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专利号: 2023117923130
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:2026-10-10
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于神经网络的时频分析的多普勒穿墙雷达定位方法,包括如下步骤:S1.构建多目标运动在多普勒穿墙雷达解调后的回波信号;

S2.通过Winger‑Ville分布针对步骤S1构建的回波信号进行时频分析处理,获得对应的时频分布,并采用获得的时频分布和构建的回波信号构建融合数据集;

S3.构建多输入神经网络模型,采用步骤S2构建融合数据集针对构建的模型进行训练处理,同时更新模型参数,构建最优时频分布预测模型;

S4.获取实时采集的回波信号,通过Winger‑Ville分布进行时频分析处理,获得对应的时频分布,同时采用实时采集的回波信号和对应的时频分布,构建实时融合数据集;

S5.采用步骤S4构建的实时融合数据集,通过步骤S3构建的最优时频分布预测模型,获得预测时频分布;

S6.提取步骤S5获得的预测时频分布的多目标瞬时频率,通过多普勒穿墙雷达定位算法估计目标的距离和角度信息,完成对多目标的定位。

2.根据权利要求1所述的基于神经网络的时频分析的多普勒穿墙雷达定位方法,其特征在于步骤S1所述的构建多目标运动在多普勒穿墙雷达解调后的回波信号,具体包括:构造若干个随机参数,采用下述公式建立4次随机瞬时频率函数:

2 3

IFi(t)=Hi+2tJi+3Kit+4Lit

其中,IFi(t)表示第i个目标的瞬时频率,瞬时频率为多输入神经网路模型的训练参数;

Hi表示第i个信号的一次频率偏移;Ji表示第i个信号的二次频率偏移;Ki表示第i个信号的三次频率偏移;Li表示第i个信号的四次频率偏;t表示时间;

模拟多目标运动的回波信号数据,获得一维的回波信号数据,构建接收到的目标回波信号x(t),采用下述公式表示:其中,每个信号包括N个子信号;N表示正态分布;Ai(t)表示第i个载波信号的幅值;M表示信号的常数项。

3.根据权利要求2所述的基于神经网络的时频分析的多普勒穿墙雷达定位方法,其特征在于步骤S2所述的通过Winger‑Ville分布针对步骤S1构建的回波信号进行时频分析处理,获得对应的时频分布,并采用获得的时频分布和构建的回波信号构建融合数据集,具体包括:通过Winger‑Ville分布进行时频分析处理,采用下述公式表示Winger‑Ville分布的处理过程:*

xWVD(t,f)=∫x(t+τ/2)·x(t‑τ/2)·exp(‑j2πfτ)dτ*

其中,xWVD表示经过Winger‑Ville分布进行时频分析处理后得到的时频分布;x (t)表示x(t)的共轭;τ表示时延;f表示瞬时频率;

采用通过Winger‑Ville分布进行时频分析处理得到的时频分布矩阵,和步骤S1构建的回波信号,构建融合数据集。

4.根据权利要求3所述的基于神经网络的时频分析的多普勒穿墙雷达定位方法,其特征在于步骤S3所述的构建多输入神经网络模型,采用步骤S2构建融合数据集针对构建的模型进行训练处理,同时更新模型参数,构建最优时频分布预测模型,具体包括:(3‑1)构建多输入神经网络模型:

多输入神经网络模型包括多输入编码结构、交叉项抑制结构、输出部分;

1)多输入编码结构包括输入信号、二维卷积编码、一维复数卷积编码Convl;

输入包括一维复数信号和Winger‑Ville分布‑时频分布,其中,一维复数信号包括信号实部和信号虚部;

二维卷积编码包括三个二维卷积层;

一维复数卷积编码Convl包括两个一维卷积层;

输入的WVD‑TFR,通过二维卷积编码,得到二维卷积编码的输出矩阵C;

定义实部信号经过一维卷积得到的矩阵为A,虚部信号经过一维卷积得到的矩阵为B,采用下述公式计算输出维度:(A‑B)+(A+B)i

通过上述计算得到的输出维度,再通过重组后得到的矩阵D与矩阵C进行Concat融合处理,得到输出矩阵E,作为交叉项抑制结构的输入;

2)在交叉项抑制结构中,包括15个残差结构编码器和15个残差结构解码器;每一个残差结构编码器包括一个大小为(3,3)的二维卷积层、一个Relu激活函数;每一个残差结构解码器包括一个大小为(3,3)的二维反卷积层、一个Relu激活函数;

在编码器与解码器的连接中,第一个编码器的输出作为第二个编码器的输入,同时也作为第十五个解码器的输入;第二个编码器的输出作为第三个编码器的输入,也作为第十四个解码器的输入;第三个编码器的输出作为第四个编码器的输入,也作为第十三个解码器的输入;第四个编码器的输出作为第五个编码器的输入,也作为第十二个解码器的输入;

第五个编码器的输出作为第六个编码器的输入,也作为第十一个解码器的输入;第六个编码器的输出作为第七个编码器的输入,也作为第十个解码器的输入;第七个编码器的输出作为第八个编码器的输入,也作为第九个解码器的输入;第八个编码器的输出作为第九个编码器的输入;第九个编码器的输出作为第十个编码器的输入,也作为第七个解码器的输入;第十个编码器的输出作为第十一个编码器的输入,也作为第六个解码器的输入;第十一个编码器的输出作为第十二个编码器的输入,也作为第五个解码器的输入;第十二个编码器的输出作为第十三个编码器的输入,也作为第四个解码器的输入;第十三个编码器的输出作为第十四个编码器的输入,也作为第三个解码器的输入;第十四个编码器的输出作为第十五个编码器的输入,也作为第二个解码器的输入;第十五个编码器的输出作为第一个编码器的输入;

步骤1)中通过融合到的矩阵E不仅作为残差结构编码器的输入,还与残差结构解码器输出的特征矩阵F相融合,共同作为交叉项抑制结构的输出,得到交叉项抑制结构的输出矩阵G;

3)步骤2)中得到的交叉项抑制结构的输出矩阵G,通过一个二维卷积层,得到特征矩阵H;最后通过一个二维卷积层,降维后得最终的优化谱图;通过对优化谱图进行反向传播处理,实现对网络中的参数的优化;

(3‑2)训练模型:

采用步骤S1构建的融合数据集训练步骤(3‑1)构建的多输入神经网络模型,同时采用验证集数据,针对模型的准确度进行估计处理;

选取步骤S1构建的融合数据集中的部分数据,组成验证集数据;

选取步骤S1构建的融合数据集中的部分数据,组成验证集数据;

(3‑3)构建最优时频分布预测模型:

重复上述步骤(3‑2),基于上一次的训练结果,针对模型的参数进行调整,直至满足设定条件,停止模型的重复训练,获得最优时频分布预测模型;

设定条件包括判断多输入神经网络模型输出的增强时频谱图的时频分辨率是否在设定范围内,如果时频分辨率在设定范围内,则停止模型训练,并将对应的模型确定为最优时频分布预测模型;如果时频分辨率不在设定范围内,则继续对网络模型进行训练,直至时频分辨率包括在设定范围内。

5.根据权利要求4所述的基于神经网络的时频分析的多普勒穿墙雷达定位方法,其特征在于步骤S6所述的提取步骤S5获得的预测时频分布的多目标瞬时频率,通过多普勒穿墙雷达定位算法估计目标的距离和角度信息,完成对多目标的定位,具体包括:(6‑1)提取预测时频分布的多目标瞬时频率:

通过峰值检测法,提取预测时频分布的多目标瞬时频率;

采用下述公式表示峰值检测法:

其中, 表示第i次迭代得到的瞬时频率曲线;xWVD(t,f)表示经过Winger‑Ville分布进行时频分析处理后得到的时频分布;

(6‑2)多普勒穿墙雷达定位算法:

多普勒穿墙雷达定位算法包括距离估计算法和波达角估计算法;距离估计算法根据目标的瞬时频率,实时估计目标与发射机之间距离的大小;波达角估计算法根据目标的瞬时频率,实时估计目标与发射机之间夹角的大小;

(6‑3)定位多目标:

采用步骤(6‑2)计算得到的目标的距离和波达角,采用下述公式表示二维笛卡尔坐标系下的目标的距离和波达角:x=Rsinθ

y=Rcosθ

其中,x表示目标运动的横坐标;y表示目标运动的纵坐标。

6.根据权利要求5所述的基于神经网络的时频分析的多普勒穿墙雷达定位方法,其特征在于包括的距离估计算法,具体包括:通过发射机Tx和接收机Rx1获取目标与雷达之间的距离;

采用f1、f2分别表示发射机发射信号的两种载波频率;采用下述公式表示多普勒穿墙雷达的发射信号:其中,Tx(t)表示发射信号包括两个载波信号;φ1表示第一个载波信号的初始相位、φ2表示第二个载波信号的初始相位;

针对雷达接收机接收到的回波信号进行调解处理,得到下述公式:其中,Rx1(t)表示接收机Rx1接收到的回波信号;R1表示目标与发射机之间的距离;R2表示目标与接收机Rx1之间的距离;Rx2(t)表示接收机Rx2接收到的回波信号;R3表示目标与接收机Rx2之间的距离;c表示电磁波的速度;

通过近似表示R1≈R2,采用下述公式表示两个接收机的相位:其中, 表示接收机Rx1的相位; 表示接收机Rx2的相位;

采用下述公式表示目标运动的距离公式:

其中,R表示目标的距离; 表示接收机Rx1在载波频率为f1的回波信号下的瞬时频率; 表示接收机Rx2在载波频率为f1的回波信号下的瞬时频率。

7.根据权利要求6所述的基于神经网络的时频分析的多普勒穿墙雷达定位方法,其特征在于包括的波达角估计算法,具体包括:通过发射机Tx和接收机Rx1、Rx2获取目标与雷达之间的波达角;

采用d表示接收机Rx1与接收机Rx2之间的距离;

采用下述公式表示接收机Rx1与接收机Rx2之间的回波信号的相位差:其中,θ表示目标的波达角;λ1表示载波频率为f1的回波信号对应的波长;

采用下述公式计算波达角:

其中, 表示接收机Rx2在载波频率为f1的回波信号下的瞬时频率。