CN102047142B - 宽带rf检测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宽带RF检测方法。该方法可包括从沿驱动路径的多个发射位置发射信号。在沿驱动路径的多个接收位置接收发射信号的反射。基于在每个接收位置处的反射的到达角，形成特征轨迹。特征轨迹包括关于沿每一个反射的相应发射位置和相应接收位置的驱动路径的距离的、在每个接收位置处的反射的到达角。

Description

宽带RF检测

政府合同

在国防部高级研究计划局(DARPA)所授予的合同HR0011-06-C-0110，子合同061033的约束下，本发明受政府的支持而完成。政府具有该发明的特定权利。

背景技术

穿墙雷达传感已被考虑用于从单方面对建筑内相对小的区域上的对象进行成像。然而，常规的穿墙传感缺乏针对有意义的建筑宽度特征化的能力。

合成孔径雷达(SAR)技术已被用来从多个方面重建建筑的外部。然而，常规的SAR技术缺乏针对有意义的建筑宽度特征化的能力。

发明内容

本发明涉及宽带RF检测方法。在一个实施例中，该方法包括从沿驱动路径的多个发射位置发射信号。在沿驱动路径的多个接收位置接收发射信号的反射。基于在每个接收位置处的反射的到达角，形成特征轨迹(signature)。

特征轨迹包括关于沿每一个反射的相应发射位置和相应接收位置的驱动路径的距离的、在每个接收位置处的反射的到达角。

特征轨迹包括关于相应发射信号的发射时间的、在沿驱动路径的每一个接收位置处接收到的反射的路径延迟。

将特征轨迹表示为：关于沿驱动路径的每个接收位置处的每个反射的相应发射位置和相应接收位置的驱动路径上的距离的、每个接收位置处的反射的到达角的点状图。色彩用于指示接收到的反射的路径延迟。

沿驱动路径执行波束成形，以获取针对所述特征轨迹的接收到的反射。将接收到的反射的到达角分布到针对每个相应发射/接收位置对的矩阵的列的多个区间(bin)上，所述区间被反射的复路径幅度所填充，矩阵的每列与单个发射/接收位置对相对应。

通过对反射的到达角的轨迹进行匹配以标识结构内的角，基于特征轨迹来推断结构的内部。

附图说明

本专利或申请文件包含至少一幅彩色执行的图。该专利或专利申请公开具有彩图的副本将基于请求并在支付必需费用的情况下由官方提供。

从下面给出的详细描述和附图中，示例实施例将被更充分地理解，其中，相同的组成部分由相同的参考数字表示，附图仅以示意的方式给出并因此不是对本发明的限制，其中：

图1示意了来自于由两面墙的交接所形成的双面角的反射的整体几何关系；

图2示意了其曲率取决于比率R/d的角度余弦轨迹的归一化图；

图3A-3C分别示意了示例建筑的顶视图、侧视图和前视图；

图4A-4C分别示意了针对x_R＝1，10，21的三个示例射线框；

图5示意了针对图4A中包含的示例，路径损耗对量化的AoA余弦的关系曲线；

图6示意了64长度的布莱克曼窗的快速傅里叶变换的示例；

图7示意了与图5相相应的示例仿真波束成形响应序列的一帧；

图8示意了示例路径延迟的色调饱和度值(hsv)彩图；

图9A示意了对针对空建筑，沿驱动路径的示例仿真波束成形快照的强度进行示出的点状图；

图9B示意了对针对图9A中的建筑增加了阻塞物，沿驱动路径的示例仿真波束成形快照的强度进行示出的点状图；

图9C示意了对图9A中描绘的点和图9B中描绘的点之间的差别进行示出的点状图；以及

图10A-10C分别示出了对沿(a)x、(b)y和(c)z维度的驱动路径中0.1m的变化的效果进行示意的图。

具体实施方式

现将参考附图更完整地描述本发明的各种示例实施例，在附图中示出了本发明的一些示例实施例。在附图中，为了清楚起见，对层的厚度和区域进行了放大。

在此公开了本发明的详细示意性实施例。然而，出于描述本发明的示例实施例的目的，在此公开的特定结构和功能细节仅是代表性的。然而，可以用很多备选的形式来实施本发明，而不应解释为仅限于在此阐述的实施例。

相应地，在本发明的示例实施例能够被进行各种修改和处于备选形式时，其实施例通过图中的示例的方式来示出，并将在此进行详细描述。然而，应该理解，没有将本发明的示例实施例限制在所公开的具体形式的意图，相反，本发明的示例实施例要覆盖所有落在本发明范围内的修改、等效和备选。相同的编号指的是全部图的描述中相同的元件。

应该理解，虽然在此可使用术语第一、第二等来描述各种元素，但是这些元素不应被这些术语所限制。这些术语仅被用来将一个元素与另一个元素区分开。例如，在不背离本发明的示例实施例的范围的情况下，可以将第一元素称为第二元素，并且类似地，可以将第二元素称为第一元素。此处使用的数据“和/或”包括一个或多个相关联的被列出的项目的任何组合和所有组合。

应该理解，当称元素与另外的元素“相连接”或“耦合”时，可以是直接连接或耦合到该另外的元素或者可以存在中间元素。相反，当称元素与另外的元素“直接连接”或“直接耦合”时，没有中间元素存在。其它被用来描述元素间关系的词语应被以相同的方式来解释(例如，“之间”之于“之间直接地”、“相邻”之于“直接相邻”等)。

在此使用的术语是仅用于描述具体实施例的目的，而不是旨在限制本发明的示例实施例。除非上下文进行了清楚地指示，在此使用的单数形式“一”以及“该”也旨在包括复数形式。还应该理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“正包括”、“包含”和/或“正包含”被用来指定所声明的特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，而不是妨碍一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在或增加。

还应该注意到，在一些备选实施例中，所提到的功能/动作可以以图中所记载之外的顺序来发生。例如，取决于所涉及的功能/动作，连续示出的两幅图事实上可以实质上同时执行或有时以相反的顺序来执行。

示例实施例可以利用传感器阵列，使用宽带RF探测信号，感测到结构(如，建筑结构)内的改变。可以沿建筑外侧的发送/接收(Tx/Rx)驱动路径来拍摄多个波束成形快照(例如，在模式识别问题的“特征提取”步骤中)，以形成统一的整体建筑特征轨迹。

谱图(例如，与被用来显示分析语音模式的谱图相类似的谱图，该谱图由强度关于时间和频率逐渐改变的二维图所构成)可被用做对内部建筑结构的显示。存在着很好地建立的数字信号处理技术，用于分析和识别谱图模式，这些技术包括动态时间规整(DTW)、隐马尔可夫模型(HMM)等等。可以使用“点”类型的显示，该显示将波束成形器的输出幅度在一个维度上以关于角度的强度示出，在另一个维度上以关于沿驱动路径的距离示出，该显示增加色彩来表示路径时间延迟。可以针对每个建筑或感兴趣的结构收集点类型的显示特征轨迹并将其保存在文件上，和/或间隔性地监控以检测建筑或结构内的显著变化。

示例实施例可使用射线跟踪方法，以开发和仿真利用对实际建筑的物理测量的点显示，从而产生关于沿驱动路径的多个正在移动的Tx/Rx位置的后向散射数据。可对根据物理测量的数据进行处理(例如，使用Matlab的标准程序)，以显示射线路径、路径损耗、仿真的波束成形响应的动态图和/或复合图显示。可以对仿真进行开发来确定放置在建筑内的物品阻塞的可检测性，以及已建立的对驱动路径扰动的鲁棒性。

当Tx/Rx位置沿驱动路径移动时，来自于由内部建筑墙体形成的角的镜面反射形成唯一的鲁棒的特征轨迹。例如，下面将讨论来自于单个角的二维镜面反射的几何关系，作为所期望的响应的示例。这些镜面反射的特征行为将在后续用来解释随后将要讨论的点状图。

如上看到的，图1示出了来自于由两面墙的交接所形成的双面角的反射的整体几何关系。射线在x轴上从x-d/2处以特定的到达角θ向从在(0，R)处的拐角发射，以使得反射射线可以到达在x+d/2处的接收机。针对给定的Tx/Rx x轴间隔d和y轴范围R，到达角θ是根据该几何关系唯一确定的，这在下面的等式(1)和(2)中进行了示意。Tx/Rx x轴间隔d可以是x轴上在射线的发射(由x-d/2来指示)和位于x+d/2处的接收机之间的距离，x是Tx和Rx射线的中点。范围R可以是y轴上从驱动路径到平行面对的建筑墙面的距离。

假定x≤-d/2，反射从在墙面交接点的左侧的拐角而来。图1中从(x，0)到(0，R)的虚线是Tx和Rx射线之间的中线。我们看到，依照以下的公式来计算tanθ：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{R}{\left|x\right|},$ $x\≤-\frac{d}{2}---\left(1\right)$

根据cosθ来重写等式(1)，并且注意到图1的对称，可以依照以下等式来计算角度的余弦轨迹：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{-\mathrm{sgn}\left(x\right)}{\sqrt{1+R^2/x^2}},$ $\left|x\right|\≥\frac{d}{2}---\left(2\right)$

图2是等式(2)的归一化图，图2示意了其曲率取决于比率R/d的特征轨迹。在图2中，针对R/d＝2、5、10、20和50，将来自于双面角反射的角度余弦示出为归一化的横向距离的函数。该特征行为将在下一节中被用来解释图。虽然以上将示例实施例描述为对二维坐标系统中的到达角θ进行计算，然而示例实施例不限于此，并且可以在三维的坐标系统中计算到达角θ。

图3A、3B和3C分别示意了示例建筑的顶视图、侧视图和前视图。建筑的基础垫层的总的(x，y)尺寸是22.86mx21.64m，并且完全处于三维形式(x，y，z)的建筑是22.56m×9.14m×7.62m。

下面使用宽带RF探测信号来描述示例实施例，该探测信号具有2.4GHz的工作频率，以基于在图3A-3C中示意的示例建筑中描述的墙体的几何关系和规格来形成建筑特征轨迹。例如，将无线系统工程(WiSE)射线跟踪模型(如，仿真器)用来获得宽带脉冲响应。脉冲响应是接收信号对发射的宽带RF脉冲的时间响应。

在示例实施例中，可以写入具有可变地命名的Tx和Rx位置的一般输入文件，以定义WiSE模型内的标称条件和参数值。在该具体的示例实施例中，nbounce被设置为5，betamax被设置为1.0X10^-9，阈值被设置为100。应该注意到，针对WiSE模型的条件和参数中用于获得宽带脉冲响应的其它变化可以在示例实施例之内。Tx/Rx位置可以沿驱动路径线性变化，获得多个脉冲响应(如WiSE脉冲响应)的集合。然而，示例实施例不限于此，Tx/Rx位置可以在三维空间中的任何方向上变化。改变Tx/Rx位置的处理可以是使用Unix外壳脚本来自动进行，该Unix外壳脚本顺序地替换针对Tx/Rx可变名称的数值，(如，在Sun的超工作站上)运行WiSE例程，并将输出数据连结在一个文件中。

在示例实施例中，在恒定的y和z位置的情况下，x轴Tx位置可以以相等的增量从初始位置向最终位置变化，和/或接收位置Rx可以以固定的x轴间隔来跟踪发射位置Tx。然而，驱动路径可以在任意期望的预定方向上变化，或备选地，在预定方向上变化。每一脉冲响应可包含所计算的射线路径的列表，针对每一射线路径示出了复路径幅度、延迟、以及方位角和高程出发角和到达角。射线路径可以是发射的出发角和接收的到达角。如下讨论的，可以在各种动态显示例程中使用在该“路过式(drive-by)”场景中产生的响应的多运行输出文件。

下面将针对被选择为(x_T，y_T，z_T)＝(-5∶1∶28，-7.5，2.5)的示例发射机位置(以米来计算)来描述示例实施例，其中，原始的发射机位置是图3A-3C中描述的示例建筑的左下前方的拐角，以及在每个实例中Rx位于(x_R，y_R，z_R)＝(x_T+1，y_T，z_T)，即向Tx的右方偏移1米。例如，发射位置Tx远离于示例建筑的前边沿，横穿驱动路径7.2米，并且在高度2.5米处，从左端起5米处开始并且在距离右边28-22.86＝5.14处结束。

可以确定和/或显示当Tx/Rx位置前进时射线路径的前进，例如作为路过式“电影”(如，使用Matlab程序)。在具有打印单帧的能力的情况下，路过式电影显示可以逐帧进行(例如，当按下返回键时)。

图4A、4B和4C分别示出了针对x_R＝1，10，21的三个示例射线框。图4A、4B和4C中的矩形描述了在图3A中完全示意出的建筑的顶视图，不包括基础垫层。如同可以看到的，一般可能有一些从前面和后面的墙面的更接近90°的返回，伴随着来自于内墙面的拐角反射，表示探测的凸显的特征，并从而针对特定建筑产生唯一特征轨迹。

类似地，可以(例如，使用Matlab程序)确定和/或显示作为接收的方位角的到达角(AoA)的函数的射线路径损耗。射线路径损耗可以是射线路径的发射强度和接收强度之差。例如，可以仿真波束成形处理，并可以根据角度余弦来绘制所仿真的响应，以使得响应可以随着转向角不发生变化。

在示例实施例中，可以量化AoA余弦(如，以从1到-127/128(0到172.83度)的128步进行量化)。针对每一接收位置X_R产生列矢量，如，128×1的列矢量。换言之，针对每一接收位置X_R，以单射线的相应复路径幅度来填充128个区间(表示量化的AoA余弦)。

图5示意了针对图4A中包含的示例，路径损耗对量化的AoA余弦的关系曲线，很容易对其进行如下比较。图4A中三个最小的角度是72.5040度、51.1910度、38.7330度。在余弦空间中，分别将这三个最小角度量化成被转化到图5中所见的AoA余弦值0.2969、0.6250、0.7812的区间46、25、15。取AoA余弦值的反余弦值给出了相应的量化角72.7300、51.3178、38.6248度，它们相对接近于图4A中的原始角。其它AoA余弦的相对接近0(90度)的返回与离开前墙面(如，更强)和后墙面(如，更弱)的反射相对应，并且可以粗略地看到，从内部反射弹回中等强度的返回。例如，从图4A可以看到，实际上有与三跳相对应的三个接近法线的返回，然而这在图5中被真实的墙面反射所归类(subsume)，因为它们落入了相同的量化区间中。

根据示例实施例，波束成形可被使用来获取这样的信号：对于从给定方向到达的分量是优选的，并且可以拒绝从其它方向到达的分量。在示例实施例中，可以通过将角度余弦响应与特征波束模式进行卷积来执行仿真的波束成形。例如，可以使用快速傅立叶变换(FFT)(通过取余弦空间响应的快速傅里叶逆变换(IFFT)、与M点的布莱克曼窗相乘，并取FFT)来执行仿真波束成形。布莱克曼窗的长度确定了波束分辨率，大致为2/M的弧度，其中，M可以被解释为构成波束成形器的等同阵列元素的个数。

图6示意了长度64的布莱克曼窗的FFT示例，根据主波瓣宽度和侧波瓣电平，该示例在高斯形状和Hann窗的形状之间。相应地，可以基于布莱克曼窗的FFT来显示仿真的波束成形响应，例如使用另一个路过式程序。

图7示意了与图5相相应的示例仿真波束成形响应序列的一帧。例如，图7示意了图5的响应与图6的窗响应的卷积结果。

如上所述，可以将波束成形器输出显示为：一个维度中关于角度余弦的强度对另一个维度中驱动路径的距离，使用增加色彩来表示路径时间延迟(例如，使用Matlab图像例程)。下面更详细地讨论波束成形输出显示的每个分量的细节。

在示例实施例中，可以将返回的幅度限制在Amin和Amax之间的用户选择范围(例如，以dB的形式)，并进行缩放以覆盖图像函数所期望的从0到1的范围。可以使用Gamma对比度增强，其中，将强度提升到用户选择的指数gam。在128个角度余弦区间上进行该处理，以针对N_x个驱动路径x_R位置中的每一个形成128xN_x矩阵中的一列。所产生的矩阵可以是点的单色版本，如下所述由延迟数据来对其着色。

可以将路径延迟类似地限制在Tmin和Tmax之间并被缩放为从0至1。所缩放的延迟值可以对hsv(色调饱和度值)函数(例如，hsvMatlab函数)的前43个区间进行编索引。

图8示意了示例路径延迟的hsv色图，与所选择的延迟范围相对应，该hsv色图在前43个区间上从红到蓝。针对角度/距离单色图像的每一个像素有三个色度输出，并且这三个色度输出被用来产生128xN_xx3张量，其中，三个128xN_x矩阵中的每一个都是单色矩阵和三个128xN_x色度矩阵之一的乘积。通过以与射线返回的角度余弦相对应的有限并缩放的延迟值来进行填充，并使用与创建仿真波束模式所使用的IFFT/布莱克曼(M)/FFT处理相同的IFFT/布莱克曼(M)/FFT处理，可以计算色度矩阵的每一列。相应地，在波束模式上涂抹色彩来作为强度。

最终显示的图像张量可以是维度128xN_xx3，其中，128是角度余弦区间的数目，N_x是沿x轴驱动路径的波束成形器快照的数目，3个色度分量表示路径延迟。相应地，如图9A-9C和10A-10C所示并如下讨论的，可以显示最终的图像张量(例如，使用Matlab程序)。

图9A示意了对针对空建筑，沿驱动路径的示例仿真波束成形快照的密度进行示出的点状图。例如，利用等同的M＝64元素波束成形器，幅度被限制在-140到-8dB之间，gamma指数为4，延迟限制在50和250ns之间，使用和之前相同的(x_T，y_T，z_T)＝(-5∶1∶28，-7.5，2.5)驱动路径来产生点状图。如果Tx/Rx直接在建筑前面(如，Rx距离在1和24之间)，靠近为0的AoA余弦(90度)出现水平的带。该水平带与从前墙面(红)、后墙面(绿)和前/后墙面三条(蓝)的接近法线的返回相对应，其中，色彩在不同的路径延迟间区分开。弯曲的段与来自于内墙面的拐角反射相对应，其中，形状(例如，如图2所示)和色彩是对从拐角到Tx/Rx位置的相对角度和距离的指示。这些特征(如，形状和色彩)可被用来辨别内部结构。

如图3A-3C中以“X”来标记的盒子所示，人工阻塞被放置到示例建筑模型的内侧，作为优选反射2米的立方体，对角线角位于(6，4，0)和(8，6，2)。

图9B示意了在引入该阻塞之后的点状图。与图9A的比较示出了两个主要的区别：该立方体已使针对Rx距离在4和12之间的后墙面返回的一部分(绿色和蓝色的水平带)和针对Rx距离在19和23之间的倾斜角反射的一部分(蓝色)变暗。图9C示意了对图9A所述的点和图9B所述的点之间的差异进行示出的点状图。

在真实世界中不可能重复确切的相同驱动路径，因此差分点技术的鲁棒性可取决于驱动路径中相对小的未计入的差异的敏感度。图10A-10C分别示出了对沿(a)x、(b)y和(c)z纬度，驱动路径中0.1米的变化的效果进行示意的图。这些图的阴影亮度与图9C中的阴影亮度的比较示出了驱动路径中0.1米的变化比得上2米的立方体所引入的差异。因此，根据示例实施例的方法对相对中等的几何误差可以是鲁棒的。

根据示例实施例，在路过式场景中，射线跟踪方法可以根据仿真建筑产生反向散射数据。可以使用该数据来获得“点”显示，“点”显示将波束成形器的输出幅度在一个维度上以关于角度的强度示出，在另一个维度上以关于沿驱动路径的距离示出，该显示增加色彩来表示路径时间延迟。来自于房间角落的谱反射可以形成建筑内部的鲁棒动态特征轨迹。如上所述，与小于大约0.1m的驱动路径变化所引入的变化相比，可以可靠地检测到建筑内部的阻塞。

根据另一示例实施例，可以处理使用单根可移动Tx和Rx天线的实际测量，以仿真实时的波束成形器输出。为了在产生差异之前最好地对齐两个点，对来自于相同建筑的不同路过式的运行的数据进行预处理，以使得可以补偿驱动路径和车辆速度记录中已知的差异，可以通过使用前面提到的来自于语音信号处理的DTW技术来执行该预处理。

通过应用语音识别HMM来区别对待想要和不想要的对象，示例实施例可根据视野中的对象(移动或静止)来评估外部环境的影响。可以将Tx/Rx天线高度和水平/垂直极化的影响调节到所想要的，或者备选地，预定的等级，以进一步增强可检测性。

根据另一示例实施方式，可以从点数据推断建筑的内部结构。例如，等式(2)和图2的解析形式可被用来匹配来自于点的轨迹，每一个都能标识墙面角。等式(2)和图2的解析形式可被凑合在一起，以表示建筑的内部墙面结构和/或对建筑或结构内部的特定返回进行掩蔽的阻塞的位置。

从而对示例实施例进行了描述，显而易见地，同样的发明可以通过很多方式进行改变。这些变型不应被视为背离本发明，并且所有这些修改确定包括在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种检测方法，包括:

从沿驱动路径的多个发射位置发射信号，其中，所述信号为宽带射频信号；

在沿驱动路径的多个接收位置接收发射信号的反射；以及

基于在每个接收位置处的反射的到达角，形成特征轨迹；

其中，通过对反射的到达角的轨迹进行匹配以标识结构内的角，基于特征轨迹来推断结构的内部。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特征轨迹包括:关于

沿驱动路径的每个反射的相应发射位置和相应接收位置的距离的、在每个接收位置处的反射的到达角。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，根据以下等式计算每个反射的每个到达角

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{-\mathrm{sgn}\left(x\right)}{\sqrt{1+R^2/x^2}},\left|x\right|\≥\frac{d}{2}$

其中，θ是特定反射的到达角，x是相应发射位置与相应接收位置的x轴位置的中点，d是沿x轴范围的、沿针对所述特定反射的相应发射位置和相应接收位置之间的驱动路径的距离，以及R是沿y轴从驱动路径到所述特定反射的反射点的距离。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特征轨迹包括在沿驱动路径的每个接收位置处接收到的反射的强度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特征轨迹包括关于相应发射信号的发射时间的、在沿驱动路径的每一个接收位置处接收到的反射的路径延迟。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括:

将特征轨迹表示为:关于沿驱动路径的每个接收位置处的每个反射的相应发射位置和相应接收位置的驱动路径上的距离的、每个接收位置处的反射的到达角的点状图，以色彩来指示接收到的反射的路径延迟，所述路径延迟与相应发射信号的发射时间有关。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述色彩的强度指示在沿驱动路径的每个接收位置处接收到的反射的强度。

8.根据权利要求6所述的方法，其中根据接收到的反射的到达角的函数来计算路径损耗，所述路径损耗是发射信号的强度和接收到的反射的强度之差。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括:

沿驱动路径执行波束成形，以获取针对所述特征轨迹的接收到的反射。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括:

针对每个相应发射/接收位置对，将接收到的反射的到达角分布到矩阵的列的多个区间上，所述区间被反射的复路径幅度所填充，矩阵的每列与单个发射/接收位置对相对应。