一种基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于Wi?Fi网络的新型室内定位方法。发射天线辐照到目标所在的定位区域形成入射场，与目标相互作用形成散射场，对目标的散射回波信号进行接收；天线工作于宽带扫频模式，划分成多个随机的频点值，将定位区域平均离散成多个小区域，以每个小区域的几何中心作为离散点；建立微波相干成像的线性模型，采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆，获得各个小区域的散射系数，获得目标所在的小区域为目标区域，最终离散点作为目标的位置。本发明依据现有的室内Wi?Fi天线和微波相干成像方法形成获得新型室内定位方式，具有定位快速准确，系统部署简单，适用性强等特点。
【专利说明】
一种基于Wi -F i网络的新型室内定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及了一种空间目标定位方法，尤其是涉及了一种基于Wi-Fi网络的新型 室内定位方法。
【背景技术】
[0002] 新型微波相干成像技术是单接收天线以非扫描的方式从目标散射场获取物体形 状及其位置的新技术。由于各种介质和金属物体在电磁场中会产生散射作用，其散射场包 含了物体的表面特性信息。根据光学中的鬼成像理论，将已知特性的多组随机分布电磁场 照射在物体上并通过单个位置固定的接收天线接收。在获取多组测量数据后，经过入射场 与散射场的相关计算后可提取散射物体的轮廓和表面信息，从而只用单天线进行电磁成像 定位。该新型方法不需移动探测天线并避免了复杂的天线阵，降低了系统成本同时提高了 辨识目标的能力，在电磁隔墙探测、医学成像以及雷达定位等民用领域和军事领域都有着 巨大的应用潜力。
[0003] 压缩感知是一种新的信息获取理论，是建立在信号稀疏表示、测量矩阵的非相关 性以及逼近理论上的一种信号采集和重建的方法。该理论指出，只要信号是稀疏的或者在 某个基下时刻压缩的，就可以通过远低于奈奎斯特采样定理要求的采样率获取信号的结构 信息，再通过重构算法完成信号的精确重构。其基本思想是先将高维信号降低到低位空间， 通过随机投影取得观测值，这一过程同时完成了采样与压缩，然后利用稀疏先验知识处理 接收的测量值，最后通过求解凸优化问题来重建原始信号。目前基于CS理论的重建算法主 要有正交匹配算法(0MP)、基追踪算法(BP)、迭代阈值算法(LHT)等。
[0004] 随着无线网络的弊端被逐渐克服，无线网络技术日趋成熟与普及，基于 IEEE802.il标砖的Wi-Fi无线局域网技术被广泛的应用于商业、生活、学习等各个方面。一 个使用802.1 lb或802.1 lg的典型无线路由器和天线，在无任何障碍物下可覆盖范围可达到 室内50平方米。IEEE 802.1 lb/g标准工作在2.4G频段，频率范围为2.400-2.4835GHz，将总 共83.5M带宽频段区分为14个重复，标记的频道;每个频道的中心频率相差5兆赫兹。
【发明内容】
[0005] 为了对覆盖Wi-Fi网络的室内空间的进行目标定位，本发明的目的在于提供一种 基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法，发射天线与接收天线工作于宽带扫频模式，单个或者 多个发射天线辐照室内目标区域，单个天线接收强散射目标产生的散射信号，结合已知的 目标区域辐射场信息，采用压缩感知算法进行目标重建定位。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 本发明采用单个或者多个发射天线辐照到目标所在的定位区域，在定位区域形成 入射场，入射场与目标相互作用形成散射场，由单个接收天线对目标的散射回波信号进行 接收;天线可随机安装在室内空间中。
[0008] 发射天线可以是如图3所示的多个，或者如图2所示的单个，接收天线只有一个。
[0009] 发射天线与接收天线工作于宽带扫频模式，将宽带范围划分成m个随机的频点值， m为频率分散度，将定位区域平均离散成n个小区域，以每个小区域的几何中心作为离散点， 得到n个离散点；
[0010] 如图1所示，根据电磁波散射原理与逆散射理论建立微波相干成像的线性模型，采 用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆，获得各个小区域的散射系 数，进而获得目标所在的小区域，并作为目标区域，最终获得目标区域的离散点作为目标的 位置。
[0011] 本发明方法中，目标对于定位区域是一个空间域上的稀疏目标，采用压缩感知算 法在欠采样情况下对信号快速复原。
[0012] 采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆具体是选择正 则化函数求解目标函数，并优化目标函数最小值。
[0013] 所述的单个接收天线也可以是发射天线。
[0014] 所述微波相干成像的线性模型表示为：
[0015] Sca(rr) = E'rad (r)E'mi (r)cr(r)
[0016] 其中，Sca(rr)为位于定位区域外坐标rr处的接收天线接收得到的散射回波信号； 的分别表示为发射天线和接收天线在定位区域r的辐射场分布;〇(r)为定位区 域r内的后向散射系数；
[0017]所述采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆，具体过程 为:将所述微波相干成像的线性模型在频域和空间域上分别进行离散化处理，得到矩阵方 程：
[0018] Sca(r,\ KAr)n K,Ar)u B K,ArK K,Ar)n KA 1%： B E'u,A]X, Sca(rr)2 ^ E'nHl(r)n E'ntd(r)12 K.A1%: KAr)22 ^〇'h C C: ：E C E C -&?(/;.)」k, KAr\AK,Ar)nl O，) (厂)《 _
[0019] 其中，下标m表示第m个频率点的电磁场信息，下标n表示第n个定位区域内离散点 处的电磁场信息。
[0020] 将上述矩阵方程简化为：
[0021] g = Hf
[0022] 其中，H = iC,(r)iCflrf(r)表示发射天线与接收天线在目标区域的辐射场信息，g为散 射回波信号，f为目标的后向散射系数变量。
[0023] 其中，g为mX 1的测量矩阵，即m个频率分散点对应的散射信号。H为一个mXn的测 量矩阵，其中行向量对应所有的m个不同频点的测量值。n X 1的f向量代表被离散成n点的定 位区域的某种特征信息，比如后向散射值。雷达目标的回波信号可以看作是几个强散射点 回波信号叠加的结果，因此原始回波信号在某个变换域上也具有一定的稀疏性。显而易见， 微波相干成像对孤立目标的探测定位，待定位目标在空间域上就是稀疏信号。
[0024] 采用压缩感知计算方法通过以下公式求解目标函数的最小值来拟合优化得到，直 到目标函数的最小值达到最小值阈值：
[0025] F{f)^\g-HfX+mf)
[0026] 其中，F(f)表示目标的后向散射系数变量f的目标函数，p表示范数的阶数，| | ? | 为P阶范数符号，R(f)为正则化函数，A为调节范数和正则化函数相互之间的权重参数。
[0027] 具体实施中一种快速收敛的压缩感知算法两步迭代阈值快速算法(TwIST)，但不 限于此。
[0028]所述的天线工作于Wi-Fi工作频率，频率分散度m大于定位区域的目标稀疏度。定 位区域的目标稀疏度是指定位区域内需定位的目标的数量。
[0029]所述的定位区域为覆盖Wi-Fi信号的室内，发射天线和接收天线采用Wi-Fi信号进 行辐照和接收，定位目标为强散射物体。
[0030] 强散射物体是指电磁波照射到该物体上产生很强的散射场，金属物体可以视为一 种典型的强散射物体。
[0031] 所述的散射回波信号通过矢量网络分析仪测量获取，即S参数的幅值与相位信息。
[0032] 所述的发射天线辐照到定位区域形成的辐射场信息通过天线近场测量得到或者 通过天线近场测量变换到目标区域得到。
[0033]本发明的有益效果是：
[0034]本发明利用了压缩感知，使得其在欠采样的情况下进行数据采集和处理，其计算 量大大减小，定位速度快而准确。
[0035]并且本发明可以便捷地应用于已布置有wifi的室内进行定位，系统部署简单，无 需安装额外的收发天线，能够实现准确和快速定位，适用性强。
【附图说明】
[0036]图1是本发明方法的流程图。
[0037]图2是本发明实施例收发天线布置原理示意图。
[0038] 图3是本发明实施例可应用的定位系统结构示意图。
[0039] 图4是本发明实施例仿真实验示意图。
[0040] 图5是本发明实施例定位区域内后向散射稀疏分布结果图。
[0041 ]图6是本发明实施例根据后向散射分布坐标变换得到的定位位置。
[0042] 图7是本发明实施例所采用算法的收敛速度与运算时间结果。
【具体实施方式】
[0043] 下面结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的实施过程。
[0044] 本发明的微波相干成像的线性模型由以下原理过程获得：
[0045] 定位区域为X0Y二维平面的区域Q，2e | % |2表示二维平面空间，rGQ为定位区域 内任意一点的矢量位置，D表不天线口径。主要分成三个过程：
[0046] 第一个过程:发射天线与接收天线在目标区域的形成辐射场分布。假设发射天线T 在位置rt的口场面分布表示为￡；>丄，根据电磁波自由空间传播理论，可以得到在远场r处 的福射场分布：
[0047] KAr、= \ElPM、_g(r，n、dr, A.
[0048] 其中c为光速，
，r| = |r-rt|为自由空间格林函数。同理可以得到位置rr处 的接收天线R在r处的辐射场分布函数：
[0049] E'ad(r) = [ KPM,)' g(^rMr,
[0050] 第二个过程，在形成入射辐射场之后，入射辐射场与定位区域内的待成像目标互 相作用形成散射场。该散射过程与目标的电参数特性、几何形状都有关，针对单个目标，利 用等效的目标后向散射系数〇来描述入射场与目标的相互作用。
[0051] 对于该固定定位区域内的静止目标，区域内任意位置r的后向散射系数表示为〇 (r)，假设该系数与频率无关，也不随时间t变化。简单起见，忽略多径散射，利用Born-阶近 似得到目标后向散射表达式：
[0052] ESca{rr) = E'm(j{r)-a{r)
[0053] 其中，Esc；a(rr)为发射天线在位置rr处的散射场分布。
[0054]第三个过程，目标散射信号作为二次发射源，并通过处于位置处的接收天线接 收，得到散射回波信号：
[0055] ) = j E；ipi Esca (r) -gir,, r)dr '坏
[0056] 结合上述辐射场表达式，整理简化得到相干成像的线性模型表达式：
[0057] ) = 〇)f二(r)〇tr)。
[0058]上述关系式表示了接收散射回波信号与天线辐射场、目标散射场之间的关系，发 射天线与接收天线在定位区域的辐射场为该成像系统的系统传输函数H，回波 信号Sea即为该系统对于待成像物体〇(r)的系统响应。散射回波中包含了定位区域内目标 的散射信息，该信息是天线辐射场与目标相互作用的结果，上式的积分特性表示目标信息 耦合在接收回波之中，成像原理就是基于此关系式从接收散射回波中提取目标信息，得到 目标散射系数的反演值〇(r)。因此，在已知辐射场信息和散射信号的情况下，选择合适的矩 阵求逆方法得到目标散射信息〇。
[0059]本发明的实施例如下：
[0060]实施例部署Wi-Fi天线的室内定位系统构架如图2所示。
[0061 ]本发明首先通过近场测量得到发射天线与接收天线在目标区域的辐射场分布，即 mXn大小的发射天线辐射场H,2B 4)和接收天线辐射场KR>，工作频率点数为m，目标区 域离散化点数为11，!11 = 32，11 = 64。随机放置的发射天线1'1、1'2……Tk分别依次发射电磁波辐 照到室内目标区域，随机放置的接收天线R依次接收散射信号，发射天线1^1 = 1，2……k) 辐照目标区域，接收天线R得到散射信号mXl的测量矩阵g。发射与接收过程，令g = Sca (rr) i=i, 2B k，丑=土二JL (及），根据模型g = M求逆得到目标值f。
[0062]实施例采用快速收敛的压缩感知算法两步迭代阈值快速算法(TwIST)，TwIST算法 将微波相干成像模型作为一个稀疏问题求解，即通过求解目标函数的最小值来拟合得到： [0063] f = mgmnh(\\g-Hf\\l 4-^H/llf)
[0064]其中，| | ? | |为范数符号，A为调节范数和正则化函数相互之间的权重参数，正则 化函数R选择为一阶范数。
[0065] 按上述方案对附图2所示的单个发射与接收天线定位示意图进行了二维定位仿真 实验;工作频率频率分散点m = 32,目标区域Q被离散成n = 16X 16小区域，两个发射天线一 发一收照射待定位区域，辐射场分布示意图如附图4所示。采用传统的最小二乘拟合方法进 行反演定位时，出现定位结果不准确的情况;而采用本发明所提供的基于压缩感知算法的 矩阵求逆算法，能够在超欠采样的情况下实现快速定位。如图5所示，采用压缩感知算法，对 矩阵求逆计算得到在离散化定位区域的后向散射系数分布，非零值对应的下标即为强散射 目标所在的离散点坐标。通过坐标变换可以得到目标的在定位区域的实际位置，如图6所 示。图7显示，本发明所提供的定位方法具有较快的收敛速度与较短的运算时间，大大减少 了计算量大大减小，适用性强，具有突出显著的技术效果。
[0066] 以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围 为准。
【主权项】
1. 一种基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法，其特征在于所述方法包括以下步骤： 采用单个或者多个发射天线辐照到目标所在的定位区域，在定位区域形成入射场，入 射场与目标相互作用形成散射场，由单个接收天线对目标的散射回波信号进行接收； 发射天线与接收天线工作于宽带扫频模式，将宽带范围划分成m个随机的频点值，m为 频率分散度，将定位区域平均离散成η个小区域，以每个小区域的几何中心作为离散点； 建立微波相干成像的线性模型，采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进 行矩阵求逆，获得各个小区域的散射系数，进而获得目标所在的小区域，并作为目标区域， 最终获得目标区域的离散点作为目标的位置。2. 根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法，其特征在于： 采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆具体是选择正则化 函数求解目标函数，并优化目标函数最小值。3. 根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法，其特征在于:所述 的单个接收天线也可以是发射天线。4. 根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法，其特征在于:所述 微波相干成像的线性模型表示为： Sca(Tr) = E'md {r)E'md (r)cr(r) 其中，Sea (rr)为位于定位区域外坐标rr处的接收天线接收得到的散射回波信号;(r)· 和私^的分别表示为发射天线和接收天线在定位区域r的福射场分布;〇(r)为定位区域r内 的后向散射系数。5. 根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法，其特征在于： 所述采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆，具体过程为： 将所述微波相干成像的线性模型在频域和空间域上分别进行离散化处理，得到矩阵方 程：其中，下标m表示第m个频率点的电磁场信息，下标η表示第η个定位区域内离散点处的 电磁场信息。 将上述矩阵方程简化为： g = Hf 其中，〃 = ￡,Ur)￡：rf(r)表示发射天线与接收天线在目标区域的辐射场信息，g为散射回 波信号，f为目标的后向散射系数变量。 采用压缩感知计算方法通过以下公式求解目标函数的最小值来拟合优化得到，直到目 标函数的最小值达到最小值阈值： 其中，F(f)表示目标的后向散射系数变量f的目标函数，p表示范数的阶数，U · I I为p 阶范数符号，R(f)为正则化函数，λ为调节范数和正则化函数相互之间的权重参数。6. 根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法，其特征在于:所述 的天线工作于Wi-Fi工作频率，频率分散度m大于定位区域的目标稀疏度。7. 根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法，其特征在于:所述 的定位区域为覆盖Wi-Fi信号的室内，发射天线和接收天线采用Wi-Fi信号进行辐照和接 收，定位目标为强散射物体。8. 根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法，其特征在于:所述 的散射回波信号通过矢量网络分析仪测量获取。9. 根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi网络的新型室内定位方法，其特征在于:所述 的发射天线辐照到定位区域形成的辐射场信息通过天线近场测量得到或者通过天线近场 测量变换到目标区域得到。
【文档编号】G01S13/06GK105929388SQ201610247189
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】周天益, 皇甫江涛
【申请人】浙江大学