超宽带穿墙雷达成像系统
超宽带穿墙雷达成像原理
超宽带穿墙雷达成像原理今天来聊聊超宽带穿墙雷达成像原理。
你看啊，在生活中我们有时候会觉得眼睛不够用，比如说你想知道墙那头有啥，眼睛可看不到。
但是超宽带穿墙雷达就像是有了一双“透视眼”，能够透过墙看到后面的物体成像，可神奇了。
超宽带穿墙雷达的原理呢，我也是研究了一阵子才略懂皮毛的。
首先，它会发射出超宽带的脉冲信号，这个超宽带信号就像是一阵超级复杂的声波，这个脉冲的频率范围特别宽。
比如说，普通的声音只是在一个小的频率范围内，而这个超宽带就像是从低沉的大鼓声到尖锐的哨子声这个超级大的频率范围组合起来的一种信号。
说到这里，你可能会问，这个信号发出去，怎么就能成像呢？这就要说到信号的传播和反射了。
这个信号碰到墙以及墙后面的物体，就会反弹回来。
咱们打个比方吧，这就像你在一个黑暗的屋子里丢出很多弹力球（代表超宽带脉冲信号），屋子里面有各种形状的家具（代表墙后的物体），球打到墙上或者家具上就会弹回来。
超宽带穿墙雷达接收到反射回来的脉冲之后呢，就可以根据信号的时间延迟、强度变化等信息来判断物体的位置、形状和材质。
因为不同的物体、不同的距离会对信号造成不同的影响。
就像是不同的家具对弹回来的球影响不一样，柔软的沙发可能对球的反弹方向有很缓和的改变，而硬邦邦的桌子可能会让球直接以一个很锐利的角度弹回来。
这背后其实是有不少理论支持的。
比如说电磁波传播理论，超宽带信号就是一种特殊的电磁波。
它在不同介质中的传播速度和电波衰减程度是不一样的。
墙相对真空或者空气是一种更复杂的传播介质，而墙后面不同的物体也是不一样的介质。
超宽带穿墙雷达在实际应用的案例也不少。
消防队员在着火的建筑物搜救幸存者的时候，如果烟雾很大根本看不见屋里情况，这个时候超宽带穿墙雷达就可以扫描各个房间，看看哪里有生命迹象，因为人体和周围的废墟等物体的反射特性是不一样的。
还有在军事上的城市巷战之中，可以探测建筑物内部敌人的分布情况，有助于制定作战计划。
不过呢，老实说，我一开始也不明白这个在处理复杂环境下信号分析为什么这么复杂。
超宽带穿墙雷达成像技术研究现状
Ｒ ｃｎ ｒ ｇｅｓｏ ｌ ａｗ ｄ ｂ ｎ ｈ ｏ ｇ － ｅｗ ｌ Ｒ ｄ ｒＩ ｇｎ ｅｅｔＰ ｏ ｒｓ ｆ ｔ — ｉｅ ａ ｄ Ｔ ｒ ｕ ｈｔ — ａｌ ａ ａ ｍａ ｉｇ Ｕ ｒ ｈ
ａ ｄ Ｓ ｎ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ａ ｒｖ ｄ ｅｅｅ ｃ ｏ ｌｔ ｅ ｒ ｓａ ｃ ｅ ． ｎ Ｏ ｏ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒｃ ｎ ｐ ｉｅ ｒｆｒ ｎ ｅ ｆｒｒ ａｉ ｅ ｒｈ ｒ ｏ ｅ ｖ ｅ ｓ
Ｋ ｙｗ ｒｓ ｕｔ － ｉｅａｄＴ ｒｕ ・ ｅＷａ ａｉ ｄ ； ａｉ ｇｒｈ ｉｖｒ ｃｔ ｒ ｇ ｂｃ －ｒ ｅ ・ ｅ ｏｄ ：ｌ ・ ｄｂ ｈｏ ｇ － － ｌ ｉ ｇ ｇｒ ａ ｉ ｇｎ ａ ｏ ｔ ｎｅ ｅｓａ ｅ ｎ ；ａｋｐｏ ｅ ａ ｒｗ ｎ ｈ ｔ － ｌ ｍ ｎ ａ ｒ ｍ ｇｌ ｉ ｍ； ｓ ｈ ｔ ｉ － ｊ －
第５ ２卷 第 ９期
２１ ０２年 ９月
电讯 技术
Ｔｅｅ ｏ ｌｃ ｍｍｕ ｉａ ｏ ｎｃ ｔ ｎ Ｅｎｇｎ ｅ ｉｇ ｉ ｉ ｅ ｒｎ
Ｖ０ ． ２ Ｎｏ． １５ ９ Ｓ ｐ．２ １ ｅ ０２
文章 编 号 ：０ １ ９ Ｘ（０ ２ ０ １０ —８３ ２ １ ｝９—１４ —０ ５１ ６
动 目标 进 行监 测 ， 而能 较 大 程 度 地 提 高 作 战 人 员 因 的侦 察 与探 测 、 态势 感知 和生 存 能力 ， 可 以进行 战 还 场伤 员搜 救 ； 在关 口安检 中 ， 以实现 对 危 险品如 金 可 属武 器 等 的非接 触式 的隔物 探测 ； 灾难 搜救 中 ， 在 能 够对 地震 、 方 等情 况下 废墟 里 的人 员进 行搜 救 。 塌 通常 ， ０ｄ 带 宽 大 于 或 等 于 ５０ＭＨ 的 信 号 一ｌ Ｂ ０ ｚ 就可 以称 为超 宽带 信 号 。 由于这超 宽 带信 号具 有 可 实现厘 米 量级 的测 距 精 度 、 识 别 和 区分 不 同 目标 能
基于穿墙雷达对目标成像的研究
基于穿墙雷达对目标成像研究在20世纪90年，美国军队将隔墙探测技术作为新《联合城区作战条令》重点研究的三大关键技术之一，并作为美国国防部先进研究项目局的重要研究项目之一，而超宽带穿墙雷达特性优良，因此被广泛的应用于军事领域。
穿墙雷达是利用电磁波的穿透能力，发射电磁波穿透非金属建筑材料，并分析接收天线收到的回波信号，对墙后或封闭环境中的隐藏目标进行成像。
由于超宽带穿墙雷达能够实现墙后隐藏目标的定位和探测，在反恐斗争中，可以实时地了解恐怖分子的分布情况以及人员的精确定位，这可以有效的提高营救人质的几率；在城市巷战中，利用超宽带穿墙雷达可以快速的探测隐藏在建筑物内的敌军分布，以便我军做出正确的部署；在各种灾难救援中，超宽带穿墙雷达还能够探测人的心跳、呼吸等微弱信号，从而能够使救援队伍能够快速、准确的进行救援工作。
因此在穿墙雷达目标定位和成像方面所做的研究对丰富该领域具有积极的意义。
超宽带信号具有一个很大的带宽，而雷达信号的距离分辨率为/(2)R c B∆=，它与信号带宽成反比，因此可以得出超宽带雷达信号具有很高的距离分辨率，这对目标的识别、检测和成像具有非常重大的意义，正因为此近年来超宽带雷达一直是该领域的研究热点。
除了具有高距离分辨率以外，超宽带雷达还具有如下一些优势：一、超宽带雷达信号具有强的穿透能力，能够探测非金属室内环境中的隐藏目标和地下介质中的物质，因此近几年被广泛的应用于室内感知和探地雷达相关领域。
二、超宽带雷达信号抗干扰能力强，具有比较好的隐蔽性。
一方面它具有极低的能量密度，如果要对其进行干扰，必须要加大干扰信号的带宽，但是这会导致干扰信号的功率谱密度降低，从而使干扰效果降低；另一方面超宽带雷达信号与传统的窄带雷达信号之间具有很小的干扰，很难被侦查，因此被广泛的应用在军事领域。
三、超宽带雷达具有对目标的感知能力。
在雷达所接收到的超宽带反射信号中，不仅包含了目标的位置信息，还包含了目标的形状和电特性参数等信息，从而通过一些信号处理技术，可以从超宽带回波信号中反演出目标的位置、形状以及电特性参数等信息。
超宽带穿墙雷达椭圆包络线目标边界成像算法
541004) 710071)
摘
要：为解决传统超宽带穿墙雷达后向投影(BP)成像算法不利于实时成像且成像模糊的问题，基于目标边界成
像的成像算法成为近年来研究的热点。SEABED 算法与 Envelope 算法是常用的目标边界成像算法，但此类算法存 在抗噪性差或准确性不佳等不足。该文采用收发分置天线方式，提出一种基于椭圆包络线原理的成像算法。通过分 析目标边界与天线坐标之间的几何结构，构造与目标边界相切的椭圆模型，推导了两者的映射关系，完成了穿墙成 像的目标边界重建。理论分析和实验结果表明，该算法能提高成像的抗噪性与准确性，增强了穿墙成像的性能。 关键词：超宽带穿墙成像；双站雷达；椭圆包络线；目标边界成像 中图分类号： TN957.52 DOI: 10.3724/SP.J.1146.2013.01419 文献标识码： A 文章编号： 1009-5896(2014)07-1532-06
第7期
李育晖等： 超宽带穿墙雷达椭圆包络线目标边界成像算法
1533
Algorithm based on BST and Extraction of Directly scattered waves) 成像算法[10,11]不仅计算量 小，而且能够对目标边界进行很好的重建，适用于 实时成像。 吴世友等人[12]在SEABED算法的基础上， 分析SEABED算法在穿墙探测中的不足，提出一种 定位识别算法用来消除墙体的影响，将SEABED算 法应用到穿墙探测中，仿真实验结果表明该算法能 较好地消除墙体影响，使得目标边界得到较好的成 像。随后，他们又进一步将基于收发同置天线的 SEABED算法扩展至收发分置天线场 合[13]。然而，由于SEABED算法的表达式中存在对 噪声的微分项，所以抗噪性较差。为解决噪声环境 下SEABED算法目标边界成像的分辨率和稳定性矛 盾 ， 有 学 者 随 后 提 出 了 圆 形 包 络 线 (envelope of circles)成像算法[14,15]，该算法利用天线与目标边界 所构成的几何相切关系进行成像，能有效提高噪声 环境下算法目标边界成像的稳健性。该算法是基于 收发同置天线，主要利用目标的后向散射信息，而 收发分置天线的双站式(bistatic)雷达有许多优点： (1)收发分置天线间不需要进行正交调制，可简化硬 件要求；(2)通过双站雷达建立的天线阵列系统除了 可实现单站天线的合成孔径雷达的工作外，还可以 减弱多径干扰所带来的影响；(3)双站雷达系统中的 单个接收天线可接收多个发射天线的电磁回波，从 而为接收系统提供更多的回波信息。 为此，本文在圆形包络线成像算法和SEABED 成像算法的基础上，基于收发分置天线与目标边界 的 几 何 关 系 ， 提 出 一 种 椭 圆 包 络 线 (envelope of ellipses)超宽带穿墙雷达成像算法。 该算法不仅在原 理上避免了对噪声的微分，同时利用椭圆的几何关 系，能更准确地构建收发天线与目标边界的几何相 切关系，在保持成像的抗噪性与稳健性的同时，能 有效提高目标边界的穿墙成像效果。
超宽带穿墙雷达
超宽带穿墙雷达作者：赵敏黄莹吴思莹来源：《中国新通信》 2017年第12期【摘要】本文研究了基于宽带波束形成技术的穿墙雷达成像技术的基本概念和原理，建立了穿墙雷达成像目标回波模型，详细分析了宽带波束形成基本原理，最后通过matlab 仿真成像验证相干成像和非相干成像的不同。
【关键词】穿墙雷达成像成像目标回波模型宽带波束形成原理一、超宽带雷达介绍超宽带穿墙雷达是一种获取更多目标相关信息的新体制雷达，指的是雷达发射信号的带宽与中心频率之比大于0.25，并且带宽越大，雷达的距离分辨率越高。
在超宽带信号的照射下，超宽带雷达从目标的散射中心返回的回波信号有别于窄带雷达，接收机输入端的信号不载仅仅是简单的发射信号的延迟和多普勒频移。
雷达目标信息的提取与回波信号有着紧密的联系，因此对于超宽带雷达目标回波的建模研究与接收和处理回波信号尤为重要。
二、基于宽带波束形成技术穿墙雷达成像基本原理2.1 目标回波模型图1-1 为穿墙雷达成像的场景，假定为点目标，并且假定墙体是单一均匀介质的墙体，厚度和介电常数分别为和，本文采用单发单收天线沿墙体横向移动的方式形成线天线阵列，共在N 个天线位置进行数据采集。
设发射信号为s(t)，为超宽带信号满足距离分辨率要求，接收天线在第m 个天线位置接受到的回波信号为其中，为电磁波在墙体中的传播速度，电磁波在墙体和空气中的传播路径在墙体厚度d 和介电常数确知的条件下可以根据Snell 定律精确求解，从而可以精确计算回波延迟。
2.2 宽带波束形成基本原理将目标区域被划分为多个像素点，任意像素点的像素值可计算如下：其中，，为加权系数，用来表示目标图像扩展程度，一般设置为1。
为延迟，用来表示假设目标为点时的回波延迟。
对于目标区域的所有像素点由公式（1-3）得到其相应的像素值，墙体厚度d 和介电常数已知的条件下，目标点的像素值能够准确反映目标区域各散射点的强度，最终形成目标区域散射点图像，即为目标区域图像。
超宽带穿墙SAR成像中的多径干扰抑制_谭覃燕
目标, 严重影响着穿墙雷达系统的探测性能。 传统解决多径问题方法的主要思想是从目标 回波中分辨出多径回波信号, 并检测和提取其部分 参数。 这些方法对于处理单个目标场景或离散度较 大的多目标场景比较有效 , 但不适合更容易产生多 径传播的复杂目标区域。超宽带穿墙 SAR 虽然能 对复杂面目标区域进行高分辨率成像, 但是要从回 波信号中精确提取多径回波参数较为困难。 目标散 射特性分析表明 , 场景中多径散射回波具有方向依 赖性, 回波能量随电磁波对目标方位角的不同而高 度集中于某一个子孔径, 其余子孔径中几乎不包含 此多径回波信号。 SAR 成像在图像域保留了多径
Abstract: When t hrough -t he -w all ult ra -wideband ( UWB ) synthet ic apert ure radar ( SAR ) is applied t o imag ing , t he interf er ence of mult ipat h spreading among t arg et s int roduces ghost s into t he SAR image. It can det er io rate t he det ectio n and r ecognit io n capabilit y of t he radar system . A m ult ipat h scat t ering model is f irst dev elo ped for t hr oug h -the -w al l UWB SAR . By analyzing t he model, an import ant f eat ur e of m ult ipat h g host s is f ound in t hrough-t he-w all UWB SAR im ag es, that is, aspect dependence. Based on t he g ho st ′ s aspect dependence, a hidden M ar ko v model ( H MM ) based method is developed f or t he suppression o f ghost s. Simulations show t hat t he proposed met hod can im pro ve t he peak value rat io of real t arg et s and ghosts by abo ut 11 dB. Key words : ult ra-wideband; radar; mult ipat h int erf erence; hidden Markov mo dels 现象尤为明显。 多径回波将在SAR 图像中形成虚假Biblioteka 302数据
手持式超宽带穿墙探测雷达
“雷达示波器”在运用时，第一步就是放射出脉冲信号。
这就是即将配置驻伊美军的“雷达示波器”，它仅重0.68千克，还经过了防水和加固处理。
拥有超人一样的“透视眼”曾经是科幻迷的梦想，然而，美国军方的新装备正在把科幻变为现实。
轻便、小巧、廉价、低耗能、易操作，即将送往伊拉克战场的“雷达示波器”可谓近乎完美的单兵装备。
看到这款雷达，人们无法再嘲笑“瞬间转移”的幻想，无法再断言“超光速”的无稽。
《终结者》中的机器人部队正活跃在伊拉克战场，美国正努力构建的TMD不就是现实中的“天网”。
从《海底两万里》中的“鹦鹉螺号”到核潜艇，从《星战》中的激光炮到正在实验的机载激光武器，科幻和现实已经没有界线。
2006年1月，一种名为“雷达示波器”新型探测装置将很快装备驻伊拉克美军，它将大大提高战略小分队的监视能力。
呼吸也能探测到“雷达示波器”是由美国国防高级研究计划局(DARPA)研发的一种透墙探测雷达，可以对建筑物逐门进行快速搜索，从而发现隐藏的恐怖分子。
它可以穿透约0.3米的混凝土墙，并且在几秒钟内就可以判断出隔壁是否有人，甚至呼吸这样细微的动静也能够探测到。
15米内一览无遗该装置可以穿透几种不同的墙壁，穿透后的作用距离约为15米，几乎可以一览无遗地显示出建筑物内的情况，比如平面布置图、房内人的位置以及诸如武器储藏室等用具的分布情况。
利用这种装置可以使士兵了解更多的信息，并决定其行动的优先次序。
结实防水只需5号电池“雷达示波器”利用AA电池组供电，并且还经过了防水和加固处理。
其重量只有0.68千克，其体积只有电话听筒大小，因此便于士兵携带。
它的成本也只有1000美元左右，因此可以大量装备。
尽管军方希望能够将这种装置尽快装备部队，但是DARPA的眼光更加长远，还将在今后几年进行更加深入的研究。
届时，这种装置只需靠近监视的建筑物就可以使用。
性能参数重量：0.68千克动力：AA电池组造价：1000美元穿透厚度：0.3米作用距离：15米所需时间：几秒钟透视原理：人动则波动波动即有人“雷达示波器”是一种轻便、廉价的单兵侦察装备，具有穿透墙壁探测的功能。
超宽带穿墙雷达非相干成像方法
1 引言
穿墙成像雷达是近几年根据军事和反恐需要提出的一种新概念装备 . 伊拉克战争结束后 ,越来越多 的军事研究人员意识到大规模的城区巷战将成为未来地区冲突和局部战争中的重要作战形式 ,如何在 城区巷战中提高作战人员对周边环境的态势感知 、 侦察与探测的能力成为各国军队的迫切需要 ; 同时 , 随着反恐斗争的深入 ,需要对隐藏在建筑物内的恐怖分子和人质进行状态分析和精确定位 ,以提高反恐 作战的成功率 ,减少人员伤亡 ; 另外 ,它还可用于火灾和地震后的抢险救灾任务中 ,能够快速 、 准确地搜 索救援被烟雾或废墟遮盖的受害者 . 超宽带雷达在穿墙成像方面有较大的优势 ,它发射的超宽带信号瞬时相对带宽大于 25 % , 具有极 高的距离分辨率 ,有利于目标的检测定位 ,同时超宽带信号丰富的低频分量保证其良好的穿透特性和较 大的作用距离 . 为了实现距离向和方位向的二维定位和跟踪 ( 不考虑垂直于地面的高度方向) ,雷达系统 采用单发多收或多组收发的天线形式 , 通过在多个方向接收目标的回波 , 实现对运动目标的定位和跟 踪. 穿 墙 成 像 雷 达 有 2 种 成 像 方 法 , 即 非 相 干 方 法 和 相 干 方 法. 非 相 干 方 法 采 用 三 角 定 位 技 术 (trilateration technique) 来确定目标的位置[1 ,2 ] . 相干方法利用基于时域的合成孔径后向投影算法 ( back2 [3 ,4 ] projection algorithm) 成像 . 目前大多数穿墙成像雷达采用基于后向投影的相干成像方法 , 通过多组收 发天线形成一个大的天线孔径获得很高的方位向分辨率 . 非相干三角定位技术利用三基雷达测得 3 个 距离 ,根据 3 球面交会于一点的原理确定目标的三维空间位置 . 非相干成像方法与相干成像方法相比具 有低成本 、 低硬件复杂度 、 处理方法简单等优点 .
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信号与信息处理研究室
29.05.2020
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1
基本结构原理
ARM 显示板
DSP 处理机
FPGA 芯片
时钟产生 器控制 模块
采集控 制模块
PLL
DC FIFO
接收系统 电路板
1:4LVDS 时钟
分配器
10MHz 时钟产 生芯片
4路 ADC 芯片
窄脉 冲产 生装
置
功率 放大
器
-
4片低
-
噪声
-
放大
器
发射天线
-
运动目标
墙 体
4阵子接收天线
可广泛应用于灾后搜救、军事反恐、机场安全检查、 地下管道检测、医学人体健康检查
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2
超宽带脉冲产生与放大
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3
接收装置
29.05.2020
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4
成像处理系统
29.05.2020
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5
整体测试系统
29.05.2020
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6
自由空间成像
图1 DAS成像
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图2 MV+CF波束成像
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穿木板墙成像
图3 DAS成像
29.05.2020
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图4 MV+CF成像
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穿水泥砖墙成像
图5 DAS成像
29.05.2020
图6 MV+CF成像
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9
专利成果
29.05.2020
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10
谢谢！
29.05.2020
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11