ULB雷达穿墙成像：信息处理链研发

用于穿透墙壁的ULB雷达：雷达成像仪信息处理链的开发奥马尔·本艾哈迈德·达霍引用此版本：奥马尔·本艾哈迈德·达霍。用于透壁视觉的ULB雷达：成像雷达信息处理链的开发。信号和图像处理[eess.SP]。拉罗谢尔大学，2014年。法语。NNT：2014LAROS036。电话：01268165HAL ID：电话：01268165https://theses.hal.science/tel-01268165提交日期：2016年HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire用于透视墙壁的ULB雷达雷达成像仪信息处理链的研制拉罗谢尔大学S2IM博士学校计算机、图像和交互论文提交人：奥马尔·贝纳迈德·达霍支持日期：2014年12月12日获得学科：信号、图像和自动陪审团埃米尔·诺瓦科夫格勒诺布尔第一大学约瑟夫·傅立叶教授，报告员迪迪埃·科昆萨伏依大学教授报告员米歇尔·拉朗德利摩日大学教授检查员伯纳德·乌根雷恩第一大学教授，检查员米歇尔·梅纳德拉罗谢尔大学教授，博士主任贾迈勒·卡姆利奇拉罗谢尔大学高级讲师，框架阿兰·高格拉罗谢尔大学教授，框架谢谢你首先，我想对拉罗谢尔大学L3i实验室的Michel Ménard教授表示深深的感谢，感谢他在这项工作开始时对我的信任。因此，我感谢他允许我进行这篇论文的工作，并以热情、可用性和严谨性确保了它的方向。我要感谢拉罗谢尔大学讲师Jamal Khamlichi在本论文期间对他的指导。他的能力、活力、信心和耐心使我能够完成我的论文。我非常感谢拉罗谢尔大学的Alain Gaugue教授，感谢他在天线和传播方面的专业知识，感谢他在实验阶段提供的宝贵帮助。我谨衷心感谢格勒诺布尔第一大学约瑟夫·傅立叶教授埃米尔·诺瓦科夫和萨伏依大学教授迪迪埃·科昆接受报告员的艰巨任务。非常感谢他们对手稿的深入阅读，以及他们的建议和建设性意见，这些意见有助于改进手稿的内容，并感谢他们参与评审团我还要感谢利摩日大学教授Michèlle Lalande和雷恩第一大学教授Bernard Uguen，感谢他们同意参加本论文的答辩小组，并感谢他们为改进本研究所作的贡献。我要感谢L3 i实验室前主任Remy Mullot和L3 i实验室主任Jean-Marc Ogier，感谢他们对实验室的热情欢迎和建议。这个实验室是一个充满活力和愉快的地方，我在这里度过了紧张的三年，充满了工作和压力，但也有欢乐和难忘的时刻。我还要感谢这些年来与我共事的行政人员，感谢他们的可用性、友好和热情。我不能忘记围绕这个项目的团队的贡献，L3I实验室的工程师Bruno Lescalier，L3I实验室的前博士生Zhao Xiaowei，L3I实验室的博士Sloven Dubois，L3I实验室的工程师Clément Guérin，OlivierChappe和Vincent Mérelle，感谢他们的支持，我还要感谢所有以任何方式为这项工作作出贡献的人。我要感谢我所有的朋友和亲戚（ClaireDuquerroux 、 Mohammed Attik 、 Kamel Elmererbi 、 Ilanith Azoulay 、 Abdel Nabti 、 ZakariaTaourirt、Rabie Laib、Jerémy Defauw、Marcela Rojas、Salim El Bechir、Riad Benazzouz、KhalilBenaissa），感谢他们在我完成论文所需的整个时间里对我的支持。同时，我衷心感谢Dalaa Ali教授对我的论文手稿进行了最后的校对。最后，非常感谢我的父母，我的家人，无条件地支持和陪伴我。材料表序言1一般介绍7第1章：穿透墙壁的雷达成像系统1导言142信息处理链的最新技术水平2.1M-Sequence 16原型2.2频率合成器原型212.3脉冲原型252.4对不同加工链的综合分析293VTM 33工艺示意图4ULB 33信号的建模5信号采集和处理385.1L’amélioration5.2信号的同步425.3第44章5.4直接耦合的移除456考虑到隔离墙的影响457雷达成像和定位方法7.1通过反向投影定位517.1.1使用椭圆投影的断层扫描517.1.2ULB 53信号的反向投影7.2通过三边测量定位587.2.1单义病例597.2.2多靶点病例608反向投影和三边测量的组合629结论6510参考文献66第2章：信息处理链的设计1导言722拟议处理链的概述733信息的处理3.1CFAR 75检测3.1.1结构张量783.1.2L’algorithme3.1.3结果853.2移动对象的分割863.2.1通过背景减法进行分割873.2.2雷达图像的分割883.3固定结构的检测923.3.1现有工程923.3.2建议的方法933.3.3结果953.4移动目标跟踪963.5场景98的3D渲染3.5.1现有工程983.5.2建议的方法994结论1025参考文献103第三章跟踪移动目标1051导言1062跟踪移动目标的原理1072.1数据关联方法2.2什么............................................................................................................................ 1112.3单假设关联1142.4多假设关联1163目标跟踪作为透视墙视觉的一部分1184监测方法的发展1194.1人体运动模型1104.2使用单假设关联进行随访1104.2.1数据关联1224.2.2算法127的合成4.2.3算法的验证4.3使用多假设关联进行随访1314.3.1与通过墙壁观看的背景相关的约束1314.3.2多假设关联方法的选择4.3.3所提出的算法的细节4.3.4算法的验证5第146章6参考文献147第4章：结果介绍1491引言1502通过墙壁的视觉模拟器1512.1模拟器概述1512.2模拟器的描述1512.2.1参数的定义1512.2.2情景的定义1522.2.3传播时间的计算1532.2.4创建信号1532.2.5信息处理链2.2.6L’interface3模拟场景的描述1593.1脉冲雷达场景1593.2FMCW 159雷达场景4透视墙雷达原型1614.1介绍脉冲161雷达的原型4.1.1配置1614.1.2ULB 163信号采集链4.1.3L’unité4.2FMCW 167雷达原型机5实际措施说明1685.1脉冲雷达1685.2FMCW 169雷达5.3场景描述1706CTI 170的运行和评估6.1雷达图像1716.1.1目标签名的形式1716.1.2SNR和质量的变化1736.1.3目标之间的互动1736.1.4添加6.2移动目标的细分1786.3跟踪移动目标1827结论1868参考书目186一般结论和展望187出版物........................................................................................................................................190附件193附录A：ULB 193雷达附录B：在工业环境中开发的VTM系统的最新技术水平附录C：215接收天线附录D：发射天线的特性217数字列表219图片列表222序言人类意识到自己的局限性，不断地试图超越这些局限性，以改善自己的生活条件。运输、电信、医药和许多其他领域都经历了非凡的发展，才达到了目前的水平。这一愿景也经历了同样规模的增长。看得更远、更大、更快;今天的技术提供了令人眼花缭乱的可能性来克服我们眼睛的微弱能力，从而推回可见光的极限。出于好奇，透过一堵墙（或其他不透明的材料）看到隐藏在后面的东西，代表了一种似乎逃避现实的幻想，让人类在科幻电影或艺术创作中实现这种愿望。下图展示了其中一件作品，它是一个令人惊叹的明信片收藏的一部分1900年的德国明信片，想象着100年后的墙外监视。卡片上写着：在顶部，公司名称（德语：Hildebrands Deutsche Kakao）。在底部，X射线在2000年得到了改进（德语：Verbesserte Röntgenstrahle im Jahre 2000）。序言2这它显示了一个警察，在一堵砖墙后面，看着罪犯破门而入。使用使用"增强型"X射线系统进行监测。在当时看来很神奇。然而，由于电磁学相关技术的发展，看穿墙壁不再是一个梦想。各种应用通过墙壁，更一般地说，通过不透明电介质的视觉（检测）是军事、安全、生物医学等应用的主要战略挑战。下图显示了这些应用的具体示例。(a)（b）（c）（d）通过不透明介质进行检测的一些应用。(a)心率测量，（b）定位被埋葬的人，（c）定位火灾幸存者3序言-民事保护第一个应用是探测埋在地下或瓦砾下的目标。在军事安全方面，这类目标可采取地雷或其他爆炸物、武器藏匿处和隧道的形式。对于这样的系统通常被称为探地雷达（探地雷达）。这种应用的关键点与电磁辐射通过地面的传播特性以及空气和地面之间的界面（频率、地面特性等）有关-非接触在医学上，现在可以在没有接触的情况下测量病人的心率。在工业中，使用雷达系统在有害或难以接近的环境中进行测量。例如，在水泥厂中测量石灰石或粘土容器的液位时，-安全控制措施另一个出口是检测隐藏的武器（枪、刀或爆炸物），该隐藏的武器由人在衣服下携带或隐藏在行李中3。鉴于这些目标的形状、观察方向和伪装方法多种多样，最好通过直接观察先进探测技术获得的图像来评估这些目标。太赫兹波可以穿透许多非金属材料，如纸张、织物、皮革。因此，它们可以很容易地用于探测隐藏武器的成像系统。然而，为了可靠地将真正的威胁与其他经常携带的物品（如手机、钢笔和手表）区分开来，需要高分辨率的图像。1个DJ。丹尼尔斯，"地面穿透雷达"，第2版。Knoval（工程与技术学院）。pp. 2004年1月1日至4日2L. B. Conyers，"考古学探地雷达"，核桃溪，加利福尼亚州，美国：阿尔塔米拉出版社有限公司，2004年。3L.G. Roybal等人，"检测和分类设计武器的新方法"，《执法监视和评估技术学报》，第2935卷，第95-107，1996年。序言4-L’imagerie à travers les通过建筑物墙壁对目标进行成像，以通过其行为检测、定位和识别人员的能力在民事安全和反恐行动中具有重要意义。近年来，在这方面做了很多工作。与MPR类似的考虑也适用。此外，一个高分辨率的成像系统，结合检测微小运动（如心跳）的能力，提供了墙后目标活动的详细图像。因此，可以就如何处理事件做出适当的决定，例如，在人质事件的情况下显然，最复杂的问题是图2.d所示的问题，因为被检测的人不想透露他们的存在（不合作）。他们甚至可以使用特定的工具来抵消他们的检测，例如，使用与检测设备相同频带上的发射机此外，不熟悉和危险的操作环境威胁着操作员的生命，是压力的来源。Bessel vander Kolk博士在他的书中提到了一个有趣的观点：许多警察表现出"警察创伤综合症"的迹象，即使他们从未经历过真正的危险情况。压力的累积本身就有可能对警官的身体、情绪和心理产生负面影响。由于上述所有原因，很明显，每一条额外的信息都可能意味着处于危险情况下的人的生与死。此外，特别干预单位的战略本论文的工作正是在这种背景下进行的。本论文的目的是开发一种雷达系统，该系统使用简单但有效的处理，以便能够超越估计目标坐标的简单方面，给出关于要成像的场景的其他信息，即房间的结构和目标的轨迹。这是通过尊重实时约束来实现的。1贝克塞A. Van der Kolk等人，“Traumatic Stress: The Effects of Overwhelming Experience on Mind,Body, and Society”, Guilford Press,5序言论文的发展本论文工作是在拉罗谢尔大学计算机科学、图像和交互实验室（L3 i）图像、文档和复杂数据（IDDC）主题轴（2010-2014年）的"通过不透明介质的视觉"团队中进行的。它由夏朗德海事总理事会（CG 17）和高等教育和研究部资助。ULB雷达原型的实现（在本论文中介绍）是在ERDF项目"墙外视野"（2010- 2014）的财政支持下实现的。一般简介动机鉴于VTM在安全和国防应用的广泛领域中的应用，VTM已经成为一个战略研究课题。这-l’intervention lors d’une prise-l’identification de terroristes cachés dans un-废墟下的幸存者救援（在自然灾害或恐怖袭击后），-被困在燃烧建筑物内的人员的位置等。VTM是一种需要高穿透力和高分辨率的应用。为了克服这个问题，一个基于雷达原理的解决方案（参见附录A），结合超宽带（ULB）技术（参见附录A）被普遍采用。今天，许多系统和原型正在开发中，无论是在工业领域（参见附录B），仅限学术（大学研究实验室），以实现最终商业化。事实上，这些系统中的一些在市场上是可用的，并且作为决策支持工具出售给各种客户（警察、军队、消防队等）。由于这些系统的高成本，一些客户通过资助涉及大学实验室和公司的科学研究项目来寻求VTM雷达的开发涉及多个科学学科，包括雷达处理、电子学、图像处理和计算机科学。该过程是复杂的，并且必须具有显著的协同作用，以优化最终雷达系统的选择。C’est dans ce cadre que s’inscrivent les problématiques scientifiques de cette序言8论文的背景和目标本论文-第一个项目1由欧洲复兴开发基金资助，旨在实现-第二个项目由ANR资助，涉及FMCW雷达的开发;本论文的主要目的是设计VTM雷达成像仪的信息处理链。它必须是鲁棒的，并适用于作为上述两个项目的一部分开发的脉冲雷达和FMCW雷达。这需要开发新的方法和/或改进现有的信号处理技术，这些技术位于信号采集模块和信息显示模块之间。此外，由于FEDER项目由L3i支持，信号采集链问题VTM系统通常用于不需要真实图像（在传统光学意义上）的安全应用中。只有某些相关信息就足够了，例如人数、他们的位置、轨迹、他们的运动学参数等。该信息必须从作为场景的（电磁）回波的介质中实时提取。在本论文的框架内遇到的问题中，我们可以提到：-雷达发出的信号的特性。它们必须能够穿透墙壁，被目标反射，然后再次穿过墙壁，最后被雷达天线捕获。这种双重穿过壁会降低信号的信息质量。此外，由于采样频率高（20GHz），因此采集的信号经常不同步。因此，挑战是在同步信号的同时从信号中提取最大量的可靠信息;12009- 2011年：ERDF第31260号：透过墙壁的视野。(250 K€）。与CANSIE- Solution、孵化器和ETINCE（由L3 i支持）合作22011- 2014年：ANR DIAMS：通过墙壁进行雷达探测和成像。(795 K€）。与ONERA、LEAT、Tronico（由ONERA支持）合作。9序言-VTM系统通常在对比度和/或空间分辨率方面具有限制。由于所获得的图像的解释的复杂性，来自这些系统的信息是不可靠的。为了克服这些限制，由我们的原型获得的图像通常经历基于多源信息的语义重建阶段;-这两个项目有相同的需求，但要开发的两个系统的参数和配置完全不同，特别是在发射类型、带宽、天线数量方面。这需要不同类型的数据处理（时间和频率）;-雷达图像中的目标特征通常是复杂的，并且取决于它们所处的环境。它本身是混乱的，即，签名占据了场景表面的很大一部分。这降低了雷达图像信息的可靠性-通过墙壁监视的目标具有难以建模的运动。此外，雷达图像流的时间分辨率通常较低（两个图像之间的持续时间很长）。这使得难以步骤对于我们实验室开发的脉冲雷达，信号采集链使用有效的实时方法来识别目标的回波。雷达成像基于结合背投影和三边测量的方法。该方法的早期结果显示了高的假阳性检测率。为了克服这个问题，修改并使用了具有恒定误报率（TFAC）的检测器。改进的TFAC算法显著减少了误报，因为它考虑了目标特征的形状。对于这两种雷达系统，所提出的信息处理链接收雷达图像流作为输入，该雷达图像流被同化为反映监视场景中目标的时空演变的视频。然后将该视频分解为两个序列，以便能够对每个部分应用适当的处理。第一个序列只包含移动目标，将由一个