CN109085572B - 隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法，主要解决目标被遮挡时不能对目标进行跟踪的问题。本发明实现的步骤如下：(1)获取运动目标的观测值；(2)构建隧道模型；(3)获取观测值对应的传播状态；(4)判断是否存在直达波，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(5)；(5)判断目标位置是否在隧道外，若是，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(7)；(6)将隧道外的观测值转换为隧道内运动目标的观测值；(7)构建目标状态模型；(8)对目标进行粒子跟踪滤波。本发明通过构造统一的观测矩阵充分提取回波中的直达波与多径回波信息，实现对隧道内运动目标的稳定准确跟踪。

Description

隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达通信技术领域中的一种隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法。本发明可以对毫米波雷达实时回波数据进行处理，实现隧道交通领域的运动目标跟踪。
背景技术
运动目标跟踪技术是指，利用传感器对运动目标进行探测，对传感器所获得的数据或图像信号进行跟踪滤波处理，形成目标运动航迹的技术。使用雷达对运动目标进行跟踪有一个基本前提，从雷达到目标的视距LOS(Line of sight)的直达波信号是可以被雷达接收，且可以从回波中检测到。在隧道交通领域中，由于隧道内空间封闭，电磁波在其中传播情况复杂，从回波检测出直达波信号的难度变大，如果隧道存在转弯，转弯处的隧道壁会对跟踪目标形成遮挡，从雷达直接到目标的视距方向的直达波信号不存在，现有的基于直达波的信号处理方法在隧道中不能有效对目标进行跟踪。
安徽科力信息产业责任有限公司在其申请的专利文件“一种基于图像处理的隧道视频运动目标检测方法”(专利申请号201410030160.0，公开号CN103810703A)中公开了一种对隧道视频运动目标进行检测的方法。该方法基于光学传感器获取的实时动态更新的隧道背景模型，通过构造视频各帧的局部结构相似性测度函数和局部灰度统计测度函数，对运动目标和背景信息进行区分。该方法存在的不足之处是：视频检测手段受隧道内光照条件影响大，在探测区域光照弱的时候无法实现跟踪目的。
北京华航无线电测量研究所在其在其申请的专利文件“一种用于车载毫米波雷达的多目标跟踪方法”(专利申请号201711380531.8，专利公开号CN108344992A)中提供了一种用于车载毫米波雷达的多目标跟踪方法。该方法通过毫米波车载雷达获取多目标跟踪数据，将获取的包括目标距离、速度和角度的多目标信息进行信息整理后，定义航迹结构体，初始化多目标跟踪滤波的参数，并提取多目标跟踪参数，对整理后的距离、速度和角度信息进行多目标跟踪滤波获得目标航迹。该方法存在的不足之处是：仅利用雷达回波数据中的直达波数据，将回波中来自多径传播的数据当作干扰滤除，当目标被遮挡不存在直达波路径时，无法对运动目标进行跟踪。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种隧道内基于多径利用毫米波雷达的目标跟踪方法，以实现当目标发生遮挡、光照变化时使用多径信息对目标进行准确、有效地跟踪。
实现本发明目的的具体思路是，在隧道内放置一部毫米波雷达，对隧道进行建模后利用射线追踪的方法分析雷达回波中可利用的各个路径的探测，通过构造统一的观测矩阵充分提取回波中的直达波与多径回波信息，实现对隧道内运动目标的稳定准确跟踪。
为实现上述目的，该方法的步骤包括如下：
(1)获取运动目标的距离与速度观测值：
(1a)在隧道入口的顶部设置一个雷达实时获取运动目标的观测，将雷达接收的每一时刻的隧道内运动目标的观测数据存储为数据矩阵；
(1b)对数据矩阵在快时间维度进行匹配滤波，得到运动目标的位置观测值集合，在慢时间维度进行谱估计，得到运动目标的速度观测值集合；
(2)构建隧道模型：
(2a)从道路交通系统数据库中导出雷达所在隧道的特征参数；
(2b)建立一个三维的笛卡尔坐标系，坐标系的xoy面表示隧道内道路平面，坐标原点为xoy面上任意一点，Z轴方向表示隧道高度方向；
(2c)从特征参数中找出直线隧道顶部的四个顶点信息，在坐标系中标定每个顶点的位置，将四个顶点的位置数据组成一个矩阵；
(2d)利用解析几何方法，构建圆弧形弯道的模型；
(3)获取每一时刻的观测值对应的传播状态：
(3a)以每一时刻隧道内运动目标的位置观测值为射线追踪发射点，雷达所在位置为射线追踪终点，在无反射、折射和绕射的情况下获取直达波的传播状态；
(3b)利用射线追踪法进行仿真，得到仿真信号的直达波在隧道内道路面的传播状态；
(4)判断仿真信号的直达波是否能够从隧道内运动目标到达雷达处，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤5；
(5)判断每个位置观测值在坐标系中标定的位置是否在隧道外，若是，执行步骤6，否则，执行步骤7；
(6)将隧道外的观测值转换为隧道内运动目标的观测值：
找出位置标定处于隧道外的点关于反射面的镜面对称点，用对称点的位置取代位置标定位于隧道外的观测值；
(7)将观测的直达波和多径回波置于同一观测矩阵，按照下式，构建包括系统模型和观测模型的目标状态模型；
目标的系统模型如下：
xk＝Fxk-1+nk
其中，xk表示目标状态向量，F为系统矩阵，nk为系统噪声，
目标的观测模型如下：
zk＝hk(xk)+wk
其中，zk表示观测向量，hk(xk)表示观测矩阵，wk表示观测噪声；
(8)利用粒子跟踪算法，对隧道内运动目标的位置观测值进行跟踪滤波。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明于隧道入口的顶部设置一个雷达实时获取运动目标观测，克服了现有技术受隧道内光照条件影响大，在探测区域光照弱的时候无法实现跟踪目的问题，使得本发明对探测区域中的运动目标区域的光照条件无任何要求，在无光时也能对运动目标进行全天候、实时的跟踪。
第二，由于本发明将观测的直达波和多径回波置于同一观测矩阵实现对多径信息的利用，克服了现有技术仅利用雷达回波数据中的直达波数据，将回波中来自多径传播的数据当作干扰滤除，当目标被遮挡不存在直达波路径时，无法对运动目标进行跟踪的问题，使得本发明在目标被遮挡时也可以进行跟踪，相较于现有只利用直达波信息技术的跟踪精度也有所提高，从而实现稳定、连续的隧道内运动目标的跟踪。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明雷达在隧道内探测时单程传播路径的示意图；
图3为本发明的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照附图1，对本发明的具体步骤描述如下。
步骤1，获取运动目标的距离与速度观测值。
在隧道入口的顶部设置一个雷达实时获取运动目标的观测，将雷达接收的每一时刻的隧道内运动目标的观测数据存储为数据矩阵。
对数据矩阵在快时间维度进行匹配滤波，得到运动目标的位置观测值集合，在慢时间维度进行谱估计，得到运动目标的速度观测值集合。
步骤2，构建隧道模型。
从道路交通系统数据库中导出雷达所在隧道的特征参数。
建立一个三维的笛卡尔坐标系，坐标系的xoy面表示隧道内道路平面，坐标原点为xoy面上任意一点，Z轴方向表示隧道高度方向。
从特征参数中找出直线隧道顶部的四个顶点信息，在坐标系中标定每个顶点的位置，将四个顶点的位置数据组成一个矩阵。
利用解析几何方法，构建圆弧形弯道的模型；所述的利用解析几何方法的具体步骤如下。
第一步，从特征参数中找出隧道圆弧形弯道的起点和终点信息，选取弧形弯道上任意一点。
第二步，分别计算出起点、终点与选取点所在直线的中垂线。
第三步，将两条中垂线的交点作为圆弧形弯道的圆心点。
第四步，在坐标系中标定弯道起始点与对应圆心点的位置。
第五步，将弯道起始点与圆弧圆心的位置数据组成一个矩阵。
步骤3，获取每一时刻的观测值对应的传播状态。
以每一时刻隧道内运动目标的位置观测值为射线追踪发射点，雷达所在位置为射线追踪终点，在无反射、折射和绕射的情况下获取直达波的传播状态。
利用射线追踪法进行仿真，得到仿真信号的直达波在隧道内道路面的传播状态。
步骤4，判断仿真信号的直达波是否能够从隧道内运动目标到达雷达处，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤5。
步骤5，判断每个位置观测值在坐标系中标定的位置是否在隧道外，若是，执行步骤6，否则，执行步骤7。
步骤6，将隧道外的观测值转换为隧道内运动目标的观测值。
找出位置标定处于隧道外的点关于反射面的镜面对称点，用对称点的位置取代位置标定位于隧道外的观测值。
参照图2，对一个长直隧道内将隧道外的观测值转换为隧道内观测值的过程做进一步的描述描述。
图2为雷达在一个长直隧道内对目标进行探测时单程传播路径示意图。图2中H表示隧道内道路的长度，(xR,yR,zR)表示雷达在所建的三维笛卡尔系的坐标。图2中带箭头的双线线段表示雷达与目标之间的传播路径，rLOS表示从雷达到目标的直达波路径，r1RF_1表示经隧道右壁的一次反射到达目标的路径，r1RF_2表示经隧道左壁的一次反射到达目标的路径。图中点状虚线表示雷达到目标经镜面反射的假目标的路径，其中经右侧墙壁镜面反射形成的假目标在图中标为假目标1，经左侧墙壁镜面反射形成的假目标在图中标为假目标2。
目标的真实位置坐标为(xT,yT,zT)时，根据镜面反射可以求得假目标1的坐标为(xT,-yT,zT)，假目标2的坐标为(xT,2H-yT,zT)，反之若步骤5中获得假目标1的坐标为(x1,y1,z1),获得假目标2的坐标为(x2,y2,z2),那么转换后的假目标1和假目标2的坐标分别为(x1,-y1,z1)与(x2,2H-y2,z2)。
步骤7，将观测的直达波和多径回波置于同一观测矩阵，按照下式，构建包括系统模型和观测模型的目标状态模型；
目标的系统模型如下：
xk＝Fxk-1+nk
其中，xk表示目标状态向量，F为系统矩阵，nk为系统噪声，
目标的观测模型如下：
zk＝hk(xk)+wk
其中，zk表示观测向量，hk(xk)表示观测矩阵，wk表示观测噪声。
所述的观测矩阵如下：
Figure GDA0003688590000000051
其中，xk,i表示k时刻隧道内回波信号经过第i种路径的运动目标与雷达的距离，i＝1,2,...,Nk，Nk表示k时刻的位置观测值数目，vk,i表示k时刻隧道内回波信号经过第i种路径的运动目标与雷达距离的变化率。
步骤8，利用粒子跟踪算法，对隧道内运动目标的位置观测值进行跟踪滤波。
在初始时刻，根据目标的初始状态x0的分布p(x0)进行重要性采样，得到N个粒子
Figure GDA0003688590000000061
对于k＝1,2,3...时刻，根据目标的状态方程得到状态转移函数，将状态转移函数作为重要性密度函数，进行重要性采样，得到新的粒子
Figure GDA0003688590000000062
使用序贯重要性采样SIS(Sequential Importance Sampling)算法，计算出粒子的每一时刻的递推权值，
Figure GDA0003688590000000063
其中，
Figure GDA0003688590000000064
为从观测模型中得到的后验概率密度函数。最后根据
Figure GDA0003688590000000065
计算出状态xk的估计值，其中，∑为求和符号，
Figure GDA0003688590000000066
为归一化后的权值，用
Figure GDA0003688590000000067
表示。
本发明中观测方程是非线性的，所以需要采用非线性的跟踪滤波算法对观测数据进行处理，采用粒子滤波算法对雷达获得的观测进行处理，其它的非线性滤波算法同样可以实现本方案的基于多径利用的观测方程。
下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
1.仿真实验条件：
在Intel Core i5-3210M CPU计算机的MATLAB R2014a环境下运行。
2.仿真实验内容：
本发明的仿真是用本发明的方法，对一个在仿真区域内的运动点目标进行跟踪。仿真区域中隧道内道路宽度为10米，左侧带转弯处隧道壁总长为55米，隧道壁厚度为5米，运动点目标运动速度为5米每秒，初始位置x0为(18,3.5,0)，初始状态估计
Figure GDA0003688590000000068
运动点目标在仿真区域内先沿y轴正向运动，在转弯处匀速转向，转弯的角速度w为-2弧度每秒，转向后沿x轴正向继续匀速运动至弯道尽头处。雷达载频为35吉赫兹，带宽为500兆赫兹，脉冲重复频率2000，脉冲持续时间10纳秒，粒子滤波采用2000个粒子，蒙特卡洛仿真次数为300次。
将系统模型中的系统噪声设为零均值的高斯白噪声，其噪声方差矩阵表示如下
Figure GDA0003688590000000071
其中，q表示高斯白噪声的强度系数，本发明的仿真实验中该强度系数设定为0.04。
在运动点目标匀速直线运动阶段，系统模型中的系统矩阵表示如下
Figure GDA0003688590000000072
在运动点目标匀速转动阶段，系统模型中的系统矩阵表示如下
Figure GDA0003688590000000073
3.仿真结果分析：
图3为本发明的仿真结果图，图3中的x轴、y轴构成运动点目标运动的二维平面。图3中直线围成的区域表示隧道的截面图，虚线段表示运动点目标的真实运动轨迹，以圆圈标示的线段表示利用本发明对运动点目标进行跟踪得到的轨迹。
图3中隧道转弯后的区域，雷达的直达波信号被右侧隧道壁遮挡，不存在从雷达到运动点目标的直达波，因此，采用背景技术中所述的基于直达波的雷达信号处理方法显然在本发明的仿真实验中无法对运动点目标进行跟踪。而采用本发明的多径利用方法后，在隧道转弯后的区域，跟踪滤波后仍然有连续的运动轨迹，基于多径利用的处理方法能够继续对运动点目标进行跟踪。

Claims (3)

1.一种隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法，其特征在于，在隧道入口的顶部一个雷达实时获取运动目标的观测，将观测的直达波和多径回波置于同一观测矩阵构建观测模型；该方法的步骤包括如下：
(1)获取运动目标的距离与速度观测值：
(1a)在隧道入口的顶部设置一个雷达实时获取运动目标的观测，将雷达接收的每一时刻的隧道内运动目标的观测数据存储为数据矩阵；
(1b)对数据矩阵在快时间维度进行匹配滤波，得到运动目标的位置观测值集合，在慢时间维度进行谱估计，得到运动目标的速度观测值集合；
(2)构建隧道模型：
(2a)从道路交通系统数据库中导出雷达所在隧道的特征参数；
(2b)建立一个三维的笛卡尔坐标系，坐标系的xoy面表示隧道内道路平面，坐标原点为xoy面上任意一点，Z轴方向表示隧道高度方向；
(2c)从特征参数中找出直线隧道顶部的四个顶点信息，在坐标系中标定每个顶点的位置，将四个顶点的位置数据组成一个矩阵；
(2d)利用解析几何方法，构建圆弧形弯道的模型；
(3)获取每一时刻的观测值对应的传播状态：
(3a)以每一时刻隧道内运动目标的位置观测值为射线追踪发射点，雷达所在位置为射线追踪终点，在无反射、折射和绕射的情况下获取直达波的传播状态；
(3b)利用射线追踪法进行仿真，得到仿真信号的直达波在隧道内道路面的传播状态；
(4)判断仿真信号的直达波是否能够从隧道内运动目标到达雷达处，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(5)；
(5)判断每个位置观测值在坐标系中标定的位置是否在隧道外，若是，执行步骤(6)，否则，执行步骤(7)；
(6)将隧道外的观测值转换为隧道内运动目标的观测值：
找出位置标定处于隧道外的点关于反射面的镜面对称点，用对称点的位置取代位置标定位于隧道外的观测值；
(7)将观测的直达波和多径回波置于同一观测矩阵，按照下式，构建包括系统模型和观测模型的目标状态模型；
目标的系统模型如下：
xk＝Fxk-1+nk
其中，xk表示目标状态向量，F为系统矩阵，nk为系统噪声，
目标的观测模型如下：
zk＝hk(xk)+wk
其中，zk表示观测向量，hk(xk)表示观测矩阵，wk表示观测噪声；
(8)利用粒子跟踪算法，对隧道内运动目标的位置观测值进行跟踪滤波。
2.根据权利要求1所述的隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法，其特征在于，步骤(2d)中所述解析几何方法的具体步骤如下：
第一步，从特征参数中找出隧道圆弧形弯道的起点和终点信息，选取弧形弯道上任意一点；
第二步，分别计算出起点、终点与选取点所在直线的中垂线；
第三步，将两条中垂线的交点作为圆弧形弯道的圆心点；
第四步，在坐标系中标定弯道起始点与对应圆心点的位置；
第五步，将弯道起始点与圆弧圆心的位置数据组成一个矩阵。
3.根据权利要求1所述的隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法，其特征在于，步骤(7)中所述的观测矩阵如下：
Figure FDA0003688589990000021
其中，xk,i表示k时刻隧道内回波信号经过第i种路径的运动目标与雷达的距离，i＝1,2,…,Nk，Nk表示k时刻的位置观测值数目，vk,i表示k时刻隧道内回波信号经过第i种路径的运动目标与雷达距离的变化率。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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