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专利号: 2023102970317
申请人: 中南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于过完备角度字典优化技术的运动目标跟踪方法,包括如下步骤:S1. 获取运动目标的回波信号;

S2. 采用加窗时频分析方法针对步骤S1获取的回波信号进行估计处理,计算回波信号的瞬时频率值;

S3. 采用高阶多项式模型针对步骤S2获取的瞬时频率值进行拟合处理,获取瞬时频率的拟合曲线;

S4. 采用步骤S3获取的瞬时频率的拟合曲线求解瞬时频率倾斜角,通过求取的瞬时频率倾斜角构建过完备的瞬时频率倾斜角字典;具体包括:

1)求解瞬时频率倾斜角:

针对步骤S2获取的瞬时频率拟合曲线 求解曲线斜率,从而获得时频二维参数域内第i个目标的瞬时频率倾斜角的变化情况,采用下述公式求解:其中, 是瞬时频率拟合曲线的斜率, ; 为采样时长中的第n时刻,是回波信号的长度, 是瞬时频率的倾斜角, 是采样的时间, 是采样的频率;

2)构建过完备的瞬时频率倾斜角字典:

根据步骤1)求解得到的瞬时频率的倾斜角 ,采用下述公式构建过完备的瞬时频率倾斜角字典 :其

中,W 是字典扩展系数;2W+1、L和 分别为字典中原子的个数、回波信号的长度以及瞬时频率倾斜角扩展因子;

S5. 采用步骤S4构建的瞬时频率倾斜角字典针对步骤S1获取的回波信号进行时频分析处理,获取最优参数域分布;具体包括:在一段设定时间 内,将回波信号的瞬时频率等效当作线性函数处理,采用如下所述的公式进行表示:其中, 是 时刻的瞬时频率值, 是 时刻的瞬时频率的一阶导数值;

将设定时间 内的回波信号采用加窗时频变换进行处理;

采用过完备角度字典 中的字典原子 消除变换后公式中的项;

使用角度字典 对回波信号进行时频分析得到2W+1个时频分布,基于能量收敛准则,从2W+1个参数域分布中获取每个时频点 对应的最佳能量,进而得到最优参数域分布 ;

S6. 采用信号解调技术针对步骤S5获取的最优参数域分布进行处理,并采用特征值归类技术针对解调后的信号进行提取处理,构建回波信号的瞬时频率分量集;

S7. 采用步骤S6构建的瞬时频率分量集,合成运动目标的轨迹,完成对运动目标的追踪处理。

2.根据权利要求1所述的基于过完备角度字典优化技术的运动目标跟踪方法,其特征在于步骤S1所述的获取运动目标的回波信号,具体包括:采用多普勒穿墙雷达模块采集运动目标的回波信号数据,获得一维的目标回波信号,将雷达接收机接收到的目标信号 采用如下所示公式进行表述:其中, 是目标i的信号幅值, 是目标i的瞬时频率函数, 表示探测环境中的目标个数。

3.根据权利要求2所述的基于过完备角度字典优化技术的运动目标跟踪方法,其特征在于步骤S2所述的采用加窗时频分析方法针对步骤S1获取的回波信号进行估计处理,计算回波信号的瞬时频率值,具体包括:(1)采用加窗时频分析方法针对步骤S1获取的目标回波信号进行时频分析估计处理,得到运动目标的时频二维参数域,将加窗时频分析方法采用下述公式进行表述:其中, 是目标信号的时频二维参数域, 是频率,是时间, 是接收到的目标信号 , 是时频分析的窗函数;

(2)采用峰值搜索法提取时频二维参数域中第i个目标的瞬时频率值,将峰值搜索法采用下述公式进行表述:其中, 是估计处理得到的瞬时频率值。

4.根据权利要求3所述的基于过完备角度字典优化技术的运动目标跟踪方法,其特征在于步骤S3所述的采用高阶多项式模型针对步骤S2获取的瞬时频率值进行拟合处理,获取瞬时频率的拟合曲线,具体包括:采用高阶多项式模型针对步骤S2获取的瞬时频率值 进行拟合处理,采用下述公式进行表述:其中, 是拟合后的瞬时频率拟合曲线,N是高阶多项式的阶数,是高阶多项式的系数,是时间。

5.根据权利要求4所述的基于过完备角度字典优化技术的运动目标跟踪方法,其特征在于步骤S5所述的采用步骤S4构建的瞬时频率倾斜角字典针对步骤S1获取的回波信号进行时频分析处理,获取最优参数域分布,具体包括:采用步骤S4所述的瞬时频率倾斜角字典 针对步骤S1获取的回波信号 重新进行时频分析处理,根据能量收敛准则获取最优参数域分布 ;

在一段设定时间 内,将回波信号的瞬时频率等效当作线性函数处理,采用如下所述的公式进行表示:其中, 是 时刻的瞬时频率值, 是 时刻的瞬时频率的一阶导数值;

将设定时间 内的回波信号的数学模型采用下述公式表示:将设定时间 内的回波信号采用加窗时频变换进行处理,并采用下述公式表示:其中, 是回波信号的时频二维参数域;

采用过完备角度字典 中的字典原子 消除上述公式所述的项,实现回波信号的时频能量浓度提升,采用下述公式表示:其中, 是过完备角度字典 中的第 个原子, ,是采用字典原子 得到的优化参数域分布,是时间, 是频率, 是采样频率;

使用角度字典 对回波信号进行时频分析得到2W+1个时频分布,基于能量收敛准则,从2W+1个参数域分布中获取每个时频点 对应的最佳能量,进而得到最优参数域分布 ,采用如下所示公式表示:。

6.根据权利要求5所述的基于过完备角度字典优化技术的运动目标跟踪方法,其特征在于步骤S6所述的采用信号解调技术针对步骤S5获取的最优参数域分布进行处理,并采用特征值归类技术针对解调后的信号进行提取处理,构建回波信号的瞬时频率分量集,具体包括:①采用峰值搜索法针对步骤S5获取的最优参数域分布 进行第i个目标的瞬时频率的提取,采用下述公式进行表示:其中, 是第i个目标的瞬时频率;

②采用提取得到的瞬时频率 ,针对回波信号进行特征归类提取处理,获取第i个目标的回波分量:采用信号解调处理,将第i个目标的回波信号转化为自相关信号,作为特征归类提取前的预处理;

A.信号的解调处理:

采用下述公式表示信号的解调操作处理:

其中, 是解调后的信号, 是通过瞬时频率 构建的解调因子;

将解调后的信号 构建成一个二维矩阵,便于回波信号中自相关信号的分离处理,采用如下公式表示构建的二维的待处理矩阵:其中,矩阵 的行数m满足条件: L为奇数时,m=(L+1)/2,L为偶数时,m=L/2+1;矩阵的行数列数n满足以下条件:n=L‑m+1; 是二维的待处理矩阵, 是解调后的信号;

B.特征归类提取处理:

将二维的待处理矩阵 用下述公式进行表示:其中, 为信号的特征值矩阵,且矩阵中除对角线以外的其他位置数值均为0;

和 均为酉矩阵,且矩阵中的向量相互正交,同时 是 的共轭转置;

采用下述公式表示第i个目标回波的提取矩阵 :C. 构建回波信号的瞬时频率分量集:

针对特征提取获得的提取矩阵 构建二维矩阵的逆过程,将矩阵中的重叠位置相加后取均值,得到第i个目标的回波解调信号 ,利用构建的反解调因子得到第i个目标的回波信号 ,采用下述公式表示 :将提取出第i个目标的回波信号 从接收到的目标回波信号 中去除,同时将残差信号作为一个新的信号,返回加入步骤S1获取的回波信号中,参加下一次信号分量的提取,采用下述公式进行表示:其中, 是除去提取出的目标分量后的待处理信号。

7.根据权利要求6所述的基于过完备角度字典优化技术的运动目标跟踪方法,其特征在于步骤S7所述的采用步骤S6构建的瞬时频率分量集,合成运动目标的轨迹,完成对运动目标的追踪处理,具体包括:a.计算估计目标的距离和波达角:

多普勒穿墙雷达为双频连续波雷达,定义发射机发射的载波频率为f1和f2,两个接收机之间的间隔为d,使用接收机1来估计目标的距离变化,采用下述公式进行距离的计算:其中, 是目标距离雷达模块的距离, 是是真空中电磁波传播的速度, 和是接收机1在接收载波频率为f1和f2的回波信号的时回波信号的瞬时频率;

使用接收机1和接收机2联合工作来估计目标的波达角,采用下述公式进行波达角的计算:其中, 是目标信号的波达角, 是载波的波长, 是接收机2在接收载波频率为f1的回波信号时,回波信号的瞬时频率;

b.合成运动目标的运动轨迹:

根据步骤a中计算获得的距离和波达角,合成目标运动的坐标,进而合成运动轨迹;采用下述公式进行描述:根据计算获得的x轴和y轴坐标,在二维平面直角坐标系中画线,从而实现目标跟踪和运动轨迹估计。