CN108896984B - 一种基于射频单频连续波的运动物体定位跟踪方法 - Google Patents

一种基于射频单频连续波的运动物体定位跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于射频单频连续波的运动物体定位跟踪方法。在三维/二维运动物体所在的运动目标空间内放置发射机和多个接收机，由任三个/两个接收机组成一组接收机组而组建两组接收机组，发射机向运动目标空间发射电磁波，由两组接收机组接收获得反射回波信号，两组接收机组中的各个接收机开机时天线设置随机初始相位；两组接收机组以间隔采样方式根据在各个同一时刻接收的回波信号求解获得各自的初步空间坐标；计算获得各个接收机天线的跟踪相位，将跟踪相位施加到任一组接收机组，重新检测获得空间坐标定位位置。本发明能够探测到位于传感器前端附近的目标物体运动位置信息，并能够对目标进行跟踪；可以应用在模拟鼠标，手势操控等方面。

Description

一种基于射频单频连续波的运动物体定位跟踪方法
技术领域
本发明涉及了运动跟踪算法，涉及了一种基于射频单频连续波的运动物体定位跟踪方法，以射频连续波为媒介，涉及解析几何、信号处理和数值优化算法。
背景技术
雷达跟踪是雷达最主要的功能之一，在军用雷达设备中广泛应用。随着雷达设备小型化以及雷达技术民用化，雷达传感器应运而生。而电磁波的多普勒效应是传感器感知的重要依据和手段。
传统的运动物体位置跟踪装置，硬件上采用传感器阵列，或者采用基于摄像头的计算机视觉处理。前者如果使用容性传感阵列，需要部署大量的传感器节点来覆盖一个平面的感知，并且感知距离有限，且网络结构复杂。后者能够通过摄像头获取大量连续的信息，但是实时处理需要大量的硬件资源，且受摄像头的距离，角度，环境光线等外界条件影响较大。
传统雷达的定位技术主要应用：脉冲波雷达通过测量脉冲回波时间判决目标所在绝对位置。调频连续波雷达(FMCW)发射频率时变的连续波，通过比较回波的频率(差拍频率)判决目标与天线的距离。传统的单频连续波雷达较难用于目标绝对位置的探测，但单频连续波雷达硬件架构和算法简单，对于近距离目标，脉冲雷达的回波时间误差较大，而多普勒效应则十分容易测得。
对于一般的电路设计，天线的位置在遵循电路设计原则下，如果能够放置在任意位置，将给与电路布局更多的自由度。
发明内容
为了解决背景中提出的问题，本发明提出了一种基于射频单频连续波的运动物体定位跟踪方法，包括了一种三维运动目标的跟踪算法和一种二维运动目标的跟踪算法，基于单频连续波雷达传感器的SIMO系统，本发明系统能够在天线位置任意的情况下计算出目标物体的绝对位置。
本发明所采用的技术方案是：
一、一种基于射频单频连续波的三维运动物体定位跟踪方法：
1)在三维运动物体所在的运动目标空间内放置一个发射机和四个接收机，由任三个接收机组成一组接收机组而组建两组接收机组，两组接收机组中至少一个接收机不同，每个接收机开机时天线设置有初始相位；
2)在三维运动物体的运动过程中，发射机通过天线向三维运动物体所在的运动目标空间发射电磁波，由两组接收机组分别接收获得经三维运动物体反射的回波信号，两组接收机组中的各个接收机开机时天线设置随机初始相位；
3)两组接收机组以间隔采样方式根据在各个同一时刻接收的回波信号求解获得各自检测的三维运动物体的初步空间坐标；
4)根据步骤3)获得三维运动物体的初步空间坐标计算获得各个接收机天线的跟踪相位，然后将跟踪相位施加到任一组接收机组，重新检测获得三维运动物体的空间坐标作为定位位置。
所述步骤3)具体为：
针对第一组接收机组，采用以下公式求解获得三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标O′：
Figure BDA0001635728800000021
其中，d1、d2、d3分别表示第一组接收机组中三个接收机天线的各个初始相位，R1(x1,y1,z1),R2(x2,y2,z2),R3(x3,y3,z3)分别为第一组接收机组中三个接收机的天线所在的空间坐标，T为发射机天线所在的空间坐标，L1、L2、L3分别表示第k个时刻从发射机天线到三维运动物体再到第一组接收机组中三个接收机天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L2、L3根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得；
求解上述公式获得的三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标O′转换为关于接收机天线的初始相位列向量d的表达式，记为O′(k,d)，O′(k,d)表示通过第一组接收机组检测获得的三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标表达式，d表示接收机天线的初始相位列向量，d＝[d1,d2,d3,d4]T，d1,d2,d3,d4分别表示四个接收机天线的各个初始相位；
针对第二组接收机组，采用以下公式求解获得三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标O″：
Figure BDA0001635728800000022
其中，d1、d2、d4分别表示第一组接收机组中三个接收机天线的各个初始相位，R1(x1,y1,z1),R2(x2,y2,z2),R4(x4,y4,z4)分别为第二组接收机组中三个接收机的天线所在的空间坐标，T为发射机天线所在的空间坐标，L1、L2、L4分别表示第k个时刻从发射机天线到三维运动物体再到第二组接收机组中三个接收机天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L2、L4根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得；
求解上述公式获得的三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标O″转换为关于接收机天线的初始相位列向量d的表达式，记为O″(k,d)，O″(k,d)表示通过第二组接收机组检测获得的三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标表达式，d表示接收机天线的初始相位列向量，d＝[d1,d2,d3,d4]T，d1,d2,d3,d4分别表示四个接收机天线的各个初始相位。
所述步骤4)具体为：
4.1)针对三维运动物体的运动过程的共计N个时刻，构建以下公式表示的接收机天线初始相位目标函数：
Figure BDA0001635728800000031
d＝[d1,d2,d3,d4]T
其中，di表示第i个接收机天线的初始相位，N表示三维运动物体的运动过程中所包含的时刻总数，k表示三维运动物体的运动过程中的时刻序数，O′(k,d)表示通过第一组接收机组检测获得的三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标表达式，O″(k,d)表示通过第二组接收机组检测获得的三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标表达式，d表示接收机天线的初始相位列向量；
然后通过最速下降法求解目标函数的最优值min Fe，求解得到各个初始相位，作为各个接收机天线的跟踪相位；
4.2)对于需要定位跟踪三维运动物体的待测时刻，发射机通过天线向三维运动物体所在的运动目标空间发射电磁波，由任一接收机组分别接收获得经三维运动物体反射的回波信号，该接收机组开机时天线设置为跟踪相位，通过解析或非解析方法针对回波信号进行处理，用椭球方程组解析计算获得三维运动物体的空间坐标作为定位位置，实现三维运动物体定位跟踪。
所述步骤4.2)中，对于用椭球方程组解析计算获得三维运动物体的位置具体为：三维运动物体的空间坐标O(xo,yo,zo)采用以下公式联立求解获得：
Figure BDA0001635728800000041
其中，R1(x1,y1,z1),R2(x2,y2,z2),R3(x3,y3,z3)分别为一组接收机组中三个接收机的天线所在的空间坐标，T为发射机的天线所在的空间坐标，L1、L2、L3分别表示待测时刻从发射机的天线到三维运动物体再到一组接收机组中三个接收机的天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L2、L3根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得，初始相位d已知或已被校准，故在该计算式中不再包含。
在三维运动物体所在的运动目标空间内放置至少四个接收机和一个发射机，所有接收机的放置位置均已知，可以任意放置，所有发射机和接收机共用同一时钟，构成全相参系统；将任意三个接收机视为一组接收机组，不同三个接收机组成不同接收机组，即两个接收机组中至少有一个接收机不同。
各个接收机分别从不同角度接收经三维运动物体反射的回波信号，进而测量获得三维运动目标的多普勒相位。
对于每个接收机而言，从发射机的天线到三维运动物体再到一组接收机组中三个接收机的天线的过程中，三维运动物体理论上位于以接收机天线和发射机天线为焦点的椭球表面上，接收机组中的三个接收机对应构成的椭球不同，由此每组接收机组对应测得三个椭球。通过解析或非解析方法连续计算三个椭球表面的交点变化得到三维运动物体的定位位置，实现跟踪。
具体实施中，将前三个接收机视为一组接收机组，将上述三个接收机中的任意两个接收机和第四个接收机视为另外一组，每组接收机组测得一个由三个不同椭球表面相交的交点。由于测量的是同一个三维运动物体，两组接收机组测量得到两个交点是同一点，即三维运动物体的位置。
据此通过解析或非解析方法求解椭球方程组，得到上述交点在坐标系中的绝对位置，实现针对三维运动物体在三维空间中的定位。
二、一种基于射频单频连续波的二维运动物体定位跟踪方法：
1)在二维运动物体所在的运动目标平面内放置一个发射机和三个接收机，由任两个接收机组成一组接收机组而组建两组接收机组，两组接收机组中至少一个接收机不同，每个接收机开机时天线设置有初始相位；
2)在二维运动物体的运动过程中，发射机通过天线向二维运动物体所在的运动目标平面发射电磁波，由两组接收机组分别接收获得经二维运动物体反射的回波信号，两组接收机组中的各个接收机开机时天线设置随机初始相位；
3)两组接收机组以间隔采样方式根据在各个同一时刻接收的回波信号求解获得各自检测的二维运动物体的初步平面坐标；
4)根据步骤3)获得二维运动物体的初步平面坐标计算获得各个接收机天线的跟踪相位，然后将跟踪相位施加到任一组接收机组，重新检测获得二维运动物体的平面坐标作为定位位置。
所述步骤3)具体为：
针对第一组接收机组，采用以下公式求解获得二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标O′：
Figure BDA0001635728800000051
其中，d1、d2分别表示第一组接收机组中两个接收机天线的各个初始相位，R1(x1,y1),R2(x2,y2)分别为第一组接收机组中两个接收机的天线所在的平面坐标，T为发射机天线所在的平面坐标，L1、L2分别表示第k个时刻从发射机天线到二维运动物体再到第一组接收机组中两个接收机天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L2根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得；
求解上述公式获得的二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标O′转换为关于接收机天线的初始相位列向量d的表达式，记为O′(k,d)，O′(k,d)表示通过第一组接收机组检测获得的二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标表达式，d表示接收机天线的初始相位列向量，d＝[d1,d2,d3]T，d1,d2,d3分别表示三个接收机天线的各个初始相位；
针对第二组接收机组，采用以下公式求解获得二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标O″：
Figure BDA0001635728800000052
其中，d1、d3分别表示第一组接收机组中两个接收机天线的各个初始相位，R1(x1,y1,),R3(x3,y3)分别为第一组接收机组中两个接收机的天线所在的平面坐标，T为发射机天线所在的平面坐标，L1、L3分别表示第k个时刻从发射机天线到二维运动物体再到第一组接收机组中两个接收机天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L3根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得；
求解上述公式获得的二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标O″转换为关于接收机天线的初始相位列向量d的表达式，记为O″(k,d)，O″(k,d)表示通过第一组接收机组检测获得的二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标表达式，d表示接收机天线的初始相位列向量，d＝[d1,d2,d3]T，d1,d2,d3分别表示三个接收机天线的各个初始相位。
所述步骤4)具体为：
4.1)针对二维运动物体的运动过程的共计N个时刻，构建以下公式表示的接收机天线初始相位目标函数：
Figure BDA0001635728800000061
d＝[d1,d2,d3]T
其中，di表示第i个接收机天线的初始相位，N表示二维运动物体的运动过程中所包含的时刻总数，k表示二维运动物体的运动过程中的时刻序数，O′(k,d)表示通过第一组接收机组检测获得的二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标表达式，O″(k,d)表示通过第二组接收机组检测获得的二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标表达式，d表示接收机天线的初始相位列向量；
然后通过最速下降法求解目标函数的最优值min Fe，求解得到各个初始相位，作为各个接收机天线的跟踪相位；
4.2)对于需要定位跟踪二维运动物体的待测时刻，发射机通过天线向二维运动物体所在的运动目标平面发射电磁波，由任一接收机组分别接收获得经二维运动物体反射的回波信号，该接收机组开机时天线设置为跟踪相位，通过解析或非解析方法针对回波信号进行处理，用椭圆方程组解析计算获得二维运动物体的平面坐标作为定位位置，实现二维运动物体定位跟踪。
所述步骤4.2)中，对于用椭圆方程组解析计算获得二维运动物体的位置具体为：二维运动物体的平面坐标O(xo,yo)采用以下公式联立求解获得：
Figure BDA0001635728800000062
其中，R1(x1,y1),R2(x2,y2)分别为一组接收机组中两个接收机的天线所在的平面坐标，T为发射机的天线所在的平面坐标，L1、L2分别表示待测时刻从发射机的天线到二维运动物体再到一组接收机组中两个接收机的天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L2根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得，初始相位d已知或已被校准，故在该计算式中不包含。
在二维运动物体所在的运动目标平面内放置至少三个接收机和一个发射机，所有接收机的放置位置均已知，可以任意放置，所有发射机和接收机共用同一时钟，构成全相参系统；将任意两个接收机视为一组接收机组，不同两个接收机组成不同接收机组，即两个接收机组中至少有一个接收机不同。
各个接收机分别从不同角度接收经二维运动物体反射的回波信号，进而测量获得二维运动目标的多普勒相位。
对于每个接收机而言，从发射机的天线到二维运动物体再到一组接收机组中两个接收机的天线的过程中，二维运动物体理论上位于以接收机天线和发射机天线为焦点的椭圆表面上，接收机组中的两个接收机对应构成的椭圆不同，由此每组接收机组对应测得两个椭圆。通过解析或非解析方法连续计算两个椭圆表面的交点变化得到二维运动物体的定位位置，实现跟踪。
具体实施中，将前两个接收机视为一组接收机组，将上述两个接收机中的任意两个接收机和第四个接收机视为另外一组，每组接收机组测得一个由两个不同椭圆表面相交的交点。由于测量的是同一个二维运动物体，两组接收机组测量得到两个交点是同一点，即二维运动物体的位置。
据此通过解析或非解析方法求解椭圆方程组，得到上述交点在坐标系中的绝对位置，实现针对二维运动物体在二维平面中的定位。
当发射机和所有接收机共线放置时，所述步骤4.2)中对于用椭圆方程组解析计算获得二维运动物体的位置具体为：二维运动物体的二维坐标O(xo,yo)采用以下公式求解获得：
xo＝-(-L1 2·L2+L1·L2 2-L1·x2 2+L2·x1 2)/(2·L1·x2-2·L2·x1)；
yo＝-(-(L1+x1)·(L2+x2)·(L1-x1)·(L2-x2)·(L1-L2+x1-x2)·(L1-L2-x1+x2))(1/2)/(2·(L1·x2-L2·x1))；
改表达式是上述公式中yi＝0的特殊情况，具有更简洁的形式
具体实施中，根据接收机天线实际放置位置选取坐标变换矩阵A以简化计算，包括平移运算和旋转运算。
例如，首先将发射机天线定义为坐标原点；
然后，各个接收机的天线共面情况下，世界坐标系的共面平面经坐标变换矩阵A后位于两个坐标轴所在构成的平面上，获得变换坐标系；各个接收机的天线共线情况下，世界坐标系的共线方向经坐标变换矩阵A后位于坐标轴上，获得变换坐标系；
最后，计算变换坐标系下运动物体的三维坐标向量p′＝(x′,y′,z′)或者二维坐标向量p′＝(x′,y′)，再通过p＝A-1p′获得运动物体在实际世界坐标系下的位置。
本发明主要算法是在三维几何关系上，当波程距离固定，根据椭球定义，运动目标所在位置应当在椭球表面上，而三个椭球可以确定两个交点，选择其中符合实际物理意义的一组解即为运动物体所在实际位置。
在二维几何关系上，当波程距离固定，根据椭圆定义，运动目标所在位置应当在椭球表面上，而两个椭圆可以确定两个交点，选择其中符合实际物理意义的一组解即为运动物体所在实际位置。
当初始相位不确定，可以通过设置多个接收机组，求算两组关于初始相位的欧标位置的解，并通过最速下降法减小两组解的欧氏距离，即可得到优化的初始相位，再将该初始相位补偿在多普勒相移上，便可以估算出运动目标的实际位置。
本发明具体实施中，采用的硬件部分可以包括多普勒传感天线阵列、集成式发射机，接收机，基带处理模块；采用的软件部分可以包括直流电平抑制，线性相位I/Q解调，位置追踪算法。
本发明的有益效果是：本发明解决了单频连续波雷达无法测量绝对距离的缺点，方法能够探测到位于传感器前端附近的目标物体运动位置信息，并能够对目标进行跟踪；能够应用在模拟鼠标，手势操控等方面。
附图说明
图1是二维运动目标定位示意图，其中Ri为接收天线放置的位置，T为接收天线放置的位置；
图2是三维运动目标定位示意图，其中Ri为接收天线放置的位置，T为接收天线放置的位置；
图3是二维平面直角坐标系旋转变换示意图；
图4是实施例3的每个时刻各个天线的多普勒频移图；
图5为实施例3的物体实际的二维运动轨迹图；
图6为实施例3的初始相位随着时间推移(即时间序列k增大)各个天线初始相位换算成位移图；
图7为实施例3的初始相位施加在多普勒相移上恢复的运动轨迹图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的实施例如下：
实施例1
本实施例中，对于二维运动定位情况，发射机的天线位于在T(0,0)，设置三个接收机，三个接收机的天线放置在同一个平面上，坐标R1(x1,y1),R2(x2,y2),R3(x3,y3)，电磁波经过：发射机天线→待测运动物体→接收机天线，电磁波的波程(光飞距离)通过测量回波信号的相位变化可以测得。
首先利用第一个接收机天线R1和第二个接收机天线R1组成第一组接收机组接收信号，由发射天线、待测运动物体与每个接收天线构成椭圆，两个椭圆的交点即为待测物体的位置，构建以下模型公式如下(设待测物体位置为O(xo,yo))：
Figure BDA0001635728800000094
利用上述方程组求解得第一组接收机组检测获得的待测物体位置坐标关于初始相位d的坐标O′(k,d)点。
接着，利用第一个接收机天线R1和第二个接收机天线R3组成第二组接收机组接收信号，构建以下模型公式如下：
Figure BDA0001635728800000091
同理，利用上述方程组求解得第二组接收机组检测获得的待测物体位置关于初始相位d的坐标O″(k,d)点。
通过最速下降法，优化下列函数，使得函数值最小甚至接近于0，即
Figure BDA0001635728800000092
得到初始相位最优解dopt＝[d1,opt,d3,opt,d3,opt]T，校准后的各个接收天线接收到的波程为
L′i＝Li+di,opt
将校准后的波程代入上面任意一组计算式，即可得到运动物体的实际位置O
Figure BDA0001635728800000093
实施例2
本实施例中，对于三维运动定位情况，发射机的天线位于在T(0,0)，设置四个接收机，四个接收机的天线放置在同一个平面上，坐标R1(x1,y1,z1),R2(x2,y2,z2),R3(x3,y3,z3),R4(x4,y4,z4)，电磁波经过：发射机天线→待测运动物体→接收机天线，电磁波的波程(光飞距离)通过测量回波信号的相位变化可以测得。
首先利用第一个接收机天线R1、第二个接收机天线R2和第三个接收机天线R3组成第一组接收机组接收信号，由发射天线、待测运动物体与每个接收天线构成椭球，三个椭球的交点即为待测物体的位置，构建以下模型公式如下(设待测物体位置为O(xo,yo,zo))：
Figure BDA0001635728800000101
利用上述方程组求解得第一组接收机组检测获得的待测物体位置坐标关于初始相位d的坐标O′(k,d)点。
接着，利用第一个接收机天线R1、第二个接收机天线R2和第四个接收机天线R4组成第二组接收机组接收信号，构建以下模型公式如下：
Figure BDA0001635728800000102
同理，利用上述方程组求解得第二组接收机组检测获得的待测物体位置关于初始相位d的坐标O″(k,d)点。
通过最速下降法，优化下列函数，使得函数值最小甚至接近于0，即
Figure BDA0001635728800000103
得到初始相位最优解dopt＝[d1,opt,d3,opt,d3,opt,d4,opt]T，校准后的各个接收天线接收到的波程为
L′i＝Li+di,opt
将校准后的波程代入上面任意一组计算式，即可得到运动物体的实际位置O
Figure BDA0001635728800000104
实施例3
以上是比较一般的情况，较为特殊的情况，如天线在同一条直线放置，甚至天线共线且等距离放置，所得位置的解，形式上具有更加简便的表达式。
本实施例是在实施例1的基础上，在天线共线放置情况下，运动目标水平移动过程中进行实施。图4为每个时刻各个天线的多普勒频移；图5为物体实际的二维运动轨迹，本例为从左至右水平运动；图6为初始相位随着时间推移(即时间序列k增大)各个天线初始相位换算成位移的单位的解算；图7为初始相位施加在多普勒相移上恢复的运动轨迹。
本算法二维定位算法模型见附图1，三维定位算法模型见附图2。
对于坐标系的设置，选用坐标系原点为发射机天线所在位置为例，常用坐标的旋转变换矩阵。在三维运动目标定位情况下，坐标旋转变换矩阵A为：
Figure BDA0001635728800000111
其中θ1,θ2,θ3分别是绕X轴、Y轴和Z轴逆时针旋转的角度。
在二维运动目标定位情况下，坐标旋转变换矩阵T为：
Figure BDA0001635728800000112
θ为绕坐标原点逆时针旋转的角度。其原理见附图3。
由此可见，本发明探测到位于传感器前端附近的目标物体运动位置信息，并能够对目标进行跟踪，解决了单频连续波雷达无法测量绝对距离的缺点，具有其突出显著的技术效果。

Claims (10)

1.一种基于射频单频连续波的三维运动物体定位跟踪方法，其特征在于：
1)在三维运动物体所在的运动目标空间内放置一个发射机和四个接收机，由任三个接收机组成一组接收机组而组建两组接收机组，每个接收机开机时天线设置有初始相位；
2)在三维运动物体的运动过程中，发射机向三维运动物体所在的运动目标空间发射电磁波，由两组接收机组分别接收获得经三维运动物体反射的回波信号，两组接收机组中的各个接收机开机时天线设置随机初始相位；
3)两组接收机组以间隔采样方式根据在各个同一时刻接收的回波信号求解获得各自检测的三维运动物体的初步空间坐标；
4)根据步骤3)获得三维运动物体的初步空间坐标计算获得各个接收机天线的跟踪相位，然后将跟踪相位施加到任一组接收机组，重新检测获得三维运动物体的空间坐标作为定位位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于射频单频连续波的三维运动物体定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：
针对第一组接收机组，采用以下公式求解获得三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标O′：
Figure FDA0002591912380000011
其中，d1、d2、d3分别表示第一组接收机组中三个接收机天线的各个初始相位，R1(x1,y1,z1),R2(x2,y2,z2),R3(x3,y3,z3)分别为第一组接收机组中三个接收机的天线所在的空间坐标，T为发射机天线所在的空间坐标，L1、L2、L3分别表示第k个时刻从发射机天线到三维运动物体再到第一组接收机组中三个接收机天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L2、L3根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得；
求解上述公式获得的三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标O′转换为关于接收机天线的初始相位列向量d的表达式，记为O′(k,d)，d＝[d1,d2,d3,d4]T，d1,d2,d3,d4分别表示四个接收机天线的各个初始相位；
针对第二组接收机组，采用以下公式求解获得三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标O″：
Figure FDA0002591912380000021
其中，d1、d2、d4分别表示第二组接收机组中三个接收机天线的各个初始相位，R1(x1,y1,z1),R2(x2,y2,z2),R4(x4,y4,z4)分别为第二组接收机组中三个接收机的天线所在的空间坐标，T为发射机天线所在的空间坐标，L1、L2、L4分别表示第k个时刻从发射机天线到三维运动物体再到第二组接收机组中三个接收机天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L2、L4根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得；
求解上述公式获得的三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标O″转换为关于接收机天线的初始相位列向量d的表达式，记为O″(k,d)，d＝[d1,d2,d3,d4]T，d1,d2,d3,d4分别表示四个接收机天线的各个初始相位。
3.根据权利要求1所述的一种基于射频单频连续波的三维运动物体定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤4)具体为：
4.1)针对三维运动物体的运动过程的共计N个时刻，构建以下公式表示的接收机天线初始相位目标函数：
Figure FDA0002591912380000022
d＝[d1,d2,d3,d4]T
其中，di表示第i个接收机天线的初始相位，N表示三维运动物体的运动过程中所包含的时刻总数，k表示三维运动物体的运动过程中的时刻序数，O′(k,d)表示通过第一组接收机组检测获得的三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标表达式，O″(k,d)表示通过第二组接收机组检测获得的三维运动物体在第k个时刻的初步空间坐标表达式，d表示接收机天线的初始相位列向量；
然后通过最速下降法求解目标函数的最优值minFe，求解得到各个初始相位，作为各个接收机天线的跟踪相位；
4.2)对于待测时刻，发射机向三维运动物体所在的运动目标空间发射电磁波，由任一接收机组分别接收获得经三维运动物体反射的回波信号，该接收机组开机时天线设置为跟踪相位，针对回波信号进行处理，用椭球方程组解析计算获得三维运动物体的空间坐标作为定位位置，实现三维运动物体定位跟踪。
4.根据权利要求3所述的一种基于射频单频连续波的三维运动物体定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤4.2)中，对于用椭球方程组解析计算获得三维运动物体的位置具体为：三维运动物体的空间坐标O(xo,yo,zo)采用以下公式联立求解获得：
Figure FDA0002591912380000031
其中，R1(x1,y1,z1),R2(x2,y2,z2),R3(x3,y3,z3)分别为一组接收机组中三个接收机的天线所在的空间坐标，T为发射机的天线所在的空间坐标，L1、L2、L3分别表示待测时刻从发射机的天线到三维运动物体再到一组接收机组中三个接收机的天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L2、L3根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得，初始相位d已知或已被校准，故在该计算式中不再包含。
5.根据权利要求1所述的一种基于射频单频连续波的三维运动物体定位跟踪方法，其特征在于：在三维运动物体所在的运动目标空间内放置至少四个接收机和一个发射机，所有接收机的放置位置均已知，所有发射机和接收机共用同一时钟，构成全相参系统；将任意三个接收机视为一组接收机组，不同三个接收机组成不同接收机组，即两个接收机组中至少有一个接收机不同。
6.一种基于射频单频连续波的二维运动物体定位跟踪方法，其特征在于：
1)在二维运动物体所在的运动目标平面内放置一个发射机和三个接收机，由任两个接收机组成一组接收机组而组建两组接收机组，每个接收机开机时天线设置有初始相位；
2)在二维运动物体的运动过程中，发射机向二维运动物体所在的运动目标平面发射电磁波，由两组接收机组分别接收获得经二维运动物体反射的回波信号，两组接收机组中的各个接收机开机时天线设置随机初始相位；
3)两组接收机组以间隔采样方式根据在各个同一时刻接收的回波信号求解获得各自检测的二维运动物体的初步平面坐标；
4)根据步骤3)获得二维运动物体的初步平面坐标计算获得各个接收机天线的跟踪相位，然后将跟踪相位施加到任一组接收机组，重新检测获得二维运动物体的平面坐标作为定位位置。
7.根据权利要求6所述的一种基于射频单频连续波的二维运动物体定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：
针对第一组接收机组，采用以下公式求解获得二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标O′：
Figure FDA0002591912380000041
其中，d1、d2分别表示第一组接收机组中两个接收机天线的各个初始相位，R1(x1,y1),R2(x2,y2)分别为第一组接收机组中两个接收机的天线所在的平面坐标，T为发射机天线所在的平面坐标，L1、L2分别表示第k个时刻从发射机天线到二维运动物体再到第一组接收机组中两个接收机天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L2根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得；
求解上述公式获得的二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标O′转换为关于接收机天线的初始相位列向量d的表达式，记为O′(k,d)，d＝[d1,d2,d3]T，d1,d2,d3分别表示三个接收机天线的各个初始相位；
针对第二组接收机组，采用以下公式求解获得二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标O″：
Figure FDA0002591912380000042
其中，d1、d3分别表示第二组接收机组中两个接收机天线的各个初始相位，R1(x1,y1),R3(x3,y3)分别为第二组接收机组中两个接收机的天线所在的平面坐标，T为发射机天线所在的平面坐标，L1、L3分别表示第k个时刻从发射机天线到二维运动物体再到第二组接收机组中两个接收机天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L3根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得；
求解上述公式获得的二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标O″转换为关于接收机天线的初始相位列向量d的表达式，记为O″(k,d)，d＝[d1,d2,d3]T，d1,d2,d3分别表示三个接收机天线的各个初始相位。
8.根据权利要求6所述的一种基于射频单频连续波的二维运动物体定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤4)具体为：
4.1)针对二维运动物体的运动过程的共计N个时刻，构建以下公式表示的接收机天线初始相位目标函数：
Figure FDA0002591912380000043
d＝[d1,d2,d3]T
其中，di表示第i个接收机天线的初始相位，N表示二维运动物体的运动过程中所包含的时刻总数，k表示二维运动物体的运动过程中的时刻序数，O′(k,d)表示通过第一组接收机组检测获得的二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标表达式，O″(k,d)表示通过第二组接收机组检测获得的二维运动物体在第k个时刻的初步平面坐标表达式，d表示接收机天线的初始相位列向量；
然后通过最速下降法求解目标函数的最优值minFe，求解得到各个初始相位，作为各个接收机天线的跟踪相位；
4.2)对于待测时刻，发射机向二维运动物体所在的运动目标平面发射电磁波，由任一接收机组分别接收获得经二维运动物体反射的回波信号，该接收机组开机时天线设置为跟踪相位，针对回波信号进行处理，用椭圆方程组解析计算获得二维运动物体的平面坐标作为定位位置，实现二维运动物体定位跟踪。
9.根据权利要求8所述的一种基于射频单频连续波的二维运动物体定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤4.2)中，对于用椭圆方程组解析计算获得二维运动物体的位置具体为：二维运动物体的平面坐标O(xo,yo)采用以下公式联立求解获得：
Figure FDA0002591912380000051
其中，R1(x1,y1),R2(x2,y2)分别为一组接收机组中两个接收机的天线所在的平面坐标，T为发射机的天线所在的平面坐标，L1、L2分别表示待测时刻从发射机的天线到二维运动物体再到一组接收机组中两个接收机的天线经过的波程，用相位表示，各个波程L1、L2根据接收机接收的回波信号利用多普勒效应处理获得，初始相位d已知或已被校准，故在该计算式中不包含。
10.根据权利要求6所述的一种基于射频单频连续波的二维运动物体定位跟踪方法，其特征在于：在二维运动物体所在的运动目标平面内放置至少三个接收机和一个发射机，所有接收机的放置位置均已知，所有发射机和接收机共用同一时钟，构成全相参系统；将任意两个接收机视为一组接收机组，不同两个接收机组成不同接收机组，即两个接收机组中至少有一个接收机不同。
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