一种室内多目标被动式定位方法、系统及电子设备

1.本发明属于信号处理领域，特别涉及一种室内多目标被动式定位方法、系统及电子设备。


背景技术：

2.室内被动式定位是指在人不携带任何设备的情况下，在室内实现准确定位。目前室内定位支持越来越多的基于位置的服务和应用，例如包括入侵检测，老人监护以及犯罪分子的实时定位等等。然而，现有的基于视觉的定位技术受到照明条件和隐私问题的限制；而雷达设备往往需要价格昂贵的专门硬件设计，在现实生活中的部署受到限制。
3.由于wifi(wireless fidelity)设备无处不在，因此商用wifi设备为被动式室内定位估计提供了可能性。在现有技术中，基于wifi设备的定位方法主要依赖于对到达角(angle of arrival，aoa)或飞行时间(time of flight，tof)的估计。然而，由于商品wifi设备的带宽和天线数量有限，估计的aoa和tof的分辨率通常很低，从而导致现有技术中基于wifi设备的定位方法存在定位精度低、实际应用过程中受限制较大等问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种室内多目标被动式定位方法、系统及电子设备，以期至少解决上述问题之一。
5.根据本发明的实施例，提供了一种室内多目标被动式定位方法，包括：
6.在wifi设备的发射端和接收端分别布置阵元间距为半波长的智能反射表面和天线间距为半波长的均匀直线天线阵列，其中，智能反射表面用于反射wifi设备发出的信号；
7.利用均匀直线天线阵列接收的wifi信号和智能反射表面反射的wifi信号，计算波束成形矢量和相移矢量并优化均匀直线天线阵列和智能反射表面，获取单个目标的定位信息；
8.利用已定位目标的定位信息，优化智能反射表面的相位并消除已定位目标的信号干扰，实现对其他目标的定位；
9.迭代执行获取操作、优化操作、消除操作以及定位操作，直到室内的所有目标被定位。
10.根据本发明的实施例，上述计算波束成形矢量和相移矢量并优化均匀直线天线阵列和智能反射表面，获取单个目标的定位信息包括：
11.将室内空间分割成多个子空间；
12.计算每个子空间的均匀直线天线阵列的波束成形矢量和智能反射表面的相移矢量；
13.根据智能反射表面的相移矢量配置智能反射表面，获取多路回波信号；
14.利用波束成形矢量，对多路回波信号进行叠加，获取单个目标的回波信号；
15.在连续时间段内，通过对单个目标的回波信号进行信号处理以消除室内非活动目
标的干扰信号，获取单个目标的接收信号；
16.通过比较接收信号的强度，将信号强度最大的子空间作为单个目标的空间位置。
17.根据本发明的实施例，上述将室内空间分割成多个子空间包括：
18.利用多级空间分割法将室内空间进行一级分割，获得多个一级子空间；
19.从一级子空间中选择信号幅度最大的子空间进行二级分割，获得多个子空间。
20.根据本发明的实施例，上述波束成形矢量由公式(1)表示：
[0021][0022]
其中，表示第(x,y)个子空间、均匀直线天线阵列的第n个接收天线的波束成形矢量，j表示复信号，λ表示信号波长，d
to
(x,y)表示从发射天线到第(x,y)个子空间的距离，表示第(x,y)个子空间到第n个接收天线的距离。
[0023]
根据本发明的实施例，上述相移矢量配置由公式(2)表示：
[0024][0025]
其中，表示第(x,y)个子空间、第m个智能反射表面元件的相移矢量，j表示复信号，λ表示信号波长，表示第(x,y)个子空间到第m个智能反射表面元件的距离，表示发射天线到第m个智能反射表面元件的距离。
[0026]
根据本发明的实施例，上述利用已定位目标的定位信息，优化智能反射表面的相位并消除已定位目标的信号干扰，实现对其他目标的定位包括：
[0027]
将室内空间分割成多个子空间；
[0028]
计算多个子空间的波束成形矢量和相移矢量并将波束成形矢量和相移矢量进行叠加，获得多个子空间的回波信号；
[0029]
根据已定位目标的空间位置信息优化智能反射表面的相移矢量用于最小化已定位目标的信号，获取优化后的目标的回波信号；
[0030]
将已定位目标的回波信号进行最小化处理，获得最小化后的已定位目标的回报信号；
[0031]
通过在连续时间内对其他目标的回波信号和室内非活动目标的回波信号进行运算，获取消除多径干扰的其他目标的回波信号；
[0032]
对优化后的目标的回波信号进行多径干扰消除，并对子空间的信号进行比较，获得信号强度最大的子空间的空间位置，实现对其他目标的定位。
[0033]
根据本发明的实施例，上述已定位目标的回波信号包括由wifi设备发射的、直接到达目标的信号和经由智能反射表面发射到达目标的信号；
[0034]
其中，将已定位目标的回波信号进行最小化处理由公式(3)和公式(4)表示：
[0035]
min|sd|
ꢀꢀ
(3)，
[0036][0037]
其中，φ
max
用于限制小相位扰动的幅度，δq表示对智能反射表面添加的小相位扰动。
[0038]
根据本发明的实施例，对公式(3)和公式(4)进行求解包括半正定规划法、内点法以及特征值分解法。
[0039]
根据本发明的实施例，提供了一种室内多目标定位系统，包括：
[0040]
布置模块，用于在wifi设备的发射端和接收端分别布置阵元间距为半波长的智能反射表面和天线间距为半波长的均匀直线天线阵列，其中，智能反射表面用于反射wifi设备发出的信号；
[0041]
计算优化模块，用于利用均匀直线天线阵列接收的wifi信号和智能反射表面反射的wifi信号，计算波束成形矢量和相移矢量并优化均匀直线天线阵列和智能反射表面，获取单个目标的定位信息；
[0042]
多目标定位模块，用于利用已定位目标的定位信息，优化智能反射表面的相位并消除已定位目标的信号干扰，实现对其他目标的定位；
[0043]
迭代模块，用于迭代执行获取操作、优化操作、消除操作以及定位操作，直到室内的所有目标被定位。
[0044]
根据本发明的实施例，提供了一种电子设备，包括：
[0045]
一个或多个处理器；
[0046]
存储装置，用于存储一个或多个程序，
[0047]
其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行上述的方法。
[0048]
本发明提供的定位方法，能够消除室内环境中的多径干扰，分离出不同的目标反射的信号，提高设备的空间分辨率，实现对多目标的精确定位。
附图说明
[0049]
图1是根据本发明实施例的室内多目标被动式定位方法的流程图；
[0050]
图2是根据本发明实施例的室内多目标被动式定位方法的场景示意图；
[0051]
图3是根据本发明实施例的获取单个目标定位信息的流程图；
[0052]
图4是根据本发明实施例的单目标场景下多级定位的示意图；
[0053]
图5是根据本发明实施例的实现其他目标定位的流程图；
[0054]
图6是根据本发明实施例的多个目标场景下的迭代定位的示意图；
[0055]
图7是根据本发明实施例的采用小相位扰动干扰目标消除方法的效果示意；
[0056]
图8是利用本发明实施例的定位方法对单个目标进行定位的轨迹示意图；
[0057]
图9是利用本发明实施例的定位方法对两个目标进行定位的轨迹示意图；
[0058]
图10是利用本发明实施例的定位方法对三个目标进行定位的轨迹示意图；
[0059]
图11是根据本发明的实施例的室内多目标定位系统示意图；
[0060]
图12是根据本发明实施例的适于实现室内多目标被动式定位方法的电子设备的方框图。
具体实施方式
[0061]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0062]
wifi设备中的信道状态信息(channel state information，csi)描述了信号在室内环境中经历的衰减和相移。而室内目标(例如人)的运动、呼吸等都可以使得接收到的wifi信号产生相应的变化，从而为利用wifi信号对室内目标位置提供了可能。
[0063]
智能反射表面(intelligent reflect surface，irs)是一种由大量小型无源元件组成的数控超表面，其中每个元件都可以通过改变施加的控制电压来独立实现对入射信号的相位控制。与传统相控阵需要高功耗和高硬件成本不同，智能反射表面通过被动反射输入信号从而具有更低的功耗和实现成本。此外，智能反射表面还具有其他优势,例如全双工模式和灵活部署特性。凭借大量低成本的可控元件，智能反射表面提供了新的自由度，可以突破传统商用wifi设备分辨率低的限制，而无需对现有基础设施进行任何更改。
[0064]
室内多目标定位一个常用场景是对室内多个目标人物的定位。室内多人场景下定位的一大挑战是多径干扰。室内环境中的静态干扰信号往往要强于人反射的信号，对人体定位造成了极大的干扰。此外，在多人场景下，不同人之间反射的信号也存在相互干扰，由于距离的不同，远处的人反射的信号能量会比近处的人弱很多，导致远处目标的反射变得模糊，难以被检测到。因此，为了准确定位人体位置，首先要从收到的信号中分离出各个人反射的信号。
[0065]
在本发明的技术方案中，所涉及的个人定位数据的收集、存储、使用、加工、传输、提供或应用，均符合相关法律法规的规定，在获取相关待定位个人授权的情况下执行，采取了必要保密措施，且不违背公序良俗。
[0066]
本发明提供了一种室内多目标被动式定位方法及系统。该方法包括通过在wifi设备上布置智能反射表面和天线阵列，将智能反射表面当作无源被动式雷达用于辅助定位，并通过最大化移动目标与多径干扰之间的信号幅度差异来实现对智能反射表面和接收天线阵列的联合优化，从而实现了室内单个目标精准定位；同时利用已经定位的目标，优化智能反射表面的相位，并消除已定位目标的信号干扰，实现对其他目标的定位，重复执行上述优化和消除操作，直到室内所有的目标被精准定位。
[0067]
图1是根据本发明实施例的室内多目标被动式定位方法的流程图。
[0068]
如图1所示，上述室内多目标被动式定位方法包括操作s110～操作s140。
[0069]
在操作s110，在wifi设备的发射端和接收端分别布置阵元间距为半波长的智能反射表面和天线间距为半波长的均匀直线天线阵列，其中，智能反射表面用于反射wifi设备发出的信号。
[0070]
智能反射表面用于反射wifi设备发出的信号，可以看作无源被动式相控雷达；同时由于智能反射表面布置在wifi设备的发射端，因此能够先于均匀直线天线阵列接收到wifi设备发射的信号前反射wifi设备发出的信号。
[0071]
在操作s120，利用均匀直线天线阵列接收的wifi信号和智能反射表面反射的wifi信号，计算波束成形矢量和相移矢量并优化均匀直线天线阵列和智能反射表面，获取单个目标的定位信息；
[0072]
均匀直线天线阵列接收到的信号包括两个方面：一是wifi设备发射的、直接到达室内目标的信号后，经过室内目标反射回来的信号；二是经过智能反射表面发射再到达室内目标的信号后，经过室内目标反射回来的信号；这两种信号由于在相位、幅度等存在不同，能够通过最大化移动目标与多径干扰之间的信号幅度差异来实现对智能反射表面和接
收天线阵列的联合优化，进而实现对第一个人的精确定位。
[0073]
在操作s130，利用已定位目标的定位信息，优化智能反射表面的相位并消除已定位目标的信号干扰，实现对其他目标的定位；
[0074]
上述已定位目标的定位信息即在操作s120中获得的单个目标的定位信息，上述已定位目标的定位信息包括已定位目标的空间位置信息，通过利用已经定位的目标的空间位置信息，可以有效地优化智能反射表面，如优化智能反射表面的相位等，从而实现智能反射表面反射wifi信号的优化，从而实现均匀直线天线阵列对其他室内目标的信号分离和检测。
[0075]
在操作s140，迭代执行获取操作、优化操作、消除操作以及定位操作，直到室内的所有目标被定位。
[0076]
通过获取待定位目标的定位信息，优化智能反射表面配置，在用优化后的智能反射表面定位下一个目标所在的子空间，在消除已定位目标和室内其他非活动目标的多径干扰后，可以实现对其他待定位目标的定位。重复执行上述操作，直到检测出的信号强度低于噪声阈值，从而实现将室内所有目标进行定位。
[0077]
上述室内多目标被动式定位方法通过利用智能反射表面辅助定位，能够实现多目标、多噪声、多干扰信号的场景下的定位。同时，本发明实施例提供的上述定位方法不仅可以利用wifi设备，也可以利用任何具有信号发射和信号接收功能的设备；此外，室内目标可以包括人等活动目标。
[0078]
图2是根据本发明实施例的室内多目标被动式定位方法的示意图。
[0079]
下面结合图2对本发明实施例的定位方法做进一步的说明。
[0080]
如图2所示，上述定位方法在信号利用发射机发射信号，通过智能反射表面反射信号，到达目标(例如人等活动的、可移动的非静态目标)有两条路径，其中直接路径不经过智能反射表面的反射，而智能反射表面发射路径经过了智能反射表面的反射；接收机不仅接收了目标发射的上述两路信号，还接收了静态反射体(室内非活动目标)反射回来的信号。通过对上述多径干扰的处理，可以有效分离出活动目标的信号，在通过对上述活动目标的信号进行处理，就可以实现对室内活动目标的定位。
[0081]
图3是根据本发明实施例的获取单个目标定位信息的流程图。
[0082]
如图3所示，包括操作s310～操作s360。
[0083]
在操作s310，将室内空间分割成多个子空间；
[0084]
在操作s320，计算每个子空间的均匀直线天线阵列的波束成形矢量和智能反射表面的相移矢量；
[0085]
在操作s330，根据智能反射表面的相移矢量配置智能反射表面，获取多路回波信号；
[0086]
在操作s340，利用波束成形矢量，对多路回波信号进行叠加，获取单个目标的回波信号；
[0087]
在操作s350，在连续时间段内，通过对单个目标的回波信号进行信号处理以消除室内非活动目标的干扰信号，获取单个目标的接收信号；
[0088]
在操作s360，通过比较接收信号的强度，将信号强度最大的子空间作为单个目标的空间位置。
[0089]
根据本发明的实施例，上述将室内空间分割成多个子空间包括：
[0090]
利用多级空间分割法将室内空间进行一级分割，获得多个一级子空间；
[0091]
从一级子空间中选择信号幅度最大的子空间进行二级分割，获得多个子空间。
[0092]
通过对室内空间多级分割，能够降低计算复杂度，提高实时性。对室内空间首先进行粗分割，然后选择选择幅度最大的子空间进行细粒度分割，实现精确定位。
[0093]
图4是根据本发明实施例的单目标场景下多级定位的示意图。
[0094]
如图4所示，首先对室内空间进行分割，分隔成多个子空间；然后接收每个子空间的信号，对信号强度较大的子空间再进行细粒度扫描和分割，从而获取单个目标的空间位置信息。
[0095]
根据本发明的实施例，上述波束成形矢量由公式(1)表示：
[0096][0097]
其中，表示第(x,y)个子空间、均匀直线天线阵列的第n个接收天线的波束成形矢量，j表示复信号，λ表示信号波长，d
to
(x,y)表示从发射天线到第(x,y)个子空间的距离，表示第(x,y)个子空间到第n个接收天线的距离。
[0098]
根据本发明的实施例，上述相移矢量配置由公式(2)表示：
[0099][0100]
其中，表示第(x,y)个子空间、第m个智能反射表面元件的相移矢量，j表示复信号，λ表示信号波长，表示第(x,y)个子空间到第m个智能反射表面元件的距离，表示发射天线到第m个智能反射表面元件的距离。
[0101]
通过利用上述公式计算波束成形矢量和智能反射表面的相移矢量，使用计算得到的接收端波束成形矢量和智能反射表面的相移矢量对每个子空间发射wifi信号并接收回波信号，利用静态多径时不变而移动目标(例如人)的信号随时间变化这一特性，在连续时间范围内执行做差以去除来自静态反射体的干扰信号，并比较选择接收信号最强的子空间即为目标的位置，可以更加有效的对室内目标的定位。
[0102]
图5是根据本发明实施例的实现其他目标定位的流程图。
[0103]
如图5所示，上述利用已定位目标，实现室内多个其他目标定位的方法包括操作s510～操作s560。
[0104]
在操作s510，将室内空间分割成多个子空间。
[0105]
对室内空间进行多级的分割所形成的多个子空间，其反射的信号在相位、幅度等方面各不相同，能够更加方便的获取室内目标的空间位置信息。
[0106]
在操作s520，计算多个子空间的波束成形矢量和相移矢量并将波束成形矢量和相移矢量进行叠加，获得多个子空间的回波信号。
[0107]
在操作s530，根据已定位目标的空间位置信息优化智能反射表面的相移矢量用于最小化已定位目标的信号，获取优化后的目标的回波信号。
[0108]
在操作s540，将已定位目标的回波信号进行最小化处理，获得最小化后的已定位
目标的回波信号。
[0109]
在操作s550，通过在连续时间内对其他目标的回波信号和室内非活动目标的回波信号进行运算，获取消除多径干扰的其他目标的回波信号。
[0110]
在操作s560，对优化后的目标的回波信号进行多径干扰消除，并对子空间的信号进行比较，获得信号强度最大的子空间的空间位置，实现对其他目标的定位。
[0111]
上述对室内其他目标进行定位的方法，首先对室内空间进行分割，根据每个子空间的空间位置，计算每个子空间的波束成形矢量和智能反射表面的相移矢量，并且根据已经定位目标的波束成形矢量和智能反射表面的相移矢量，对智能反射表面添加小相位扰动δq，从而实现已定位目标的反射信号的最小化，为后续的多径干扰消除奠定基础；同时，根据得到的接收端波束成形矢量和智能反射表面的相移矢量对每个子空间发射wifi信号并接收回波信号，在连续的时间范围内执行做差以去除来自静态反射体的干扰信号，比较选择接收信号最强的子空间即为下一个目标的位置。通过重复执行上述定位方法，当检测出的信号强度低于噪声阈值时，室内所有目标(活动的、非静态的目标，例如人)均已被定位时。
[0112]
图6是根据本发明实施例的多个目标场景下的迭代定位的示意图。
[0113]
如图6所示，每次迭代时，充分利用上次已定位的目标的空间位置信息，通过均匀直线天线阵列获取其他目标的接收信号，优化智能反射表面的相移矢量，从而实现新的目标的定位；每次迭代定位的过程中，都进行多径干扰消除，排除已定位目标和静态非活动目标的信号干扰，这样可以提高目标定位的精度，也可以提高定位的时效性。
[0114]
根据本发明的实施例，上述已定位目标的回波信号包括由wifi设备发射的、直接到达目标的信号和经由智能反射表面发射到达目标的信号；
[0115]
其中，将已定位目标的回波信号进行最小化处理由公式(3)和公式(4)表示：
[0116]
min|sd|
ꢀꢀ
(3)，
[0117][0118]
其中，φ
max
用于限制小相位扰动的幅度，δq表示对智能反射表面添加的小相位扰动。
[0119]
根据本发明的实施例，对公式(3)和公式(4)进行求解包括半正定规划法(semi-definite programming，sdp)、内点法以及特征值分解法，通过利用上述方法求解可以得到智能反射表面的相移矢量为q＝δq
×
q0。
[0120]
图7是根据本发明实施例的采用小相位扰动干扰目标消除方法的效果示意，其中a图是优化前，b图是优化后。
[0121]
从图7可以看出，采用本发明实施例的小相位扰动干扰目标消除方法能够有效的消除多径干扰，包括但不限于已定位目标的信号干扰、静态非活动目标的信号干扰等。
[0122]
图8是利用本发明实施例的定位方法对单个目标进行定位的轨迹示意图。
[0123]
图9是利用本发明实施例的定位方法对两个目标进行定位的轨迹示意图。
[0124]
图10是利用本发明实施例的定位方法对三个目标进行定位的轨迹示意图。
[0125]
参见图8-图10，利用本发明实施例提供的定位方法，既能实现对单个目标的精确定位，也能在多个目标共存的情况下，实现对多个目标的精确定位。
[0126]
图11是根据本发明的实施例的室内多目标定位系统示意图。
[0127]
如图11所示，系统1100包括布置模块1110，计算优化模块1120、多目标定位模块1130以及迭代模块1140。
[0128]
布置模块1110，用于在wifi设备的发射端和接收端分别布置阵元间距为半波长的智能反射表面和天线间距为半波长的均匀直线天线阵列，其中，智能反射表面用于反射wifi设备发出的信号；
[0129]
计算优化模块1120，用于利用均匀直线天线阵列接收的wifi信号和智能反射表面反射的wifi信号，计算波束成形矢量和相移矢量并优化均匀直线天线阵列和智能反射表面，获取单个目标的定位信息；
[0130]
多目标定位模块1130，用于利用已定位目标的定位信息，优化智能反射表面的相位并消除已定位目标的信号干扰，实现对其他目标的定位；
[0131]
迭代模块1140，用于迭代执行获取操作、优化操作、消除操作以及定位操作，直到室内的所有目标被定位。
[0132]
本发明实施例提供的定位系统，能够消除室内环境中的多径干扰，分离出不同的目标反射的信号，提高设备的空间分辨率，实现对多目标的精确定位。
[0133]
图12是根据本发明实施例的适于实现室内多目标被动式定位方法的电子设备的方框图。
[0134]
如图12所示，根据本发明实施例的电子设备1200包括处理器1201，其可以根据存储在只读存储器(rom)1202中的程序或者从存储部分1208加载到随机访问存储器(ram)1203中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器1201例如可以包括通用微处理器(例如cpu)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(asic))等等。处理器1201还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器1201可以包括用于执行根据本发明实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
[0135]
在ram 1203中，存储有电子设备1200操作所需的各种程序和数据。处理器1201、rom 1202以及ram 1203通过总线1204彼此相连。处理器1201通过执行rom 1202和/或ram 1203中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，程序也可以存储在除rom 1202和ram 1203以外的一个或多个存储器中。处理器1201也可以通过执行存储在一个或多个存储器中的程序来执行根据本发明实施例的方法流程的各种操作。
[0136]
根据本公开的实施例，电子设备1200还可以包括输入/输出(i/o)接口1205，输入/输出(i/o)接口1205也连接至总线1204。电子设备1200还可以包括连接至i/o接口1205的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分1206；包括诸如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分1207；包括硬盘等的存储部分1208；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1209。通信部分1209经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1210也根据需要连接至i/o接口1205。可拆卸介质1211，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1210上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1208。
[0137]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。