穿墙探测雷达的直达波抑制

摘 要：直达波相对目标回波具有很强的能量，使其对穿墙探测雷达(TWDR)的目标回波信号检测造成了严重干扰。可根据各个测点直达波的强相关性，基于SVD分解提取参考直达波，采用自适应对消算法抑制直达波。通过对实测数据的处理结果看出，此方法有效地抑制了直达波，将回波的信干比(SIR)由-20.402 dB提高到20.479 dB。

关键词：穿墙探测雷达；SVD分解；自适应对消；干扰抑制

中图分类号：TN95 文献标识码：B

文章编号：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

穿墙探测雷达(Through the Wall Detection Radar,TWDR)因为反恐斗争、灾后救援等军用和民用方面的迫切需要而成为近年来的一个研究重点。穿墙探测雷达通过发射超宽带(UBW)电磁波来穿透墙壁、树丛、隔板等障碍物,并分析接收到的目标(人体)回波信号,对隐藏在障碍物后的目标进行检测并成像^[1,2]。由于穿墙探测雷达信号的超宽带(UBW) 特性，使得回波信号非常微弱，常常淹没在直达波(天线耦合波，墙壁表面直接反射波)和噪声中。因而，如何有效去除直达波，提高信号的信干比(SIR)成为TWDR信号处理的关键技术之一。 

通过国内外很多学者的研究，目前所提出的主要的直达波去除方法有对消法(均值对消、系统辨别等)，子空间投影法等^[3-6]。其中，子空间投影法计算量大，不易实时处理。而对消法处理简单方便，是目前采用最广泛的直达波抑制方法。由于在探测范围不大的情况下，各个测点表面起伏变化不大，因而各测点接收信号中的直达波具有很强的相关性，而直达波与目标回波的相关性相对较小，则可通过找一路参考直达波采用自适应对消技术去除直达波。本文通过分析TWDR接收信号的特点，提出了一种基于最小方差准则(LMS)的自适应直达波对消法，并应用于穿墙探测雷达中。

2 信号模型

TWDR的接收信号可以近似认为是由公式(1)所示的几部分信号线性叠加而成，即:

其中n(t)表示测量以及系统引起的随机噪声，直达波d(t)=b(t)+c(t)，b(t),c(t)，分别表示墙壁表面反射与天线耦合波。因此TWDR接收信号可简化为：

而如果从系统角度考虑，TWDR信号模型可以表示为：

其中hd(t)，hm(t)分别表示直达波和目标冲击响应函数，fs(t)表示雷达发射信号。

由TWDR信号模型可以看出，直达波的去除可采用对消法估计出各测点的直达波di(t)，然后从接收信号中减去。对消法去除直达波的核心在于如何有效地估计各个测点的直达波信号。在测量范围不是很大，探测表面比较平稳的情况下各个测点的直达波信号具有很强的相关性(近似相同)，因而找到一路直达波信号(不含目标信号)，以此为基础估计各个测点的直达波信号并与接收信号相抵消是一种主要的直达波去除方法。

平均对消法是一种常采用的对消法，其核心思想是散射信号si(t)只在目标(人体)的正前方几个扫描点较强，在远离目标的扫描点上强度快速下降，而直达波di(t)在各个点上的强度近似相同，因此获取多个测点回波数据求平均可得到参考直达波信号d(t)(只含有少量的目标回波信息)：

平均对消法就是将d(t)直接与各个测点的接收信号wi(t)相减，从而达到对直达波的抑制。此算法的优点在于简单且处理快速，但缺点在于不能适应不同测点直达波信号的变化，比如：墙壁表面起伏引起的直达波幅度及时延的变化，此情况下直达波的残留成分可能对目标回波信号的检测造成很大的干扰。

由式(2)可见每个测点的直达波信号可近似看作发射信号经过线形系统hid(t)产生的，但是各个测点的表面差异以及系统的不稳定性，各个测点的hid(t)是随机变化的。因此各个测点接收信号可以近似地看作一随机过程，且在实际测量中直达波和回波的先验知识很难得到，所以固定滤波器无法满足要求。自适应滤波器具有自动调整自身参数的能力，其设计可不需要直达波和目标回波的先验知识，适合于TWDR测量处理。本文提出一种由参考直达波d(n)作为输入，各个测点接收信号wi(n)作为期望输出的自适应对消去除直达波的方法。

3 自适应滤波去除直达波

自适应滤波去除直达波的原理是通过一路与各个测点接收信号中的直达波强相关而与目标回波信号弱相关的参考输入信号，通过自适应算法，动态调整数字滤波器的参数使得参考信号经过滤波后很好地与各个测点信号中的直达波成分相对消。其模型如图1所示(未考虑随机噪声)。

自适应滤波其参考输入信号一般选取一路不含目标回波信息的信号(近似为直达波信号)，由于各个测点的直达波信号具有很强的相关性，而直达波与目标回波的相关性相比之下要小很多，这样各个测点直达波成分就能很好地抵消，同时目标信息得以保留。

由算法模型可知，此LMS横向自适应滤波器的输入为参考直达波，因而参考直达波的选取就成为影响处理效果的关键因素之一。本文采用了基于奇异值分解(SVD)的直达波参考信号提取方法。

4 直达波信号提取

TWDR测量过程中是一个线测一个线测进行的，将每个线测作为一个处理单元，每个测点的接收信号wi

回波数据矩阵可以表示[WTHX]W[WTBX]=[WTHX]N[WTBX]+[WTHX]D，[WTBX]其中[WTHX]D[WTBX]为直达波信号矩阵，[WTHX]N[WTBX]为包含目标信号、噪声、杂波等弱信号矩阵。由于在各个测点直达波信号变化不是很大，具有很强的相关性，秩为1(理想情况下可以认为各个测点直达波相同)，而弱信号矩阵可以认为在各个测点随机分布，近似认为是随机噪声，秩为M。

当l=1时，即[WTHX]W(1)=σ1[WTHX]w[WTBX]1为矩阵的最近秩1矩阵，由于直达波能量远远大于目标回波以及随机噪声、杂波等，所以在[WTHX]W[WTBX]中[WTHX]D[WTBX]占有主导地位，且秩为1。因而[WTHX]W[WTBX](1)中包含[WTHX]D[WTBX]的绝大部分信息，而含有少量的目标回波、随机噪声信息，可任意选取[WTHX]W[WTBX](1)的一列向量作为参考直达波信号。

5 实验结果

[JP2]实验中采用步进变频雷达，雷达中心频率为1.5 GHz，带宽B=1 G，频率步进Δf=5 MHz，点数N=201，目标人体垂直站立离墙1.5 m，空间采样间隔为10 cm，房间尺寸3 m×4 m，共采集了30组数据。LMS横向滤波器的阶数M=6，增益常数μ=0.001,图2中为采集的一组原始数据，图3~图5分别是采用不同的算法进行直达波抑制处理后的效果。由计算可得，采用平均对消算法直达波抑制了46.052 dB， 采用LMS自适应对消算法直达波抑制了56.348 dB。可见自适应对消算法的效果更加理想。用自适应对消算法虽然对目标回波也带来了一定的损失，但信干比却由处理前的SIR=-20.402 dB提高到SIR=20.794 dB。[JP]

6 结 语

本文研究了TWDR接受信号的直达波抑制方法。采用了LMS自适应对消算法，其中的参考直达波是基于SVD分解方法来提取的。LMS自适应算法的优点在于他能动态地跟踪各个测点直达波信号幅度与时延的变化，可以有效抑制探测表面起伏变化过快而引起的直达波局部畸变。在穿墙人体探测中，如果墙壁表面起伏变化较快的情况下，此算法在与平均对消算法比较时，效果更优。

参 考 文 献

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作者简介

王 昭 男，1980年出生，四川岳池县人，在读硕士研究生。主要从事信号获取与探测方面的工作。

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”