基于射頻層析成像的室內(nèi)人員被動式定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于射頻層析成像的室內(nèi)人員被動式定位方法，該方法將定位區(qū)域劃分成N個均勻的像素，在室內(nèi)區(qū)域的外周布置標(biāo)簽及閱讀器，設(shè)閱讀器與標(biāo)簽之間共有M條通信鏈路，每對閱讀器與標(biāo)簽之間的通信鏈路的陰影衰落記為y，像素上的陰影衰落記為x，y與x具有線性關(guān)系，即y＝Wx+n，其中，W為權(quán)重矩陣，n為加性高斯白噪聲，人員處于定位區(qū)域內(nèi)，會遮擋一部分通信鏈路，這部分通信鏈路測量y值相較于未被遮擋的鏈路會衰落很多，根據(jù)以上關(guān)系將各通信鏈路陰影衰落y按權(quán)重分配到各像素，重構(gòu)出各像素的x衰落圖像，找到衰落最多的x所處像素的位置即為人員位置。本發(fā)明具有抗干擾能力強的優(yōu)點。
【專利說明】
基于射頻層析成像的室內(nèi)人員被動式定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于利用UHF RFID設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)人員被動式定位的研究領(lǐng)域，具體設(shè)及射 頻層析成像技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線技術(shù)和移動通信的不斷發(fā)展，人們越來越渴望在任意時間、任意地點、W 任意方式獲取環(huán)境中的各種目標(biāo)信息，隨之催生出了各種定位技術(shù)，比如我們所熟知的 GPS。目前，室外定位技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟。由于，室內(nèi)不同于室外，環(huán)境更加復(fù)雜，使得 無線信號傳輸信道更加復(fù)雜，那些室外定位技術(shù)不能很好的應(yīng)用到室內(nèi)定位，因此，需要進(jìn) 一步研究應(yīng)可用于室內(nèi)的定位技術(shù)。室內(nèi)定位技術(shù)近幾年受到國內(nèi)外廣大學(xué)者關(guān)注，迄今 也取得眾多研究成果。
[0003] 在定位的過程中，定位目標(biāo)可W W主動的或是被動的方式進(jìn)行參與。主動式定位 往往要求定位目標(biāo)佩戴信號收發(fā)設(shè)備。然而，在應(yīng)急反應(yīng)，檢測闖入者，智能家居等情況下， 定位目標(biāo)沒有配備任何無線收發(fā)設(shè)備，運個時候需要另一種定位技術(shù)--被動式定位 (Device-Free localization，WL)。運種定位方式優(yōu)于傳統(tǒng)的基于視覺、紅外的無源定位 技術(shù)，不受天氣、光線、視距要求等限制，可W在一些特殊場景下進(jìn)行目標(biāo)定位。綜上所述， 被動式定位具有廣闊應(yīng)用前景與研究價值。
[0004] 無源超高頻(UHF)RFID標(biāo)簽具有體積小、成本低、部署簡單、無需供電等優(yōu)點，并且 可W具有較長的通信距離和較快的讀寫速度，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到物流、倉儲管理、機(jī)器人、 寫字樓、停車場等環(huán)境中。標(biāo)簽和閱讀器已經(jīng)成為目標(biāo)位置信息獲取的重要途徑。
[0005] 射頻層析成像(Radio Tomography Image,RTI)RTI技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)被動式定位，是一種類似CT掃描成像算法。它的基本思想是:在待定位的區(qū)域布置無 線網(wǎng)絡(luò)，將該區(qū)域劃分成多個網(wǎng)格，運里我們稱運些網(wǎng)格為像素，通過測量接收信號強度 RSS，計算出各無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間相互通信鏈路的陰影衰落，將每條鏈路的陰影衰落按權(quán)重分 布到每個像素上，因為每個像素的位置已知，可W通過尋找陰影衰落最多的像素來確定目 標(biāo)的位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種抗干擾能力強的室內(nèi)人員被動式定位方法。技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于射頻層析成像的室內(nèi)人員被動式定位方法，該方法將定位區(qū)域劃分成N 個均勻的像素，在室內(nèi)區(qū)域的外周布置UHF RFID標(biāo)簽及閱讀器，設(shè)閱讀器與標(biāo)簽之間共有M 條通信鏈路，每對閱讀器與標(biāo)簽之間的通信鏈路的陰影衰落記為y，像素上的陰影衰落記為 X，y與X具有線性關(guān)系，即y = Wx+n，其中，W為權(quán)重矩陣，n為加性高斯白噪聲，人員處于定位 區(qū)域內(nèi)，會遮擋一部分通信鏈路，運部分通信鏈路測量y值相較于未被遮擋的鏈路會衰落很 多，根據(jù)W上關(guān)系將各通信鏈路陰影衰落y按權(quán)重分配到各像素，重構(gòu)出各像素的X衰落圖 像，找到衰落最多的X所處像素的位置即為人員位置。
[0008] 所述的室內(nèi)人員被動式定位方法，具體步驟可W是：
[0009] 1)選定矩形區(qū)域作為定位區(qū)域，在定位區(qū)域四周均勻部署多個UHF RFID標(biāo)簽，在 矩形的各條邊的中屯、位置各放置一個閱讀器；
[0010] 2)針對UHF RFID特有的反向散射的特點，采用楠圓權(quán)重模型，考慮前向鏈路與后 向鏈路的陰影衰落，分別計算前向鏈路與后權(quán)鏈路的權(quán)重，處于閱讀器和標(biāo)簽為焦點的楠 圓范圍內(nèi)的像素，權(quán)值設(shè)為楠圓內(nèi)焦距的開方倒數(shù)，在楠圓外的像素，其權(quán)值設(shè)為0,并利用 可調(diào)參數(shù)調(diào)節(jié)楠圓權(quán)重范圍；設(shè)第m條通信鏈路在第n個像素上的前向鏈路和后向鏈路的權(quán) 重分另Ij 為Wm, n, forward、Wm, n, backward ;建立權(quán)重矩陣W，W的第m,n元素Wm, n = Wm, n, forward + Wm, n, backward ；
[0011] 3)測量得到每條通信鏈路的陰影衰落y值，利用最小二乘和Ti化onov正則化得到 各像素處的X值，并對X進(jìn)行圖像重建：
式中，a為Ti化onov參數(shù)，Q為 Tildionov 矩陣；
[0012] 4)使UHF頻段的RFID設(shè)備在902MHz到928MHz頻段上進(jìn)行跳頻通信，在不同頻點上 分別進(jìn)行圖像重建，重復(fù)步驟3);
[0013] 5)分析每個頻點處得到的圖像重構(gòu)結(jié)果，判斷其定位結(jié)果的可信度，并劃分不同 等級
[0014] 6)根據(jù)5)中得到的可信度等級，各頻點上獲取的X定義為Xf,對各Xf進(jìn)行加權(quán)平均， 可W得到最終的重構(gòu)圖像寵，公式為：
-重構(gòu)圖像去中陰影衰落最多的f所 處像素位置即為待定位人員所處的位置。
【附圖說明】
[001引圖巧本發(fā)明流程框圖。
[OOW 圖幼UHF RFI峰內(nèi)人員被動式定位場景示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，下面結(jié)合圖1和圖2給出一個具體實例。本實例僅限于說 明本發(fā)明的一種實施方法，不代表對本發(fā)明覆蓋范圍的限制。
[001引 UHF RFID室內(nèi)人員被動式定位場景示意圖如圖2所示，是一個5mX5m的定位區(qū)域， 周圍分別放置16個標(biāo)簽及四個閱讀器。假設(shè)共有M條信號鏈路，定位區(qū)域劃分成N個均勻的 像素，所有鏈路的陰影衰落記為y，像素上的陰影衰落記為X。由于每個像素的陰影衰落與相 應(yīng)權(quán)重線性相加，即y = Wx+n，其中，W為權(quán)重模型，n為加性高斯白噪聲。通過測量得到y(tǒng)反推 出X，達(dá)到人員被動定位的目的。
[0019] 具體的方法實現(xiàn)過程描述如下：
[0020] 1)在待定位區(qū)域四周均勻部署多個無源標(biāo)簽，每個閱讀器分別放置在每條邊的中 屯、位置，將待定位區(qū)域化分成多個像素。
[0021] 2)計算適用于本場景的射頻層析成像權(quán)重模型，分別考慮前向鏈路與后向鏈路的 陰影衰落，其權(quán)重模型分別為Wm, n, forward、機(jī)1, n, backward。其中，第m條信號鏈路的長度為dm，第n 個像素的中屯、到第m條鏈路的兩個端點的長度分別表示為山,。,。，(12,",。，可調(diào)參數(shù)^:。^^3^<1、 入backward分別為前向鏈路與后向鏈路的楠圓形主軸長度與內(nèi)焦點距離dm的差。
[0022]
[0023]
[0024] 3)測量得出每條鏈路接收信號強度的陰影衰落值，利用最小二乘和吉洪諾夫 (Ti化onov)正則化進(jìn)行圖像重建。式中a為T化honov參數(shù)，Q為Ti化onov矩陣，W=Wm,n,f〇rward+ Wm, n, backward 〇
[0025]
[00%] 4)使得UHF頻段的RFID設(shè)備在902MHz到928MHz頻段上進(jìn)行跳頻通信，在不同頻率 上分別進(jìn)行圖像重建，重復(fù)步驟3)。
[0027] 5)分析每個頻點處得到的圖像重構(gòu)結(jié)果，判斷其定位結(jié)果的可信度，并劃分不同 等級目f。
[0028] 6)根據(jù)5)中得到的可信度等級，對所有圖像重構(gòu)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，得到最終的 重構(gòu)圖像。
[0029]
【主權(quán)項】
1. 一種基于射頻層析成像的室內(nèi)人員被動式定位方法，該方法將定位區(qū)域劃分成N個 均勻的像素，在室內(nèi)區(qū)域的外周布置UHF RFID標(biāo)簽及閱讀器，設(shè)閱讀器與標(biāo)簽之間共有M條 通信鏈路，每對閱讀器與標(biāo)簽之間的通信鏈路的陰影衰落記為y，像素上的陰影衰落記為X， y與X具有線性關(guān)系，即y=Wx+n，其中，W為權(quán)重矩陣，η為加性高斯白噪聲，人員處于定位區(qū) 域內(nèi)，會遮擋一部分通信鏈路，這部分通信鏈路測量y值相較于未被遮擋的鏈路會衰落很 多，根據(jù)以上關(guān)系將各通信鏈路陰影衰落y按權(quán)重分配到各像素，重構(gòu)出各像素的X衰落圖 像，找到陰影衰落最多的X所處像素的位置即為人員位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)人員被動式定位方法，其特征在于，包括下列步驟： 1) 選定矩形區(qū)域作為定位區(qū)域，在定位區(qū)域四周均勻部署多個UHF RFID標(biāo)簽，在矩形 的各條邊的中心位置各放置一個閱讀器； 2) 針對UHF RFID特有的反向散射的特點，采用橢圓權(quán)重模型，考慮前向鏈路與后向鏈 路的陰影衰落，分別計算前向鏈路與后權(quán)鏈路的權(quán)重，處于閱讀器和標(biāo)簽為焦點的橢圓范 圍內(nèi)的像素，權(quán)值設(shè)為橢圓內(nèi)焦距的開方倒數(shù)，在橢圓外的像素，其權(quán)值設(shè)為〇,并利用可調(diào) 參數(shù)調(diào)節(jié)橢圓權(quán)重范圍；設(shè)第m條通信鏈路在第η個像素上的前向鏈路和后向鏈路的權(quán)重分 力Ij犬JWm，n，forward、Wm，n，backward ; 建立權(quán)重矩陣W，W的第m，n元素 Wm，n = Win，n，f〇rward+Win， n, backward ； 3) 測量得到每條通信鏈路的陰影衰落y值，利用最小二乘和Tikhonov正則化得到各像 素處的X值，并對X進(jìn)行圖像重建:X = (WTW+aQpwTy，式中，α為Tikhonov參數(shù)，Q為Tikhonov 矩陣； 4) 使UHF頻段的RFID設(shè)備在902MHz到928MHz頻段上進(jìn)行跳頻通信，在不同頻點上分別 進(jìn)行圖像重建，重復(fù)步驟3); 5) 分析每個頻點處得到的圖像重構(gòu)結(jié)果，判斷其定位結(jié)果的可信度，并劃分不同等級 6) 根據(jù)5)中得到的可信度等級，各頻點上獲取的X定義為Xf，對各Xf進(jìn)行加權(quán)平均，可以 得到最終的重構(gòu)圖像f:，.公式戈重構(gòu)圖像f中陰影衰落最多的f所處像 素位置即為待定位人員所處的位置。
【文檔編號】G01S1/08GK106019209SQ201610313252
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】馬永濤, 侯振寰
【申請人】天津大學(xué)