無線層析成像網絡的分數階傅立葉多徑偽像修正定位方法

2023-05-28 08:13:06 3

專利名稱：無線層析成像網絡的分數階傅立葉多徑偽像修正定位方法
技術領域：
本發明涉及一種無線層析成像網絡中的定位方法，尤其是一種基於分數階傅立葉變換的多徑偽像修正定位方法，屬於無線網絡中目標探測與跟蹤技術領域。
背景技術：
偽像又稱偽差，在層析成像中非常常見，其主要是由於圖像生成過程中成像的原理、技術、方法等的主客觀因素，導致成像結果與實際存在不同程度的差異，即出現偽像。無線層析成像技術最早是由美國猶他大學的Joey Wilson和Neal Patwari提出的，它是一種基於無線網絡的低電磁輻射目標探測與跟蹤的新興技術。監測區域內的成像目標不需要攜帶任何電子設備，所以它能靈活廣泛用於各種場合，如緊急災難救援、反恐、安全監控等。該技術不同於雷達成像利用回波信號來獲取目標數據，而是利用無線信號 穿透障礙物時LOS(Line of Sight,視距)路徑上的衰減效應,通過測量無線節點間鏈路RSSI (Received Signal Strength Indicator,接收信號強度指示)的陰影衰落來反演得到目標物位置信息。然而，由於此技術比較新，國內外研究相對較少，且目前應用的無線層析成像技術並非直接測量LOS路徑上的接收信號強度，而是鏈路上總的接收信號強度，以至於多徑情況下目標引起的信號衰落可能不那麼明顯，導致對幹擾較大的複雜場景內的目標定位誤差仍較大。因此，分離多徑獲取LOS信號成了最直接最有效的修正方法。分數階傅立葉變換(Fractional Fourier Transform, FRFT)對線性調頻信號有很好的能量聚集性，如果選擇合適的旋轉角度或變換階次對線性調頻信號進行FRFT變換，信號在對應的分數階域上呈現為一個衝激。利用此特性，當發射的探測信號為寬帶線性調頻信號時，對接收信號進行分數階傅立葉變換能很好地分離多徑，解決多徑幹擾問題。所以針對無線層析成像的多徑偽像問題，可用線性調頻信號作探測信號，然後利用分數階傅立葉變換對線性調頻信號的時頻聚集特性來實現網絡中每一接收信號的多徑分離，獲取LOS信號，從而消除反射和衍射信號對接收信號強度的影響，進一步實現對監測區域內目標的準確定位和跟蹤。

發明內容
本發明針對無線層析成像系統中複雜環境下多徑信號對成像效果乾擾很大的問題，提出了一種無線層析成像網絡的分數階傅立葉多徑偽像修正定位方法。該方法用線性調頻信號作探測信號，利用分數階傅立葉變換對線性調頻信號的能量聚集特性，用分數階傅立葉變換對接收信號進行多徑分離，獲取LOS信號。然後根據網絡中每條鏈路上LOS信號的衰減效應來反演得到目標的位置。由於目標的遮擋，相關鏈路上的LOS信號會出現相應的衰減效應，但由於多徑環境下反射、衍射等各信號會影響甚至掩蓋本應有的衰減效應，導致成像誤差，利用分數階傅立葉變換實現多徑信號的分離、獲取LOS信號，有效地消除了各反射、衍射等幹擾信號的影響，為無線層析成像網絡中複雜場景下的目標的準確定位與跟蹤提供了有效的技術途徑。本發明所述一種無線層析成像網絡的分數階傅立葉多徑偽像修正定位方法，包含如下步驟步驟一待探測區域的外部部署η個無線節點組成無線網絡，每個節點按照令牌環發的探測信號均為同參數線性調頻信號，調頻率k已知；當其中I個無線節點發射線性調頻信號的時候，其他無線節點進行接收；
作為優選，所述的無線節點為射頻無線節點；這些無線節點組成M=n(n-1)條有向無線鏈路；對該無線網絡中各鏈路在t時刻的接收信號r(t)i; i = 1,2,…，M，分別作P階分數階傅立葉變換，得到Ra (U)i，其模值為
I Ra (u) Ii ;其中p=2arccot(_k)/ π , a =p ji /2, k為無線節點發送線性調頻信號的調頻率，且k = B/T, T為觀測時間；其中帶寬B根據系統要求的時延解析度和距離解析度確定時延解析度為1/B，即當需要分辨的時延間隔為a時，要求的帶寬B > Ι/a ;距離解析度為c/B，c是光速，即探測信號傳播速度；即當需要的距離解析度為b時，要求的帶寬B彡c/b ；步驟二 對t時刻各鏈路的接收信號，按照如下方法進行參數估計，獲得各鏈路中每個chirp分量的中心頻率/ 、延時τ α 對第i條鏈路的接收信號，在其|Ra (u) Ii中進行尖峰搜索，搜得每一個尖峰即每個chirp分量的分數階傅立葉變換模值的最大峰值IH ·』％為第I個尖峰對應的該P階分數階域坐標，I = 1,2, ···, IIii, HIi為第i條鏈路接收信號中chirp分量的個數,也即多徑的條數，然後按以下方法得到該鏈路的各chirp分量的中心頻率·4、延時τ α的估計若發送的探測信號為衝)=■，則根據如下對應關係，得到該鏈路接收信號中第I個Chirp分量的中心頻率/ ,,和時延τ α
權利要求
1.一種無線層析成像網絡的分數階傅立葉多徑偽像修正定位方法，其特徵在於，包含如下步驟步驟一待探測區域的外部部署η個無線節點組成無線網絡，每個節點按照令牌環發的探測信號均為同參數線性調頻信號，調頻率k已知；當其中I個無線節點發射線性調頻信號的時候，其他無線節點進行接收；這些無線節點組成M=n(n-1)條有向無線鏈路；對該無線網絡中各鏈路在t時刻的接收信號r(t)i，i = 1，2，…^，分別作P階分數階傅立葉變換，得到Ra (U)i，其模值為|Ra (u) Ii ; 其中p=2arc cot(-k)/ η , α =ρ ji /2, k為無線節點發送線性調頻信號的調頻率,且k = B/ T，T為觀測時間；其中帶寬B根據系統要求的時延解析度和距離解析度確定時延解析度為1/B，即當需要分辨的時延間隔為a時，要求的帶寬1/a;距離解析度為c/B，c是光速，即探測信號傳播速度；即當需要的距離解析度為b時，要求的帶寬B彡c/b ；步驟二 對t時刻各鏈路的接收信號，按照如下方法進行參數估計，獲得各鏈路中每個 chirp分量的中心頻率/ 、延時τ α 對第i條鏈路的接收信號，在其|Ra (u) Ii中進行尖峰搜索，搜得每一個尖峰即每個 chirp分量的分數階傅立葉變換模值的最大峰值IH 為第I個尖峰對應的該P階分數階域坐標，I = 1,2,…，Hii, Iiii為第i條鏈路接收信號中chirp分量的個數,也即多徑的條數，然後按以下方法得到該鏈路的各chirp分量的中心頻率/ 、延時τ α的估計 若發送的探測信號為= 仰f州隊，則根據如下對應關係，得到該鏈路接收信號中第I個chirp分量的中心頻率/ 和時延τ α
2.根據權利要求1所述一種無線層析成像網絡的分數階傅立葉多徑偽像修正定位方法，其特徵在於，步驟一所述的無線節點為射頻無線節點。
3.根據權利要求1所述一種無線層析成像網絡的分數階傅立葉多徑偽像修正定位方法，其特徵在於，步驟五所述權重矩陣W通過以下方法之一來獲得(1)如果環境信息是已知的，則利用射線跟蹤方法探索信道，從而得出權重矩陣；(2)在不能事先獲得環境信息的情況下，則通過統計模型來描述每條鏈路上信號在每個像素區域內的衰減情況，從而得出權重矩陣。
4.根據權利要求1所述一種無線層析成像網絡的分數階傅立葉多徑偽像修正定位方法，其特徵在於，步驟五所述權重矩陣W通過橢圓權重模型方法來獲得；對每一鏈路，認為發射節點和接收節點位於橢圓的焦點上，當像素位於橢圓內部時，相應的權值為1，當像素位於橢圓外部時，相應的權值為O。
5.根據權利要求1所述一種無線層析成像網絡的分數階傅立葉多徑偽像修正定位方法，其特徵在於，步驟五所述權重矩陣W通過橢圓權重模型方法來獲得；對每一鏈路，認為發射節點和接收節點位於橢圓的焦點上，當像素位於橢圓內部時，相應的權值為1，當像素位於橢圓外部時，相應的權值為O ;然後像素的權值再除以發射節點和接收節點之間的距離的平方根，獲得權重矩陣W的元素為
全文摘要
本發明公開了一種無線層析成像網絡的分數階傅立葉多徑偽像修正定位方法。屬於無線網絡中目標探測與跟蹤技術領域。採用線性調頻信號作探測信號，利用分數階傅立葉變換對線性調頻信號的能量聚集特性，用分數階傅立葉變換對接收信號進行多徑分離，獲取LOS信號。然後根據網絡中每條鏈路上LOS信號的衰減效應來反演得到目標的位置。有效地分離了無線層析成像網絡中各鏈路的多徑信號，極大程度地減少了噪聲及其他多徑信號對節點間鏈路LOS信號的影響，突出了由於目標存在引起的衰減效應，從而更準確地實現目標定位，修正偽像。
文檔編號H04W64/00GK103024900SQ201310003970
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月7日 優先權日2013年1月7日
發明者劉珩, 湛沙, 卜祥元, 王正歡, 辛怡, 安建平, 範星宇, 周榮花 申請人:北京理工大學