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室內(nèi)穿墻場景下的無源人體目標(biāo)檢測算法

楊小龍 吳世明 周牧 謝良波 王嘉誠

楊小龍, 吳世明, 周牧, 謝良波, 王嘉誠. 室內(nèi)穿墻場景下的無源人體目標(biāo)檢測算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2020, 42(3): 603-612. doi: 10.11999/JEIT190378
引用本文: 楊小龍, 吳世明, 周牧, 謝良波, 王嘉誠. 室內(nèi)穿墻場景下的無源人體目標(biāo)檢測算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2020, 42(3): 603-612. doi: 10.11999/JEIT190378
Xiaolong YANG, Shiming WU, Mu ZHOU, Liangbo XIE, Jiacheng WANG. Indoor Through-the-wall Passive Human Target Detection Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(3): 603-612. doi: 10.11999/JEIT190378
Citation: Xiaolong YANG, Shiming WU, Mu ZHOU, Liangbo XIE, Jiacheng WANG. Indoor Through-the-wall Passive Human Target Detection Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(3): 603-612. doi: 10.11999/JEIT190378

室內(nèi)穿墻場景下的無源人體目標(biāo)檢測算法

doi: 10.11999/JEIT190378
基金項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(61771083, 61704015),長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃基金(IRT1299),重慶市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(cstc2019jcyj-msxmX0635),重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJQN201800625)
詳細(xì)信息
    作者簡介:

    楊小龍:男,1987年生,講師,博士,研究方向?yàn)闊o線感知、室內(nèi)定位

    吳世明:男,1994年生,碩士生,研究方向?yàn)閃iFi穿墻目標(biāo)檢測、人體行為識別

    周牧:男,1984年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)闊o線定位技術(shù)

    謝良波:男,1986年生,副教授,研究方向?yàn)樘摼€射頻識別技術(shù)

    王嘉誠:男,1992年生,博士生,研究方向?yàn)槭覂?nèi)定位技術(shù)、陣列信號處理

    通訊作者:

    吳世明 2812940421@qq.com

  • 中圖分類號: TN929.5

Indoor Through-the-wall Passive Human Target Detection Algorithm

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61771083, 61704015), The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT1299), The General program of Chongqing Natural Science Foundation (cstc2019jcyj-msxmX0635), The Scientific and Technological Research Foundation of Chongqing Municipal Education Commission (KJQN201800625)
  • 摘要:

    穿墻場景下,由于墻體造成信號嚴(yán)重衰減,接收信號中目標(biāo)反射信號的能量大幅下降,接收信號淹沒在收發(fā)機(jī)直射信號和室內(nèi)家具反射信號中,難以檢測墻后目標(biāo)。針對上述問題,該文提出一種新穎的基于多維信號特征融合的穿墻多人體目標(biāo)檢測算法(TWMD)。先對接收到的信道狀態(tài)信息(CSI)進(jìn)行預(yù)處理以消除相位誤差和幅值噪聲,再利用CSI的時序相關(guān)性和子載波相關(guān)性從相關(guān)系數(shù)矩陣中提取多維信號特征,最后使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成特征與檢測結(jié)果之間的映射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法在玻璃墻、磚墻和混凝土墻環(huán)境的識別精度分別在0.98, 0.90, 0.85以上。根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的4000個各類樣本的檢測結(jié)果,與現(xiàn)有基于單一信號特征的檢測算法相比,該文算法在對不同數(shù)量運(yùn)動目標(biāo)的檢測上,獲得了平均0.45的精度提升。

  • 圖  1  TWMD系統(tǒng)框架

    圖  2  CSI離群點(diǎn)檢測與刪除

    圖  3  小波閾值去噪前后

    圖  4  有無人體目標(biāo)時第1, 10, 20, 30個子載波的時域波形

    圖  5  本文所用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖

    圖  6  不同實(shí)驗(yàn)場景的平面結(jié)構(gòu)圖

    圖  7  磚墻實(shí)驗(yàn)場景中各信號特征的累積分布函數(shù)

    圖  8  DeMan和R-TTWD的檢測效果

    圖  9  各實(shí)驗(yàn)場景檢測周期與檢測精度的關(guān)系

    圖  10  單天線檢測與多天線檢測的準(zhǔn)確率對比

    圖  11  本文系統(tǒng)與其他系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確率對比

    表  1  本文所提基于多維特征的目標(biāo)檢測算法

     輸入:天線1的CSI接收矩陣${{{H}}_1}$,天線2的CSI接收矩陣${{{H}}_2}$,天線3    的CSI接收矩陣${{{H}}_3}$。
     輸出:輸出特征${{F}}''$。
     初始化: 天線個數(shù)$N{\rm{ = }}3$;輸出特征${{F}}''{\rm{ = 0}}$。
     算法步驟:
     (1) for $i$=1, 2, $···,N$
     (2)  用式(4)校正${{{H}}_i}$的相位,得到${{\theta }}$;
     (3)  用離群值刪除與小波去噪對${{{H}}_i}$的幅值進(jìn)行預(yù)處理,得到
        $\left\| {{\tilde{ H}}} \right\|$;
     (4)  用式(6)、式(7)計(jì)算$\left\| {{\tilde{ H}}} \right\|$的相關(guān)系數(shù)矩陣${{A}}$;
     (5)  對${{A}}$進(jìn)行矩陣分解,得到第1個和第2個大特征值
         ${\lambda _1},\,{\lambda _2}$;
     (6)  用式(8)計(jì)算${{\theta }}$的相關(guān)系數(shù)矩陣${{C}}$;
     (7)  對${{C}}$進(jìn)行矩陣分解,提取第1個和第2個大特征值
         ${\gamma _1},\;{\gamma _2}$;
     (8)  用式(10)計(jì)算子載波相關(guān)系數(shù)矩陣${{S}}$;
     (9)  對${{S}}$進(jìn)行分解,提取前3個大特征值對應(yīng)的特征向量
         ${{{e}}_1},\,{{{e}}_2}, \,{{{e}}_3}$;
     (10)   for $j$=1, 2, 3
     (11)    用式(11)計(jì)算特征向量1階差分均值${\phi _j}$;
     (12)   end for
     (13)  對$\left\| {{\tilde{ H}}} \right\|$的分布標(biāo)準(zhǔn)化得到${{Z}}$;
     (14)   for $k$=1, 2, 3
     (15)   將${{Z}}$投影到${{{e}}_k}$上,得到${{{p}}_k}$;
     (16)   計(jì)算${{{p}}_k}$的方差,得到${\beta _i}$;
     (17)  end for
     (18) 構(gòu)建樣本空間${{{F}}_i}$;
     (19) 將${{{F}}_i}$輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,得到輸出特征${{{F'}}_i}$;
     (20) end for
     (21) for $l$=1, 2, $···, N$
     (22) ${{F''}} = {{F''}} + {{{F'}}_l}$;
     (23) end for
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  收發(fā)機(jī)參數(shù)設(shè)置

    參數(shù)發(fā)射機(jī)接收機(jī)
    模式InjectionMonitor
    信道編號149(5.749 GHz)
    帶寬40 MHz
    發(fā)包速率500 包/s
    子載波個數(shù)30
    子載波編號–58, –54, ···, 54, 58
    發(fā)射功率15 dBm
    下載: 導(dǎo)出CSV
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  • 加載中
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-05-24
  • 修回日期:  2019-12-07
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2019-12-14
  • 刊出日期:  2020-03-19

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