自適應(yīng)濾波器在超寬帶穿墻雷達(dá)中的應(yīng)用研究

吳建斌，凌毓?jié)?，吳建平，王振?/p>

1.華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430079

2.湖北省實(shí)驗(yàn)幼兒師范學(xué)校，武漢 430070

自適應(yīng)濾波器在超寬帶穿墻雷達(dá)中的應(yīng)用研究

吳建斌1，凌毓?jié)?，吳建平2，王振亞1

1.華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430079

2.湖北省實(shí)驗(yàn)幼兒師范學(xué)校，武漢 430070

作為一種新型探測(cè)和定位墻后人體目標(biāo)的方法，超寬帶穿墻雷達(dá)在軍事和民用多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于目標(biāo)信號(hào)經(jīng)常被強(qiáng)背景噪聲所淹沒，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，需尋求一種有效的背景相消方法以凸顯動(dòng)目標(biāo)信號(hào)，提高動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位的精度。在研究回波信號(hào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，考慮到無(wú)限沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器和自適應(yīng)濾波器的優(yōu)點(diǎn)，提出采用基于IIR的自適應(yīng)濾波器背景噪聲相消的方法，抑制回波信號(hào)中的噪聲。為驗(yàn)證方法的有效性，采用該方法對(duì)利用SIR20雷達(dá)收集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)處理。從結(jié)果看，該方法能有效抑制背景噪聲，凸顯目標(biāo)信號(hào)，為目標(biāo)的檢測(cè)和定位奠定了良好的基礎(chǔ)。

超寬帶穿墻雷達(dá)；自適應(yīng)；無(wú)線沖擊響應(yīng)

超寬帶穿墻雷達(dá)是一種能實(shí)現(xiàn)隔墻探測(cè)和定位的新型實(shí)時(shí)雷達(dá)成像系統(tǒng)，可用于巷戰(zhàn)、反恐和人員救援等領(lǐng)域[1-4]。據(jù)2009年初英國(guó)《新科學(xué)家》雜志的報(bào)道，超寬帶穿墻雷達(dá)將是未來(lái)30年最有前景的十項(xiàng)科技發(fā)明之一。其探測(cè)原理是通過發(fā)射天線發(fā)射持續(xù)時(shí)間極短的脈沖穿透非金屬墻壁，對(duì)隱藏在墻后的目標(biāo)進(jìn)行非入侵式探測(cè)，利用接收天線接收回波信號(hào)，并分析所接收到的回波信號(hào)，對(duì)墻后的目標(biāo)進(jìn)行定位、跟蹤和成像。

超寬帶穿墻雷達(dá)所發(fā)射的信號(hào)為超寬帶信號(hào)，其頻譜分量從直流一直擴(kuò)展到上千兆，其回波信號(hào)中包含了豐富的信息，有利于目標(biāo)識(shí)別和跟蹤。但是由于直達(dá)波和墻壁的直接反射的存在，這將導(dǎo)致目標(biāo)信號(hào)被直達(dá)波等強(qiáng)背景噪聲所掩蓋，為提高目標(biāo)檢測(cè)精度和信噪比，在動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和跟蹤前必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除背景噪聲，凸顯目標(biāo)信號(hào)。

動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)可以看成是去除背景回波的問題。為去除背景回波，很多文獻(xiàn)提出了多種有效背景相消方法，如時(shí)域平均法和中值法等。但采用這些方法去除背景噪聲時(shí)，在那些目標(biāo)散射信號(hào)變化速度較慢的場(chǎng)點(diǎn)，由于時(shí)基抖動(dòng)及采樣起始點(diǎn)的漂移，有可能抵消有用的目標(biāo)信號(hào)[5]，對(duì)目標(biāo)檢測(cè)產(chǎn)生不利影響?？紤]到自適應(yīng)濾波在噪聲消除、系統(tǒng)辨識(shí)、雷達(dá)和信號(hào)處理等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[5-10]。故研究了一種基于IIR濾波器的自適應(yīng)濾波算法對(duì)超寬帶穿墻雷達(dá)的回波信號(hào)進(jìn)行處理，去除背景噪聲，提高信噪比，可以解決上述問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能有效地去除背景噪聲，突出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息，為進(jìn)一步的識(shí)別和跟蹤奠定基礎(chǔ)。

1 雷達(dá)數(shù)據(jù)形成過程

根據(jù)數(shù)據(jù)掃描的維數(shù)超寬帶穿墻雷達(dá)接收的數(shù)據(jù)可以分為三種類型：A、B和C掃描，如圖1所示，圖中x，y表示墻面的兩個(gè)方向，z表示離墻的距離方向。A掃描數(shù)據(jù)是一時(shí)間（采樣點(diǎn)）-幅度圖，它表示雷達(dá)天線在墻面某一具體位置接收到的單脈沖回波波形。B掃描數(shù)據(jù)是由一組在測(cè)試方向的A掃描數(shù)據(jù)組成的二維圖像，它表示的是雷達(dá)天線在Y軸的某一具體位置沿著測(cè)試方向（X軸）掃描得到的雷達(dá)圖像。C掃描是在深度方向上的一組二維的剖面圖。A、B和C掃描的數(shù)據(jù)示意圖如圖1所示。

圖1 三種數(shù)據(jù)形式的基本示意圖

當(dāng)雷達(dá)沿著X軸方向移動(dòng)并向Z軸方向發(fā)射電磁波，電磁波穿透墻壁后，在探測(cè)空間傳播，物質(zhì)成分不同的目標(biāo)就會(huì)引起反射波幅度的變化，將反射波的幅度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的圖像灰度值，該圖像即為B掃描圖像。很明顯，灰度值大的地方就表示反射波強(qiáng)度大，反之反射波強(qiáng)度小。據(jù)此判斷被探測(cè)對(duì)象的位置和區(qū)域。

2 算法描述

和自適應(yīng)有限沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器相比較，自適應(yīng)無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）具備很多優(yōu)點(diǎn)，如：采用IIR濾波器可以準(zhǔn)確描述一個(gè)未知零、極點(diǎn)的系統(tǒng)，而自適應(yīng)FIR濾波器只能近似這樣的系統(tǒng)；在性能相同的情況下，IIR濾波器的階數(shù)更少，這就意味著采用IIR濾波器可大大減少計(jì)算量[5-10]。為此，采用了自適應(yīng)IIR濾波器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)相消，去除超寬帶穿墻雷達(dá)回波信號(hào)中的背景噪聲。

自適應(yīng)IIR濾波器的原理如圖2所示，用于抑制超寬帶穿墻雷達(dá)背景噪聲時(shí)，選用相鄰的三道雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)的平均作為濾波器的輸入的參考信號(hào)。對(duì)于超寬帶穿墻雷達(dá)來(lái)說(shuō)，由于直達(dá)波等背景噪聲的功率遠(yuǎn)強(qiáng)于目標(biāo)反射、散射信號(hào)，故自適應(yīng)濾波器的權(quán)值主要被背景噪聲所控制，收斂后背景噪聲被抵消，輸出僅包含有用的目標(biāo)散射信號(hào)，即e(n)=y(n)。

圖2 自適應(yīng)IIR濾波器原理框圖

圖1中輸入信號(hào)可以是單輸入矢量，也可以是多輸入的。在單輸入情況下，自適應(yīng)IIR濾波器的差分方程為[3]：

其中y(n)取決于以前的輸出樣本y(n-m)(m=1，2，…，L)，式（1）可改寫成濾波器形式和內(nèi)積形式，如式（2）和式（3）所示：

對(duì)于內(nèi)積形式的式（3）中的θ(n)和φ(n)分別為復(fù)合權(quán)矢量和復(fù)合數(shù)據(jù)矢量，其定義如下：

輸出誤差e(n)的定義為：

3 算法的具體實(shí)現(xiàn)

自適應(yīng)IIR算法具有如下的通用形式：

其中φf(shuō)(n)=F(n，z)φ(n)和ef(n)=G(n，z)e(n)。時(shí)變?yōu)V波器F(n，z)和G(n，z)可用類似于B(n，z)的方法來(lái)定義。標(biāo)量（正的）步長(zhǎng)α控制算法的收斂速度，R(n)為海森（Hessian）矩陣的估計(jì)，它按下式更新：

其中λ=1-α為遺忘因子，其典型值為0.95～0.99。利用矩陣恒等式：

R-1的更新公式為：

為了使式（6）收斂，R(n)必須總是正定的，且1-A(z)的極點(diǎn)總是位于單位圓內(nèi)。為此算法初始值的選取必須滿足使R(n)可逆及濾波器穩(wěn)定的要求，故一般取θ(0)=0，R(0)=δI其中δ為很小的正數(shù)。同時(shí)在算法的每步更新中還必須監(jiān)控θ(n)和R(n)是否滿足這兩個(gè)要求。

與自適應(yīng)FIR濾波器的最小均方（LMS）算法類似，自適應(yīng)IIR算法的梯度估計(jì)為：

將式（1）分別對(duì)αk(n)和bk(n)求偏導(dǎo)，并注意到bm(n)和x(n-m)均與αk(n)獨(dú)立，則得：

從式（11）中可以看出，偏導(dǎo)是相對(duì)于αk和bk的現(xiàn)在值，這將導(dǎo)致回歸不是遞歸的，而且不能用濾波器的形式來(lái)表示。但是，若步長(zhǎng)a選得太小，將導(dǎo)致系數(shù)更新緩慢，為使偏導(dǎo)滿足遞歸的條件，可采用近似方法使θ(n)≈θ(n-1)≈…≈θ(n-L)。故式（11）可改為：

從式（12）中可以看出，F(xiàn)(n，z)=1/[1-A(n，z)]和G(n，z)=1。因此，整個(gè)自適應(yīng)IIR算法如下式給出：

從上分析可知，基于遞推預(yù)測(cè)誤差算法的自適應(yīng)IIR算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下所示：

4 數(shù)值實(shí)驗(yàn)

圖3 實(shí)際測(cè)量場(chǎng)景示意圖

為驗(yàn)證算法的可行性，利用美國(guó)GSSI公司的SIR20雷達(dá)（http：//www.sinydec.com/uploads/soft/200908/1_ 18102925.pdf），選用400 MHz天線，采用雷達(dá)單發(fā)單收、收發(fā)分離的的工作體制。實(shí)驗(yàn)時(shí)，雷達(dá)天線固定在墻上不動(dòng)，如圖3所示，其中墻體厚度為0.3 m，接收天線和發(fā)射天線間距離為1.5 m。發(fā)射天線發(fā)射脈沖進(jìn)入探測(cè)空間，接收天線接收來(lái)自探測(cè)空間的回波信號(hào)，采樣時(shí)窗選取為50 ns，測(cè)量結(jié)果中的縱坐標(biāo)將其轉(zhuǎn)化為每條測(cè)線上的采樣點(diǎn)數(shù)，測(cè)量結(jié)果的橫坐標(biāo)為實(shí)際采集的測(cè)線數(shù)目，也就是A掃描數(shù)據(jù)的數(shù)目，每個(gè)A掃描數(shù)據(jù)由512個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)構(gòu)成。選取兩種場(chǎng)景，采集了一批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了進(jìn)行比對(duì)，因此選取了房間無(wú)人和房間有人且相對(duì)于雷達(dá)天線做斜線運(yùn)動(dòng)兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。原始探測(cè)結(jié)果的B-Scan圖像如圖4、圖5所示，其中圖4為房間無(wú)人運(yùn)動(dòng)的探測(cè)結(jié)果，圖5為房間有人且在做圖3所示的向天線由遠(yuǎn)斜向接近發(fā)射天線后又遠(yuǎn)離發(fā)射天線的慢速運(yùn)動(dòng)，從圖4和圖5看原始探測(cè)結(jié)果兩種場(chǎng)景的區(qū)別不大，但仔細(xì)看可以看出圖5中人的斜向運(yùn)動(dòng)示意。

圖4 房間無(wú)人的原始探測(cè)結(jié)果

圖5 房間有人且人相對(duì)天線斜向運(yùn)動(dòng)的探測(cè)結(jié)果

利用該算法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取輸入數(shù)據(jù)的前三道數(shù)據(jù)的平均作為該濾波器輸入的參考數(shù)據(jù)，處理結(jié)果如圖6、圖7所示。圖6是房中無(wú)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)的情況，圖7是房中有一個(gè)人且人相對(duì)于雷達(dá)做斜線運(yùn)動(dòng)，從處理結(jié)果看，有人和無(wú)人的差別很大，在無(wú)人運(yùn)動(dòng)的房間，由于背景沒有變化，處理后，基本實(shí)現(xiàn)了背景相消，圖像顯示為空白，有人運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量場(chǎng)景發(fā)生了變化，背景相消后留下了目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，在接收數(shù)據(jù)時(shí)窗的前半部分能實(shí)現(xiàn)背景相消，凸顯目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，大致顯示了目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，但是由于目標(biāo)和墻壁四周的多次反射波的存在，導(dǎo)致了在圖像的下半部分出現(xiàn)了目標(biāo)多條運(yùn)動(dòng)軌跡，也就是說(shuō)該方法不能很好地去除目標(biāo)與墻壁間的多次反射波。該方法在酷睿i3，1 GB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，平均計(jì)算時(shí)間為0.018 s。

5 結(jié)束語(yǔ)

從數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文所提出的算法可以很好實(shí)現(xiàn)背景相消，凸顯運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信息，同時(shí)，該算法還具備一定的普適性，可以用于采用類似體制的探地雷達(dá)的信號(hào)處理中去除背景噪聲。由于目標(biāo)多次反射波的存在，處理后的結(jié)果并不能直接將目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡顯示為一條曲線，而是在圖像的下半部分顯示多條運(yùn)動(dòng)曲線。多次反射波產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，其中一部分是由于墻壁導(dǎo)致，當(dāng)然，墻壁也會(huì)產(chǎn)生衰減，電磁波在墻壁中傳播速度比空氣中小，因此要提取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，需要進(jìn)一步研究消除多次反射波信號(hào)的方法以及墻壁補(bǔ)償算法，同時(shí)也需要進(jìn)一步分析靜止目標(biāo)的回波信號(hào)的特點(diǎn)，研究靜止目標(biāo)的特征提取算法，這些將是下一步的研究?jī)?nèi)容。

圖6 房間無(wú)人的處理結(jié)果

圖7 房間有人且相對(duì)于天線斜向運(yùn)動(dòng)的處理結(jié)果

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WU Jianbin1,LING Yutao1,WU Jianping2,WANG Zhenya1

1.College of Physical Science and Technology Huazhong Normal University,Wuhan 430079,China
2.Hubei Experiments Infant Normal School,Wuhan 430070,China

As a new detection and location human target behind walls method,the ultra-wideband through wall radar is widely applied in the military and civilian field.However,weak object echo signal are often obscured the strong background noise.In order to realize moving target detection,an effective background cancellation method is need to seek.And the method can enhance the signal noise ration and highlight the moving target signal.Based on researching the feature of echo signal,the paper introduced a algorithm to remove the background noise of echo signal based on adaptive Infinite Impulse Response（IIR）filter.The method combines with the advantage of IIR and adaptive filter.The data is collected using SIR20 radar and the proposed algorithm is used to process the data.The result shows the algorithm is valid and can highlight the target signal.The algorithm is benefit to detect and locate target.

ultra-wideband through wall radar;adaptive;Infinite Impulse Response（IIR）

A

TN01

10.3778/j.issn.1002-8331.1210-0187

WU Jianbin,LING Yutao,WU Jianping,et al.Application research of adaptive filter inultra-wideband through wall radar.Computer Engineering and Applications,2014,50（16）：202-205.

華中師范大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)研究基金。

吳建斌（1972—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事雷達(dá)信號(hào)處理和計(jì)算電磁學(xué)方面的研究；凌毓?jié)?976—），通訊作者，博士，主要從事信號(hào)處理研究；王振亞（1989—），男，碩士研究生，從事雷達(dá)信號(hào)處理方面的研究。E-mail：wujianbin@mail.ccnu.edu.cn

2012-10-17

2013-01-24

1002-8331（2014）16-0202-04

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版：2013-02-20,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130220.1555.008.htm l