超宽带穿墙雷达成像系统

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。

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。

专利名称：一种用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法专利类型：发明专利
发明人：黄琼,陈洁,孟升卫,方广有
申请号：CN200910090471.5
申请日：20090812
公开号：CN101995573A
公开日：
20110330
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种用于超宽带穿墙雷达的目标边界成像方法，涉及在有限距离下超宽带穿墙雷达系统对墙后隐藏目标边界成像技术。

该方法包括：建立穿墙雷达目标边界成像场景中墙体模型，设置成像所需系统参数；输入阵列天线回波信号，并对输入的回波信号进行累积平均和匹配滤波处理，得到高信噪比输出信号；利用三次样条函数对上步输出信号进行拟合插值运算，提取准波前；根据准波前集合计算曲线簇，计算曲线簇的包络线；对上步中包络线进行拟合，从而得到目标边界图像。

此方法将墙体的存在对电磁波传播的影响考虑在内，可以实现对墙后隐藏目标边界准确成像，且具有较高的运算效率。

申请人：中国科学院电子学研究所
地址：100080 北京市海淀区北四环西路19号
国籍：CN
代理机构：中科专利商标代理有限责任公司
代理人：周长兴
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