一种基于多层电磁围栏的三维射频层析成像方法

1.本发明属于射频层析成像技术领域，特别涉及一种基于多层电磁围栏的三维射频层析成像方法。


背景技术：

2.在高度信息化的社会，成像技术在许多非接触式的人机交互、行为分析、仓储物流、人员搜救等领域扮演着日益重要的角色，为人们的日常生产生活以及娱乐提供了多样化的便捷服务。但在被监测的目标不适合或主观上不愿携带设备的情况下，传统的成像方法很难达到满意的效果。因此，无需目标携带任何设备的无设备目标成像技术应运而生。
3.当前主流的无设备目标成像可通过毫米波雷达或可见光方法来实现，尽管上述方法已有大量的应用，但是基于雷达的无设备目标成像技术需要使用费用高昂的专业设备，多用于军用，难以大规模应用于商业或民用领域。长期以来人们使用基于光学相机的视觉类方法来获得目标的定量成像，特别是随着智能技术渗透到人们日常生活和工作的方方面面，通过数字相机对目标进行成像并利用人工智能算法对目标进行识别已经成为目标检测的常用手段。但是普通单目相机容易受到光线条件影响，无法在受遮挡和黑暗条件下工作，它不仅可能会涉及人们的隐私问题，而且具有算法复杂度高和不能工作在非视距环境下等缺点。
4.近年来，随着无线通信及嵌入式技术的发展，基于无线传感器网络(wireless sensor network，wsn)的无设备目标成像技术已被用来弥补视觉类方法的短板。射频层析成像(radio tomographic imaging，rti)作为其中的主流方法，是一种通过监听无线链路射频信号接收信号强度指示(received signal strength indication，rssi)的变化对目标位置或几何形状进行反演的技术，该技术一般在目标区域的边界部署若干无线收发节点形成闭合的监测区域，无线节点之间可以两两进行通信，在监测区域内形成许多交叉的无线链路，当目标位于监测区域内时，会导致某些无线链路的rssi值发生变化，通过监听rssi的波动发生在哪些链路上，实现对目标位置甚至是几何形状的重构。因射频信号具有可穿透、非入侵式且不受光线影响等优点，该技术已成为目标探测的又一种解决方案，在目标识别、定位导航和无损检测等领域具有非常广泛的应用前景。rti从开始提出到现在已经有十年多的时间，最初基本都是应用在定位领域，利用其成像的光斑映射出目标所在的位置，因此也有的研究学者将其称为无设备目标定位(device-free localization，dfl)。
5.尽管传统rti方法在位置感知的应用上已经比较成熟，但是该技术只能给出具有亮度信息的光斑，想要获取更精细的形状信息还存在着建模和实现困难。同时，目前的rti成像功能还主要集中在二维层面，鲜有对空间中三维目标进行成像的报道。


技术实现要素：

6.本发明的目的，在于提供一种基于多层电磁围栏的三维射频层析成像方法，通过多层电磁围栏系统中跨层链路的rssi信息和三维阴影权重模型的构建，基于三方向投影的
三维目标成像方法解决现有二维射频层析成像的不足以及三维目标形状信息的rti成像难题，而且可以减少所需计算资源和存储资源。
7.为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
8.一种基于多层电磁围栏的三维射频层析成像方法，包括如下步骤：
9.步骤1，建立多层电磁围栏测量系统，所述多层电磁围栏测量系统由k层、每层l个，共k
×
l个无线收发节点组成，k
×
l个无线收发节点两两之间互相通信，形成m条无线链路，多层电磁围栏测量系统形成半封闭的三维测量空间；
10.步骤2，分别测量无线链路在无目标时和有目标时的接收信号强度rss值，计算无线链路在无目标时和有目标时rss的变化矢量；
11.步骤3，根据目标对无线链路影响的空间关系建立三维阴影权重模型；
12.步骤4，建立张量表示的三维射频层析成像模型，并转换成矢量形式；
13.步骤5，基于三方向投影法分别在目标区域的xoy、xoz、yoz平面上依次进行成像，经过延拓与叠加，最后通过阈值滤波得到目标的三维成像结果。
14.上述步骤1中，多层电磁围栏测量系统由k层无线收发节点组成，每层节点为l个并均匀分布在电磁围栏系统所围区域的周边上，层与层之间根据需要设定合适的间隔，以基于轮循的令牌传递协议为基础进行组网，给每一个组网节点分配独立且固定的id编号，每个时刻只有一个节点处于发射状态，其余节点处于接收状态，按id顺序依次进行发射信号，发射结束立即转入接收状态，由下一个id节点转为发射，依次进行，单层节点之间以及层与层节点之间均有无线链路；三维测量空间按x、y、z方向分别均匀划分为n1、n2、n3个间隔，构成n＝n1n2n3个三维体素。
15.上述步骤2中，根据通信理论，第l条无线链路中接收端的接收信号强度rss值的公式如下所示：
16.y
l
(t)＝p
l-l
l-s
l
(t)-f
l
(t)-v
l
(t)
17.其中l＝1，2，3
…
，m，p
l
表示发送端的发射功率，l
l
表示静态损耗，s
l
(t)表示阴影损耗，f
l
(t)表示衰落损耗，v
l
(t)代表噪声；
18.分别测量无目标时和有目标时第l条链路的rss测量值，在时刻t第l条链路的rss变化量δy
l
(t)的公式如下所示：δy
l
(t)＝y
l
(t)-y
l
(0)，近似等于的值；
19.其中y
l
(0)＝p
l-l
l-f
l
(0)-v
l
(0)，表示没有目标存在时第l条链路的背景rss测量值，
20.由于噪声和阴影衰落相比要小很多，所以δy
l
(t)主要由t时刻的阴影衰落决定，采用同样的测量方式，可得全部m条无线链路的测量矢量的公式如下所示：
21.y(t)＝[y1(t)y2(t)
…
ym(t)]
t
[0022]
其中，[]
t
表示转置操作；
[0023]
背景测量矢量的公式如下所示：
[0024]
y(0)＝[y1(0)y2(0)
…
ym(0)]
t
[0025]
计算测量矢量y(t)和背景测量矢量y(0)的差值，得到t时刻rss变化矢量δy(t)的公式如下所示：
[0026]
δy(t)＝abs[y(t)-y(0)]＝[δy1(t)δy2(t)
…
δym(t)]
[0027]
其中，abs[]表示绝对值操作。
[0028]
上述步骤3中，三维阴影权重中第l(l＝1，2，...，m)条链路所对应的三维阴影权重模型公式如下所示：
[0029][0030]
其中，w
ln
表示当目标位于第n个像素点时对第l条链路所产生影响对应的权重值，v
l
＝4πa
lblcl
/3为第l个椭球的体积，该椭球以构成第l条链路的两个无线节点位置为焦点，其中c
l
为第l条链路对应椭球的极半径，a
l
和b
l
分别为第l条链路对应椭球的赤道半径，h
ln
表示从第n个体素点位置pn处到第l条链路的垂直距离；表示归一化的第n个体素点在第l条链路上的投影点到收发节点的距离之差，d
l
为第l条链路长度，表示第n个体素点在第l条链路上的投影点位置，pi和pj分别表示构成第l条链路的发送节点和接收节点的位置；abs[]表示绝对值操作。
[0031]
上述步骤4的具体内容是：
[0032]
将目标区域划分为若干相同大小的小体素，得到d＝3的张量其mode-n展开表示为其中n1、n2、n3分别表示沿x、y、z维度的体素个数；
[0033]
三维目标重构的逆问题公式如下所示：
[0034]
δy＝a(x)+n
[0035]
其中，δy∈rm×1表示测量向量，n表示测量噪声，a(
·
)表示由待重建张量x到测量向量δy之间的映射；
[0036]
对张量x进行向量化处理，得到待重建向量，公式如下所示：
[0037][0038]
其中vec(
·
)表示将张量转换为矢量操作；
[0039]
张量x中的元素(k1，k2，k3)被映射到了向量x上的第l个元素，公式如下所示：
[0040][0041]
矢量表示的射频层析成像的公式如下所示：
[0042]
δy＝wδx+n
[0043]
其中δy∈rm×1为测量向量，为向量化的待重构张量x，n∈rm×1为测量噪声，表示权重矩阵；
[0044]
上述步骤5中，三方向投影法的具体内容包括：
[0045]
计算无目标时和有目标时的rss相减的差值，结果记为δy∈rm×1，根据射频层析成像原理，公式如下所示：
[0046]
δy＝wδx+n
[0047]
其中n∈rm×1是测量噪声，是待估计空间各体素坐标位置信号衰减程度的向量表示，是权重矩阵；
[0048]
引入稀疏表示，得到目标函数，公式如下所示：
[0049][0050]
其中，矩阵为δx的稀疏变换基，有δx＝φs，α表示正则化系数，||x(i)||
*
表示矩阵x(i)的核范数，||
·
||表示2范数，依次计算xoy、xoz、yoz三个投影平面上的解，得到：
[0051][0052][0053][0054]
得到xoy方向上的俯视投影为xoz方向上的主视投影为yoz方向上的侧视投影为最终将向量δx
xoy
、δx
xoz
和δx
yoz
分别按xoy平面维度n1
×
n2、xoz平面维度n1
×
n3和yoz平面维度n2
×
n3重塑为二维矩阵x
xoy
、x
xoz
和x
yoz
；
[0055]
将得到的成像空间俯视图x
xoy
、主视图x
xoz
和侧视图x
yoz
投影面沿平面垂直方向复制延拓，并将三方向延拓结果进行相加还原出张量形式的三维成像结果，公式如下所示：
[0056][0057]
根据不同的目标和成像空间范围，选取最亮体素的70％-90％大小作为阈值，将小于阈值的像素值取为零，滤去可能的噪点，剩余像素组成三维目标图像。
[0058]
采用本发明基于多层电磁围栏的三维射频层析成像方法，具有如下有益效果：
[0059]
(1)本发明的三维射频层析成像方法利用多层电磁围栏中跨层链路的rssi信息，使得该系统具有空间内三维目标的感知能力，并通过构造一个可以描述目标细粒度形状特征的成像模型得到目标精细化成像结果，克服了现有二维射频层析成像的不足；
[0060]
(2)本发明的三维射频层析成像方法提出了基于三方向投影的三维目标成像方法，通过采集得到的测量向量使用该方法分别在被监视区域的xoy、xoz、yoz平面上依次进行成像，经过延拓与叠加，最后通过图像滤波得到目标的三维成像结果，这样不仅可以解决三维目标形状信息射频层析成像难题，而且可以减少所需计算资源和存储资源。
附图说明
[0061]
图1是本发明多层电磁围栏测量系统的结构示意图。
[0062]
图2是本发明三维阴影权重模型示意图。
[0063]
图3是本发明张量的纤维示意图；
[0064]
其中，(a)mode-1表示列纤维，(b)表示mode-2行纤维，(c)表示mode-3管纤维。
[0065]
图4是本发明实施例实验场景照片。
[0066]
图5是本发明实施例中三维目标三方向投影实验结果图；
[0067]
其中，(a)表示915mhz频段xoy平面投影成像，(b)表示915mhz频段xoz平面投影成像，(c)表示915mhz频段yoz平面投影成像。
[0068]
图6是本发明实施例中三维目标成像实验结果图。
具体实施方式
[0069]
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
[0070]
如图1所示，为本发明多层电磁围栏测量系统的结构示意图，该系统由k层无线收发节点组成，每层节点为l个并均匀分布在电磁围栏系统所围区域的周边上，层与层之间根据需要设定合适的间隔，以基于轮循的令牌传递协议为基础进行组网，给每一个组网节点分配独立且固定的id编号，每个时刻只有一个节点处于发射状态，其余节点处于接收状态，按id顺序依次进行发射信号，发射结束立即转入接收状态，由下一个id节点转为发射，依次进行，单层节点之间以及层与层节点之间均有无线链路；三维空间按x、y、z方向分别均匀划分为n1、n2、n3个间隔，构成n＝n1n2n3个三维体素；所述kl个无线收发节点两两之间互相通信，组成m条无线链路。
[0071]
如图2所示，为本发明三维阴影权重模型示意图，根据目标对无线链路影响的空间关系构建三维阴影权重模型；
[0072]
根据无线信号传输理论的基础上结合实验总结的自研结果，三维阴影权重中第l(l＝1，2，...，m)条链路所对应的三维阴影权重模型公式如下所示：
[0073][0074]
其中，w
ln
表示当目标位于第n个像素点时对第l条链路所产生影响对应的权重值，v
l
＝4πa
lblcl
/3为第l个椭球的体积，该椭球以构成第l条链路的两个无线节点位置为焦点，其中c
l
为第l条链路对应椭球的极半径，a
l
和b
l
分别为第l条链路对应椭球的赤道半径，h
ln
表示从第n个体素点位置pn处到第l条链路的垂直距离；表示归一化的第n个体素点在第l条链路上的投影点到收发节点的距离之差，d
l
为第l条链路长度，表示第n个体素点在第l条链路上的投影点位置，pi和pj分别表示构成第l条链路的发送节点和接收节点的位置；abs[]表示绝对值操作。
[0075]
如图3所示，为本发明张量的纤维示意图，其中，(a)mode-1表示列纤维，(b)表示mode-2行纤维，(c)表示mode-3管纤维；本发明将目标区域划分为若干相同大小的小体素，得到d＝3的张量其mode-n展开表示为n展开表示为其中n1、n2、n3分别表示沿x、y、z维度的体素个数；
[0076]
张量x中的元素(k1，k2，k3)被映射到了向量x上的第l个元素，公式如下所示：
[0077][0078]
对于本发明中的三维衰减场重构，有如下逆问题，公式如下所示：
[0079]
δy＝a(x)+n
[0080]
其中，δy∈rm×1表示测量向量，n表示测量噪声，a(
·
)表示由待重建张量x到测量向量δy之间的映射；
[0081]
由于张量的为n-rank张量mode-n展开秩的元组，公式如下所示：
[0082]
n-rank(x)＝(rank(x
(1)
)，rank(x
(2)
)，rank(x
(3)
))
[0083]
令建立如下最小化模型得到张量x的反演重构，公式如下所示：
[0084][0085]
由于张量秩具有离散性并且非凸的，通过凸松弛上式可变形，公式如下所示：
[0086][0087]
其中||x(i)||
*
表示矩阵x(i)的核范数，定义为矩阵的奇异值σ之和，公式如下所示：
[0088][0089]
由于在实际的测量过程中不可避免的存在噪声，最终将上述模型改写为无约束张量优化问题：
[0090][0091]
其中α＞0表示正则化参数，调节优化过程中rti过程与优化项之间的权重比例。
[0092]
综上逆问题优化模型框架如上式所示，目前还需要解决的问题是找出由的线性映射关系，当张量x具有高度空间相关性时，令f表示将x转变为对应变换域的线性映射，此时有其中的大部分能量集中在s的几个低频元素中，即s是一个近似稀疏的张量，将其向量化后得到s＝vec(s)，则存在矩阵为x的稀疏变换，有x＝φs，使得：
[0093]
δy＝wφs+n
[0094]
根据张量的定义，将除了d维度以外其它所有信号维度索引固定不变称为高维信号的纤维，比如对于上述的张量信号x
i，j，
.＝[x(i，j，1)
…
x(i，j，n3)]被称为张量x的mode-3纤维，扩展到信号维度的子集，x
i，.，.
＝[x(i，1，1)
…
x(i，n2，n3)]被称为张量
x的水平切片，可通过每个部分的稀疏基的kronecker乘积获得整个高维信号(待重构张量)的单个稀疏基，使得能够使用单次转换对所有维度进行编码。假设张量任意维度的每个纤维都是稀疏的或可压缩的，构造向量化后的张量稀疏基具有kronecker结构，令fn＝{f
k，n
|1≤k，n≤n}(n≥1)表示n
×
n表维酉矩阵，如下式所示的离散余弦变化矩阵：
[0095][0096]
即其中表示kronecker积，假设表示kronecker积，假设则有如下定义：
[0097][0098]
综上所述，得到三维稀疏优化模型如下式所示：
[0099][0100]
通过将三维rti模型与压缩感知相结合解决由方程个数(测量值个数)远小于未知量个数(待重构体素个数)而导致的不适定问题，实现对三维空间中的衰减场重构，又因为在三维空间进行场重构时被划分的网格数相较于二维场重构来说通常乘以几何倍，直接计算很容易带来内存爆炸。为了使得计算能够进行下去，本发明分别在主视图、侧视图、俯视图等三个方向上进行投影重构，再经过延拓叠加，插值滤波等信号处理方法以完成实际情况下人体的高分辨率重建。
[0101]
通过依次抑制张量不同的单个维度，得到张量元素的结构形似长度相等的纤维，如图3(a)mode-1列纤维为例，对多层电磁围栏中的任意两个节点之间的通信链路进行三维指数阴影权重模型建模，然后将张量x的第三维度，即高度方向视作一个整体，并在不同的列纤维上赋予相应的权值得到新的权重矩阵w
xoy
，该步骤的作用相当于照相机对待监测区域进行拍摄并增加了xoy方向的“滤镜”，相应的稀疏基φ
xoy
根据kronecker结构转变为：
[0102][0103]
此时基于张量恢复的正则化项可退化为矩阵恢复，目标函数变为：
[0104][0105]
最终得到xoy方向上的俯视投影为同理亦可得到xoz、yoz方向上的主视投影和侧视投影：
[0106][0107][0108]
并得到xoz方向上的主视投影为，yoz方向上的侧视投影为
[0109]
为了将投影出的多个二维图像重新变为三维图像需考虑如下事情，对于一个实心的三维物体，单个投影视图只能反映物体形状的单面信息而不能完整反映物体的真实几何特征，通过三视图即从三个不同方向对同一物体进行投影，则基本能完整的描述物体的结构。因此本发明将得到的目标区域主视图、侧视图和俯视图投影面沿平面垂直方向复制延拓，将其重新还原为张量。
[0110]
显然xoy投影图像的形状大小为(n1，n2)，则其延拓的次数取决于待恢复张量x的第三维度n3，可得xoz投影图像的形状大小为(n1，n3)，其延拓的次数取决于待恢复张量x的第二维度n2，可得，可得yoz投影图像的形状大小为(n2，n3)，其延拓的次数取决于待恢复张量x的第一维度n1，可得将上述延拓后的张量按元素位置进行叠加得到称为初始张量或重构张量，公式如下所示：
[0111][0112]
由于目标存在的区域存在明显的衰减图像，经过叠加后这种衰减效应将会变得更加突出，同时利用了三种视图来描绘三维目标的边缘部分，因此目标的边缘轮廓将能够很好的保留下来并与背景和目标实体区分开，衰减强度显示出介于背景和目标实体之间的特点。
[0113]
如图4所示，为本发明的实施例的实验场景照片，其中以915mhz频段si4463无线收发芯片为基础，自主开发了无线收发节点，成像区域为一个3米
×
3米
×
2米的长方体区域，在区域四周边缘每隔1.5米摆放1个高2.2米的支架，总共8个支架，支架上从离地面1米高的地方开始每隔20厘米放一个无线收发节点，共放6层，因此总共48个无线收发节点组成射频成像网络，另外1个无线节点作为数据采集节点，负责将测量数据传给电脑。每个定位节点放在高度为1米的支架上。在软件协议方面，本实施例以基于轮循的令牌传递协议为基础进行组网，给每一个组网节点分配独立且固定的id编号，每个时刻只有一个节点处于发射状态，其余节点处于接收状态，按id顺序依次进行发射信号，发射结束立即转入接收状态，由下一个id节点转为发射，依次进行，自主开发了轮询测量和接收信号强度值读取的程序代码。48个定位节点从1到48依次编id号，通过该id号的不同来区分不同的模块。一个节点发送定位数据时，数据包会携带发送模块的id号，当下一个节点收到此id号后，就会触发该节点的定位数据的发送，这样轮循测量就建立起来了。当一个发送节点发送定位数据之后，其他无线节点收到该数据时会产生一个强度值rssi，并立即把这个数据保存下来，然后依次
发送给数据采集节点，并通过数据采集节点传送给电脑。一旦采集到数据，经过处理后，利用三维阴影权重模型和三方向投影法进行计算，就可以得到三维射频层析成像定位结果，本实施例中成像目标为身高1.8米的男性，位置在感兴趣域中心(1.5m，1.5m)处并成站立姿势。如图5所示，本发明实施例中三维目标三方向投影实验结果图，其中，(a)表示915mhz频段xoy平面投影成像，(b)表示915mhz频段xoz平面投影成像，(c)表示915mhz频段yoz平面投影成像，如图6所示，为本发明实施例中三维目标成像实验结果图。
[0114]
综合以上，本发明提供一种基于多层电磁围栏的三维射频层析成像方法，其包括如下步骤：建立多层电磁围栏测量系统，所述多层电磁围栏测量系统由k层、每层l个，共k
×
l个无线收发节点组成，k
×
l个无线收发节点两两之间互相通信，形成m条无线链路，多层电磁围栏测量系统形成半封闭的三维测量空间；分别测量无线链路在无目标时和有目标时的接收信号强度rss值，计算无线链路在无目标时和有目标时rss的变化矢量；根据目标对无线链路影响的空间关系建立三维阴影权重模型；建立张量表示的三维射频层析成像模型，并转换成矢量形式；基于三方向投影法分别在被监视区域的xoy、xoz、yoz平面上依次进行成像，经过延拓与叠加，最后通过阈值滤波得到目标的三维成像结果。采用本发明的三维射频层析成像方法利用多层电磁围栏中跨层链路的rssi信息，使得该系统具有空间内三维目标的感知能力，并通过构造一个可以描述目标细粒度形状特征的成像模型得到目标精细化成像结果，克服了现有二维射频层析成像的不足；基于三方向投影的三维目标成像方法，通过采集得到的测量向量使用该方法分别在被监视区域的xoy、xoz、yoz平面上依次进行成像，经过延拓与叠加，最后通过图像滤波得到目标的三维成像结果，这样不仅可以解决三维目标形状信息的射频层析成像难题，而且可以减少所需计算资源和存储资源。
[0115]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于多层电磁围栏的三维射频层析成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立多层电磁围栏测量系统，所述多层电磁围栏测量系统由k层、每层l个，共k
×
l个无线收发节点组成，k
×
l个无线收发节点两两之间互相通信，形成m条无线链路，多层电磁围栏测量系统形成半封闭的三维测量空间；步骤2，分别测量无线链路在无目标时和有目标时的接收信号强度rss值，计算无线链路在无目标时和有目标时rss的变化矢量；步骤3，根据目标对无线链路影响的空间关系建立三维阴影权重模型；步骤4，建立张量表示的三维射频层析成像模型，并转换成矢量形式；步骤5，基于三方向投影法分别在目标区域的xoy、xoz、yoz平面上依次进行成像，经过延拓与叠加，最后通过阈值滤波得到目标的三维成像结果。2.如权利要求1所述的三维射频层析成像方法，其特征在于：所述步骤1中，多层电磁围栏测量系统由k层无线收发节点组成，每层节点为l个并均匀分布在电磁围栏系统所围区域的周边上，以基于轮循的令牌传递协议为基础进行组网，给每一个组网节点分配独立且固定的id编号，每个时刻只有一个节点处于发射状态，其余节点处于接收状态，按id顺序依次进行发射信号，发射结束立即转入接收状态，由下一个id节点转为发射，依次进行，单层节点之间以及层与层节点之间均有无线链路；三维测量空间按x、y、z方向分别均匀划分为n1、n2、n3个间隔，构成n＝n1n2n3个三维体素。3.如权利要求1所述的三维射频层析成像方法，其特征在于：所述步骤2中，根据通信理论，第l条无线链路中接收端的接收信号强度rss值的公式如下所示：y
l
(t)＝p
l-l
l-s
l
(t)-f
l
(t)-v
l
(t)其中l＝1，2，3
…
，m，p
l
表示发送端的发射功率，l
l
表示静态损耗，s
l
(t)表示阴影损耗，f
t
(t)表示衰落损耗，v
l
(t)代表噪声；分别测量无目标时和有目标时第l条链路的rss测量值，在时刻t第l条链路的rss变化量δy
l
(t)的公式如下所示：δy
l
(t)＝y
l
(t)-y
l
(0)，近似等于的值；其中y
l
(0)＝p
l-l
l-f
l
(0)-v
l
(0)，表示没有目标存在时第l条链路的背景rss测量值，全部m条无线链路的测量矢量的公式如下所示：y(t)＝[y1(t)y2(t)
…
y
m
(t)]
t
其中，[]
t
表示转置操作；背景测量矢量的公式如下所示：y(0)＝[y1(0)y2(0)
…
y
m
(0)]
t
计算测量矢量y(t)和背景测量矢量y(0)的差值，得到t时刻rss变化矢量δy(t)的公式如下所示：δy(t)＝abs[y(t)-y(0)]＝[δy1(t)δy2(t)
…
δy
m
(t)]其中，abs[]表示绝对值操作。4.如权利要求1所述的三维射频层析成像方法，其特征在于：所述步骤3中，三维阴影权重中第l条链路所对应的三维阴影权重模型公式如下所示：
其中，l＝1，2，...，m，w
ln
表示当目标位于第n个像素点时对第l条链路所产生影响对应的权重值，v
l
＝4πa
l
b
l
c
l
/3为第l个椭球的体积，该椭球以构成第l条链路的两个无线节点位置为焦点，其中c
l
为第l条链路对应椭球的极半径，a
l
和b
l
分别为第l条链路对应椭球的赤道半径，h
ln
表示从第n个体素点位置p
n
处到第l条链路的垂直距离；表示归一化的第n个体素点在第l条链路上的投影点到收发节点的距离之差，d
l
为第l条链路长度，表示第n个体素点在第l条链路上的投影点位置，p
i
和p
j
分别表示构成第l条链路的发送节点和接收节点的位置；abs[]表示绝对值操作。5.如权利要求1所述的三维射频层析成像方法，其特征在于：所述步骤4的具体内容是：将目标区域划分为若干相同大小的小体素，得到d＝3的张量其mode-n展开表示为其中n1、n2、n3分别表示沿x、y、z维度的体素个数；三维目标重构的逆问题公式如下所示：δy＝a(x)+n其中，δy∈r
m
×1表示测量向量，n表示测量噪声，a(
·
)表示由待重建张量x到测量向量δy之间的映射；对张量x进行向量化处理，得到待重建向量，公式如下所示：其中vec(
·
)表示将张量转换为矢量操作；张量x中的元素(k1，k2，k3)被映射到了向量x上的第l个元素，公式如下所示：矢量表示的射频层析成像的公式如下所示：δy＝wδx+n其中δy∈r
m
×1为测量向量，为向量化的待重构张量x，n∈r
m
×1为测量噪声，表示权重矩阵。6.如权利要求1所述的三维射频层析成像方法，其特征在于：所述步骤5中，三方向投影法的具体内容包括：计算无目标时和有目标时的rss相减的差值，结果记为δy∈r
m
×1，根据射频层析成像原理，公式如下所示：δy＝wδx+n其中n∈r
m
×1是测量噪声，是待估计空间各体素坐标位置信号衰减程度的向量表示，是权重矩阵；引入稀疏表示，得到目标函数，公式如下所示：
其中，矩阵为δx的稀疏变换基，有δx＝φs，α表示正则化系数，||x
(i)
||
*
表示矩阵x
(i)
的核范数，||
·
||表示2范数，依次计算xoy、xoz、yoz三个投影平面上的解，得到：解，得到：解，得到：得到xoy方向上的俯视投影为xoz方向上的主视投影为yoz方向上的侧视投影为最终将向量δx
xoy
、δx
xoz
和δx
yoz
分别按xoy平面维度n1
×
n2、xoz平面维度n1
×
n3和yoz平面维度n2
×
n3重塑为二维矩阵x
xoy
、x
xoz
和x
yoz
；将得到的成像空间俯视图x
xoy
、主视图x
xoz
和侧视图x
yoz
投影面沿平面垂直方向复制延拓，并将三方向延拓结果进行相加还原出张量形式的三维成像结果，公式如下所示：根据不同的目标和成像空间范围，选取最亮体素的70％-90％大小作为阈值，将小于阈值的像素值取为零，滤去可能的噪点，剩余像素组成三维目标图像。

技术总结
本发明公开一种基于多层电磁围栏的三维射频层析成像方法，其包括如下步骤：建立多层电磁围栏测量系统，多层电磁围栏测量系统形成半封闭的三维测量空间；分别测量无线链路在无目标时和有目标时的接收信号强度RSS值，计算无线链路在无目标时和有目标时RSS的变化矢量；根据目标对无线链路影响的空间关系建立三维阴影权重模型；建立张量表示的三维射频层析成像模型，并转换成矢量形式；基于三方向投影法分别在被监视区域的XOY、XOZ、YOZ平面上依次进行成像，经过延拓与叠加，最后通过阈值滤波得到目标的三维成像结果。本发明克服了现有二维射频层析成像的不足，解决了三维目标形状信息的射频层析成像难题，减少所需计算资源和存储资源。储资源。储资源。


技术研发人员：王婷婷 倪海彬 葛益娴
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/14