收斂性、魯棒性以及泛化性上與基于SVM的穿墻成像算法是相當(dāng)?shù)?，但是在稀疏性上，前者的方法要?yōu)于后者。
　　4.電磁波在穿墻傳播時(shí)發(fā)生折射、速度的改變以及信號(hào)的衰減，這些影響將導(dǎo)致像的散焦、偏移，甚至可能產(chǎn)生虛像，因此成像算法中必須考慮墻體作用。本文運(yùn)用迭代方法修正了后向投影算法中的時(shí)間因子，通過(guò)FDTD建模產(chǎn)生精確的穿墻雷達(dá)數(shù)據(jù)，然后利用后向投影算法對(duì)模擬得到的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像。結(jié)果驗(yàn)證