一种鲁棒的本征谱构建方法及鲁棒的无线感知方法

1.本发明涉及无线感知技术领域，具体而言，尤其涉及一种鲁棒的本征谱构建方法及鲁棒的无线感知方法。


背景技术：

2.鲁棒的无线感知是当前无线感知领域的关键问题。当前，无线感知除了可以实现无设备定位，还可以感知目标的动作，手势，身份等。通常，人们会利用doppler谱实现这些感知任务。但是，doppler谱是径向速度谱，当目标的位置和方向发生变化时，相同感知任务的doppler谱将会发生很大变化，具体原理如图1所示。当目标在相同位置的不同方向运动相同位移时，如图1(a)所示，可以发现径向位移并不相同。同时，如图1(b)所示，当目标在不同位置的相同方向运动相同位移时，径向位移也不相同。基于上述原理，可以发现doppler谱并不能代表感知任务的本征特征。如图1(b)所示，当实际位移发生在径向上时，可以发现径向位移等于实际位移。因此，现有的方法通常要求目标在径向上运动，但是这些方法限制了无线感知的广泛应用。此外，一些文献也采用数据驱动的方法来解决该问题。通过采集不同方向和位置的大量数据进行训练，来提高识别精度。但是，这种方法需要消耗大量的人力来采集数据，而且当目标在未被训练的位置和方向运动时识别精度会戏剧性的下降。


技术实现要素：

3.根据上述提出的现有doppler谱会随着运动位置和方向改变的技术问题，而提供一种鲁棒的本征谱构建方法及鲁棒的无线感知方法。本发明根据感知任务本征特征建立本征速度与doppler之间的比例关系，然后根据这种比例关系以及设备可获取的doppler谱构建本征谱来代表感知任务的本征特征。
4.本发明采用的技术手段如下：
5.一种鲁棒的本征谱构建方法，包括以下步骤：
6.获取感知任务，根据感知任务的活动尺度获取感知任务的轨迹，包括对大尺度感知任务利用range和aoa信息获取轨迹，对小尺度感知任务利用两个不同位置的设备采集的range信息获取轨迹；
7.基于所述感知任务的轨迹获取能够代表感知任务本征特征的位移信息；
8.基于本征位移信息和相对于感知设备的range信息之间的关系建立本征速度与doppler之间的比例关系；
9.基于本征速度与doppler之间的比例关系和doppler谱，构建能够代表感知任务本征特征的本征谱。
10.进一步地，对大尺度感知任务利用range和aoa信息获取轨迹，包括：
11.采用range和aoa信息随时间的连续变化来描述目标的移动轨迹；
12.将所述移动轨迹按等时间间隔进行划分；
13.在每一个时间间隔用起点和终点的直线位移来逼近目标的实际位移。
14.进一步地，基于本征位移信息和相对于感知设备的range信息之间的关系建立本征速度与doppler之间的比例关系，包括：
15.根据以下公式利用每个时间间隔的直线位移和径向位移计算本征速度和doppler的比例：
[0016][0017]
其中，γ(t)表示每个时间间隔内本征速度和doppler的比例，点a表示目标在第t个时间间隔的起点位置，点b表示目标在第t个时间间隔的终点位置，点c表示对于感知设备而言第t个时间间隔目标的起点位置，r(ta)表示目标在点a时的range，r(tb)表示目标在点b时的range，θ(ta)表示目标在点a时的aoa，θ(tb)表示目标在点b时的aoa，t∈{1,2,
…
t}表示被划分的时间间隔索引，并且代表向下取整，g代表每个分段的时间间隔，i代表采样的chirp总数；
[0018]
再根据以下公式计算本征速度和doppler的比例：
[0019][0020]
其中，γc(j)表示第j个frame本征速度和doppler的比例，j∈[1,j]，j表示采样的总frame，数i
′
＝(j-1)h 1表示第j个frame的第一个chirp，h代表frame滑动窗大小，代表时间间隔的索引。
[0021]
进一步地，对小尺度感知任务利用两个不同位置的设备采集的range信息获取轨迹，包括：
[0022]
利用两个收发设备采集的range信息获取目标的移动轨迹；
[0023]
将所述目标的移动轨迹进行等时间划分并且在每一个时间间隔计算本征速度和doppler的比例，所述本征速度为目标的移动轨迹相对于虚拟原点的速度。
[0024]
进一步地，所述基于本征位移信息和相对于感知设备的range信息之间的关系建立本征速度与doppler之间的比例关系，包括：
[0025]
根据以下公式计算在每一个时间间隔，本征速度和doppler的比例：
[0026][0027]
其中，γ(t)表示每个时间间隔内本征速度和doppler的比例，t∈{1,2,
…
t}表示被划分的时间间隔索引，并且代表向下取整，g代表每个分段的时间间隔，i代表采样的chirp总数；
[0028]
再根据以下公式计算本征速度和doppler的比例：
[0029][0030]
其中，γc(j)表示第j个frame本征速度和doppler的比例，j∈[1,j]，j表示采样的总frame，i
′
＝(j-1)h 1表示第j个frame的第一个chirp，h代表frame滑动窗大小，
代表时间间隔的索引。
[0031]
进一步地，基于本征速度与doppler之间的比例关系和doppler谱，构建能够代表感知任务本征特征的本征谱，包括：
[0032]
根据以下公式计算获取本征谱：
[0033][0034]
其中，gs(k,j)表示第j个frame第k个doppler索引的rcs，k表示一个frame的chirp数，并且表示doppler谱ds的最小能量，γc(j)表示第j个frame本征速度和doppler的比例。
[0035]
本发明还公开了一种鲁棒的无线感知方法，包括以下步骤：
[0036]
根据上述方法构建感知任务的本征谱；
[0037]
利用所述本征谱代表感知任务的本征特征。
[0038]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0039]
1、本发明提出了一种感知任务相关的运动轨迹精确获取方法。对于大尺度活动，比如步态识别，可以通过range和aoa直接获取目标的走路路径；对于小尺度活动，比如手势识别，可以借助两个收发设备获取的range信息，基于动目标一定在以收发设备为圆心以range为半径的圆上的原理，获取手势轨迹。
[0040]
2、本发明提供了一种感知任务的本征速度与doppler的比例关系的获取方法。感知任务的本征速度是独立于目标执行感知任务的位置和方向，总是能够代表感知任务的本质特征的一种速度特征。对于不同的感知任务，本征速度略有不同。比如，步态识别，能够代表其本质特征的是目标的实际走路速度；对于手势识别，能够代表其本质特征的是手势轨迹相对于虚拟原点的速度信息，其中不管手势位置和方向如何变化，手势轨迹和虚拟原点的相对位置总是不变的。
[0041]
3、本发明提供了一种本征谱的构建方法，基于本征速度与doppler的比例关系和doppler谱，可以构造感知任务的本征谱。另外还提供了基于本征谱进行无线感知的方法。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1为传统方法中目标运动在不同位置和方向时实际位移和径向位移的关系，(a)表示当目标在相同位置的不同方向运动相同位移时径向位移不相同，(b)所示当目标在不同位置的相同方向运动相同位移时径向位移也不相同。
[0044]
图2为本发明一种鲁棒的本征谱构建方法流程图。
[0045]
图3为实施例中步态本征速度和doppler的比例的计算原理示意图。
[0046]
图4为实施例中同一个目标走在不同路径上时步态本征谱的构建示意图。
[0047]
图5为实施例中手势轨迹获取及虚拟原点确定的原理示意图，(a)表示利用两个收
发设备采集的range信息获取手势轨迹的原理图，(b)表示当目标在水平面上写c时获取的手势轨迹示意图。
[0048]
图6为实施例中手势本征速度和doppler的比例的计算原理示意图。
[0049]
图7为实施例中同一个目标在不同位置不同方向做手势时手势本征谱的构建示意图。
具体实施方式
[0050]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0051]
如图2所示，本发明公开了一种鲁棒的本征谱构建方法，包括以下步骤：
[0052]
s1、获取感知任务，根据感知任务的活动尺度获取感知任务的轨迹，包括对大尺度感知任务利用range和aoa信息获取轨迹，对小尺度感知任务利用两个不同位置的设备采集的range信息获取轨迹。在本发明优选的实施方式中，大尺度感知任务包括步态感知任务，小尺度感知任务为手势感知任务。
[0053]
s2、基于所述感知任务的轨迹获取能够代表感知任务本征特征的位移信息。
[0054]
s3、基于本征位移信息和相对于感知设备的range信息之间的关系建立本征速度与doppler之间的比例关系；
[0055]
s4、基于本征速度与doppler之间的比例关系和doppler谱，构建能够代表感知任务本征特征的本征谱。
[0056]
具体来说，本发明本征谱构建方法的工作流程如图2所示，整体上分为感知任务相关的运动轨迹获取阶段和本征谱构建阶段。在运动轨迹获取阶段，由于2发4收设备的aoa(angleof arrival，入射方向角)最小分辨率是15
°
，本发明根据感知任务的活动尺度大小，分别给出了感知任务轨迹的获取方法。针对大尺度感知任务，比如步态识别，本发明利用range和aoa信息构建了走路轨迹。针对小尺度感知任务，比如手势识别，本发明利用两个不同位置的设备采集的range信息获取手势动作的轨迹，其中4ghz带宽设备的最小距离分辨率为4.2cm。在本征谱构建阶段，本发明首先基于感知任务运动轨迹获取了能够代表感知任务本征特征的位移信息，然后基于本征位移信息和相对于感知设备的range信息之间的关系建立本征速度与doppler之间的比例关系，最后借助本征速度与doppler之间的比例关系和doppler谱，本发明构建了能够代表感知任务本征特征的本征谱，可用于感知任务的识别工作。
[0057]
下面通过具体的实施例对本发明的方案和效果做进一步说明。
[0058]
实施例1
[0059]
本实施例基于上述方法实现任意路径步态识别，主要任务为基于目标的走路轨迹，构建路径独立步态本征谱。本实施例中系统配置如下：
[0060]
1.系统工作在texas instrument awr1443 fmcw雷达收发设备；
[0061]
2.收发设备工作在77ghz并且带宽设置为1.75ghz，能够提供8.57cm的距离分辨
率；
[0062]
3.收发设备采用2发4收天线，借助tdm-mimo模式能够形成8元虚拟阵，提供15
°
的aoa分辨率。
[0063]
对于步态识别，本发明把目标的实际走路速度作为步态本征速度。目标走路是大尺度活动，本发明采用range和aoa信息随时间的连续变化来描述目标的走路路径。获取走路路径之后，本发明将其按等时间间隔进行划分，在每一个时间间隔用起点和终点的直线位移来逼近目标的实际位移，然后利用每个时间间隔的直线位移和径向位移计算步态本征速度和doppler的比例，如图3所示。具体地，对于任意两个连续的目标位置，本发明分析了它们之间的被估计直线位移和径向位移之间的映射关系。在图3中，点o(0,0)是雷达的位置，点a表示目标在第t个时间间隔的起点位置，点b表示目标在第t个时间间隔的终点位置，其中t∈{1,2,
…
t}表示被划分的时间间隔索引，并且代表向下取整，g代表每个分段的时间间隔，i代表采样的chirp总数。从图3所示的几何关系可以确定两个连续目标位置之间步态本征速度和doppler的比例为：
[0064][0065]
其中，γ(t)表示每个时间间隔内本征速度和doppler的比例，点a表示目标在第t个时间间隔的起点位置，点b表示目标在第t个时间间隔的终点位置，点c表示对于感知设备而言第t个时间间隔目标的起点位置，r(ta)表示目标在点a时的range，r(tb)表示目标在点b时的range，θ(ta)表示目标在点a时的aoa，θ(tb)表示目标在点b时的aoa，t∈{1,2,
…
t}表示被划分的时间间隔索引，并且代表向下取整，g代表每个分段的时间间隔，i代表采样的chirp总数。
[0066]
对于第j个frame，j∈[1,j]，步态本征速度和doppler的比例被定义为：
[0067][0068]
其中，γc(j)表示第j个frame本征速度和doppler的比例，j∈[1,j]，j表示采样的总frame，数i
′
＝(j-1)h 1表示第j个frame的第一个chirp，h代表frame滑动窗大小，代表时间间隔的索引。
[0069]
根据doppler谱和步态本征速度与doppler的比例，可以计算步态本征谱为：
[0070][0071]
其中，gs表示本征谱，gs(k,j)表示第j个frame第k个doppler索引的rcs，k表示一个frame的chirp数，并且表示doppler谱ds的最小能量，γc(j)表示第j个frame本征速度和doppler的比例。
[0072]
如图4所示，当同一个目标走在不同路径上时，doppler谱有较大差异。可以发现获得的步态本征谱是非常相似的，能够代表目标走路时的本质特征。
[0073]
实施例2
[0074]
本实施例基于上述方法实现任意位置和方向的手势识别，主要任务为基于手势轨迹，构建场景独立的手势本征谱。本实施例中系统配置如下：
[0075]
1.系统工作在texas instrument awr1443 fmcw雷达收发设备；
[0076]
2.收发设备工作在77ghz并且带宽设置为3.52ghz，能够提供4.26cm的距离分辨率。
[0077]
由于目标做手势的轨迹范围较小，本发明利用两个收发设备采集的range信息可以获取手势轨迹。具体原理如图5(a)所示，做手势时手的位置一定是在以收发设备为圆心，以range为半径的圆上。根据两个收发设备的位置，做手势时手的range信息，两个收发设备天线的方向，可以确定做手势时手的位置如图5(a)所示。做手势时手的轨迹被称为手势轨迹。当目标在水平面上写c时，可以获取的手势轨迹如图5(b)所示。为了使手势轨迹独立于目标做手势的位置和方向，本发明对手势轨迹建立了虚拟坐标系，使手势轨迹相对于虚拟原点的range总是不变的。具体地，如图5(b)所示，本发明用最小矩形包围手势轨迹，把最靠近轨迹终点d的矩形顶点作为a点，把与点a形成矩形短边的另一个顶点作为b点，边ab的中点作为点c，把满足以下3个条件的点作为虚拟原点v：
[0078]
(1)虚拟原点在包围手势轨迹的最小矩形的短边ab的中垂线上；
[0079]
(2)虚拟原点到点c的距离是dcm，d的大小是一个已知常数；
[0080]
(3)虚拟原点在包围手势轨迹的最小矩形的外侧。
[0081]
当获取手势轨迹及其虚拟原点后，可以获取手势轨迹相对于虚拟原点的range变化。本发明把手势轨迹相对于虚拟原点的速度作为手势本征速度。如图5(b)所示，本发明对其进行等时间划分并且在每一个时间间隔计算了手势本征速度和doppler的比例。手势本征速度和doppler的比例的计算原理如图6所示。在每一个时间间隔，手势本征速度和doppler的比例能够被表示为：
[0082][0083]
其中t∈{1,2,
…
t}，并且代表向下取整，g代表每个分段的时间间隔，i代表采样的chirp总数。对于第j个frame，j∈[1,j]，手势本征速度和doppler的比例被定义为：
[0084][0085]
其中i
′
＝(j-1)h 1表示第j个frame的第一个chirp，h代表frame滑动窗大小，代表时间间隔的索引。
[0086]
基于doppler谱和手势本征速度与doppler的比例，可以构造手势本征谱为：
[0087][0088]
其中，gs表示本征谱，gs(k,j)表示第j个frame第k个doppler索引的rcs，k表示一个frame的chirp数，并且表示doppler谱ds的最小能量，γc(j)表示第j个frame本征速度和doppler的比例。
[0089]
如图7所示，当同一个目标在不同位置和方向做手势时，doppler谱有较大差异。可以发现获得的手势本征谱是非常相似的，能够代表手势的本质特征。
[0090]
本发明实施例还公开了一种鲁棒的无线感知方法，包括以下步骤：
[0091]
根据上述方法构建感知任务的本征谱；
[0092]
利用所述本征谱代表感知任务的本征特征。
[0093]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0094]
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0095]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0096]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0097]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0098]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0099]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。