穿墙雷达成像

　　本书从墙和建筑材料的电磁属性的研究开始，讨论了在天线阵元设计和阵列配置中的各种技术，波束形成的概念和问题，以及集中和分布式孔径天线阵列的应用。
　　本书还详细讨论了波形设计，逆散射方法和基于物理模型的方法，合成孔径雷达（SAR）技术，冲激雷达，多层建筑物的机载雷达成像，目标检测方法，隐蔽目标检测，压缩感知（CS）方法。*后给出了如何运用微多普勒特征进行人体微动的测量。

 

　　本书是一本关于穿墙雷达成像技术的书籍， 共分15章， 涵盖了穿墙雷达所涉及的所有重要方面， 包括墙的衰减和色散， 天线的阵元和阵列， 波束形成技术， 墙后目标成像和定位技术， 常规和新的波形， 穿墙成像中的逆散射方法， 建筑物层析成像技术， 穿墙雷达成像的射线追踪方法， 穿墙成像中的SAR和冲激SAR， 建筑物内部结构描述方法， 穿墙雷达目标检测方法， 穿墙雷达成像中的压缩感知技术， 人体运动的雷达微多普勒特征等。

　　Moeness G. Amin博士1984年于美国科罗拉多大学Boulder分校获得了他的博士学位。从1985年开始，他成为维拉诺瓦（Villanova）大学的教职人员，现为该分校电子和计算机工程系的教授和先进通信中心的主任。他获得了欧洲信号处理学会2009年的个人技术成就奖。他是IEEE院士，国际光学工程协会院士，获得了IEEE第三届千禧奖章，是2003年和200 4年IEEE信号处理协会的著名讲师，获得了1997年维拉诺瓦大学杰出教职人员研究奖，获得了1997年IEEE费城区服务奖。

第1章 墙体衰减与色散
1.1 引言
1.2 材质的介电性
1.2.1 材料的色散
1.2.2 典型墙体的电特性
1.3 穿墙中衰减和色散的测量技术
1.3.1 时域技术
1.3.2 频域技术
1.4 结构特性与时间选通
1.4.1 单次穿透技术
1.4.2 多次穿透技术
1.5 从材料参数至穿墙传播模型
1.6 近期研究和发展
1.6.1 墙体模型
1.6.2 穿墙传播的仿真
1.6.3 穿墙传播的测量
1.7 现有的系统、 应用和研究方向
1.8 小结
参考文献

第2章 穿墙成像雷达天线单元， 阵列和系统
2.1 引言
2.2 TWRI系统设计注意事项
2.2.1 墙体参数、 传播模型和损耗
2.2.2 链路预算和系统功率考虑
2.3 阵列拓扑、 带宽和超宽带天线
2.3.1 TWRI阵列拓扑结构
2.3.2 宽带微带型天线单元
2.3.3 超宽带天线
2.4 TWRI天线阵列开发实例
2.4.1 应用于便携式TWRI系统的印制宽带阵列的开发
2.4.2 用于TWRI系统的维瓦尔
第阵列的开发
2.4.3 TWRI系统中维瓦尔
第子阵列的实现
致谢
参考文献

第3章 用于穿墙雷达成像的波束形成技术
3.1 引言
3.2 点扩展函数
3.2.1 分辨率
3.2.2 旁瓣
3.2.3 栅瓣
3.3 墙体对波束形成的影响
3.3.1 均匀墙体
3.3.2 非均匀墙体
3.4 波束形成阵列的实现
3.4.1 阵元功能
3.4.2 波束形成方式
3.4.3 阵列配置
3.5 波束形成算法
3.5.1 后向投影
3.5.2 直接频域成像算法
3.5.3 ω?κ算法
3.5.4 Capon波束形成器
3.5.5 计算效率对比
参考文献

第4章 基于密布和分布孔径的墙后目标成像与定位
4.1 引言
4.2 雷达成像
4.2.1 相参雷达成像
4.2.2 同时发射正交波形
4.2.3 考虑墙体
4.2.4 非相参雷达成像
4.2.5 步进频方法
4.3 实际成像系统的性能限制
4.3.1 系统设计对成像系统性能的影响
4.3.2 用于目标定位的成像方法
4.3.3 分布式孔径系统
4.4 目标距离估计与定位
4.4.1 基于DOA和距离信息的目标定位
4.4.2 三边测量目标定位
4.4.3 距离估计
4.5 用于运动目标定位的时频分析
4.5.1 时频表示
4.5.2 基于STFT相位信息的距离估计
4.5.3 基于双线性时频分布相位信息的距离估计
4.5.4 基于多普勒特征的距离估计
4.5.5 例子
4.6 利用双频合成孔径雷达定位无生命的运动目标
4.7 小结
参考文献

第5章 应用于穿墙探测与成像的传统及新兴波形
5.1 引言
5.2 传统雷达波形
5.2.1 窄脉冲波形
5.2.2 调频波形
5.2.3 M序列相位编码波形
5.2.4 噪声波形
5.2.5 超宽带波形
5.2.6 传统波形结果
5.3 探测环境对电磁波传播的影响
5.3.1 对场景分辨率、 天线尺寸与工作频率的分析
5.4 穿墙雷达波形设计
5.4.1 匹配照射波形
5.4.2 混沌波形
5.4.3 正交频分多址（OFDM）波形
5.5 小结
参考文献

第6章 穿墙成像的逆散射方法
6.1 引言
6.2 墙体的类型及介电和散射特性
6.2.1 均匀墙体
6.2.2 非均匀墙体
6.2.3 均匀墙体参数估计
6.3 自由空间传播模型下的穿墙成像
6.3.1 墙体对雷达回波和目标成像的影响
6.3.2 实际建筑物场景中的成像退化
6.4 TWRI逆散射方法
6.4.1 逆散射的数学表达
6.4.2 线性化Born模型
6.4.3 作为线性逆散射问题的TWRI
6.5 雷达重聚焦增强的穿墙成像
6.5.1 墙体补偿的雷达回波和目标图像增强
6.5.2 灵敏度分析
6.6 运动目标检测和定位
参考文献

第7章 穿墙建筑物微波层析技术
7.1 引言
7.1.1 章节安排
7.2 几何光学： 起始期、 生命期和结束期
7.2.1 射线起始期： 发射天线特性
7.2.2 射线生命期： 传播与“繁衍”
7.2.3 射线衰亡期： 接收天线特性
7.3 射线的衍射
7.3.1 紧凑障碍物衍射
7.3.2 边界衍射
7.3.3 什么时候衍射变得重要
7.3.4 半阴影普遍性以及波前复原
7.4 射线与理想墙体的相互作用
7.5 布拉格散射和墙体波导共振
7.5.1 Bloch定理： 周期结构散射的普遍特点
7.5.2 布拉格衍射和射线理论
7.5.3 波导模式以及长时间拖尾
7.5.4 分层墙体中的钢筋： 精确解
7.6 数值实现的一些思考
7.7 数值结果
7.7.1 深度限制： 一些敏感性试验
7.7.2 实际建筑物数据的例子
7.8 多径效应限制与衍射层析
7.9 小结
致谢
参考文献

第8章 用于穿墙雷达成像的解析射线追踪方法
8.1 引言
8.2 用于建筑物的射线方法
8.2.1 简介
8.2.2 UTD概述
8.2.3 透射场和反射场
8.2.4 绕射场
8.2.5 高阶项
8.3 墙体建模
8.3.1 常见的多层钢筋墙体
8.3.2 周期介质墙
8.3.3 周期介电墙的等效均匀介质模型
8.4 在成像中的应用
8.4.1 穿墙成像算法
8.4.2 一个建筑物的简单例子
8.4.3 成像中的墙体消除
8.5 小结
致谢
参考文献

第9章 穿墙成像的合成孔径雷达技术
9.1 引言
9.2 电磁建模技术
9.3 人体的雷达特征信号
9.4 SAR成像算法
9.5 简单房间的SAR图像
9.5.1 模型描述
9.5.2 简单房间中的人
9.5.3 煤渣空心砖墙房间和成像参数的折中考虑
9.5.4 用于条带SAR的后向投影算法
9.5.5 TWRI中的极化技术
9.5.6 伪像分析
9.6 复杂房间的SAR图像
9.6.1 模型描述
9.6.2 仿真地面平台的SAR成像
9.6.3 仿真机载平台的SAR成像
9.7 雷达实测的SAR图像
9.8 消除墙体的成像技术
9.9 三维SAR成像
9.10小结
参考文献

第10章 冲激合成孔径雷达及其在穿墙检测和识别人与武器中的应用
10.1 简介
10.2 冲激合成孔径雷达基础
10.2.1 脉冲发生器
10.2.2 天线
10.2.3 平台
10.2.4 性能预测工具和系统设计注意事项
10.2.5 信号处理
10.3 ImpSAR穿墙目标检测和识别
10.3.1 现象学
10.3.2 去墙
10.3.3 举例说明
10.3.4 ImpSAR图像目标检测
10.4 三维立体ImpSAR
10.5 小结
致谢
参考文献

第11章 基于属性散射中心特征的穿墙合成孔径雷达的建筑物内部结构描述
11.1 引言
11.1.1 雷达测量设备
11.2 SAR标准散射模型
11.3 穿墙特征提取
11.3.1 子孔径成像
11.3.2 高度向处理
11.3.3 非参数反卷积
11.3.4 散射基元检测和最大似然参数估计
11.4 例子
11.5 小结
11.6 下一步工作
致谢
参考文献

第12章 穿墙成像雷达检测方法
12.1 引言
12.2 单视和多视图像的集中式检测
12.2.1 单视和多视成像
12.2.2 一个简单的门限检测方案
12.2.3 奈曼皮尔逊检验
12.3 穿墙雷达图像的统计特性
12.3.1 成像
12.3.2 经验统计特性研究
12.3.3 墙体影响
12.4 穿墙雷达成像中的自适应检测
12.5 多视成像的分布式检测
12.6 实验结果
12.6.1 单视成像
12.6.2 多视成像
12.6.3 分布式检测
12.6.4 三维成像
12.7 小结
致谢
参考文献

第13章 穿墙雷达图像中的隐蔽目标检测
13.1 引言
13.2 隐蔽目标成像方法的特征
13.3 线性采样方法
13.4 LSM方法的适用性
13.5 基于LSM方法的墙内成像
13.5.1 成像流程概述
13.6 概念验证的数值仿真
13.6.1 关于测量配置的几点考虑
13.6.2 成像过程的结果
13.7 小结
致谢
参考文献

第14章 穿墙雷达成像的快速录取与压缩感知技术
14.1 引言
14.2 方法 1： 使用少量数据的步进频率波束形成
14.3 方法2： 压缩感知
14.3.1 TWRI 中的步进频率压缩感知
14.3.2 压缩感知成像
14.3.3 应用CS进行数据恢复
14.3.4 仿真
14.4 TWRI时域脉冲压缩感知
14.4.1 问题陈述
14.4.2 压缩感知的应用
14.4.3 仿真
14.5 小结
参考文献

第15章 运动人体目标的雷达微多普勒特征
15.1 引言
15.1.1 多普勒效应
15.1.2 雷达观测中的微多普勒效应
15.1.3 微多普勒处理、 估计与分析
15.1.4 单站、 双站及多站微多普勒特征
15.2 由微动力学引起的微多普勒的基本原理
15.2.1 目标运动的微多普勒特征
15.2.2 人体不同活动的雷达散射
15.2.3 人体运动的微多普勒特征分析
15.2.4 从微多普勒特征中恢复运动信息
15.2.5 人的心跳的微多普勒分析
15.3 多站微多普勒特征
15.3.1 多站微多普勒特征的优点
15.3.2 人体运动的多站微多普勒特征
15.4 利用微多普勒特征的目标分类
15.5 运动目标检测
参考文献

　　译 者 序
　　在城市作战、 反恐维稳和灾后救援中， 都面临着对建筑物或障碍物后隐蔽目标探测的难题。与其他穿透技术相比， 穿墙成像雷达由于其良好的穿透能力和高分辨成像能力， 成为当前的研究热点。但是由于工作环境的复杂性， 穿墙成像雷达具有很大的技术挑战， 涉及信号处理、阵列设计和成像算法等很多方面。因此， 一本全面介绍穿墙成像雷达技术的专业书籍是非常必要的。
　　Moeness G. Amin博士主编的《穿墙雷达成像》， 是第一本关于穿墙雷达技术的书籍。Moeness G. Amin博士和本书的其他作者， 都是穿墙雷达领域的知名专家， 他们将自己多年的研究心得倾注在本书中。第1章分析了墙的衰减和色散。第2章研究了天线的阵元设计和阵列配置。第3章讨论了波束形成技术。第4章描述了使用并列和分布孔径的墙后目标成像和定位技术。第5章讨论了适用于墙后目标检测和成像的波形。第6章介绍了穿墙成像中的逆散射方法。第7章讨论了微波穿墙的建筑物层析成像技术。第8章介绍了穿墙雷达成像的射线追踪方法。第9章讨论了穿墙成像中的SAR技术。第10章描述了冲激SAR及其在穿墙人员和武器检测与识别中的应用。第11章介绍了基于属性散射中心特征的穿墙SAR建筑物内部结构描述方法。第12章讨论了穿墙雷达成像中的检测方法。第13章介绍了穿墙成像中的隐蔽目标检测方法。第14章研究了穿墙成像中的快速采集和压缩感知技术。第15章介绍了人体运动的雷达微多普勒特征。可见， 本书15章的内容全面涵盖了穿墙成像雷达所涉及的所有重要方面， 不仅有建模和算法， 还有系统设计和实验验证， 非常适合学生、学者和工程技术人员的使用。
　　本书由国防科学技术大学的几位老师翻译， 其中第1章， 第2章， 第5章至第7章由陆必应博士和范崇博士负责翻译， 第3章， 第4章， 第8章， 第9章以及第11章由金添博士负责翻译， 第10章， 第12章至第15章和前言等由朱国富博士负责翻译，全书由周智敏教授审校。参加本书翻译的还有贺峰， 杨俊刚， 陈波， 胡俊， 孙鑫， 王翰宁， 原振龙， 李志， 张斓子和赵洋等研究生， 在此一并感谢。还要感谢电子工业出版的编辑对我们工作的大力支持。对于本书翻译中的错误和不当之处，敬请指正。
　　译 者 简 介
　　周智敏， 博士， 教授， 博导。中国电子学会无线电定位技术分会副主任委员， 空间电子学分会委员， 中国宇航学会湖南省宇航学会副理事长， 国家科学技术奖评审委员， 全军武器装备科技奖评审委员。获全国优秀科技工作者荣誉称号， 获中国人民解放军杰出专业技术人才奖， 获军队院校育才奖金奖。享受国家政府特殊津贴。主要研究方向为新体制雷达技术， 主持完成了多项国防科研课题， 获国家科技进步奖、军队科技进步奖共10余项。
　　朱国富， 博士， 副教授， 硕导。主要研究方向为超宽带雷达、动目标指示雷达、穿墙雷达等。出版译著2部， 发表论文30余篇。获军队科技进步一等奖2项， 二等奖1项。
　　
　　
　　陆必应， 博士， 副教授， 硕导。主要从事雷达系统、信号处理与应用技术研究。获国家科技进步二等奖1项， 军队科技进步一等奖1项， 二等奖2项， 发表论文50余篇。
　　
　　金添， 博士， 副教授， 硕导。全国优秀博士学位论文获得者， 入选教育部“新世纪优秀人才”支持计划。主要从事新体制雷达系统、雷达成像与目标识别、现代信号处理等方面的研究。出版专著2部， 发表论文100余篇。获军队科技进步一等奖1项， 二等奖1项。
　　前 言
　　过去十年， 穿墙“透视”技术的研究兴趣不断增长。穿墙和内部结构感知的目的包括确定建筑物布局、识别建筑物内活动的种类及建筑物内部成像， 也包括检测、鉴别、分类和跟踪人与运动目标的行踪。这些属性是很多组织非常期望的， 比如公安、消防和救援人员、快速反应人员， 以及防卫部队等。
　　为了实现这些目标， 电磁波被认为是非常有效的， 这是因为其对人造建筑材料的穿透能力和对不透明结构后目标的成像能力。穿墙雷达成像（TWRI）是一种复合技术。它要求电子工程领域几种学科的混合， 特别是涉及信号、阵列和成像处理， 以及雷达、天线和电磁波的学科。然而， TWRI问题的解决方案必须考虑现象学问题， 应该基于对电磁波与建筑物内外部目标和结构相互作用复杂性的深刻理解。而且， 城市感知行动对成像系统提出了各种要求和约束， 可能会限制其应用。有很多因素必须考虑， 例如大小、质量、机动性、采集时间、孔径分布、功率、带宽、隔开距离， 最重要的还有可靠的性能和准确的信息发布。
　　本书提供了TWRI的全面概述和可能应用的讨论。它提供了从算法、建模、实验到系统设计所有重要方面的完整覆盖。编写本书的动机是， TWRI与其他典型雷达成像和遥感技术， 在物理上和目的上存在很大的不同。电磁波的传播现象和内外墙、地板和天花板的相互作用， 多个目标之间的相互作用， 加上室内设施的自然属性和对系统的特殊要求， 使TWRI相当有特殊性。
　　本书的15章内容收录了TWRI的最新进展。每章的内容和组织， 能够很自然地从一个主题过渡到另一个主题。
　　第1章分析了墙和建筑材料的电磁属性， 这对于墙对信号延迟时间、幅度和脉冲形状的影响的研究和建模是极为重要的。这些影响在进行目标成像、检测和定位时必须合理考虑。考虑了各种类型的有损和无损墙， 包括均匀材料成分和均匀空穴结构组织。本章还讨论了墙的衰减和色散效应与入射角和天线极化的关系。
　　第2章涵盖了天线阵元设计和阵列配置方面的重要技术。本章讨论了在TWRI系统考虑的与天线集成有关的关键的争议问题， 描述了一种实现了的机动成像原型系统及其车载天线。本章涵盖了宽带， 低剖面和印制天线， 以及平面/共形超宽带天线。最后， 本章提供了使用缝隙微带和印制维瓦尔第（Vivaldi）阵列的便携式系统的阵列研制以及系统控制机制的详细说明。
　　第3章讨论了几种波束形成的概念及在TWRI中引起争议的问题。本章介绍了点扩展函数（PSF）的定义， 这是波束形成性能的一种标准度量， 特别强调了使用超宽带波形对PSF特性的影响。还分析了各种类型的墙对波束形成的影响。描述和评估了可能用于成像的各种阵列配置和波束形成算法， 解决了与阵列实现有关的争议问题。
　　第4章描述了使用并列和分布孔径的天线阵列对墙后目标成像、定位和跟踪的技术。本章讨论了相干和非相干成像技术， 并且提供了实例。本章还描述了使用变化检测技术对墙后目标探测的成功实验。本章提倡在TWRI中使用双频雷达， 其使用两个不同频率的CW信号， 以提供单个或少数几个目标的距离信息。
　　第5章讨论了适合在TWRI应用中使用的波形。除了图像分辨率， 还介绍了波形选择和设计中的其他关键因素， 这些因素与墙的特征， 建筑结构材料， 电磁干扰和隐蔽性有关， 还与系统指标比如大小和质量限制等关系有关。讨论了通过改善信噪比和信杂比来优化目标检测的新波形的设计方法， 重点是基于辐射匹配的特征利用技术。
　　第6章介绍了逆散射方法， 围绕TWRI中基于物理模型方法的相干性展开思考。本章研究了电磁波的穿墙传播， 说明了穿墙传播对墙后目标图像的散射和模糊效应。重聚焦方法从墙的早期回波中估计墙的电属性， 然后加以考虑以产生聚焦图像， 结果表明可以得到明显的去模糊图像。还介绍了一类基于简化的电磁散射模型的有效线性逆散射方法。
　　第7章介绍了在三维建筑物层析成像中使用微波遥感的理论和实验研究。本章使用与建筑元素有关的数目巨大的自由度来解决高度非线性逆问题。逆问题使用先验信息， 进行分级的局部求逆、隔离和相减， 以实现更高层的建筑细节。本章描述了射线与各种类型建筑物相互作用的物理过程， 特别是那些具有周期横向内部墙结构、产生布拉格（Bragg）条件的建筑。
　　第8章介绍了在一致性几何绕射理论（UTD）框架下、已经成功用于建筑物成像的高频渐进建模方法， 重点在于多堵墙的传输、反射和绕射。本章讨论的方法基于广义的UTD系数， 包括边和角广义绕射系数的修正以补偿可穿透的介质墙。本章验证了使用射线追踪技术的UTD能够创建准确的三维建筑物图像。
　　第9章描述了用于TWRI的合成孔径雷达（SAR）技术。本章讨论了基于条带和聚束SAR技术的SAR成像方法， 然后在建模和实验数据中使用这些方法。本章验证了使用电磁建模获得高保真图像， 分离散射现象和成像处理引入的虚假像的好处。本章介绍了人体的雷达特征， 展示了各种简单和复杂SAR图像。
　　第10章涉及冲激雷达， 其发射非常短的无载波脉冲并且实现SAR技术。本章验证了ImpSAR能够产生高保真图像， 以辅助武器和人的检测和分类。在分析和实验中考虑了位于隔开相当远的建筑物内的非生命物体和静态的人。本章介绍了ImpSAR系统的性质， 包括现象学、硬件和信号处理， 涉及了ImpSAR的系统设计原理。
　　第11章介绍了多层建筑物机载雷达的成像问题。本章描述了一种从雷达回波中估计散射基元， 如二面角和三面角的技术， 然后利用这些结果推断关于建筑物内部结构的信息。应用并且有效实现了最大似然估计技术， 以得到基元的位置和墙的传播或反射参数。使用两层建筑的电磁仿真， 成功地验证了提出的成像和参数估计技术。
　　第12章介绍了TWRI应用中的目标检测策略。讨论了基于集中式和分散式方案的不同方法。墙后目标的检测既可能是单视的， 也可能是多视的。当建筑物在街角位置， 或者当沿着建筑物相同一边的不同位置重新成像时， 多视是可能的。本章的重点是固定目标， 检测方法应用的图像是使用宽带合成孔径波束形成产生的。
　　第13章研究了TWRI应用中隐蔽目标， 如武器和爆炸物的检测问题。本章解决了辨别隐蔽在墙内的搜寻目标的信号回波的独特挑战。本章描述了一种基于逆散射和层析摄影方法的成像技术。这种技术不依靠高频或低频近似， 是专门为检测或者识别隐蔽在墙后的目标或目标仓库而设计的。
　　第14章考虑了基于精简数据量的快速成像采集策略。介绍的策略包括压缩感知（CS）， 其雷达图像与使用所有数据样本成像具有几乎相同的分辨率和质量。本章通过模型和实验数据说明了使用很少的测量数据如何对墙后目标进行准确定位。最后， 描述了基于频域和时域脉冲调制的数据精简方法和CS方案。
　　第15章侧重于室内运动目标的检测， 讨论了如何使用多普勒原理在非常微小的细节层次上测量运动。本章的内容描述了生物雷达， 其使用与人的步伐、呼吸和心跳有关的微多普勒特征来远程监视TWRI应用的人体运动。讨论了在原始信号域和最终图像域实现的动目标指示技术， 并且用于目标检测和识别。
　　我对本书的所有作者表示衷心的感谢。他们应用自己在建模、实验方法、算法研究和系统设计方面的专家经验， 交付了关于TWRI和城市感知领域技术发展水平的高质量文稿。这些成果完整覆盖了所有学科， 并且提供了相关参考文献。本书涵盖了宽广和丰富的主题， 将使学生、工程师、学者、技术团队负责人和项目经理， 获得对这项技术面临挑战的深刻理解， 正确评价这个领域已经完成的各种贡献。
　　主编Moeness G. Amin
　　主 编 简 介
　　Moeness G. Amin博士1984年于美国科罗拉多大学Boulder分校获得博士学位。从1985年开始， 他成为维拉诺瓦（Villanova）大学的教职人员， 现为该校电子和计算机工程系的教授和先进通信中心的主任。他获得了欧洲信号处理学会2009年的个人技术成就奖。他是IEEE会士， 国际光学工程协会会士， 获得了IEEE第三届千禧奖章， 是2003年和2004年IEEE信号处理协会的著名讲师， 获得了1997年维拉诺瓦大学杰出教职人员研究奖， 获得了1997年IEEE费城区服务奖。
　　Amin博士有450多项出版物， 涉及无线通信， 时频分析， 智能天线， 宽带通信平台的干扰对消， GPS和卫星导航， 超视距雷达和雷达成像领域。从2002年开始， 他成为美国国防部和国家科学基金会的几个研究合同和资助项目的首席科学家和项目主管， 经费超过1300万美元。他是2009年5月IEEE Transactions on Geoscience and Romote Sensing Special Issue on Remote Sensing of Building Interior专刊的特邀编辑， 是2008年9月Journal of Franklin Institute室内雷达成像进展专刊的特邀编辑。