本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，涉及一種基于線段剖分和全息定位的超高頻rfid目標(biāo)成像方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的飛速發(fā)展，目標(biāo)成像技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代信息獲取和處理的核心組成部分，并持續(xù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。特別是在復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境中，如醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測(cè)、安防監(jiān)控等領(lǐng)域，相關(guān)的技術(shù)與理論已經(jīng)成為科研人員的研究熱點(diǎn)。作為成像技術(shù)的組成部分，rfid目標(biāo)成像技術(shù)融合了射頻識(shí)別和成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為物體成像提供了創(chuàng)新解決方案。其非視線成像能力能夠有效克服系統(tǒng)對(duì)光線亮度的需求，同時(shí)具有良好的隱私保護(hù)能力；射頻信號(hào)良好的穿透能力增加了系統(tǒng)的適用范圍；低成本低功耗的特點(diǎn)更使得rfid目標(biāo)成像技術(shù)從眾多技術(shù)中脫穎而出，在復(fù)雜環(huán)境中能夠快速、準(zhǔn)確地定位和識(shí)別多個(gè)目標(biāo)，有效解決了傳統(tǒng)方法中視線受阻、人工干預(yù)多等問題，大幅提高了管理效率和系統(tǒng)自動(dòng)化水平。

2、典型的rfid系統(tǒng)一般由閱讀器、天線以及幾個(gè)標(biāo)簽搭建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。在現(xiàn)有的目標(biāo)成像方法中，目標(biāo)輪廓候選只有直線型，在對(duì)于圓形或橢圓形的弧線型目標(biāo)成像時(shí)，估計(jì)圖像與實(shí)際圖像偏差較大。此外，現(xiàn)有的目標(biāo)成像方法由于無法捕捉到目標(biāo)足夠的空間特征，導(dǎo)致傳播距離起始點(diǎn)選擇存在問題，估計(jì)圖像與實(shí)際圖像不符。針對(duì)這些問題，本發(fā)明提出一種基于線段剖分和全息定位的rfid目標(biāo)成像方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提出一種基于線段剖分和全息定位的rfid目標(biāo)成像方法，解決現(xiàn)有成像方法中對(duì)于圓形或橢圓形的弧線型目標(biāo)成像圖像與實(shí)際圖像偏差較大問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，利用超高頻rfid技術(shù)獲得無目標(biāo)和有目標(biāo)兩種情況下標(biāo)簽相位并取兩者差值，建立距離起始點(diǎn)相位計(jì)算模型獲得傳播距離起始點(diǎn)相位；以兩個(gè)方向的標(biāo)簽為極點(diǎn)建立極坐標(biāo)系，建立直達(dá)路徑線段剖分模型縮小傳播距離起始點(diǎn)全息定位的搜索范圍，獲得子線段的理論相位數(shù)據(jù)，利用傳播距離起始點(diǎn)和子線段兩者之間相位值進(jìn)行全息定位，并利用雞群優(yōu)化算法對(duì)傳播距離起始點(diǎn)進(jìn)行尋優(yōu)，最后將所有目標(biāo)邊緣點(diǎn)聚合到一幅全息圖中實(shí)現(xiàn)水平切面圖的重構(gòu)，具體包括以下步驟：

2、步驟1：通過rfid閱讀器、天線、標(biāo)簽以及可控移動(dòng)機(jī)器人搭建系統(tǒng)，采集標(biāo)簽相位，并獲取信號(hào)直達(dá)路徑傳播距離和到達(dá)角(angle?of?arrival，aoa)數(shù)據(jù)。在長(zhǎng)為l、寬為w的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)建立二維笛卡爾坐標(biāo)系，設(shè)定可控移動(dòng)機(jī)器人以速度v從初始位置(0，w)處出發(fā)并沿著給定軌跡移動(dòng)。將兩個(gè)標(biāo)簽的坐標(biāo)分別設(shè)為(l/2，0)和(0，w/2)，定義標(biāo)簽t1所在垂直方向?yàn)榉较?，定義標(biāo)簽t2所在水平方向?yàn)榉较?。采集無目標(biāo)和有目標(biāo)兩種情況下的標(biāo)簽相位，并取兩者差值，得到兩組相位差△φx和△φy。使用基于滑動(dòng)窗口的累積相位變化方法來檢測(cè)目標(biāo)輪廓邊界，保留在邊界內(nèi)采集到的相位數(shù)據(jù)，分別記為△φ′x和△φ′y，數(shù)據(jù)量分別記為vx和vy，利用相位△φ′x和△φ′y計(jì)算信號(hào)在目標(biāo)內(nèi)部的傳播距離pdx和pdy，計(jì)算公式為pd＝(△φ+2σπ)/(βtar-βair)，其中βair和βtar分別表示空氣中和目標(biāo)中信號(hào)的相位常數(shù)，由于信號(hào)穿透目標(biāo)引起的相位變化一般不超過2π，所以σ通常為o，由機(jī)器人的移動(dòng)速度和信號(hào)被天線捕獲時(shí)的時(shí)間戳，可得信號(hào)捕獲點(diǎn)位置apx和apy，假設(shè)和分別表示方向1和方向2某信號(hào)捕獲點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)公式獲得兩個(gè)方向上信號(hào)直達(dá)路徑線段的長(zhǎng)度dlx、dly，根據(jù)公式獲得aoa數(shù)據(jù)θx、θy；

3、步驟2：獲取傳播距離起始點(diǎn)理論相位，以方向1上第m個(gè)傳播距離起始點(diǎn)為例，假設(shè)第m個(gè)傳播距離起始點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的信號(hào)捕獲點(diǎn)之間的距離為xm，則其與標(biāo)簽之間的距離為將第i條直達(dá)路徑線段的長(zhǎng)度記為i∈[1，vx]且i≠m，第i條直達(dá)路徑線段與第m個(gè)傳播距離起始點(diǎn)所在直達(dá)路徑線段之間的夾角記為i∈[1，vx]且i≠m，利用公式可得第m個(gè)傳播距離起始點(diǎn)與其他i個(gè)信號(hào)捕獲點(diǎn)之間的距離進(jìn)而將em代入表達(dá)式φm＝(4πem/λ)mod2π中即可獲得理想條件下第m個(gè)傳播距離起始點(diǎn)的理論相位值φm，以此類推，可得兩個(gè)方向上所有傳播距離起始點(diǎn)的理論相位值矩陣和

4、步驟3：構(gòu)建極坐標(biāo)系下直達(dá)路徑線段剖分模型，計(jì)算各直達(dá)路徑線段子線段的理論相位值，以標(biāo)簽1方向?yàn)槔?，將?biāo)簽1位置(l/2，0)作為極坐標(biāo)參考系極點(diǎn)o1，以笛卡爾坐標(biāo)系橫坐標(biāo)正方向作為極坐標(biāo)系極軸，利用極徑r和極角表示極坐標(biāo)系下成像區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的坐標(biāo)，則直達(dá)路徑線段o1a上的各點(diǎn)可用來表示，其中，是所屬直達(dá)路徑線段的aoa數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到，以rf為線段步長(zhǎng)，利用線段剖分的思想將o1a剖分成若干子線段，子線段的中點(diǎn)坐標(biāo)就是該子線段的坐標(biāo)，在同一極坐標(biāo)系下，信號(hào)捕獲點(diǎn)的位置ax可以用來表示坐標(biāo)，其中，rj屬于各直達(dá)路徑線段的長(zhǎng)度dtx。假設(shè)極坐標(biāo)系下o1a的任意子線段t的中點(diǎn)q的坐標(biāo)為任意信號(hào)捕獲點(diǎn)的位置的坐標(biāo)為則兩者之間的距離可以利用公式計(jì)算得到，其中，且j∈[1，vx]，進(jìn)而利用公式2π可以獲得信號(hào)從處發(fā)出經(jīng)子線段t反射回來時(shí)測(cè)得的相位值以此類推，可獲得兩個(gè)方向上所有直達(dá)路徑線段子線段的理論相位值集合和

5、步驟4：利用全息定位的思想完成傳播距離始點(diǎn)定位，將和分別與和進(jìn)行比較，獲得各子線段是所屬傳播距離起始點(diǎn)所在位置的概率，并利用公式計(jì)算像素值進(jìn)行量化，其中，ti,j表示第i條直達(dá)路徑線段上的第j個(gè)子線段，對(duì)于一條直達(dá)路徑線段，尋找屬于該直達(dá)路徑線段像素值最大的子線段，所屬傳播距離起始點(diǎn)的坐標(biāo)就是像素值最大子線段的中點(diǎn)坐標(biāo)，其他直達(dá)路徑線段亦是如此；

6、步驟5：構(gòu)建基于重疊度最大化的尋優(yōu)模型尋找最優(yōu)的傳播距離起始點(diǎn)，根據(jù)傳播距離起始點(diǎn)坐標(biāo)、傳播距離以及對(duì)應(yīng)的aoa數(shù)據(jù)可獲得傳播距離終止點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)簽1方向傳播距離終止點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式為：其中，i∈[1，vx]，標(biāo)簽2方向傳播距離終止點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式為：其中，i∈[1，vy]，將傳播距離起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)，標(biāo)簽1方向轉(zhuǎn)換公式為：標(biāo)簽2方向轉(zhuǎn)換公式為：分方向地將獲得的傳播距離起始點(diǎn)和終止點(diǎn)按順序連接，形成兩個(gè)點(diǎn)線連接的封閉圖形，將封閉圖形進(jìn)行顏色填充后獲得兩個(gè)估計(jì)圖像，合并后比較其重疊面積和全部面積的比值，獲得兩個(gè)估計(jì)圖像的重疊度大小，通過調(diào)節(jié)傳播距離起始點(diǎn)與信號(hào)捕獲點(diǎn)之間的距離x，使兩個(gè)方向的估計(jì)圖像重疊度最大化，以設(shè)置的最大迭代次數(shù)為終止條件，構(gòu)建傳播距離起始點(diǎn)的尋優(yōu)模型，引入雞群優(yōu)化算法進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)傳播距離起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的快速精準(zhǔn)搜索；

7、步驟6：將所有最優(yōu)的傳播距離起始點(diǎn)和終止點(diǎn)聚合于一幅全息圖中，生成復(fù)合全息圖，利用基于目標(biāo)先驗(yàn)信息的復(fù)合全息圖重構(gòu)方法呈現(xiàn)目標(biāo)的水平切面圖像，依據(jù)成像的場(chǎng)景部署以及數(shù)據(jù)采集方式，在平面網(wǎng)格區(qū)域中對(duì)最優(yōu)的傳播距離起始點(diǎn)和終止點(diǎn)進(jìn)行全息定位，獲得傳播距離起始點(diǎn)和終止點(diǎn)在平面網(wǎng)格區(qū)域中的像素值，將所有的傳播距離起始點(diǎn)以及終止點(diǎn)統(tǒng)稱為目標(biāo)邊緣點(diǎn)，利用公式pxnormalization＝px/pxmax將單個(gè)目標(biāo)邊緣點(diǎn)的所有像素值進(jìn)行歸一化處理，其中，px表示某目標(biāo)邊緣點(diǎn)未歸一化的像素值矩陣，pxmax表示該像素值矩陣中最大的像素值，將大小不同的像素值進(jìn)行顏色映射并填充相應(yīng)網(wǎng)格，形成單個(gè)目標(biāo)邊緣點(diǎn)的全息圖，利用取值范圍為0～1的權(quán)重系數(shù)ω對(duì)非目標(biāo)邊緣點(diǎn)網(wǎng)格的像素值進(jìn)行抑制，建立兩個(gè)標(biāo)簽方向的目標(biāo)邊緣點(diǎn)全息圖集合，將單方向包含的各全息圖進(jìn)行疊加，獲得目標(biāo)水平切面單方向子全息圖，兩方向子全息圖進(jìn)行疊加，生成目標(biāo)水平切面復(fù)合全息圖；

8、需注意，步驟6中對(duì)傳播距離起始點(diǎn)和終止點(diǎn)進(jìn)行全息定位的依據(jù)是：每條直達(dá)路徑線段上的子線段分屬不同的角度方向，并且使用同一線段步長(zhǎng)剖分各直達(dá)路徑線段時(shí)，每個(gè)方向的子線段數(shù)量不完全相同，因此基于線段剖分的目標(biāo)邊緣點(diǎn)全息圖無法進(jìn)行疊加，另外，所有基于線段剖分的目標(biāo)邊緣點(diǎn)全息圖在空間上沒有交集，單純地進(jìn)行疊加后也無法重構(gòu)目標(biāo)的水平切面圖像，因此，需要對(duì)所有的目標(biāo)邊緣點(diǎn)進(jìn)行全息定位，以獲得其在平面網(wǎng)格區(qū)域中的像素值，進(jìn)而生成基于平面剖分的全息圖，完成圖像重構(gòu)。