專利名稱：壓縮射頻層析成像的移動(dòng)分治實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻層析成像領(lǐng)域，特別是涉及壓縮射頻層析成像的測量和實(shí)現(xiàn)技 術(shù)。
背景技術(shù)：
射頻層析成像是一種利用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)投影測量，從射頻鏈路陰影衰落信息重構(gòu) 環(huán)境陰影衰落影像進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)免持定位與穿墻透視成像的環(huán)境感知方法。借助于射頻信 號(hào)提供的非侵入式、不受光照變化和障礙物遮擋影響的傳感模式，射頻層析成像在室內(nèi)或 隱蔽的興趣目標(biāo)檢測、定位和跟蹤等方面，有著其它傳感技術(shù)所不可替代的優(yōu)勢。深入挖掘 和廣泛利用射頻層析成像技術(shù)的優(yōu)勢和潛力正成為智能感知和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
壓縮傳感是一種從少量測量數(shù)據(jù)重構(gòu)稀疏信號(hào)的新理論。由于環(huán)境狀態(tài)中興趣目 標(biāo)信號(hào)本質(zhì)上是稀疏的，因此壓縮傳感適用于環(huán)境射頻層析成像，形成壓縮射頻層析成像 技術(shù)，以減少所需的投影測量鏈路數(shù)目，節(jié)約資源與成本，具有重要意義。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前已有的壓縮射頻層析成像實(shí)現(xiàn)模式，即將傳感器節(jié)點(diǎn)的部 署作為射頻鏈路部署的主要手段，形成覆蓋感知區(qū)域的射頻傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而通過隨機(jī)方式 選取鏈路進(jìn)行投影測量。在沒有先驗(yàn)知識(shí)的情形下，依賴于隨機(jī)選取鏈路的方式能夠有條 件地保證目標(biāo)影像的重構(gòu)，但不可避免產(chǎn)生大量冗余、無效的射頻鏈路，大大降低傳感效 率。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋空間尺度和觀測粒度是固定不變的，難以滿足尺度縮放性 和粒度多樣化的要求，在可用性方面有相當(dāng)?shù)木窒扌?。發(fā)明內(nèi)容
針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模式的不足，以及隨機(jī)選擇方式存在冗余、無效射頻鏈 路的固有缺陷，本發(fā)明提供了一種冗余量小、機(jī)動(dòng)靈活、傳感效率高、具有尺度放縮性和觀 測粒度多樣化的壓縮射頻層析成像的移動(dòng)分治實(shí)現(xiàn)方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種壓縮射頻層析成像的 移動(dòng)分治實(shí)現(xiàn)方法，所述方法基于移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟步驟1，在感知區(qū)域設(shè)置攜帶射頻收發(fā)裝置的移動(dòng)平臺(tái)；步驟2，全局粗粒度成像，定位出興趣區(qū)域；步驟3，興趣區(qū)域局部細(xì)粒度成像；步驟4，綜合全局粗粒度影像和局部細(xì)粒度影像，得到感知區(qū)域的合成影像。
遵循分治原理，將射頻層析成像任務(wù)分解成全局粗粒度成像和局部細(xì)粒度成像兩 個(gè)環(huán)節(jié)，前者定位出可能的興趣區(qū)域，后者則是以興趣區(qū)域聚焦為目標(biāo)。
進(jìn)一步地，所述移動(dòng)平臺(tái)為移動(dòng)機(jī)器人，具有自主定位、導(dǎo)航功能，且移動(dòng)機(jī)器人 之間能相互通信，能在感知區(qū)域邊界上到達(dá)指定位置。
進(jìn)一步地，所述射頻收發(fā)裝置的工作頻段為900MHz或者2. 4GHz。
進(jìn)一步地，所述興趣區(qū)域?yàn)橐蚺d趣目標(biāo)物體存在而引起陰影衰落的區(qū)域。
進(jìn)一步地，所述步驟2采用橫向和縱向的平行鏈路部署策略，具體為移動(dòng)平臺(tái)組在感知區(qū)域的邊界上等間隔地建立射頻鏈路進(jìn)行投影測量，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度值的變化， 獲取全局粗粒度影像，從而定位興趣區(qū)域。
進(jìn)一步地，所述步驟3具體為控制移動(dòng)平臺(tái)組在感知區(qū)域的邊界上部署與興趣區(qū)域相關(guān)的射頻鏈路，即通過興趣區(qū)域的射頻鏈路，根據(jù)獲得的接收信號(hào)強(qiáng)度值重構(gòu)出興趣區(qū)域局部細(xì)粒度影像。
進(jìn)一步地，所述的影像都是陰影衰落影像，由接收信號(hào)強(qiáng)度中包含的陰影衰落信息重構(gòu)得到。
進(jìn)一步地，針對一矩形區(qū)域內(nèi)未知目標(biāo)成像的感知任務(wù)，環(huán)境陰影衰落影像模型化為2D影像X = [X(m,k)],首先關(guān)注其全局粗粒度影像模型X1 =[為(《,幻],圍繞該模型設(shè)計(jì)射頻鏈路部署，投影測量方程模型化為+ e，其中F1為當(dāng)前與場景為空時(shí)各射頻鏈路接收信號(hào)強(qiáng)度差值形成的向量\為&的向量化表示形式，e為零均值高斯噪聲向量，Φι為權(quán)重矩陣，對于每一行，對應(yīng)射頻鏈路通過的像素權(quán)重因子設(shè)為1，否則為0，根據(jù)h獲得\即X1的重構(gòu)，記為兔；接著確定出X1中發(fā)生陰影衰落的興趣區(qū)域;[，進(jìn)而明確出興趣區(qū)域局部細(xì)粒度影像模型X2 =[石，即X2 =X(I),圍繞影像模型X2，部署射頻鏈路進(jìn)行投影測量，重構(gòu)興趣區(qū)域的細(xì)粒度影像兔；最后，合并兔與&2 ,完成環(huán)境陰影衰落影像的估計(jì)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是本發(fā)明采用分治成像模式，減少了冗余、無效的鏈路，從兩個(gè)層面上提升了壓縮傳感的傳感效率，全局成像采用粗粒度的影像模型，限制了冗余鏈路的規(guī)模；細(xì)粒度成像只聚焦局部可能的興趣區(qū)域，避免了無效鏈路的產(chǎn)生。而且利用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行射頻鏈路的部署，使得壓縮射頻層析成像技術(shù)在機(jī)動(dòng)性、靈活性、自主性等方面得到進(jìn)一步的發(fā)展；所需的平行鏈路部署和局部鏈路部署簡單易行，適合于移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作感知的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。


圖1為分治成像模式示意圖； 圖2為平行鏈路部署示意圖； 圖3為局部鏈路部署示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的示意圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的場景圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例的理想環(huán)境陰影衰落影像； 圖7是本發(fā)明實(shí)施例的全局成像環(huán)節(jié)獲得的粗粒度影像； 圖8是本發(fā)明實(shí)施例中局部測量鏈路數(shù)目為10時(shí)的最終重構(gòu)影像； 圖9是本發(fā)明實(shí)施例中局部測量鏈路數(shù)目為20時(shí)的最終重構(gòu)影像； 其中1，遮擋物;2,目標(biāo)物體；3，移動(dòng)機(jī)器人；4,尺卩卬標(biāo)簽；5, RFID閱讀器；6，ZigBee 設(shè)備。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出一種壓縮射頻層析成像的移動(dòng)分治實(shí)現(xiàn)方法，豐富了射頻鏈路的部署手段，并從減少冗余、無效鏈路兩個(gè)層面提高了傳感效率，進(jìn)一步促進(jìn)壓縮射頻層析成像在實(shí)際中的應(yīng)用。下面參見附圖結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
如圖1所示，考慮一矩形區(qū)域內(nèi)未知目標(biāo)成像的感知任務(wù)，環(huán)境陰影衰落影像模型化為2D影像X = [X(m,k)]。首先關(guān)注其全局粗粒度影像模型X1 =[X1(m，k)],圍繞該模型設(shè)計(jì)射頻鏈路部署，投影測量方程模型化為y1=Φ1x1+e，其中h力當(dāng)前與場景為空時(shí)各射頻鏈路接收信號(hào)強(qiáng)度差值形成的向量，力X1的向量化表示形式e為零均值高斯噪聲向量，Φ1為權(quán)重矩陣，對于每一行，對應(yīng)射頻鏈路通過的像素權(quán)重因子設(shè)為1，否則為0。則根據(jù)F1可獲得X1,即X1的重構(gòu)，記為X1。需要指出的是X1的維度遠(yuǎn)小于\因此重構(gòu)所需的投影測量鏈路往往較少。特別地，考慮平行鏈路部署策略，每一個(gè)像素只需橫向和縱向各一條鏈路通過即可完成目標(biāo)的定位，如此，冗余鏈路的規(guī)模得以控制，一定程度上提高了傳感效率。根據(jù)X1的重構(gòu)，將可以確定出其中發(fā)生陰影衰落的興趣區(qū)域I，進(jìn)而明確出興趣區(qū)域局部細(xì)粒度影像模型X2 =[X2(m,k)，即X2 =Χ(I),同樣地，圍繞影像模型X2 ,部署與之相關(guān)的射頻鏈路進(jìn)行投影測，即可重構(gòu)獲得興趣區(qū)域的細(xì)粒度影像X2。由于該環(huán)節(jié)只關(guān)注與興趣區(qū)域相關(guān)的射頻鏈路，因此有效避免了無效鏈路的測量。最終，合并文1與良則可完成環(huán)境陰影衰落影像的估計(jì)。
限定射頻鏈路可能的收發(fā)位置均勻分布于感知區(qū)域的邊界上，不妨假設(shè)兩臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人用于鏈路的部署，一臺(tái)作為射頻信號(hào)發(fā)送端(ΤΧ1)，另一臺(tái)作為接收端(RX1)。全局粗粒度成像環(huán)節(jié)，如圖2所示，兩臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人只需分別在感知區(qū)域的橫向邊界和縱向邊界上保持平行運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的收發(fā)位置進(jìn)行投影測量即可完成部署。這種鏈路部署易于移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)，并且能夠快速完成，保證了該環(huán)節(jié)成像的時(shí)效性。局部細(xì)粒度成像環(huán)節(jié)，根據(jù)鏈路可能的收發(fā)位置，可以統(tǒng)計(jì)得到通過興趣區(qū)域的射頻鏈路，即相關(guān)鏈路。事實(shí)上，局部細(xì)粒度影像一般具有稀疏性，特別是其離散梯度，因此所需的投影測量是一種壓縮測量。投影測量鏈路可以從相關(guān)鏈路中隨機(jī)選擇。如圖3所示，根據(jù)所選擇的鏈路，兩臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人將分別通過自主移動(dòng)機(jī)制運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的收發(fā)位置進(jìn)行投影測量。如此進(jìn)行，直至完成所有的鏈路部署。
為便于實(shí)施本發(fā)明所述方法，本發(fā)明人提供了一個(gè)具體的實(shí)施例。
實(shí)施例的示意圖和場景圖分別如圖4、圖5所示。感知區(qū)域?yàn)?.5m x 3.5m的矩形區(qū)域，兩臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人加載ZigBee設(shè)備負(fù)責(zé)射頻鏈路的部署。投影測量數(shù)據(jù)將通過基站上傳到控制中心保存并處理。無源RFID標(biāo)簽等間隔地部署于感知區(qū)域的邊界上，結(jié)合固定于機(jī)器人底部的RFID閱讀器，給機(jī)器人提供絕對的位置坐標(biāo)，以消除移動(dòng)機(jī)器人利用自身編碼器和陀螺儀定位與導(dǎo)航帶來的誤差。目標(biāo)物體是盛滿水的塑料容器，位于泡沫板搭建而成的遮擋區(qū)域內(nèi)。
全局粗粒度成像環(huán)節(jié)，橫向和縱向平行鏈路的間距均為O. 25m，測量完成后，采用 簡單的線性反投影算法進(jìn)行重構(gòu)，并以2. OdB為閾值對重構(gòu)影像進(jìn)行二值化，則得到全局 粗粒度布爾影像。局部細(xì)粒度成像環(huán)節(jié)，限定鏈路所有的收發(fā)位置與RFID標(biāo)簽標(biāo)定的位置 重合，測量鏈路將從相關(guān)鏈路中隨機(jī)生成，并利用最小全變分法來實(shí)現(xiàn)影像重構(gòu)。
移動(dòng)分治方法的成像效果如圖6-9所示。圖6為理想的環(huán)境陰影衰落影像，圖7為 全局成像環(huán)節(jié)獲得的粗粒度影像，白色部分即興趣區(qū)域，其包含了目標(biāo)物體以及附近區(qū)域。 可以統(tǒng)計(jì)得到與興趣區(qū)域相關(guān)的鏈路為40條。局部成像環(huán)節(jié)投影測量的鏈路數(shù)目記為N。 當(dāng)N取值為10和20時(shí)，最終重構(gòu)影像分別如圖8、圖9所示。由圖可知，當(dāng)N = 10時(shí)就能 獲得較好的成像結(jié)果，隨著N的增加，成像質(zhì)量得到了進(jìn)一步的提高。通過少量而簡單的鏈 路部署就能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮射頻層析成像任務(wù)，反映出移動(dòng)分治實(shí)現(xiàn)方法的可行性和有效性。
以上所述僅為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本 發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù) 領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種壓縮射頻層析成像的移動(dòng)分治實(shí)現(xiàn)方法，其特征是，所述方法基于移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟 步驟1，在感知區(qū)域設(shè)置攜帯射頻收發(fā)裝置的移動(dòng)平臺(tái)； 步驟2，全局粗粒度成像，定位出興趣區(qū)域； 步驟3，興趣區(qū)域局部細(xì)粒度成像； 步驟4，綜合全局粗粒度影像和局部細(xì)粒度影像，得到感知區(qū)域的合成影像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是，所述移動(dòng)平臺(tái)為移動(dòng)機(jī)器人，具有自主定位、導(dǎo)航功能，且移動(dòng)機(jī)器人之間能相互通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是，所述射頻收發(fā)裝置的工作頻段為900MHz 或者 2. 4GHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是，所述興趣區(qū)域?yàn)橐蚺d趣目標(biāo)物體存在而引起陰影衰落的區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是，所述步驟2具體為移動(dòng)平臺(tái)組在感知區(qū)域的邊界上等間隔地建立射頻鏈路進(jìn)行投影測量，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度值的變化，獲取全局粗粒度影像，從而定位出興趣區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是，所述步驟3具體為控制移動(dòng)平臺(tái)組在感知區(qū)域的邊界上部署與興趣區(qū)域相關(guān)的射頻鏈路，即通過興趣區(qū)域的射頻鏈路，根據(jù)獲得的接收信號(hào)強(qiáng)度值重構(gòu)出興趣區(qū)域局部細(xì)粒度影像。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是，所述的影像都是陰影衰落影像，由接收信號(hào)強(qiáng)度中包含的陰影衰落信息重構(gòu)得到。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是，針對一矩形區(qū)域內(nèi)未知目標(biāo)成像的感知任務(wù)，環(huán)境陰影衰落影像模型化為2D影像X =,首先關(guān)注其全局粗粒度影像模型ろ=[石(《,幻],圍繞該模型設(shè)計(jì)射頻鏈路部署，投影測量方程模型化為= + e，其中れ為當(dāng)前與場景為空時(shí)各射頻鏈路接收信號(hào)強(qiáng)度差值形成的向量，X1為X1的向量化表示形式，8為零均值高斯噪聲向量，#i為權(quán)重矩陣，對于每一行，對應(yīng)射頻鏈路通過的像素權(quán)重因子設(shè)為し否則為⑴根據(jù)れ獲得ろぷロX1的重構(gòu)，記為兔；接著確定出X1中發(fā)生陰影衰落的興趣區(qū)域I，進(jìn)而明確出興趣區(qū)域局部細(xì)粒度影像模型X2 =[石(《，んう]，即X2 =X(I),圍繞影像模型X2，部署射頻鏈路進(jìn)行投影測量，重構(gòu)出興趣區(qū)域的細(xì)粒度影像兔；最后,合并兔與先，完成環(huán)境陰影衰落影像的估計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種冗余量小、機(jī)動(dòng)靈活、傳感效率高、具有尺度放縮性和觀測粒度多樣化的壓縮射頻層析成像的移動(dòng)分治實(shí)現(xiàn)方法，所述方法基于移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟步驟1，在感知區(qū)域設(shè)置攜帶射頻收發(fā)裝置的移動(dòng)平臺(tái)；步驟2，全局粗粒度成像，定位出興趣區(qū)域；步驟3，興趣區(qū)域局部細(xì)粒度成像；步驟4，綜合全局粗粒度影像和局部細(xì)粒度影像，得到感知區(qū)域的合成影像。本發(fā)明涉及移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作感知實(shí)現(xiàn)壓縮射頻層析成像的方法。
文檔編號(hào)G01S13/89GK103033809SQ20121035993
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者王國利, 黃開德, 郭雪梅 申請人:中山大學(xué)