CN113805182B - 一种基于矢量运算的物体运动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矢量运算的物体运动监测方法，其包括以下步骤：S1、产生并发射等幅双音信号；S2、获取两个参考矢量回波信号；S3、获取两个目标矢量回波信号；S4、将两个目标矢量回波信号与两个参考矢量回波信号对应相减，得到两个变化值；S5、获取两个变化值的模的比值；S6、获取m时刻被测物体的位移量；S7、获取接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差；S8、获取m时刻被测物体与矢量信号源之间的距离。本发明通过测量双音信号的幅度与相位实现对物体运动的监测，克服了多普勒频率测量法中所遇到的各种问题，能够监测包括物体内部状态改变在内的各种物体运动。

Description

一种基于矢量运算的物体运动监测方法

技术领域

本发明涉及物体运动监测领域，具体涉及一种基于矢量运算的物体运动监测方法。

背景技术

物体运动的监测在军事探测、安全监测、环境监测等等领域有着重要的应用。在军事探测领域，物体运动的监测技术是区分固定地物回波与飞机、坦克、人员等运动目标回波的关键技术。在安全监测领域，大坝、桥梁等运动的监测技术是掌握大坝、桥梁等健康状况的关键；车辆行驶速度的监测则是日常生活中保证交通安全的一项重要技术。在环境监测领域通过监测山体内部的状态变化情况，能够实现对山体滑坡可能性的监测，进而降低山体滑坡所造成的损失。

目前，对于物体运动的监测主要有两种，即多普勒频率测量法以及GPS定位监测法。多普勒频率测量法主要用于无线物体运动监测领域，在军事、安全、医疗等领域都有着广泛应用，如军事预警雷达中的动目标检测、日常生活中的车辆测速、医疗领域的运动脏器及血流探测等等。多普勒频率测量法的优点就是无需在被监测物体上安装监测设备，且可以穿透物体表面，监测物体内部的运动状况。然而，由多普勒频率的形成原理知，多普勒频率的探测需要物体发生连续性运动。对于低速目标，多普勒频率小，对测量中的频率分辨率要求高，实时性较差，难以实现对低速运动物体的实时监测；而对于瞬移性目标，多普勒频率则完全失去了应用价值。GPS定位监测法主要用于桥梁、大坝等的运动监测领域中，具有实时性强，能够实时监测低速运动以及瞬移性运动。但是，在利用GPS技术监测桥梁、大坝等的运动时，只能监测物体的整体运动情况，无法监测物体内部以及室内的变化情况，而且具有唯一性，即有多少物体需要监测就需要多少GPS设备。因此，当有大量物体需要监测时，存在监测系统结构复杂，数据量大，成本高等问题。不仅如此，GPS设备的应用还易受到太阳运动、被监测物体地理位置条件的限制。

综上所述，多普勒频率测量法与GPS定位监测法都有自身的优缺点。相比GPS定位监测技术，多普勒频率测量法具有能够实现远距离无线探测，且探测范围广、具有穿透性，无需给被测物体加装额外的监测仪器等优点，而缺点则是不能实现对低速目标以及瞬移目标的实时监测。而GPS定位监测法则弥补了多普勒频率测量法的缺陷，但是需要在被监测物体上加装额外的监测设备，数据量大、易受环境影响，且无法实现对物体内部变化情况的监测。因此，研究一种能够综合多普勒频率测量法与GPS定位监测法的探测方法，对于军事目标的探测、建筑物健康状况的监测以及自然灾害的监测等有着重要的应用价值。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于矢量运算的物体运动监测方法解决了现有技术的上述问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于矢量运算的物体运动监测方法，其包括以下步骤：

S1、通过矢量信号源产生等幅双音信号并朝向被测物体发射；

S2、接收反射回来的双音信号，分别获取接收的双音信号在参考时刻的幅度和相位延迟，得到两个参考矢量回波信号；

S3、分别获取接收的双音信号在m时刻的幅度和相位延迟，得到两个目标矢量回波信号；

S4、将两个目标矢量回波信号与两个参考矢量回波信号对应相减，得到两个变化值；

S5、获取两个变化值的模的比值；

S6、根据比值获取获取因物体运动所带来的信号时延变化量，并获取m时刻被测物体的位移量；

S7、获取接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差；

S8、根据接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差获取m时刻被测物体与矢量信号源之间的距离。

进一步地，步骤S1的具体方法为：

通过矢量信号源产生频率分别为f₀和f₀+Δf的等幅双音信号并朝向被监测物体发射；其中Δf为双音信号的频率差值。

进一步地，步骤S2的具体方法为：

接收反射回来的双音信号，分别获取接收的双音信号中频率为f₀和f₀+Δf的音在参考时刻的幅度a₁₀和a₂₀、相位延迟量

和

得到两个参考矢量回波信号

和

其中e为常数，j为虚数。

进一步地，步骤S3的具体方法为：

分别获取接收的双音信号在m时刻的幅度a_1m和a_2m、相位延迟量

和

得到两个目标矢量回波信号

和

进一步地，步骤S4的具体方法为：

根据公式：

将两个目标矢量回波信号与两个参考矢量回波信号对应相减，得到两个变化值B_1m和B_2m。

进一步地，步骤S6的具体方法为：

根据公式：

获取因物体运动所带来的信号时延变化量ΔT；其中cos(·)为三角函数；π为常数；f₀和f₀+Δf为双音信号的两个频率；

根据公式：

ΔL＝vΔT

获取m时刻被测物体的位移量ΔL；其中v为光速。

进一步地，步骤S7的具体方法为：

根据公式：

获取接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差

其中B_1m和B_2m为两个变化值；e和π均为常数；j为虚数；f₀和f₀+Δf为双音信号的两个频率；ΔT为因物体运动所带来的信号时延变化量；angle(·)为angle函数。

进一步地，步骤S8的具体方法为：

根据公式：

获取m时刻被测物体与矢量信号源之间的距离L；其中

为接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差；v为光速；π为常数；Δf为双音信号的频率差值。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过测量双音信号的幅度与相位实现对物体运动的监测，克服了多普勒频率测量法中所遇到的各种问题，能够监测包括物体内部状态改变在内的各种物体运动(匀速运动、非匀速运动、渐变性运动、间歇性运动、突发式瞬移等)；

2、本发明可以应用于无线监测领域，监测范围可以通过改变辐射装置的辐射范围灵活调整，穿透能力也可以通过调整信号频率来调整，克服了GPS定位监测法的缺陷，应用领域范围广泛，而且灵活可变。

附图说明

图1为本方法的流程示意图；

图2为实施例中理想点目标B的位移量的均值随接收信号信噪比的变化曲线示意图；

图3为实施例中理想点目标B的位移量的均方差随接收信号信噪比的变化曲线示意图；

图4为实施例中理想点目标B的距离的均值随接收信号信噪比的变化曲线示意图；

图5为实施例中理想点目标B的距离的方差随接收信号信噪比的变化曲线示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该基于矢量运算的物体运动监测方法包括以下步骤：

S1、通过矢量信号源产生等幅双音信号并朝向被测物体发射；

S2、接收反射回来的双音信号，分别获取接收的双音信号在参考时刻的幅度和相位延迟，得到两个参考矢量回波信号；

S3、分别获取接收的双音信号在m时刻的幅度和相位延迟，得到两个目标矢量回波信号；

S4、将两个目标矢量回波信号与两个参考矢量回波信号对应相减，得到两个变化值；

S5、获取两个变化值的模的比值

S6、根据比值获取获取因物体运动所带来的信号时延变化量，并获取m时刻被测物体的位移量；

S7、获取接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差；

S8、根据接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差获取m时刻被测物体与矢量信号源之间的距离。

步骤S1的具体方法为：通过矢量信号源产生频率分别为f₀和f₀+Δf的等幅双音信号并朝向被监测物体发射；其中Δf为双音信号的频率差值。

步骤S2的具体方法为：接收反射回来的双音信号，分别获取接收的双音信号中频率为f₀和f₀+Δf的音在参考时刻的幅度a₁₀和a₂₀、相位延迟量

和

得到两个参考矢量回波信号

和

其中e为常数，j为虚数。

步骤S3的具体方法为：分别获取接收的双音信号在m时刻的幅度a_1m和a_2m、相位延迟量

和

得到两个目标矢量回波信号

和

步骤S4的具体方法为：根据公式：

将两个目标矢量回波信号与两个参考矢量回波信号对应相减，得到两个变化值B_1m和B_2m。

步骤S6的具体方法为：根据公式：

采用插值运算的方法获取因物体运动所带来的信号时延变化量ΔT；其中cos(·)为三角函数；π为常数；f₀和f₀+Δf为双音信号的两个频率；

根据公式：

ΔL＝vΔT

获取m时刻被测物体的位移量ΔL；其中v为光速。

步骤S7的具体方法为：根据公式：

获取接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差

其中B_1m和B_2m为两个变化值；e和π均为常数；j为虚数；f₀和f₀+Δf为双音信号的两个频率；ΔT为因物体运动所带来的信号时延变化量；angle(·)为angle函数。

步骤S8的具体方法为：根据公式：

获取m时刻被测物体与矢量信号源之间的距离L；其中

为接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差；v为光速；π为常数；Δf为双音信号的频率差值。

在具体实施过程中，可以将产生的双音信号分为两路，一路通过定向耦合器输入至接收系统中的相位与幅度测量模块，作为测量回波信号相位延迟量的参考信号；另一路经过发射系统后向自由空间发射出去。发射信号被物体反射后，经过接收放大，输入至相位与幅度测量模块。对相位与幅度测量模块的测量结果进行取样，分别构建频率1和频率2的矢量回波信号，并将第一次取样所构建的矢量回波信号作为参考时刻的矢量回波信号，即参考矢量回波信号。

在本发明的一个实施例中，可以利用MATLAB模拟实现整个测量过程。在模拟的测量过程中，三个理想的点目标A、B、C分别位于距离测量点20m、22m以及25m的位置，用于监测的双音信号的两个频率分别为900MHz和905MHz(即f₀＝900MHz，Δf为5MHz)。回波信号幅度与相位延迟量的测量利用DFT算法实现。在利用DFT算法实现回波信号幅度与相位延迟量的测量时，采样频率设置为5GHz，单次测量的采样点数为5000。在测量时刻，假设位于B点的理想点目标相比于参考时刻发生了距离为0.1m的瞬时位移。

模拟测量1000次。图2为求解得到的位移量的均值随接收信号信噪比的变化曲线；图3为求解得到的位移量的均方差随接收信号信噪比的变化曲线。图4为求解得到的运动物体(至信号源)的距离的均值随接收信号信噪比的变化曲线；图5为求解得到的运动物体(至信号源)的距离的方差随接收信号信噪比的变化曲线。可以看出，即使在信噪比为0dB的时候，本方法依然能够实现对发生突发式瞬移的运动物体的位移量及位置的测量。当信噪比为0时，位移量的测量结果的均值约为0.075m、均方差约为0.06m；运动物体的距离的测量结果的均值约为22.085m、均方差约为0.11m。当信噪比增大到20dB以上时，在信号频率为900MHz和905MHz的条件下，算法对发生突发式瞬移的运动物体的位移量及距离的测量精度能够达到0.01m量级。此时，位移量的测量结果的均方差、均值与真值之间的差异都小于0.01m；距离的测量结果的均方差、均值与真值之间的差异也都小于0.01m。

综上所述，本发明通过测量双音信号的幅度与相位实现对物体运动的监测，克服了多普勒频率测量法中所遇到的各种问题，能够监测包括物体内部状态改变在内的各种物体运动，可以同时获取物体的移动量和距离。本发明可以应用于无线监测领域，监测范围可以通过改变辐射装置的辐射范围灵活调整，穿透能力也可以通过调整信号频率来调整，克服了GPS定位监测法的缺陷，应用领域范围广泛，而且灵活可变。

Claims (1)

1.一种基于矢量运算的物体运动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过矢量信号源产生等幅双音信号并朝向被测物体发射；

S2、接收反射回来的双音信号，分别获取接收的双音信号在参考时刻的幅度和相位延迟，得到两个参考矢量回波信号；

S3、分别获取接收的双音信号在m时刻的幅度和相位延迟，得到两个目标矢量回波信号；

S4、将两个目标矢量回波信号与两个参考矢量回波信号对应相减，得到两个变化值；

S5、获取两个变化值的模的比值

S6、根据比值获取因物体运动所带来的信号时延变化量，并获取m时刻被测物体的位移量；

S7、获取接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差；

S8、根据接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差获取m时刻被测物体与矢量信号源之间的距离；

步骤S1的具体方法为：

通过矢量信号源产生频率分别为f₀和f₀+Δf的等幅双音信号并朝向被监测物体发射；其中Δf为双音信号的频率差值；

步骤S2的具体方法为：

接收反射回来的双音信号，分别获取接收的双音信号中频率为f₀和f₀+Δf的音在参考时刻的幅度a₁₀和a₂₀、相位延迟量

和

得到两个参考矢量回波信号

和

其中e为常数，j为虚数；

步骤S3的具体方法为：

分别获取接收的双音信号在m时刻的幅度a_1m和a_2m、相位延迟量

和

得到两个目标矢量回波信号

和

步骤S4的具体方法为：

根据公式：

将两个目标矢量回波信号与两个参考矢量回波信号对应相减，得到两个变化值B_1m和B_2m；

步骤S6的具体方法为：

根据公式：

获取因物体运动所带来的信号时延变化量ΔT；其中cos(·)为三角函数；π为常数；f₀和f₀+Δf为双音信号的两个频率；

根据公式：

ΔL＝vΔT

获取m时刻被测物体的位移量ΔL；其中v为光速；

步骤S7的具体方法为：

根据公式：

获取接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差

其中B_1m和B_2m为两个变化值；e和π均为常数；j为虚数；f₀和f₀+Δf为双音信号的两个频率；ΔT为因物体运动所带来的信号时延变化量；angle(·)为angle函数；

步骤S8的具体方法为：

根据公式：

获取m时刻被测物体与矢量信号源之间的距离L；其中

为接收的双音信号在两个频率之间的相位延迟量之差；v为光速；π为常数；Δf为双音信号的频率差值。

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