一种长L形建筑布局下两阶段目标定位方法

一种长l形建筑布局下两阶段目标定位方法
技术领域
1.本发明属于涉及多径利用雷达目标定位技术领域，特别涉及一种目标跨越多个非视距区域且多径回波种类复杂情况下的单目标定位技术。


背景技术：

2.复杂城市环境中遮蔽目标监测在城市反恐作战和智能驾驶等各种领域中都有重要研究价值。在这种情况下，目标往往被多个障碍物遮挡，导致电磁波无法沿直视路径(line-of-sight,los)传播到目标处。因此，基于墙角衍射和建筑物表面反射的非直视(non-los,nlos)探测方法被用于定位隐蔽目标。
3.总的来说，现有的非视距目标定位方法大致可分为两类：一种基于多径识别；另一种基于多径积累。第一类方法的核心在于确定与回波中到达时间(time of arrivals,toa)相对应的理论多路径，然后目标位置可利用多径的几何关系得出。德国伊尔马瑙理工大学基于一次镜面反射的几何对称关系获取了目标的一维位置(r.zetik,m.roding,and r.thoma,“uwb localization of moving targets in shadowed regions,”proc.6th eur.conf.antennas propag.,prague,czech republic,pp.1729
–
1732,jun.2012)。随后，其通过衍射路径和一阶反射对应的多径轨迹相交的方法获取了非视距目标的二维目标位置(r.zetik,m.eschrich,s.jovanoska,and r.s.thoma,“looking behind a corner using multipath-exploiting uwb radar,”ieee trans.aerosp.electron.syst.,vol.51,no.3,pp.1916
–
1926,jul.2015)。然而上述两种方法未能充分利用多径，且不能很好地应对多径缺失的情况。为了解决这一问题，电子科技大学通过toa关联的方法实现了多径识别，然后根据椭圆交差定位法得到目标位置(x.yang,s.fan,s.guo,s.li,g.cui and w.zhang,“nlos target localization behind an l-shaped corner with an l-band uwb radar,”ieee access,vol.8,pp.31270-31286,2020)。但是这类方法依赖于提取的多径toa的准确性，在测量误差较大的情况下定位精度较低。
4.第二类方法通过成像的方法积累多径能量而无需识别提取的toa。在文献(s.li,g.cui,s.guo,h.li,l.kong and x.yang,“nlos targets imaging with uwb radar,”int.conf.control automat.inf.sci.,chengdu,china,pp.1-5,oct.2019)中，电子科技大学利用后向投影法获得了不同多路径的图像，将其进行乘法融合得到只包含真实目标位置的雷达图像。进一步地，考虑到后向投影得到的图像中，一阶鬼影和真实目标是对称的，文献(s.li et al.,“multiple targets localization behind l-shaped corner via uwb radar,”ieee trans.veh.technol.,vol.70,no.4,pp.3087
–
3100,apr.2021)多径鬼影空间位置匹配实现了非视距多个目标的位置确定。但是后向投影成像方法会使得杂波能量聚集，导致虚假目标的出现。国防科技大学提出了网格匹配方法，将每个网格的理论多径toa和回波中提取得到的toa进行匹配以确定真实目标所在位置(h.du,c.fan,z.chen,c.cao,x.huang,“nlos target localization with an l-band uwb radar via grid matching,”prog.in electromagn.res.,vol.97,pp.45-56,2020)。然而，上述研究仅考虑
了遮蔽目标位于一阶反射区域内的情形，这无疑限制了这些方法的可探测范围。因此，研究一种长l形场景中的非视距目标定位方法，能够解决目标跨越多个非视距区域时的定位，具有比较重要的研究意义。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出一种长l形建筑布局下两阶段目标定位方法，能有效且准确地估计跨越多个非视距区域的目标位置。
6.本发明采用的技术方案为：一种长l形建筑布局下两阶段目标定位方法，应用场景包括：墙体1、墙面2、墙面3、单发单收雷达以及隐蔽目标，墙体1、墙面2构成l形墙体，墙面2和墙面3平行；单发单收雷达设置于墙体1正前方，隐蔽目标位于墙面2和墙面3的非视距区域；所述定位方法具体包括以下步骤：
7.s1、依据射线追踪将非视距区域划分为不同的反射区域，然后分别分析不同反射区域内的多径传播模型；
8.s2、依据构建的多径传播模型，基于衍射时延确定目标潜在区域；
9.s3、将目标潜在区域依据雷达距离分辨率划分为网格，分别计算其对应的理论多径时延；
10.s4、将接收回波的到达时间和网格的理论多径时延进行匹配，获取目标真实位置。
11.本发明的有益效果：本发明的方法首先根据射线追踪模型将长l形场景划分为多个反射区域，并分别分析了其中的电磁传播模型；然后基于衍射路径在所有非视距区域中均存在这一事实，利用衍射路径对应的时延划定了目标可能存在的区域；其次，将该区域依据雷达距离分辨率划分为不同网格，依据已建立的多径模型分别计算其对应的理论时延；最后通过匹配网格理论多径时延与接收回波多径时延获得了准确目标位置；本发明的方法具备以下优点：
12.1、所提多径模型可有效扩展传统非视距目标定位算法的探测范围；
13.2、定位算法运算复杂度低，定位精确度较高；
14.3、有效解决了非视距目标跨越多个区域时的定位问题；
15.4、本发明可以应用于灾难救援、医疗监护等领域。
附图说明
16.图1为长l形建筑场景建模图。
17.图2为四阶反射区域中多径传播模型示意图。
18.图3为图2所示仿真场景中单周期目标回波。
19.图4为仿真场景示意图。
20.图5为图4所示仿真场景所得定位结果；
21.其中，图5(a)和图5(b)分别为第45个周期和第96个周期的定位结果图；图5(c)为全部100个周期的定位结果；图5(d)为本发明算法的定位误差和网格匹配方法所得定位误差的比较。
具体实施方式
22.为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
23.本发明的一种长l形建筑布局下两阶段目标定位方法，包括以下步骤：
24.步骤1：探测场景非视距区域划分：
25.一个长l形建筑场景由建筑1和建筑2组成，如图1所示。由墙面1和墙面2形成的墙角点为c＝[xc,yc]
t
，其中上标t表示转置。墙面2和墙面3的横坐标分别为x
w2
，x
w3
。为了测量位于墙面2一侧的隐蔽目标p＝[x
p
,y
p
]
t
，一个单发单收(single input single output,siso)雷达r＝[xr,yr]
t
被放置于墙面1一侧。此时，目标对于雷达不可见。上标t表示转置。
[0026]
通常地，射线追踪被用于描述并分析电磁波的传播，因此不难发现，连接雷达和墙角的直线rm1为一阶反射的边界。当电磁波沿着这条路径传播时，在墙面3的m1处发生一阶反射，接着在墙面2的m2处发生二阶反射。同理，在m3和m4处发生三阶反射和四阶反射。因此，非视距区域被划分为不同的三角区域，将其分别命名为一阶反射区域、二阶反射区域等等，如图1所示。当遮蔽目标位于不同反射区域时，多径信号存在显著不同，因此，本发明进一步地细化了非视距区域的多径传播模型，具体如下：
[0027]
一阶反射区域：这是一个典型的非视距区域，现存的大部分算法都针对此类场景设计。如图1所示，可通过衍射和反射实现目标探测。忽略电磁波衰减较大的高阶反射路径，仅考虑电磁波的四种单程传播，即衍射路径path-0，一阶反射路径path-1，二阶反射路径path-3及三阶反射路径path-4。为了和后续路径区分，将上述三种反射路径称为单纯反射路径；
[0028]
二阶反射区域：在该区域内，由于反射边界的存在，无法通过一阶反射实现目标探测，而只能通过衍射和更高阶(≥2)的反射。但是这并不意味着一次反射在该区域内消失，电磁波首先在墙角处发生衍射，接着在墙面3上发生一阶反射传播到目标处，其存在形式如图2所示。将上述一阶反射路径称为组合反射路径依然记为path-1。该区域内的path-2和path-3依然以单纯反射路径形式存在；
[0029]
三阶反射区域：在该区中，除了一阶反射，二阶反射也以组合反射的形式存在，而三阶反射依然为单纯反射；
[0030]
四阶反射区域：如图2所示，该区域内一阶反射路径、二阶反射路径和三阶反射路径均为组合反射路径。
[0031]
假设所有反射均为镜面反射，因此和path-1，path-2及path-3相关的雷达虚拟镜像位置可通过几何关系计算为：
[0032][0033]
因此，通过将雷达位置镜像对称，单纯反射路径path-m的长度可表示为||rmp||。同理，对于组合反射路径，可以将墙角点镜像对称：
[0034][0035]
结合上述分析的多径传播模型，得到上述四种单程路径的传播时延为：
[0036][0037]
其中，c表示电磁波在空气中的传播速度，||
·
||表示二范数。为方便表示，将墙角点c记为c0。
[0038]
由于发射信号和接收信号均可沿着上述四种路径传播，一共有十种不同的双程传输路径组合，将这些组合路径放入向量p
(k)
，记为：
[0039][0040]
其中，表示在k阶反射区域中发射路径path-m和接收路径path-n组成的双程传播路径。其对应的传播时延为：
[0041][0042]
步骤2：确定目标潜在区域：
[0043]
2.1利用动目标指示技术(moving target indicator,mti)消除接收回波信号中的静态背景回波和天线耦合的影响。
[0044]
2.2利用恒虚警检测器(constant false alarm rate,cfar)提取回波中不同路径的toa，将其按升序存放于向量t中：
[0045]
t＝[τ1,τ2,
…
,τ
l
]
t
,τ1≤τ2≤
…
≤τ
l
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0046]
2.3通过上述建立的多级传播模型，不难发现衍射存在于各阶反射区域中，因此可将其用于初步确定目标所在区域。具体地，基于双程衍射路径距离最短这一事实，提取τ1即认为是双程衍射传播时延。由于墙角和目标之间的距离存在如下关系：
[0047]
||c0p||＝(τ1c-2||rc0||)/2＝r
p
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0048]
显然，上式表示目标位于以墙角点c为圆心，r
p
为半径的圆上。其在非视距区域的部分表征为一圆弧。理论上，遮蔽目标位于该圆弧上，但是考虑到测量误差的存在，提取得到的τ1并不完全等同于理论值，因此，目标所在的圆弧被扩展为一区域ω：
[0049][0050]
其中，δru表示雷达测量误差，r
max
和r
min
分别表示目标潜在区域的上界和下界。δru
一般设置为大于雷达距离分辨率的三倍。
[0051]
步骤3：目标潜在区域网格划分：
[0052]
将目标潜在区域ω划分为s个网格，其边长被设置为小于雷达距离分辨率的d。则每个网格的中心坐标为gs＝[xs,ys]
t
,s∈{1,2,
…
,s}。
[0053]
由于场景布局先验，各阶反射的边界可通过图1所示的模型轻易得出。因此，在知道网格gs所位于的反射区域后，计算其对应的双程理论传输时延并存放于向量ts中：
[0054][0055]
其中，表示网格gs的双程传输时延，计算公式见式(5)，其中表示网格所位于区域的上标k被替换为网格的索引值s。
[0056]
步骤4：真实目标位置获取：
[0057]
4.1为评估t和网格ts的相似度，构建了两个匹配因子ns和es，将其命名为匹配因子和误差因子。ns表示ts中与t中成功匹配的toa数量，es表示对应的匹配误差之和，其表达式为：
[0058][0059]
其中，
[0060][0061]
其中，δ表示一个具有较小值的经验阈值。具体实施过程中δ取值为0.1m/c(c为光速)，0.1m为目标尺寸的0.5倍。
[0062]
4.2遍历目标潜在区域所有网格，将得到的所有匹配因子和误差因子存放在两个向量中：
[0063][0064]
制定最佳匹配规则以确定真实目标所在网格，即：ns最大的网格所对应es最小者。
[0065]
下面根据一个gprmax仿真例子给出本发明的具体实施方式。
[0066]
步骤1：探测场景非视距区域划分：
[0067]
一个目标运动在由多个反射区域组成的长l形场景，如图3所示，通过gprmax构建场景并进行仿真。设定墙体均匀且其相对介电常数为ε＝7。墙角的坐标为[1.5m,1.5m]
t
，墙面3的横坐标为5m，长度为13m。根据场景信息。一个半径为0.2m，相对介电常数ε＝7的圆柱体被用以模拟人体目标。该目标从位于一阶反射区域的点p＝[2.0m,3.0m]
t
出发沿直线运动到位于五阶反射区域的点q＝[4.0m,12.0m]
t
。雷达的位置为[0.5m,0.9m]
t
。发射波形为中心频率为1.5ghz的ricker子波。
[0068]
由雷达坐标和场景几何关系，得到单纯路径对应的虚拟雷达坐标为：
[0069][0070]
组合路径对应的虚拟拐角位置为：
[0071][0072]
为验证上述模型的正确性，利用电磁仿真软件gprmax，得到了位于四阶反射区域的目标的接收回波信号，如图4所示，可以看出仿真值和理论值吻合地很好，由此验证了本发明构建多径模型的正确性。
[0073]
表1十种双程传输路径长度
[0074][0075]
步骤2：确定目标潜在区域：
[0076]
利用mti技术消除接收回波中的静态杂波，之后通过cfar技术提取得到回波的toa。将其存放在向量t中。提取第一个值τ1作为双程衍射的传播时延。
[0077]
||c0p||＝(τ1c-2||rc0||)/2＝r
p
ꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0078]
δru雷达测量误差δru＝0.5m，则目标潜在区域为：
[0079][0080]
步骤3：目标潜在区域网格划分：
[0081]
将整个非视距区域划分为边长为0.03m的网格，若网格中心坐标位于步骤2所得的区域ω中，则根据步骤1所得的多级传播模型，计算其理论多径，并将其存放在向量ts中。
[0082]
步骤4：真实目标位置获取
[0083]
遍历所有网格，分别得到其对应的匹配因子和误差因子。选择匹配因子最大的网格中误差因子最小的网格，即被认为是目标的真实位置。
[0084]
以第45周期的目标和第96周期的目标为例，得到结果如图5(a)和图5(b)所示，从图中可以看出，目标确实位于所划定的目标潜在区域中。具体地，目标定位结果如表2所示。
[0085]
表2两个周期的仿真结果
[0086]
第45周期第96周期所处区域三阶反射区域五阶反射区域
真实位置[2.89m,7.00m][3.92m,11.64m]提取位置[2.91m,7.02m][3.96m,11.67m]误差0.291m0.0529m
[0087]
得到全部100个周期的定位结果如图5(c)所示，可见提取目标位置和目标真实位置吻合地较好。具体地，不同周期真实目标位置和提取目标位置之间的误差如图5(d)所示，计算得到其平均值为0.0489m。经计时，本发明运行时间为23.5s。因此，本发明所提算法在保证精确定位的同时计算量较小。
[0088]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种长l形建筑布局下两阶段目标定位方法，其特征在于，所述定位方法基于的应用场景包括：墙体1、墙面2、墙面3、单发单收雷达以及隐蔽目标，墙体1、墙面2构成l形墙体，墙面2和墙面3平行；单发单收雷达设置于墙体1正前方，隐蔽目标位于墙面2和墙面3的非视距区域；所述定位方法具体包括以下步骤：s1、依据射线追踪将非视距区域划分为不同阶的反射区域，然后分别分析不同反射区域内的多径传播模型；s2、依据构建的多径传播模型，基于单发单收雷达接收到的回波中的衍射时延确定目标潜在区域；s3、将目标潜在区域依据雷达距离分辨率划分为网格，分别计算其对应的理论多径时延；s4、将接收回波的到达时间和网格的理论多径时延进行匹配，获取目标真实位置。2.根据权利要求1所述的一种长l形建筑布局下两阶段目标定位方法，其特征在于，在分析不同反射区域内的多径传播模型时，将单程反射路径区分为单纯单程路径和复合双程路径。3.根据权利要求2所述的一种长l形建筑布局下两阶段目标定位方法，其特征在于，不同反射区域内的多径传播模型，具体为：考虑电磁波的四种单程传播，包括：衍射路径、一阶反射路径、二阶反射路径及三阶反射路径；在一阶反射区域，衍射路径、一阶反射路径、二阶反射路径及三阶反射路径均为单纯反射路径；在二阶反射区域，衍射路径、一阶反射路径均为复合双程路径，二阶反射路径及三阶反射路径均为单纯反射路径；在三阶反射区域，衍射路径、一阶反射路径、二阶反射路径均为复合双程路径，三阶反射路径为单纯反射路径；在四阶以上的反射区域，衍射路径、一阶反射路径、二阶反射路径及三阶反射路径均为复合双程路径。4.根据权利要求3所述的一种长l形建筑布局下两阶段目标定位方法，其特征在于，步骤s2具体包括以下分步骤：s21、利用动目标指示技术消除接收回波信号中的静态背景回波和天线耦合的影响；s22、利用恒虚警检测器提取回波中不同路径的toa，将其按升序存放于向量t中：s23、基于双程衍射路径距离最短，从向量t中提取最小的toa值作为双程衍射传播时延；s24、墙角和目标之间的距离存在如下关系：||c0p||＝(τ1c-2||rc0||)/2＝r
p
其中，c0表示l形墙体墙角点在水平面的坐标，p表示隐蔽目标坐标，τ1表示向量t中最小的toa值，c表示电磁波在空气中的传播速度，||
·
||表示二范数，r
p
为墙角和隐蔽目标之间的距离；s25、隐蔽目标所在区域记为ω，表达式为：
ω:{r
min
≤r
p
≤r
max
}其中，δr
u
表示雷达测量误差，r
max
和r
min
分别表示隐蔽目标潜在区域的上界和下界。5.根据权利要求4所述的一种长l形建筑布局下两阶段目标定位方法，其特征在于，各网格对应的理论多径时延计算式为：其中，其中，表示在k阶反射区域中第m条发射路径的传播时延，表示在k阶反射区域中第n条接收路径的传播时延，r表示单发单收雷达的坐标，r
m
表示第m条发射路径对应的雷达虚拟镜像位置，r
n
第n条接收路径对应的雷达虚拟镜像位置，c
m
表示第m条发射路径对应的l形墙体墙角点在水平面的虚拟镜像位置，c
n
第n条接收路径对应的l形墙体墙角点在水平面的虚拟镜像位置。6.根据权利要求5所述的一种长l形建筑布局下两阶段目标定位方法，其特征在于，步骤s4具体为：将步骤s3每一个网格对应的双程理论传输时延并存放于向量t
s
中；构建匹配因子n
s
和误差因子e
s
，n
s
表示t
s
中与t中成功匹配的toa数量，e
s
表示对应的匹配误差之和；配误差之和；其中，δ表示一个具有较小值的经验阈值；遍历隐蔽目标潜在区域所有网格，将得到的所有匹配因子和误差因子存放在两个向量中：n＝[n1,n2,
…
,n
s
]
t
e＝[e1,e2,
…
,e
s
]
t
n
s
最大的网格所对应e
s
最小者为真实目标所在网格。

技术总结
本发明公开一种长L形建筑布局下两阶段目标定位方法，应用于复杂城市环境下的目标定位技术领域，针对现有技术存在的仅能实现一阶反射区域中目标的有效探测问题，本发明首先根据射线追踪模型将长L形场景划分为多个反射区域，并分别分析了其中的电磁传播模型；然后基于衍射路径在所有非视距区域中均存在这一事实，利用衍射路径对应的时延划定了目标可能存在的区域；其次，将该区域依据雷达距离分辨率划分为不同网格，依据已建立的多径模型分别计算其对应的理论时延；最后通过匹配网格理论多径时延与接收回波多径时延获得了准确目标位置。本发明的方法能实现大纵深场景中的非视距目标定位，在保证定位精确性的前提下，降低了运算的复杂度。运算的复杂度。运算的复杂度。


技术研发人员：陈家辉 薛舒程 郭世盛 朱智豪 刘星遥 崔国龙 孔令讲 杨晓波
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/23