超宽带雷达建筑物结构稀疏成像

很多情况下，我们对陌生建筑物的内部结构信息有着迫切的需求，例如城市反恐与灾害救援现场，建筑物结构信息可以辅助我们获知室内嫌疑人/受害者/待营救人员的行为状态，便于我们快速制定出合理有效的行动方案。

然而受各种因素约束，我们却并不见得能够在行动前获得对应建筑物的平面设计图纸。另外，房间可能经过改造，与记录在案的设计大相径庭，即便拿到备案的设计图纸也可能无法得到真实的布局信息。

因此最有效的方案莫过于直接探测建筑物内的墙体、大型家具等的位置信息，利用这些信息重建建筑物的结构。然而这实际上是一个可能比获取设计图纸更加困难的问题，由于外墙的阻挡，建筑物内部的信息是不可见的，贸然闯入也会让我们承担很大的风险。

图1 穿墙雷达工作示意图

穿墙雷达的问世后却使这一想法变得可能。与世界上第一台具有实用价值的雷达系统相比，过去了一个世纪，虽然利用电磁波探测定位目标的基本原理并没有发生本质的改变，但今天的穿墙雷达，配备的低频超宽带信号发射源，在带来更好的距离分辨率的同时，发射信号能够有效穿透常见的建筑材料，例如木材、石膏、混凝土等；虽然外墙将带来几分贝到几十分贝不等的功率衰减，但高灵敏度的接收机已经能够发现并提取出这些微弱的回波；多输入多输出技术的采用，使得穿墙雷达能够以较小的孔径实现高精度的目标空间位置估计，甚至进行室内人体目标的三维成像；与合成孔径模式的结合，则能够进一步改善穿墙雷达的成像能力，实现大场景的测绘；先进的信号与数据处理方法为穿墙雷达带来了更智能的目标与场景识别能力。

事实上，目前已经存在一些关于利用穿墙雷达进行建筑物结构重建的研究，这些研究主要采用雷达成像技术直接生成场景的二维图像，或者将成像结果作为某个中间结果从而进一步与其他方法结合来获得更高精度的建筑物结构估计结果。场景的雷达成像质量对最终获取的建筑物结构有至关重要的影响。但受限于雷达孔径、信号带宽等因素，雷达成像其实是一个病态的逆问题，其结果中往往存在着严重的栅旁瓣污染，导致成像结果变得异常模糊，这使得原本就很微弱的建筑物内部场景信息变得更加难以分辨。

压缩感知技术的出现则为解决这一问题带来了契机，压缩感知在传统的雷达成像模型中增加了稀疏的正则化约束，从而降低雷达成像的病态性。但穿墙探测中，外墙与建筑物内部场景回波功率上的大动态范围差异，容易使稀疏重构陷入局部最优解，因此需要针对穿墙探测这一特殊应用研究合适的稀疏重构方法。

该工作已经发表在《雷达学报》2018年第3期“超宽带雷达建筑物结构稀疏成像”（金添，宋勇平）。

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