CN108490427A - 一种运动目标室内定位及实时追踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种运动目标室内定位及实时追踪方法。方法是基于一种带有冗余接收通路的单发多收(SIMO)多普勒雷达传感器实现的，为了配合该传感器，本发明设计了一个协同工作的室内无源目标位置追踪算法。该算法可以基于如下先验事实，即由冗余接收机测得的运动与由其他接收机测得的运动是同一个运动。由于在定位过程中算法仅用到了多普勒相位信息，因此该方法只对运动目标敏感，室内环境中的严重的多径效应和背景散射不会影响到定位算法的效果。由于所设计和实现的多普勒雷达传感器工作于单一频率，同时具备最高的频谱和能量效率，可以在所有ISM频段使用。

Description

一种运动目标室内定位及实时追踪方法
技术领域
本发明属于雷达领域，具体涉及了一种基于单频Doppler雷达传感的运动目标室内定位及实时追踪方法。
背景技术
随着时代和科技的快速发展，信息系统效率变高，不容易受到干扰，在的日常生活，工作和科研中起到了不可或缺的用处。其中，室内定位这项技术实用性强，应用范围也广，在许多复杂的环境下，如商场，体育场，超市，仓库等都可以达到快速定位人体或物品的目的。
尽管无线室内定位技术已经取得了巨大的进步，但是在实际应用中仍然存在这一些技术挑战。最主要的挑战来源于复杂的室内环境所造成的多径反射以及诸如墙面，地面和家具等障碍物造成的不可预测的散射。所以，要实现可以适用于不同室内环境的无线定位仍然是一个充满挑战性的任务。这也是为什么大多数的室内定位系统只针对于有源目标，比如移动电话和射频识别标签。
在所有的室内定位应用中，对无源运动物体的探测和定位的需求尤为迫切。一个典型的例子是对生物信号诸如人类运动和生命体征的无线探测。
在雷达理论中，移动目标可以同时在时域和频域上被探测。在时域上，脉冲雷达信号和脉冲压缩技术可以用来探测运动目标的时变位置坐标。这种方法的缺点是它需要足够宽的带宽来满足距离分辨率的要求。对于室内定位，这个带宽通常要宽于ISM频段。除此之外，脉冲雷达系统需要一个最小的运行距离，也就是说，对于短距离的室内定位，当目标非常接近于雷达天线时，脉冲雷达系统可能无法正常工作。
另一方面，在频域，也就是相位域上，一个连续波多普勒雷达可以被用来测量和追踪非常接近雷达天线的运动目标的位移。基于相位干涉原理，测得的位移将非常的精确。由于运动信息是通过多普勒相移得到的，上述的测量和追踪过程将不会被多径反射和背景散射所影响。这对于无源运动目标的短距离室内定位是一个独特的优势所在。但是由于相位模糊这一原因的存在，连续波多普勒雷达无法测量距离或者位置信息。尽管诸如基于调频连续波的混合模式的连续波雷达可以用来解决这个问题，这还是需要很宽的带宽。因为混合雷达信号的脉冲部分被用于距离测量，这与脉冲雷达在本质上是相同的。作为调频连续波信号的一种简化，包含两个或以上的离散正弦载波的步进频率信号也可以用来解决相位模糊问题。距离测量需要的是微波整个传播过程的往返路程相移，而不是多普勒相移，所以距离测量无法避免地要受到多径传播和室内环境背景散射的影响。
发明内容
本发明的目的在于解决目前现有技术中存在的缺陷，并提供了一种基于单频Doppler雷达传感的运动目标室内定位及实时追踪方法。
下面首先阐述本发明的理论基础：
通常，为了探测二维或者三维运动，需要用到如图1所示的单发多收结构的多普勒雷达。在这样的单发多收结构中，一个发射天线被用作发射电磁波寻找运动目标的位置，两个或三个接收天线被放置在不同的位置用以探测二维或三维运动。
在大多数情况下，室内运动可看作是二维或者地平面上的运动。图1展示了一个单发多收结构多普勒雷达在x-y平面上探测二维运动。如果已知运动目标的初始位置(x0,y0)，发射天线T、接收天线R1和R2的坐标(xT,yT,zT)，(xR1,yR1,zR1)和(xR2,yR2,zR2)，由x(t)和y(t)描述的二维运动的轨迹可以通过连续地求解方程组得到。这个方程组的解是焦点分别在(xT,yT,zT),(xR1,yR1,zR1)和(xT,yT,zT),(xR2,yR2,zR2)的两个椭圆的交点。特别地，当所有天线位于一条平行于x-y平面的直线上时，x(t)和y(t)可以得到解析表达式：
其中，d1＝dT+dR1，d2＝dT+dR2分别为发射天线T到接收天线R1和R2的往返距离。dT，dR1和dR2分别为目标到天线T,R1,R2的单程距离。
由于单频多普勒雷达系统存在相位模糊的问题，如果不知道运动的初始位置，是无法测得准确的距离。为了得到初始位置，可以使用双边带副载波调制技术，两个副载波被用于解决相位模糊问题。但是它会受到室内散射体的干扰。为了定位离天线很近的目标，两个副载波的频率间隔必须非常远，而这样就失去了连续波多普勒雷达的最主要优势。
为了实现只对运动目标敏感的室内定位，设计了一种带有冗余接收机的单发多收多普勒雷达结构。与普通SIMO结构不同的是，它多出来了一个接收天线R3和一个与之对应的接收通道，如图2所示。
在这个装置中，可以分成两组普通单发多收雷达组。第一组：T，R1，R3；第二组：T，R2，R3。这两组子雷达组都可以用公式(2-4)和(2-5)来测量二维运动。理论上来说，这两组天线位置不同的“子雷达组”所测得的二维运动是相同的，因为其本质上就是同一个运动。这就为用单一频率解决相位模糊问题提供了一个先验知识。由于整个算法中只有多普勒相移被用到，所以这个方法是能够继承相位干涉的优点的，换句话说，此方法天生就不受室内环境的静态散射物体的干扰。
为了简单起见，假设图2所示结构中的所有天线都位于x-y平面内，并且发射天线T位于原点(0,0)。三个接收天线R1，R2和R3分别位于(xR1,yR1)，(xR2,yR2)和(xR3,yR3)。所以运动方程应该满足：
其中di(t)，i＝1,2,3分别为发射天线T到目标然后返回接收天线R1，R2，R3的瞬时往返距离。对于已知运动目标的初始位置(x0,y0)的情况，用天线组分别为(T,R1,R2)和(T,R1,R3)的两组子雷达组测得的时变坐标为：
以及
需要注意的是，在数学上这个运动方程应该有两个解，但是当雷达用的是定向天线时，基于已知的天线辐射方向，可以排除一个解，得到唯一解。
然而，当目标的初始位置(x0,y0)未知时，di(t)，i＝1,2,3不仅仅是时间的函数，也是初始位置(x0,y0)的函数。在这种情况下，有：
其中Δd1(ts)，Δd2(ts)和Δd3(ts)是往返距离d1，d2和d3在相邻采样时间点ts和ts-1之间的增量，ts和t均应为整数值，并且有：
由于四条天线均处于同一直线上，因此yRi可直接取0。
上式代表了从发射天线T到目标初始位置(x0,y0)再分别返回接收天线R1，R2和R3的往返距离。注意，这是未知的带求解量。
根据上述分析，公式(2-7)-(2-10)针对已知初始位置(x0,y0)的情况，而公式(2-11)和(2-12)针对未知初始位置(x0,y0)的情况，其依赖于往返距离di(t,x0,y0)。
因此，初始位置(x0,y0)的准确性对于定位和追踪运动目标来说是非常重要的。一个不准确的初始位置，将会导致非常严重的轨迹偏移。
基于两个子雷达组实际上测量的是同一个运动，可以得到：
x1(t)＝x2(t),y1(t)＝y2(t) (2-13)
如果不考虑误差的话，公式(2-13)不仅仅在第一个采样时间点满足，而是在整个测量过程都应该被满足。由于公式(2-7)-(2-12)的非线性特征，在数学上很难保证在每个采样时刻公式(2-13)都有唯一解。然而，当采样点不断增加时，方程的数量也同时在增加，并且所有的方程都应该满足公式(2-13)。因此，提出了一个与连续采样点协同作用的追踪定位算法，即使公式(2-13)针对每个采样点不一定有唯一解，随着采样点数的增加，最终一定可以找出最优解。为了优化方程，在每个采样时刻t可以基于公式(2-7)-(2-10)建立误差函数：
其中，函数g1,g2和f1,f2在公式(2-7)-(2-10)中已经定义，所以优化目标函数(表示两条曲线的距离，也可称为距离函数)可以定义成：
其中(x0,y0)是未知的初始位置，N是优化过程所用到的点数。需要注意的是，N并不是随着采样点计数的，当采样率很高时，两个子雷达采集的I/Q信号点会很密集，相邻两个采样点所对应到追踪轨迹上的点就会离得非常近。显然，用非常近的点来解公式(2-15)所对应的方程并不是非常地合适。正确的做法应该是采用降采样的方法，每个几个采样点取一个点，用这些取出来的点来进行优化算法。
为了得到一个高效的优化过程，由两个子雷达得到的运动轨迹可以用一个合适的长度为T的时间窗来分割成不同的片段，每个片段中用于计算的点的数量记为N。上述的分割过程可以看作对整个运动轨迹的分段线性近似。
在实际应用中，点数N决定了在每一步优化中轨迹片段的长度。由于此方法对噪声很敏感，应该根据不同的信噪比选择不同的N值来控制优化的误差。
全局优化算法例如基因算法可以被用来优化公式(2-16)所表示的目标函数。由于由公式(2-14)和(2-15)算出的误差e1和e2在高信噪比情况下会变得非常小，运动目标的位置用运动轨迹上的两个点就可以获得，意味着高信噪比情况下可以用相对小的N值。
在噪声比较大的情况下，误差e1和e2将会变得非常大，这种情况下轨迹片段就应该变长，甚至在极端情况下，应该将整个轨迹都看作是一个片段。这就意味着低信噪比情况下应该选择一个相对大的N值。
为了更加清晰地阐释，图3展示了当N值选取为4时，优化是如何进行的。由于初始位置(x0,y0)未知，可以选择一个随机的初始位置(x’0,y’0)来开始追踪算法。随着采样点数的增加，可以获得由不同子雷达组测得的轨迹S1和S2。图中标示了1,2,3,4的四个方框，表示将整个轨迹分为四段，每段用N＝4个数据点。第一个方框内的两条曲线S1和S2的距离函数可以算出然后进行优化，经过优化后初始位置(x0,y0)或者是它的近似解可以得到。随着时间的增加，这个过程可以迭代式地进行，用接下来的方框2,3,4等等，直到整个运动目标的追踪过程结束。最后，优化出的结果轨迹S3就是定位追踪的结果。
需要注意的是，在这个过程中，每个优化的位置可以被看成是一个新的初始位置，并且上述的迭代式追踪定位算法可以从这个新的初始位置继续运行。用这个方法，传统的运动追踪过程中的累积误差可以在每四个点的过程内被校正。因此，这个方法可以仅仅用单频多普勒雷达实时地追踪和定位运动目标。
基于上述理论基础，本发明解决技术问题所采用的具体技术手段如下：
基于单频Doppler雷达传感的运动目标室内定位方法，其步骤如下：
1)将一个发射天线T和三个接收天线R1、R2和R3放置在与运动目标处于同一平面的一条直线上，构建保护两个子雷达组(分别为{T,R1,R2}和{T,R1,R3})的多普勒雷达传感系统；
一个子雷达组由一个发射天线T和两个接收天线构成，两个子雷达组中的接收天线不同。例如发射天线T和接收天线R1、R2构成一个子雷达组，发射天线T和接收天线R2、R3构成一个子雷达组。
2)选取若干采样时间点，利用多普勒雷达传感系统获取发射天线T到接收天线R1、R2和R3的往返距离d1，d2和d3在相邻采样时间点ts和ts-1之间的增量Δd1(ts)，Δd2(ts)和Δd3(ts)；
3)优化目标函数得到运动目标的初始位置(x0,y0)；
其中，(x0,y0)为待优化的未知量；N是优化过程所用到的点数；e1(t,x0,y0)和e2(t,x0,y0)为t时刻的误差函数，计算公式为：
e1(t,x0,y0)＝f1(d1(t,x0,y0),d2(t,x0,y0))
-f2(d1(t,x0,y0),d3(t,x0,y0))
e2(t,x0,y0)＝g1(d1(t,x0,y0),d2(t,x0,y0))
-g2(d1(t,x0,y0),d3(t,x0,y0))
其中f1、f2、g1、g2函数的定义为：
其中：xR1、xR2、xR3为以发射天线T为原点时，接收天线R1、R2和R3的横坐标；(x1(t)、y1(t))为t时刻由第一组子雷达测得的运动目标位置；(x2(t)、y2(t))为t时刻由第二组子雷达测得的运动目标位置；
di(t,x0,y0)的计算公式为：
4)根据运动目标的初始位置(x0,y0)计算运动目标在t时刻的位置坐标。
作为优选，步骤4)中，运动目标在t时刻的位置坐标计算方法为：首先根据初始位置(x0,y0)计算发射天线T到接收天线R1、R2和R3的往返距离d1(t)、d2(t)和d3(t)，然后基于f1、g1函数或f2、g2函数计算运动目标在t时刻的位置坐标。
目标函数求解时，所需用到采样时间点的总点数N采用降采样方法获得，即每隔若干个采样时间点取一个点，然后用取出来的点进行优化算法。
本发明的另一目的在于提供一种基于单频Doppler雷达传感的运动目标实时追踪方法，其步骤如下：
预设N的值，每采集到N个点数后，利用如权利要求1所述的定位方法获得运动目标的当前位置；然后将该当前位置作为运动目标的初始位置，继续采样，不断迭代实现运动目标的实时追踪。从而实现运动目标的分段实时追踪。
作为优选，在实时追踪过程中，根据多普勒雷达传感系统的信噪比和运动目标的运动速度改变量，不断调整N的取值，以平衡追踪的精确性和实时性。
当运动目标的运动轨迹曲率较大时，总点数N取值较大，即计算所需用到的采样时间点较多。
当运动目标的运动轨迹曲率较小时，总点数N取值较小，即计算所需用到的采样时间点较少。
本发明的有益效果是：
在本发明中，由于在定位过程中算法仅用到了多普勒相位信息，因此该方法只对运动目标敏感，室内环境中的严重的多径效应和背景散射不会影响到定位算法的效果。而且由于所设计和实现的多普勒雷达传感器工作于单一频率，同时具备最高的频谱和能量效率，可以在所有ISM频段使用。
附图说明
图1是测量二维运动的普通单发多收(SIMO)结构示意图；
图2是带有冗余接收通路的单发多收(SIMO)结构示意图；
图3是N＝4时追踪定位算法流程示意图；
图4是仿真模型和原始运动轨迹图；
图5是当N＝10和N＝20时的优化结果图；其中(a)无噪声Z型运动，(b)10dB信噪比时Z型运动，(c)无噪声圆形运动，(d)10dB信噪比时圆形运动。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
本发明中，基于单频Doppler雷达传感的运动目标室内定位方法，具体步骤如下：
1)如图2所示，将一个发射天线T和三个接收天线R1、R2和R3放置在与运动目标处于同一平面的一条直线上，构建保护两个子雷达组的多普勒雷达传感系统。其中，发射天线T所处位置作为原点，两个接收天线布置于发射天线T的其中一侧，一个接收天线布置于发射天线T的另一侧。
2)选取一系列的采样时间点，利用多普勒雷达传感系统获取发射天线T到接收天线R1、R2和R3的往返距离d1，d2和d3在相邻采样时间点ts和ts-1之间的增量Δd1(ts)，Δd2(ts)和Δd3(ts)；
然后采用降采样方法从采样数据中，每隔一定的采样时间点取一个点，然后用取出来的点(共N个)进行后续的优化。
3)优化目标函数以使目标函数最小的(x0,y0)作为运动目标的初始位置；
其中(x0,y0)为待优化的未知量；N是优化过程所用到的点数；e1(t,x0,y0)和e2(t,x0,y0)为t时刻的误差函数，计算公式为：
e1(t,x0,y0)＝f1(d1(t,x0,y0),d2(t,x0,y0))
-f2(d1(t,x0,y0),d3(t,x0,y0))
e2(t,x0,y0)＝g1(d1(t,x0,y0),d2(t,x0,y0))
-g2(d1(t,x0,y0),d3(t,x0,y0))
其中f1、g1是关于d1(t,x0,y0),d2(t,x0,y0)的函数，f2、g2是关于d1(t,x0,y0),d3(t,x0,y0)的函数。若分别以X、Y、Z表示d1(t,x0,y0),d2(t,x0,y0),d3(t,x0,y0)，则四个函数的定义分别为：
其中：xR1、xR2、xR3为以发射天线T为原点时，接收天线R1、R2和R3的横坐标；(x1(t)、y1(t))为t时刻由第一组子雷达测得的运动目标位置；(x2(t)、y2(t))为t时刻由第二组子雷达测得的运动目标位置；
而d1(t,x0,y0),d2(t,x0,y0),d3(t,x0,y0)也是关于x0,y0的因变量，di(t,x0,y0)的计算公式为：
4)根据运动目标的初始位置(x0,y0)计算运动目标在t时刻的位置坐标，计算方法为：
首先，根据公式(2-11)和(2-12)，基于步骤3)中得到的初始位置(x0,y0)计算发射天线T到接收天线R1、R2和R3的往返距离d1(t)、d2(t)和d3(t)，然后基于f1、g1函数(也可以采用f2、g2函数)计算运动目标在t时刻的位置坐标。
而基于上述定位方法，还可以进一步提供一种运动目标实时追踪方法：
预设N的值，每采集到N个点数后，利用上述定位方法获得运动目标的当前位置；然后将该当前位置作为运动目标的初始位置，继续采样，采集到N个点数后再计算当前位置并继续作为初始位置。不断迭代，实现运动目标的实时追踪。
在实时追踪过程中，根据多普勒雷达传感系统的信噪比和运动目标的运动速度改变量，不断调整N的取值，以平衡追踪的精确性和实时性。
为了验证上述算法的性能和效率，下面结合具体实施例用数据仿真来详细阐述。方法的具体步骤如前所述，不再赘述，下面仅展示具体的数据和效果。
实施例
图4展示了仿真的设置，仿真中所有坐标的单位都是毫米。雷达组的发射天线被放置在原点位置(0,0)，接收天线R1，R2和R3被放置在x轴上，它们的坐标分别为(-100,0)，(100,0)和(200,0)。仿真的二维运动位于x-y平面上。
在仿真中，一个四个角坐标分别为(0，,200)，(80,200)，(0,120)和(80,120)的Z型运动和一个轨迹方程为x2+(y-160)2＝402的圆被用到，正如图4所示。选择这两个具有代表性的运动是因为，在圆运动中，接收机可以收到朝所有方向的连续运动；而在Z型运动中，接收机可以收到方向突变的运动。模拟上述两个运动被两个子雷达组探测到，并用公式(2-7)，(2-8)和初始位置(0,200)计算。
图5展示了仿真结果。其中，在无噪声环境和10dB信噪比噪声环境下使用了N＝10和N＝20这两种N值。
表1仿真结果中的距离函数值
图5展示了仿真结果。其中，在无噪声环境和10dB信噪比噪声环境下使用了N＝10和N＝20这两种N值。
在图5(a)和图5(c)中，可以看出在没有任何噪声的情况下，Z型运动和圆形运动无论是N＝10还是N＝20时都非常接近实际的运动轨迹。可以在表1中看到，其对应的距离函数值值分别为5.6毫米和3.6毫米。在图5(b)和图5(d)中，当信噪比达到10dB时，两种运动都还是可以被恢复的，相应的距离函数值分别为11.8毫米和6.4毫米。
上述结果证明了N值选取得越大，恢复轨迹与实际轨迹之间的误差就越少。
以后，这个算法可以集成在硬件，例如FPGA和DSP中，以达到实时追踪定位的目的。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于单频Doppler雷达传感的运动目标室内定位方法，其特征在于，步骤如下：
1)将一个发射天线T和三个接收天线R1、R2和R3放置在与运动目标处于同一平面的一条直线上，以该平面建立xy平面坐标系，并构建保护两个子雷达组的多普勒雷达传感系统；
2)选取若干采样时间点，利用多普勒雷达传感系统获取发射天线T分别到接收天线R1、R2和R3的往返距离d1、d2和d3在相邻采样时间点ts和ts-1之间的增量Δd1(ts)、Δd2(ts)和Δd3(ts)；
3)建立目标函数求解得到运动目标的初始位置(x0,y0)；
其中，N是所需用到采样时间点的总点数；
e1(t,x0,y0)和e2(t,x0,y0)为t时刻的误差函数，计算公式为：
e1(t,x0,y0)＝f1(d1(t,x0,y0),d2(t,x0,y0))-f2(d1(t,x0,y0),d3(t,x0,y0))
e2(t,x0,y0)＝g1(d1(t,x0,y0),d2(t,x0,y0))-g2(d1(t,x0,y0),d3(t,x0,y0))
其中，f1、f2、g1、g2函数的定义为：
X＝d1(t,x0,y0)
Y＝d2(t,x0,y0)
Z＝d3(t,x0,y0)
其中，xR1、xR2、xR3为以发射天线T为原点时接收天线R1、R2和R3的横坐标；(f1(X,Y)、g1(X,Y))、(f2(X,Z)、g2(X,Z))分别为t时刻由两组子雷达组测得的运动目标位置；
di(t,x0,y0)表示从发射天线T到目标初始位置(x0,y0)再分别返回接收天线的往返距离，计算公式为：
其中，xRi表示以发射天线T为原点时接收天线的横坐标，ts表示遍历时刻；
4)根据运动目标的初始位置(x0,y0)计算运动目标在t时刻的位置坐标。
2.如权利要求1所述的一种基于单频Doppler雷达传感的运动目标室内定位方法，其特征在于：
一个子雷达组由一个发射天线T和两个接收天线构成，两个子雷达组中的接收天线不同。
3.如权利要求1所述的一种基于单频Doppler雷达传感的运动目标室内定位方法，其特征在于：
一个发射天线T和三个接收天线R1、R2和R3布置时，两个接收天线布置于发射天线T的其中一侧，一个接收天线布置于发射天线T的另一侧。
4.如权利要求1所述的一种基于单频Doppler雷达传感的运动目标室内定位方法，其特征在于：
所述的步骤4)中，运动目标在t时刻的位置坐标计算方法为：首先根据初始位置(x0,y0)计算发射天线T到接收天线R1、R2和R3的往返距离d1、d2和d3，然后基于f1、g1函数或f2、g2函数计算运动目标在t时刻的位置坐标。
5.如权利要求1所述的一种基于单频Doppler雷达传感的运动目标室内定位方法，其特征在于：
求解目标函数时，所需用到采样时间点的总点数N采用降采样方法获得。
6.一种基于单频Doppler雷达传感的运动目标实时追踪方法，其特征在于，步骤如下：
预设总点数N的值，每采集到N个点数后，利用如权利要求1所述运动目标室内定位方法获得运动目标当前时刻的位置坐标，然后将该位置坐标作为运动目标的初始位置，重复运动权利要求1所述运动目标室内定位方法不断迭代实现运动目标的实时追踪。
7.如权利要求6所述的一种基于单频Doppler雷达传感的运动目标实时追踪方法，其特征在于：在实时追踪过程中，根据多普勒雷达传感系统的信噪比和运动目标的运动速度改变量，不断调整总点数N的取值，以平衡追踪的精确性和实时性。
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