韓文婷 李志勇
武警工程大學 西安 710086
摘要：目前，穿墙雷达系统的发展朝着小型化、低成本化不断发展，在对墙后人体目标生命特征提取、运动行为监测、动作姿态识别等应用领域取得了长足进步，而相应的雷达成像算法技术也更加的智能化、精确化。从目前的成像算法来看，主要是分为二维成像和三维成像两大体制，在这两大体制中应用算法的原理基本相同，只是在数据的获取和处理上稍有区别。本文将着重针对二维体制的成像算法进行介绍和对比，以期望对下步的研究提供新思路。
关键词：雷达；穿墙探测；成像算法；二维成像；
引言
近年来，穿墙雷达成像（TWRI）的研究领域侧重于对不透明障碍物（如墙壁）后静止和运动目标的感知和成像。随着二十多年来的不断发展，穿墙雷达在理论、技术、生产等方面都得到了大幅度的发展，在成像分辨率、精确度等性能上都有了大幅度的提升。近年来，穿墙雷达技术在社会各领域的中的应用更加广泛，利用其具有生命体探测、运动目标识别、场景成像等功能，在抢险救援、安检执法、反恐维稳、智能家居等众多领域中都被广泛应用。本文将从成像中常用的不同算法入手，通过对比不同算法成像后的优缺点，以期望为下步的研究工作提供新的思路。
一、穿墙雷达二维空间成像算法
目前的穿墙雷达的成像体制在一维、二维、三维中都有所应用，但一维成像提供信息较少，在实际应用中不 常使用，二维场景成像能提供距离向、方位向上的目标信息，现阶段的相关的成像算法有很多，本文将挑选几个具有代表性的进行阐述。
1.1 基于边界逆散射理论成像方法
早期的电磁逆散射成像方法基本都是在频域上对数据进行分析处理，这类方法原理简单、数据处理方便，但是需要的数据量大、高频含量不明显、提高成像分辨率困难。主要算法有波恩近似迭代算法（BIM）变型波恩迭代算法（DBIM）、局部形状函数算法（LSF）[1]。BIM和DBIM算法是为解决电介质和导电射体的非线性逆散射问题提出的。高质量的重构图像在带宽处于1.5至2.0GHZ区域间可以得到。面对具有无限电导率、可以用二进制函数0和1描述的散射体可以使用LSF算法进行成像处理，该算法利用的是类似于DBIM结构的迭代算法，但它使用的弗雷歇导数和弗雷歇转置算子与DBIM是不同的[2]。相较BP算法而言，该算法由于不需要进行相干累加计算，在计算效率上要优于BP算法[3]。
1.2 基于边界散射变换的目标包络估计法
边界散射变换可以用来描述目标边界点与准播前的对应关系[4]。主要算法有基于边界散射变换和直接散射波提取的形状估计算法（SEABED）、包络线算法、距离点徒动算法（RPM）。SAEBED算法通过准前波到目标边界的直接转换，达到计算效率高、目标边界形状清晰的效果，但因其在计算中使用了微分思想，对噪声敏感；包络线算法则克服了SEABED算法的缺点，在噪声环境中能得到稳定的图像边界;RPM算法不使用微分运算同时也不需要距离点进行连接，对于复杂目标也能稳定成像，但是因需要对DOA进行优化计算，要求精度高、耗费时间长。
1.3 后向投影（BP）法
后向投影算法是从计算机层析成像（CT）技术中衍生发展而来的一种时域算法，成像原理简单，能针对介质常数改变而导致电磁波在介质表面产生的折射损耗进行相应的补偿，成为穿墙雷达成像过程中常用的技术手段[5]。在补偿过程中，对目标进行“延迟-求和”是成像的关键所在。
利用传统 BP 算法进行成像得到的效果好、精确度较高，但耗时较长是最突出的问题，该算法的计算复杂度为，高于一般频域算法的复杂度，针对这一缺点衍生出了很多改进方法：采用二级算法结构实现计算复杂度为的快速BP算法[5]；采用多级算法结构实现计算复杂度为的快速BP算法[6];在[7]中，该作者针对BP算法墙体回波明显的缺点提出了一种基于时域差分的BP算法；在[8]中，提出了一种基于 NUFFT（非均匀快速傅里叶变换）的改进BP 成像算法，相较传统BP算法而言，该算法成像效果不错，且具有更强的抗噪能力，成像结果基本不受测量噪声的影响。在[9]中，作者针对Block-FFBP算法所需空间内存大、算法效率低的问题，提出了基于距离向进行整体处理的Bulk-FFBP算法，该算法成像效果更佳，计算效率更快。
图二：Block-FFBP插值核余量需求空间不断增长 图三：Bulk-FFBP算法流程图
三 结论
本文重点围绕穿墙雷达的二维成像体制，分别对各个成像算法及其衍生改进算法进行了分析和比对。随着需求和应用场景的不断发展，穿墙雷达系统在后续的应用中将不会是独立的存在，它将联合其他雷达系统，共同组成一个大型分布式探测网络，从而显著提高覆盖范围与探测精度，这对算法的要求将进一步提高，如何使算法更加智能化、系统化将是下一步研究的重点。
参考文献：
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