超宽带MIMO雷达穿墙成像技术

Through-the-wall imaging (TWI) radar has the capability of imaging and detecting both static and slow moving targets obscured behind nonmetal opaque materials. The technique has a variety of potential application including disaster rescue, civil security, surveillance, and reconnaissance, etc. However, suffering from strong clutters and two-way penetration loss, through-the-wall imaging faces the challenges of the low signal to clutter ratio, which is the major obstacle of target detection and classification. In this proposal, new approaches to mitigate the clutter and improve the image quality are studied from the aspects of both imaging system / data acquisition pattern and signal processing method based on the electromagnetic wave through-the-wall multi-path propagation model. Firstly, combining the concept of cognitive radar with the multiple input multiple output (MIMO) imaging array technology, new radar system and data acquirement pattern are optimized with proper electromagnetic wave through-dielectric multi-path propagation modeling and thorough analysis of the characteristics of the target and clutter returns in TWI application. Then clutter mitigation and image reconstruction methods suitable for multi-aperture multi-polarization data are studied. Finally, the proposed approaches are validated and improved through both simulation and experiment data processing. In this proposal, we try to combine the concept of cognitive radar with ultra wideband MIMO imaging array technology, search for novel TWI system, data acquisition pattern and the signal processing methods, provide high quality imaging results suitable for target detection and classification, and build up the foundation of TWI application.

穿墙成像雷达能对隐蔽在障碍物后的静止和慢速运动目标实现成像探测，在灾害救援、安全维稳和侦察监视等领域有巨大的应用前景。穿墙成像雷达受到强杂波干扰和双程穿透衰减，图像信杂比低，成为隐蔽目标检测和分类识别的主要障碍。本项目以电磁波墙体穿透多径传输模型为基础，从成像体制/成像数据获取模式和信号处理方法两个角度研究抑制杂波提高图像质量的新途径、新方法。首先将认知雷达技术和多输入多输出阵列成像体制相结合，以电磁波介质穿透多径传输建模和穿墙雷达目标与杂波信号特征分析为基础优化雷达体制和成像数据获取模式；然后研究基于多孔径多极化观测数据的抑制杂波、重建高质量图像的信号处理方法；最后利用数值仿真、试验和实测数据处理对研究方法进行验证和改进。本项目将认知雷达理念和超宽带MIMO阵列成像体制相结合，研究全新的穿墙成像雷达体制、数据获取模式和信号处理方法，提供利于检测和鉴别的高质量图像，为穿墙成像雷达应用奠定基础。

穿墙成像雷达能对隐蔽在障碍物后的静止和慢速运动目标实现成像探测，在灾害救援、安全维稳和侦察监视等领域有巨大的应用前景。穿墙成像雷达受到强杂波干扰和双程穿透衰减，图像信杂比低，成为隐蔽目标检测和分类识别的主要障碍。本项目以电磁波墙体穿透多径传输模型为基础，从成像体制/成像数据获取模式和信号处理方法两个角度研究抑制杂波提高图像质量的新途径、新方法。首先将认知雷达技术和超宽带MIMO阵列成像体制相结合，以电磁波介质穿透多径传输模型和穿墙雷达目标与杂波特征分析为基础优优化雷达体制和成像数据获取模式；然后研究基于多孔径多极化观测数据的抑制杂波、重建高质量图像的信号处理方法；最后利用数值仿真、试验和实测数据处理对研究方法进行验证和改进。本项目将认知雷达理念和超宽带MIMO阵列成像体制相结合，研究全新的穿墙成像雷达体制、数据获取模式和信号处理方法，提供利于检测和鉴别的高质量图像，为穿墙成像雷达应用奠定基础。.　　在基于模型的雷达体制与数据录取模式优化方面，首先研究了超宽带MIMO雷达成像机理，采用协同阵和虚拟阵列分析MIMO阵列成像，并推导了MIMO雷达的点扩展函数。然后针对穿墙成像场景，建立了介质穿透多径传输模型，定量分析墙体对墙后目标聚焦和定位的影响，并通过仿真和实验验证了模型的正确性。.　　在高质量图像重建与杂波抑制方法方面，提出了一种研究空间谱域快速重聚焦方法。该方法仅需进行一次成像处理，能够获得较高的成像效率和补偿精度。针对建筑物场景下的重聚焦问题，提出一种基于多阵列的穿墙重聚焦方法，根据关联目标在不同阵列成像结果中的对应位置关系来实现重聚焦。最后，根据天线阵列的距离向位置变化时，墙体和目标空域特征的差异，提出了基于空域特征的墙体杂波抑制方法。. 基于本项目研究成果，申请专利1项，在国内核心期刊和国际会议上发表论文23篇，其中SCI 8篇、EI检索19篇，培养博士研究生4名，硕士研究生5名。