分类号 TN957 学号 09040041 U D C 密级 公 开 工学硕士学位论文 穿墙雷达信息处理及实现技术穿墙雷达信息处理及实现技术 硕士生姓名 刘颉武 学 科 专 业 信息与通信工程 研 究 方 向 新体制雷达系统与技术 指 导 教 师 朱国富 副教授 国防科学技术大学研究生院国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月二一一年十一月 论文书脊 论文书脊 穿墙雷达信息处理及实现技术 国防科学技术大学研究生院 Through-the-Wall Radar Signal Processing Techniques and Its Implementation Candidate：Liu Jiewu Advisor：Zhu Guofu A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Information and Communication Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China （November，2011） （此页放置独创性声明和学位论文版权使用授权书 复印件，其原件存放在学位申请材料中。） （此页放置独创性声明和学位论文版权使用授权书 复印件，其原件存放在学位申请材料中。） 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 . i ABSTRACT.ii 第一章 绪论 1 1.1 研究背景和意义. 1 1.2 国内外研究现状. 1 1.2.1 国外研究现状 1 1.2.2 国内研究现状 3 1.3 穿墙雷达面临的主要问题. 4 1.3.1 一维系统的研究意义 4 1.3.2 一维系统的主要问题 5 1.4 论文工作和任务. 5 第二章 超宽带穿墙雷达基本原理 . 8 2.1 穿墙雷达工作模型. 8 2.1.1 穿墙雷达基本模型 8 2.1.2 回波数据处理流程 10 2.2 信号形式与色散补偿. 11 2.3 杂波抑制算法. 12 2.3.1 两脉冲对消 13 2.3.2 积累平均背景相消 13 2.3.3 指数加权 14 2.4 RFI 抑制. 15 2.5 小结. 16 第三章 基于初步检测的杂波抑制方法 17 3.1 经典杂波抑制方法分析. 17 3.1.1 频域滤波法 17 3.1.2 背景相消法 21 3.2 基于初步检测的改进型背景相消算法. 26 3.2.1 算法原理 26 3.2.2 实验结果 28 3.3 目标检测. 36 3.3.1 脉冲维检测算法 36 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 II 页 3.3.2 距离维检测算法 37 3.3.3 改进型方差检测算法 40 3.4 小结. 45 第四章 穿墙雷达实时处理软件的设计与实现 46 4.1 系统描述与软件需求 46 4.1.1 实验系统描述 46 4.1.2 软件需求与平台选择 46 4.2 软件界面介绍. 48 4.3 软件设计与实现. 48 4.3.1 数据采集任务 49 4.3.2 数据处理任务 50 4.3.3 多线程技术 50 4.4 实验结果. 53 4.5 小结. 54 第五章 工作总结与展望 55 5.1 本文的主要成果. 55 5.2 下一步工作展望. 56 致 谢 57 参考文献. 58 作者在学期间取得的学术成果. 63 作者在学期间参与的科研项目. 63 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 3.1 频域滤波法的滤波器参数 18 表 3.2 频域滤波法与经典算法在多种运动形式下的 SCNR 表现 20 表 3.3 径向行进目标回波的 SCNR（图 3.17 数据） 31 表 3.4 径向行进目标回波的 SCNR（图 3.18 数据） 32 表 3.5 原地静止目标回波的 SCNR（图 3.19 数据） 33 表 3.6 原地静止目标回波的 SCNR（图 3.20 数据） 33 表 3.7 切向行进目标回波的 SCNR（图 3.21 数据） 34 表 3.8 径向行进目标回波的 SCNR（图 3.22 数据） 35 表 4.1 软件平台对比 47 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 1.1 TWIR 实验系统和构成 RATWIS 的独立单元. 2 图 1.2 SV2000A1 及双目标显示结果 3 图 2.1 穿墙雷达基本模型 8 图 2.2 回波的数据处理流程 10 图 2.3 冲击脉冲单周波波形及其频谱 11 图 2.4 Archimedean 天线实物. 11 图 2.5 回波的色散补偿前后波形 12 图 2.6 两脉冲对消器 13 图 2.7 积累平均相消器 14 图 2.8 指数加权结构图 14 图 2.9 受 RFI 干扰的成像结果 15 图 2.10 经时域幅度均衡法处理后的图像 16 图 3.1 静止目标数据的慢频响应 17 图 3.2 静止目标两种方法的处理结果 18 图 3.3 三类滤波器的幅频响应 19 图 3.4 切向运动目标两种方法的处理结果 19 图 3.5 径向运动目标两种方法的处理结果 20 图 3.6 背景相消法的统一结构 21 图 3.7 取不同值时滤波器的频率响应 22 图 3.8 M取不同值时滤波器的频率响应. 23 图 3.9 基于背景信息的自适应背景相消算法模型 24 图 3.10 基于目标信息的自适应背景相消算法模型 24 图 3.11 对图 3.5 中原始数据和指数加权算法处理结果的分析. 26 图 3.12 20s 时刻的原始数据和指数加权算法处理结果. 27 图 3.13 改进型算法的流程示意图 27 图 3.14 20s 时刻的加权系数和处理结果. 28 图 3.15 改进型算法处理前后对比 28 图 3.16 工厂场景的墙后环境 29 图 3.17 径向行进目标四种算法处理结果对比（贴墙） 30 图 3.18 径向行进目标四种算法处理结果对比（离墙） 31 图 3.19 原地静止目标四种算法处理结果对比（贴墙） 32 图 3.20 原地静止目标四种算法处理结果对比（离墙） 33 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 V 页 图 3.21 切向行进目标四种算法处理结果对比（贴墙） 34 图 3.22 切向行进目标四种算法处理结果对比（离墙） 35 图 3.23 径向行进目标脉冲维检测算法的处理结果 37 图 3.24 回波幅度的瑞利拟合 37 图 3.25 CFAR 检测器原理示意图 38 图 3.26 OS-CFAR 检测与距离维方差检测算法结果比较. 40 图 3.27 改进型方差检测算法的流程示意图 40 图 3.28 改进型方差检测算法结果 41 图 3.29 四种检测算法对图 3.18 数据的检测结果. 41 图 3.30 四种检测算法对图 3.19 数据的检测结果. 42 图 3.31 四种检测算法对图 3.22 数据的检测结果. 42 图 3.32 对图 3.17 数据采用不同杂波抑制方法时的检测结果. 43 图 3.33 对图 3.19 数据采用不同杂波抑制方法时的检测结果. 44 图 4.1 超宽带穿墙雷达实验系统组成 46 图 4.2 软件用户界面 48 图 4.3 软件整体框架 49 图 4.4 数据采集流程示意图 49 图 4.5 数据处理流程示意图 50 图 4.6 TSQ 读、写线程示意图. 52 图 4.7 体育馆场景的墙后环境 53 图 4.8 改进算法实时探测结果 53 图 4.9 对图 4.8 录取的数据应用脉冲对消算法进行数据处理的结果. 54 图 4.10 对图 4.8 录取的数据应用指数加权算法进行数据处理的结果. 54 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘 要 穿墙探测技术可在军事、反恐、灾后搜索等场合发挥重要作用。以穿墙雷达 技术为代表的穿墙探测技术是近年来生命探测技术研究的前沿和热点。 本文以穿墙雷达一维系统信号处理理论为基础，重点研究了穿墙雷达模型和 信号处理关键技术，包括杂波抑制及目标检测算法的系统总结与改进、穿墙雷达 实时处理软件的设计与实现。主要工作如下： 1、建立了穿墙雷达基本模型，给出了信号处理基本流程，介绍了 IR-UWB 信 号形式及色散补偿方法、杂波抑制算法及 RFI 干扰抑制方法。 2、系统地分析了现有的杂波抑制算法，提出了杂波抑制算法的统一模型，并 在此基础上对自适应背景相消算法的模型进行了归纳总结。 3、提出了一种基于初步检测的杂波抑制算法。该方法在经典的指数加权算法 的处理结果的基础上，对不同距离单元进行实时加权处理。实验表明，改进型算 法的杂波抑制效果较经典算法好，在较近的探测距离内各种运动类型目标的探测 中表现比较理想，适用性较强。本文进而将上述方法应用于目标检测，改善了穿 墙雷达动目标检测效果。 4、从雷达系统的需求特别是实时处理能力出发，设计并实现了超宽带穿墙雷 达实时处理软件。 软件以 LabWindows/CVI 9.0 为平台， 实现了对雷达系统的控制， 很好地完成了各类实验任务。 以上研究和工作成果均成功应用于某超宽带穿墙雷达实验系统，经过实测数 据验证，取得了很好的实际应用效果。 主题词：穿墙生命探测雷达 杂波抑制 目标检测 软件设计与实现 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT Through-the-wall detection technique has a variety of potential applications in military, antiterrorism and search-and-rescue work in emergencies, and through-the-wall detection technique based on radar has been a research hotspot for a few years. This paper mainly studies the signal processing model and technique of through-the-wall radar, such as clutter suppression algorithms, moving target detection methods, radar software design and implementation. Firstly, the one-dimension radar model for signal processing technique is analyzed and classical methods in dispersion compensation, clutter suppression and radio frequency interference suppression are discussed. Secondly, the comparison and unification of classical algorithms in clutter compensation is deeply researched. Two-pulse canceler, accumulative average background subtraction and exponential moving average background subtraction