[发明专利]基于背景学习的射频层析成像方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器技术领域，尤其是一种基于背景学习的射频层析成像方法。

背景技术

近年来，信息技术和网络技术的发展给人类社会和国民经济的各个领域带来了巨大而深刻的变化。以因特网为代表的信息网络对人们生活方式的影响越来越巨大，并将在未来的各个领域继续持续发展而不断提高影响力。无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)是一种集成了传感器技术、微机电系统技术、无线通讯技术和分布式信息处理技术的新型网络技术，其通过节点间的协作，对监控区域内的环境或监测对象的信息实时感知、采集和处理，并将处理后的信息传送到感兴趣的网络终端用户。从而使WSN成为Internet从虚拟世界到物理世界的延伸，成为逻辑上的信息世界与真实物理世界的连接桥梁，将信息世界与物理世界融为一体。

定位与跟踪是无线传感器网络的主要研究方向之一，国内外在这一领域已取得了一定的研究成果。按具体使用的目标感知方法，可以将其分为两类：一类是采用光、激光、红外等目标感知方法，将无线传感器网络仅作为一种通信手段使用；另一类则是借助于无线传感器网络所使用的射频信号进行目标感知，通过无线信号传播的到达时间/时间差（TOA/TDOA）、到达角度（AOA）或接收信号强度（RSS）等信息进行目标的定位。后者很好地克服了传统的定位跟踪系统所受到的限制，利用射频波段的电磁波，能够在弱光、烟雾、非金属障碍物存在、被跟踪目标隐私敏感的情况下，对目标进行定位跟踪。与传统的基于视频、红外的跟踪方式相比，这种方法拓宽了跟踪场景，并可以与传统跟踪方式相互配合、相互补充，拥有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。后者的典型应用场景包括：

⑴在安全监控领域：对室内目标区域进行监测，实现目标入侵检测、目标数目估计、目标定位与跟踪。在隐私敏感的监控场所，基于RSS的无源跟踪系统可以正常进行区域监控；另外，该系统可以作为传统跟踪方法的辅助补充，例如作为基于摄像头的监控系统的一部分，特别是在弱光、烟雾情况下，能显著提高监控系统的鲁棒性和精度。因此，该系统对于安保和军事应用有着重要意义。

⑵在紧急情况下的目标定位与跟踪：基于RSS的无源跟踪系统具有节点易布置、能透射一定厚度非金属障碍物的特点，在一些紧急情况下，可以完成目标区域的快速监控。例如，当火灾发生时，通过快速部署无线传感器网络，及时跟踪受困人员，可以减少搜救时间，降低受困者与营救人员的生命危险。

（3）在生物学、畜牧业等方面的应用：例如，基于RSS的无源跟踪系统可以在夜晚、弱光的情况下对目标区域内的动物活动情况进行监控，无需对区域进行照明而干扰动物的正常生活规律。

由此可见，基于射频信号的方法除了推进理论层面的创新与突破之外，更可带来巨大的实用价值和商业价值。其中TOA/TDOA与AOA定位法要求发射器和接收器有精确的时间同步，节点设备比较复杂，对测量精度要求较高。RSS定位法可以获得较高的定位精度，且其需要的节点设备结构简单，价格低廉，被广泛应用于室内跟踪问题的研究中。

最先被采用的RSS定位法为有源定位，即目标必须携带传感器节点，与已知位置的监控节点通信，通过RSS值来计算与已知节点之间的距离，再通过三角质心算法等方法进行定位。但这一方法的局限性在于，需要跟踪的目标不一定主动携带节点设备，而只是被动地接受跟踪。这类目标被称为无源目标。为了解决无源目标的定位与跟踪问题，无源被动式定位（Device-free passive localization）的概念被提出，其基本思想是：根据人体遮挡对RSS数值产生的扰动，提取出人体的位置信息。在无源目标的定位与跟踪问题中，一种传统的研究方法是fingerprint（指纹算法），即首先建立RSS取值与目标位置对应关系的数据库，再通过实际样值与数据库的对比从而确定位置。这种方法在数据库建立阶段需要多次测量每个位置的RSS作为“场景指纹信息”，处理的数据量大，且受环境参数的影响较大，维护比较困难。并且在多目标定位时，数据库的大小随着目标数量会呈指数增长。

随后采用的方法为传感器网格阵列（Grid Sensor Array)法，它将传感器节点悬挂在目标移动区域的上方排成阵列，目标的存在会使传感器之间电波传播的反射情况发生改变，从而在RSS值体现出相应变化。这一方法是为数不多的为室内环境设计的方法，但其仅仅把目标对电波的影响统一假设为反射，并没有考虑室内环境的复杂的多径情况，而且跟踪的精度较低，节点的部署较为不便。