CN108828587B - 基于WiFi信号的穿墙成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WiFi信号的穿墙成像方法。本发明所提出的穿墙成像方法硬件设备成本极低，通用无线路由器所产生的WiFi信号均可作为成像系统的发射信号，且目前无线路由器已经广泛分布于家庭、银行、商场、写字楼和宾馆等场所，数量庞大，为穿墙成像系统提供了丰富的信号源；利用的无线路由器产生的WiFi信号具有较宽带宽，理论上保证了成像的高分辨率；利用的无线路由器产生的WiFi信号频段符合IEEE标准，全世界通用，且该频段为免费频段，无需缴纳频段使用费；需要的硬件设备体积较小，相较传统穿墙雷达，仅需要配置参考接收天线和检测接收天线；适用于任何穿墙雷达成像方法；本发明所提出的基于WiFi信号的穿墙成像方法能够低成本高效率地实现穿墙成像，为有效快速解决室内突发事件奠定了基础。

Description

基于WiFi信号的穿墙成像方法

技术领域

本发明涉及雷达穿墙成像技术领域，具体涉及一种基于WiFi(WirelessFidelity)信号进行高分辨穿墙成像的方法。

背景技术

随着社会的发展，如何低成本高效率地保障公共安全成为全世界重要的研究课题。在发生银行抢劫等室内突然事件时，匪徒会首先破坏室内光学监视器，最大限度地做隐蔽工作来加大救援难度。面对这种突发公共事件，一旦无法掌控室内状况，警务人员将陷入被动局面。

穿墙成像技术是利用射频传感器来穿透墙壁获取目标信息，因而穿墙成像系统在监控、巷战、搜查、处理室内突发事件等领域有着得天独厚的优势。

目前警务人员能够借助穿墙雷达实现对室内状况探测，但是目前穿墙雷达系统存在诸多问题：如成本昂贵，目前简易的穿墙雷达系统的价格高达几十万甚至上百万人民币，高昂的价格意味着并不是所有部门能够配备；分辨率低，目前穿墙雷达系统仅仅可以用于室内定位，无法准确知道目标具体状态；体积巨大，目前穿墙雷达多为主动式雷达，因而必须兼顾发射与接收功能，造成体积庞大，操作不便。

随着无线局域网(IEEE 802.11)技术的普及，基于该标准的无线路由器已经广泛分布于全世界范围的各个角落，因而WiFi信号源具有覆盖面广的特点；目前无线路由器的硬件成本极低，家用无线路由器的价格售价仅数十元人民币；无线路由器工作于2.4/5G的国际公用频段，无需缴纳频带使用费；无线路由器产生的WiFi信号具有较宽的信号带宽(20MHz或40MHz)，因而成像分辨率较高；无线路由器兼具为室内人员提供网络接入的功能，因而如今已经成为人们生活中的必需品，出于美观，公共场合的无线路由器极具隐蔽性。故而如何基于WiFi信号进行穿墙成像相较传统雷达成像体制更具有吸引力。

发明内容

为了解决上述关键技术难题，本发明提出了一种基于WiFi信号的穿墙成像方法；本发明通过采集来自无线路由器的WiFi信号数据，使用传统电磁成像方法即可低成本高效率地实现高分辨穿墙成像。

本发明的基于WiFi信号的穿墙成像方法，包括以下步骤：

1)构建WiFi穿墙成像系统与WiFi信号接收：

穿墙成像系统由T个无线路由器，一个参考接收天线，M个检测接收天线与信号采集器构成；其中T和M均为≥1的自然数；T个无线路由器持续向成像区域辐射WiFi信号，信号采集器分别记录参考接收天线获取的直达波WiFi信号与M个检测接收机接收的回波WiFi信号；

2)提取成像区域散射场信号数据并成像：

将直达波WiFi信号与回波WiFi数据做时域卷积处理，即可获得成像目标的散射场数据，利用传统三维雷达成像方法均可获得三维WiFi成像结果。

其中，在步骤1)中，WiFi穿墙成像系统中T个无线路由器均为通用无线路由器；

在步骤1)中，WiFi穿墙成像系统参考接收天线与M个检测接收天线均为处于无线路由器频段的雷达接收天线，且频带大于WiFi信号带宽；

在步骤1)中，在T个无线路由器形成的辐射区域内任取一个球面S，WiFi成像区域为D_inv处于球面S内；位于r_ref处的参考接收天线接收到的WiFi信号可以表示为E_ref(r_ref；ω)，位于r_m的第m个检测接收天线接收的目标回波WiFi信号可以表示为E_sca(r_m；ω)，其中ω表示WiFi信号频率；则E_ref(r_ref；ω)和E_sca(r_m；ω)可以分别表示为公式(1)和公式(2)：

E_ref(r_ref；ω)＝∫_SG(r_ref,r′；ω)N(r′；ω)dr′ (1)

E_sca(r_m；ω)＝∫_SG(r_m,r′；ω)N(r′；ω)dr′ (2)

其中t＝1,2,…,T；m＝1,2,…,M，T和M分别为≥1的自然数；G(·)表示自由空间格林函数，N(r′；ω)指位于球面S上r′位置处的WiFi频域信号。

在步骤1)中，直达波WiFi信号与回波WiFi信号具有互相关性。

在步骤2)中球面S上r和r′位置的WiFi频域信号近似统计独立，因而满足公式(3)：

<N(r,ω),N^*(r′,ω)>＝δ(r-r′)c(ω) (3)

其中<>表示内积操作，δ(·)表示冲激函数，c(ω)为WiFi频域信号的平方，()^*表示共轭转置操作，则位于r_ref处的参考接收天线接收到的WiFi信号与位于r_m的第m个检测接收天线接收的目标回波WiFi信号内积可以表示为公式(4)：<E_ref(r_ref；ω),E_sca(r_m；ω)>＝[G(r_ref,r_m；ω)-G^*(r_m,r_ref；ω)]c(ω)(4)

由公式4可知，参考接收天线WiFi信号与第m个检测接收天线的WiFi信号内积的结果，等价于参考接收天线作为发射机，第m个检测接收天线作为接收机时的目标区域散射场频域数据。

在步骤2)中，可以使用任意传统电磁成像方法实现成像。

本发明提出的基于WiFi信号的穿墙成像方法具有如下优点：

1、本发明所提出的穿墙成像方法硬件设备成本极低，通用无线路由器所产生的WiFi信号均可作为成像系统的发射信号，且目前无线路由器已经广泛分布于家庭、银行、商场、写字楼和宾馆等场所，数量庞大，为穿墙成像系统提供了丰富的信号源；

2、利用的无线路由器产生的WiFi信号具有较宽带宽，理论上保证了成像的高分辨率；

3、利用的无线路由器产生的WiFi信号频段符合IEEE标准，全世界通用，且该频段为免费频段，无需缴纳频段使用费；

4、需要的硬件设备体积较小，相较传统穿墙雷达，仅需要配置参考接收天线和检测接收天线；

5、适用于任何穿墙雷达成像方法；

本发明所提出的基于WiFi信号的穿墙成像方法能够低成本高效率地实现穿墙成像，为有效快速解决室内突发事件奠定了基础。

附图说明

图1为本发明的基于WiFi信号的穿墙成像方法的成像系统示意图；

图2为本发明的基于WiFi信号的穿墙成像方法的成像目标示意图；

图3为本发明的基于WiFi信号的穿墙成像方法的利用后向投影成像方法的穿墙成像结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例一

在本施例中，基于WiFi信号的穿墙成像方法的成像系统如图1所示；

在本施例中，基于WiFi信号的穿墙成像方法的成像目标如图2所示；

本施例的基于WiFi信号的穿墙成像方法包括以下步骤：

1)构建WiFi穿墙成像系统与WiFi信号接收：

穿墙成像系统由4个无线路由器，1个参考接收天线，1个检测接收天线与信号采集器构成；4个无线路由器依次向成像区域辐射WiFi信号，信号采集器分别记录参考接收天线获取的直达波WiFi信号与1个检测接收机通过扫描接收平面接收回波WiFi信号；检测接收天线固定于二维平面扫描架，水平方向每间隔9.4cm记录一次回波WiFi数据，共记录13个位置；垂直方向每间隔9.4cm记录依次回波WiFi数据，共记录14个位置；接收WiFi数据长度为1us；数据采集器为安捷伦MSO9404示波器。

2)提取成像区域散射场信号数据并成像：

对参考接收天线和检测接收天线获取的数据进行傅里叶变换，获取频域数据，则位于r_ref的参考接收天线和位于r_m的第m个检测接收天线的频域数据可以表示为：

E_ref(r_ref；ω)＝∫E_ref(r_ref；t)e^-jωtdt (5)

E_sca(r_m；ω)＝∫E_sca(r_m；t)e^-jωtdt (6)

其中E_ref(r_ref；t)表示参考接收天线的时域WiFi信号数据，E_sca(r_m；t)表示第m个位置的检测接收天线时域WiFi信号数据，E_ref(r_ref；ω)表示参考接收天线的时域WiFi信号数据，E_sca(r_m；ω)表示第m个位置的检测接收天线时域WiFi信号数据。

对得到参考接收天线和检测接收天线的频域WiFi信号数据做内积，得到可用于成像的散射场频域数据E_raw(r_m；ω)：

利用后向投影成像方法进行成像即可获得如图3所示的WiFi穿墙成像结果。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (3)

1.基于WiFi(WirelessFidelity)信号的穿墙成像方法，其特征在于，所述穿墙成像方法包括以下步骤：

1)构建WiFi穿墙成像系统与WiFi信号接收：

WiFi穿墙成像系统由T个无线路由器，一个参考接收天线，M个检测接收天线与信号采集器构成；其中T和M均为≥1的自然数；T个无线路由器持续向成像区域辐射WiFi信号，信号采集器分别记录参考接收天线获取的直达波WiFi信号与M个检测接收机接收的回波WiFi信号；

2)提取成像区域散射场信号数据并成像：

将直达波WiFi信号E_ref(r_ref；ω)与回波WiFi信号E_sca(r_m；ω)做内积运算获得成像目标散射场数据，即，＜E_ref(r_ref；ω)，E_sca(t_m；ω)＞≈Im(G(r_ref，r_m；ω)，其中Im(z)表示复数z的虚部，r_ref是参考接收机的位置，r_m是检测接收机位置；

然后，利用传统三维雷达成像算法均可获得三维WiFi成像结果。

2.如权利要求1所述的穿墙成像方法，其特征在于，在步骤1)中WiFi穿墙成像系统中T个无线路由器均为通用无线路由器；

在步骤1)中，WiFi穿墙成像系统参考接收天线与M个检测接收天线均为处于无线路由器频段的雷达接收天线，且频带大于WiFi信号带宽；

在步骤1)中，在T个无线路由器形成的辐射区域内任取一个球面S，WiFi成像区域为D_inv处于球面S内；位于r_ref处的参考接收天线接收到的WiFi信号可以表示为E_ref(r_ref；ω)，位于r_m的第m个检测接收天线接收的目标回波WiFi信号可以表示为E_sca(r_m；ω)，其中ω表示WiFi信号频率；则E_ref(r_ref；ω)和E_sca(r_m；ω)可以分别表示为公式(1)和公式(2)：

E_ref(r_ref；ω)＝∫_SG(r_ref，r′；ω)N(r′；ω)dr′ (1)

E_sca(r_m；ω)＝∫_SG(r_m，r′；ω)N(r′；ω)dr′ (2)

其中t＝1，2，...，T；m＝1，2，...，M，T和M分别为≥1的自然数；G(·)表示自由空间格林函数，N(r′；ω)指位于球面S上r′位置处的WiFi频域信号；

在步骤1)中，直达波WiFi信号与回波WiFi信号具有互相关性。

3.如权利要求1所述的穿墙成像方法，其特征在于，在步骤2)中球面S上r和r′位置的WiFi频域信号近似统计独立，因而满足公式(3)：

＜N(r，ω)，N^*(r′，ω)＞＝δ(r-r′)c(ω) (3)

其中＜＞表示内积操作，δ(·)表示冲激函数，c(ω)为WiFi频域信号的平方，()^*表示共轭转置操作，则位于r_ref处的参考接收天线接收到的WiFi信号与位于r_m的第m个检测接收天线接收的目标回波WiFi信号内积可以表示为公式(4)：

＜E_ref(r_ref；ω)，E_sca(r_m；ω)＞＝[G(r_ref，r_m；ω)-G^*(r_m，r_ref；ω)]c(ω) (4)

由公式4可知，参考接收天线WiFi信号与第m个检测接收天线的WiFi信号内积的结果，等价于参考接收天线作为发射机，第m个检测接收天线作为接收机时的目标区域散射场频域数据；

在步骤2)中，可以使用任意传统电磁成像算法实现成像。

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