穿墻探測雷達的直達波抑制

摘 要：直達波相對目標回波具有很強的能量，使其對穿墻探測雷達(TWDR)的目標回波信號檢測造成了嚴重干擾。可根據各個測點直達波的強相關性，基于SVD分解提取參考直達波，采用自適應對消算法抑制直達波。通過對實測數據的處理結果看出，此方法有效地抑制了直達波，將回波的信干比(SIR)由-20.402 dB提高到20.479 dB。

關鍵詞：穿墻探測雷達；SVD分解；自適應對消；干擾抑制

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：B

文章編號：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

穿墻探測雷達(Through the Wall Detection Radar，TWDR)因為反恐斗爭、災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研究重點。穿墻探測雷達通過發射超寬帶(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(人體)回波信號，對隱藏在障礙物后的目標進行檢測并成像^[1，2]。由于穿墻探測雷達信號的超寬帶(UBW) 特性，使得回波信號非常微弱，常常淹沒在直達波(天線耦合波，墻壁表面直接反射波)和噪聲中。因而，如何有效去除直達波，提高信號的信干比(SIR)成為TWDR信號處理的關鍵技術之一。 

通過國內外很多學者的研究，目前所提出的主要的直達波去除方法有對消法(均值對消、系統辨別等)，子空間投影法等^[3-6]。其中，子空間投影法計算量大，不易實時處理。而對消法處理簡單方便，是目前采用最廣泛的直達波抑制方法。由于在探測范圍不大的情況下，各個測點表面起伏變化不大，因而各測點接收信號中的直達波具有很強的相關性，而直達波與目標回波的相關性相對較小，則可通過找一路參考直達波采用自適應對消技術去除直達波。本文通過分析TWDR接收信號的特點，提出了一種基于最小方差準則(LMS)的自適應直達波對消法，并應用于穿墻探測雷達中。

2 信號模型

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

其中n(t)表示測量以及系統引起的隨機噪聲，直達波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接收信號可簡化為：

而如果從系統角度考慮，TWDR信號模型可以表示為：

其中hd(t)，hm(t)分別表示直達波和目標沖擊響應函數，fs(t)表示雷達發射信號。

由TWDR信號模型可以看出，直達波的去除可采用對消法估計出各測點的直達波di(t)，然后從接收信號中減去。對消法去除直達波的核心在于如何有效地估計各個測點的直達波信號。在測量范圍不是很大，探測表面比較平穩的情況下各個測點的直達波信號具有很強的相關性(近似相同)，因而找到一路直達波信號(不含目標信號)，以此為基礎估計各個測點的直達波信號并與接收信號相抵消是一種主要的直達波去除方法。

平均對消法是一種常采用的對消法，其核心思想是散射信號si(t)只在目標(人體)的正前方幾個掃描點較強，在遠離目標的掃描點上強度快速下降，而直達波di(t)在各個點上的強度近似相同，因此獲取多個測點回波數據求平均可得到參考直達波信號d(t)(只含有少量的目標回波信息)：

平均對消法就是將d(t)直接與各個測點的接收信號wi(t)相減，從而達到對直達波的抑制。此算法的優點在于簡單且處理快速，但缺點在于不能適應不同測點直達波信號的變化，比如：墻壁表面起伏引起的直達波幅度及時延的變化，此情況下直達波的殘留成分可能對目標回波信號的檢測造成很大的干擾。

由式(2)可見每個測點的直達波信號可近似看作發射信號經過線形系統hid(t)產生的，但是各個測點的表面差異以及系統的不穩定性，各個測點的hid(t)是隨機變化的。因此各個測點接收信號可以近似地看作一隨機過程，且在實際測量中直達波和回波的先驗知識很難得到，所以固定濾波器無法滿足要求。自適應濾波器具有自動調整自身參數的能力，其設計可不需要直達波和目標回波的先驗知識，適合于TWDR測量處理。本文提出一種由參考直達波d(n)作為輸入，各個測點接收信號wi(n)作為期望輸出的自適應對消去除直達波的方法。

3 自適應濾波去除直達波

自適應濾波去除直達波的原理是通過一路與各個測點接收信號中的直達波強相關而與目標回波信號弱相關的參考輸入信號，通過自適應算法，動態調整數字濾波器的參數使得參考信號經過濾波后很好地與各個測點信號中的直達波成分相對消。其模型如圖1所示(未考慮隨機噪聲)。

自適應濾波其參考輸入信號一般選取一路不含目標回波信息的信號(近似為直達波信號)，由于各個測點的直達波信號具有很強的相關性，而直達波與目標回波的相關性相比之下要小很多，這樣各個測點直達波成分就能很好地抵消，同時目標信息得以保留。

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

4 直達波信號提取

TWDR測量過程中是一個線測一個線測進行的，將每個線測作為一個處理單元，每個測點的接收信號wi

回波數據矩陣可以表示[WTHX]W[WTBX]=[WTHX]N[WTBX]+[WTHX]D，[WTBX]其中[WTHX]D[WTBX]為直達波信號矩陣，[WTHX]N[WTBX]為包含目標信號、噪聲、雜波等弱信號矩陣。由于在各個測點直達波信號變化不是很大，具有很強的相關性，秩為1(理想情況下可以認為各個測點直達波相同)，而弱信號矩陣可以認為在各個測點隨機分布，近似認為是隨機噪聲，秩為M。

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

5 實驗結果

[JP2]實驗中采用步進變頻雷達，雷達中心頻率為1.5 GHz，帶寬B=1 G，頻率步進Δf=5 MHz，點數N=201，目標人體垂直站立離墻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組數據。LMS橫向濾波器的階數M=6，增益常數μ=0.001，圖2中為采集的一組原始數據，圖3~圖5分別是采用不同的算法進行直達波抑制處理后的效果。由計算可得，采用平均對消算法直達波抑制了46.052 dB， 采用LMS自適應對消算法直達波抑制了56.348 dB。可見自適應對消算法的效果更加理想。用自適應對消算法雖然對目標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 語

本文研究了TWDR接受信號的直達波抑制方法。采用了LMS自適應對消算法，其中的參考直達波是基于SVD分解方法來提取的。LMS自適應算法的優點在于他能動態地跟蹤各個測點直達波信號幅度與時延的變化，可以有效抑制探測表面起伏變化過快而引起的直達波局部畸變。在穿墻人體探測中，如果墻壁表面起伏變化較快的情況下，此算法在與平均對消算法比較時，效果更優。

參 考 文 獻

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［2］Nag S，Fluhler 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.自適應濾波在無源探測中對雜波抑制的應用[J].系統工程與電子技術，2006，28(2):202-204.

［4］肖艷軍，李建勛.基于小波變換的信號濾波在探地雷達中的應用[J].電波科學學報，2006，21(1):140-145.

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作者簡介

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

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”