隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法，主要解决目标被遮挡时不能对目标进行跟踪的问题。本发明专利技术实现的步骤如下：(1)获取运动目标的观测值；(2)构构建隧道模型；(3)获取观测值对应的传播状态；(4)判断是否存在直达波，若是，则执行步骤(6)，否则，结束；(5)将隧道外的观测值转换为隧道内运动目标的观测值；(6)构建目标状态模型；(7)对目标进行粒子跟踪跟踪滤波。本发明专利技术通过构造统一的观测矩阵充分提取回波中的直达波与多径回波信息，实现对隧道内运动目标的稳定准确跟踪。

【技术实现步骤摘要】
隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法
本专利技术属于通信
，更进一步涉及雷达通信
中的一种隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法。本专利技术可以对毫米波雷达实时回波数据进行处理，实现隧道交通领域的运动目标跟踪。
技术介绍
运动目标跟踪技术是指，利用传感器对运动目标进行探测，对传感器所获得的数据或图像信号进行跟踪滤波处理，形成目标运动航迹的技术。使用雷达对运动目标进行跟踪有一个基本前提，从雷达到目标的视距LOS(Lineofsight)的直达波信号是可以被雷达接收，且可以从回波中检测到。在隧道交通领域中，由于隧道内空间封闭，电磁波在其中传播情况复杂，从回波检测出直达波信号的难度变大，如果隧道存在转弯，转弯处的隧道壁会对跟踪目标形成遮挡，从雷达直接到目标的视距方向的直达波信号不存在，现有的基于直达波的信号处理方法在隧道中不能有效对目标进行跟踪。安徽科力信息产业责任有限公司在其申请的专利文件“一种基于图像处理的隧道视频运动目标检测方法”(专利申请号201410030160.0，公开号CN103810703A)中公开了一种对隧道视频运动目标进行检测的方法。该方法基于光学传感器获取的实时动态更新的隧道背景模型，通过构造视频各祯的局部结构相似性测度函数和局部灰度统计测度函数，对运动目标和背景信息进行区分。该方法存在的不足之处是：视频检测手段受隧道内光照条件影响大，在探测区域光照弱时候无法实现跟踪目的。北京华航无线电测量研究所在其在其申请的专利文件“一种用于车载毫米波雷达的多目标跟踪方法”(专利申请号201711380531.8，专利公开号CN108344992A)中提供了一种用于车载毫米波雷达的多目标跟踪方法。该方法通过毫米波车载雷达获取多目标跟踪数据，将获取的包括目标距离、速度和角度的多目标信息进行信息整理后，定义航迹结构体，初始化多目标跟踪滤波的参数，并提取多目标跟踪参数，对整理后的距离、速度和角度信息进行多目标跟踪滤波获得目标航迹。该方法存在的不足之处是：仅利用雷达回波数据中的直达波数据，将回波中来自多径传播的数据当作干扰滤除，当目标被遮挡不存在直达波路径时，无法对运动目标进行跟踪。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提出一种隧道内基于多径利用毫米波雷达的目标跟踪方法，以实现当目标发生遮挡、光照变化时使用多径信息对目标进行准确、有效地跟踪。实现本专利技术目的的具体思路是，在隧道内放置一部毫米波雷达，对隧道进行建模后利用射线追踪的方法分析雷达回波中可利用的各个路径的探测，通过构造统一的观测矩阵充分提取回波中的直达波与多径回波信息，实现对隧道内运动目标的稳定准确跟踪。为实现上述目的，该方法的步骤包括如下：(1)获取运动目标的距离与速度观测值：(1a)在隧道入口的顶部设置一个雷达实时获取运动目标的观测，将雷达接收的每一时刻的隧道内运动目标的观测数据存储为数据矩阵；(1b)对数据矩阵在快时间维度进行匹配滤波，得到运动目标的位置观测值集合，在慢时间维度进行谱估计，得到运动目标的速度观测值集合；(2)构建隧道模型：(2a)从道路交通系统数据库中导出雷达所在隧道的特征参数；(2b)建立一个三维的笛卡尔坐标系，坐标系的xoy面表示隧道内道路平面，坐标原点为xoy面上任意一点，Z轴方向表示隧道高度方向；(2c)从特征参数中找出直线隧道顶部的四个顶点信息，在坐标系中标定每个顶点的位置，将四个顶点的位置数据组成一个矩阵；(2d)利用解析几何方法，构建圆弧形弯道的模型；(3)获取每一时刻的观测值对应的传播状态：(3a)以每一时刻隧道内运动目标的位置观测值为射线追踪发射点，雷达所在位置为射线追踪终点，在无反射、折射和绕射的情况下获取直达波的传播状态；(3b)利用射线追踪法进行仿真，得到仿真信号的直达波在隧道内道路面的传播状态；(4)判断仿真信号的直达波是否能够从隧道内运动目标到达雷达处，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(5)；(5)判断每个位置观测值在坐标系中标定的位置是否在隧道外，若是，执行步骤(6)，否则，执行步骤(7)；(6)将隧道外的观测值转换为隧道内运动目标的观测值：找出位置标定处于隧道外的点关于反射面的镜面对称点，用对称点的位置取代位置标定位于隧道外的观测值；(7)将观测的直达波和多径回波置于同一观测矩阵，按照下式，构建目标状态模型：目标的系统模型如下：xk＝Fxk-1+nk其中，xk表示目标状态向量，F为系统矩阵，nk为系统噪声，目标的观测模型如下：zk＝hk(xk)+wk其中，zk表示观测向量，hk(xk)表示观测矩阵，wk表示观测噪声；(8)利用粒子跟踪算法，对隧道内运动目标的位置观测值进行跟踪滤波。本专利技术与现有的技术相比具有以下优点：第一，由于本专利技术于隧道入口的顶部设置一个雷达实时获取运动目标观测，克服了现有技术受隧道内光照条件影响大，在探测区域光照弱的时候无法实现跟踪目的问题，使得本专利技术对探测区域中的运动目标区域的光照条件无任何要求，在无光时也能对运动目标进行全天候、实时的跟踪。第二，由于本专利技术将观测的直达波和多径回波置于同一观测矩阵实现对多径信息的利用，克服了现有技术仅利用雷达回波数据中的直达波数据，将回波中来自多径传播的数据当作干扰滤除，当目标被遮挡不存在直达波路径时，无法对运动目标进行跟踪的问题，使得本专利技术在目标被遮挡时也可以进行跟踪，相较于现有只利用直达波信息技术的跟踪精度也有所提高，从而实现稳定、连续的隧道内运动目标的跟踪。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术雷达在隧道内探测时单程传播路径的示意图；图3为本专利技术的仿真图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的描述。参照附图1，对本专利技术的具体步骤描述如下。步骤1，获取运动目标的距离与速度观测值。在隧道入口的顶部设置一个雷达实时获取运动目标的观测，将雷达接收的每一时刻的隧道内运动目标的观测数据存储为数据矩阵。对数据矩阵在快时间维度进行匹配滤波，得到运动目标的位置观测值集合，在慢时间维度进行谱估计，得到运动目标的速度观测值集合。步骤2，构建隧道模型。从道路交通系统数据库中导出雷达所在隧道的特征参数。建立一个三维的笛卡尔坐标系，坐标系的xoy面表示隧道内道路平面，坐标原点为xoy面上任意一点，Z轴方向表示隧道高度方向。从特征参数中找出直线隧道顶部的四个顶点信息，在坐标系中标定每个顶点的位置，将四个顶点的位置数据组成一个矩阵。利用解析几何方法，构建圆弧形弯道的模型；所述的利用解析几何方法的具体步骤如下。第一步，从特征参数中找出隧道圆弧形弯道的起点和终点信息，选取弧形弯道上任意一点。第二步，分别计算出起点、终点与选取点所在直线的中垂线。第三步，将两条中垂线的交点作为圆弧形弯道的圆心点。第四步，在坐标系中标定弯道起始点与对应圆心点的位置。第五步，将弯道起始点与圆弧圆心的位置数据组成一个矩阵。步骤3，获取每一时刻的观测值对应的传播状态。以每一时刻隧道内运动目标的位置观测值为射线追踪发射点，雷达所在位置为射线追踪终点，在无反射、折射和绕射的情况下获取直达波的传播状态。利用射线追踪法进行仿真，得到仿真信号的直达波在隧道内道路面的传播状态。步骤4，判断仿真信号的直达波是否能够从隧道内运动目标到达雷达处，若是，则执行步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法，其特征在于，在隧道入口的顶部一个雷达实时获取运动目标的观测，将观测的直达波和多径回波置于同一观测矩阵构建观测模型；该方法的步骤包括如下：(1)获取运动目标的距离与速度观测值：(1a)在隧道入口的顶部设置一个雷达实时获取运动目标的观测，将雷达接收的每一时刻的隧道内运动目标的观测数据存储为数据矩阵；(1b)对数据矩阵在快时间维度进行匹配滤波，得到运动目标的位置观测值集合，在慢时间维度进行谱估计，得到运动目标的速度观测值集合；(2)构建隧道模型：(2a)从道路交通系统数据库中导出雷达所在隧道的特征参数；(2b)建立一个三维的笛卡尔坐标系，坐标系的xoy面表示隧道内道路平面，坐标原点为xoy面上任意一点，Z轴方向表示隧道高度方向；(2c)从特征参数中找出直线隧道顶部的四个顶点信息，在坐标系中标定每个顶点的位置，将四个顶点的位置数据组成一个矩阵；(2d)利用解析几何方法，构建圆弧形弯道的模型；(3)获取每一时刻的观测值对应的传播状态：(3a)以每一时刻隧道内运动目标的位置观测值为射线追踪发射点，雷达所在位置为射线追踪终点，在无反射、折射和绕射的情况下获取直达波的传播状态；(3b)利用射线追踪法进行仿真，得到仿真信号的直达波在隧道内道路面的传播状态；(4)判断仿真信号的直达波是否能够从隧道内运动目标到达雷达处，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(5)；(5)判断每个位置观测值在坐标系中标定的位置是否在隧道外，若是，执行步骤(6)，否则，执行步骤(7)；(6)将隧道外的观测值转换为隧道内运动目标的观测值：找出位置标定处于隧道外的点关于反射面的镜面对称点，用对称点的位置取代位置标定位于隧道外的观测值；(7)将观测的直达波和多径回波置于同一观测矩阵，按照下式，构建目标状态模型。目标的系统模型如下：xk＝Fxk‑1+nk其中，xk表示目标状态向量，F为系统矩阵，nk为系统噪声，目标的观测模型如下：zk＝hk(xk)+wk其中，zk表示观测向量，hk(xk)表示观测矩阵，wk表示观测噪声。(8)利用粒子跟踪算法，对隧道内运动目标的位置观测值进行跟踪滤波。...

【技术特征摘要】
1.一种隧道内基于多径利用毫米波雷达的运动目标跟踪方法，其特征在于，在隧道入口的顶部一个雷达实时获取运动目标的观测，将观测的直达波和多径回波置于同一观测矩阵构建观测模型；该方法的步骤包括如下：(1)获取运动目标的距离与速度观测值：(1a)在隧道入口的顶部设置一个雷达实时获取运动目标的观测，将雷达接收的每一时刻的隧道内运动目标的观测数据存储为数据矩阵；(1b)对数据矩阵在快时间维度进行匹配滤波，得到运动目标的位置观测值集合，在慢时间维度进行谱估计，得到运动目标的速度观测值集合；(2)构建隧道模型：(2a)从道路交通系统数据库中导出雷达所在隧道的特征参数；(2b)建立一个三维的笛卡尔坐标系，坐标系的xoy面表示隧道内道路平面，坐标原点为xoy面上任意一点，Z轴方向表示隧道高度方向；(2c)从特征参数中找出直线隧道顶部的四个顶点信息，在坐标系中标定每个顶点的位置，将四个顶点的位置数据组成一个矩阵；(2d)利用解析几何方法，构建圆弧形弯道的模型；(3)获取每一时刻的观测值对应的传播状态：(3a)以每一时刻隧道内运动目标的位置观测值为射线追踪发射点，雷达所在位置为射线追踪终点，在无反射、折射和绕射的情况下获取直达波的传播状态；(3b)利用射线追踪法进行仿真，得到仿真信号的直达波在隧道内道路面的传播状态；(4)判断仿真信号的直达波是否能够从隧道内运动目标到达雷达处，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(5)；(5)判断每个位置观测值在坐标系中...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴奉周，胡刘博，
申请(专利权)人：西安电子科技大学昆山创新研究院，西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32