基于Wi-Fi信號(hào)的成像與壓縮波束形成定位研究.pdf

1、Wi-Fi（Wireless Fidelity）信號(hào)通常使用2.4 GHz或5 GHz兩個(gè)射頻頻段，帶寬通常為20 MHz或40 MHz。與傳統(tǒng)光學(xué)成像、紅外成像、太赫茲成像等成像方法相比較，Wi-Fi信號(hào)在非視距或不可見(jiàn)等惡劣成像條件下成像具有巨大優(yōu)勢(shì)。尤其是對(duì)于墻壁等障礙物，Wi-Fi信號(hào)在穿透性和傳輸距離方面都強(qiáng)于紅外、毫米波和太赫茲波。因此基于Wi-Fi信號(hào)的成像技術(shù)在室內(nèi)穿墻成像定位、城市反恐和室內(nèi)人員監(jiān)測(cè)及抗震救災(zāi)等領(lǐng)域具有

2、美好的應(yīng)用前景；另一方面，Wi-Fi信號(hào)也可用于室內(nèi)定位或Wi-Fi熱點(diǎn)附近區(qū)域定位。雖然全球定位系統(tǒng)GPS、北斗和格洛納斯能夠提供實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航服務(wù)，但是對(duì)于地下室或大型建筑物內(nèi)這些導(dǎo)航信號(hào)難以覆蓋或提供更為精確的定位信息，因此基于Wi-Fi信號(hào)的定位技術(shù)，可以彌補(bǔ)它們?cè)谑覂?nèi)環(huán)境下定位的不足。Wi-Fi定位可為大型商場(chǎng)、學(xué)校、車站或停車場(chǎng)等公共場(chǎng)所提供更為便捷、精確和低成本的定位服務(wù)。另外，基于該Wi-Fi定位技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)大型倉(cāng)儲(chǔ)貨物定

3、位、家中老人小孩的安全監(jiān)測(cè)、刑偵案件破獲以及生命體搜救等。
　　在Wi-Fi成像方面，本文基于合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像技術(shù)，使用線性調(diào)頻信號(hào)即chirp信號(hào)，采用距離-多普勒算法，利用MATLAB進(jìn)行了Wi-Fi信號(hào)SAR成像仿真。由于Wi-Fi信號(hào)頻率相對(duì)較低，其相應(yīng)的SAR成像精度不高，難以滿足室內(nèi)傳感和定位的要求。因此針對(duì)Wi-Fi信號(hào)的特點(diǎn)提出天線陣列成像和二維掃描成像的方法，利用定向天線通過(guò)二維機(jī)械掃描成像方式，獲取成

4、像目標(biāo)的各像素點(diǎn)的反射信號(hào)值，最后重構(gòu)出目標(biāo)圖像。該研究結(jié)果表明：主動(dòng)式Wi-Fi信號(hào)成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物體的低分辨率成像。對(duì)于金屬物體的目標(biāo)物，在像素點(diǎn)采集數(shù)目較低的情況下，依然可識(shí)別出金屬目標(biāo)物及其相應(yīng)的大致輪廓。最后本文對(duì)該實(shí)驗(yàn)所存在的問(wèn)題及成像的局限性進(jìn)行了討論。
　　在Wi-Fi定位方面，本文介紹對(duì)比了目前常用的幾種定位方法：基于到達(dá)方向監(jiān)測(cè)的信號(hào)到達(dá)角(AOA)定位、基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的(TOA)定位和基于信號(hào)傳播時(shí)間差的

5、(TDOA)定位，以及用于距離估計(jì)的接收信號(hào)強(qiáng)度基(RSSI)定位方法。由于它們本身定位原理的限制，以及定位性能仍存在不足。如CBF算法對(duì)噪聲魯棒性強(qiáng)，但其分辨率低，MUSIC和MVDR算法依賴于頻譜矩陣特征值，所以當(dāng)出現(xiàn)采樣數(shù)量少，頻譜矩陣軼不足以及信號(hào)子空間少時(shí)，定位性能會(huì)大大降低。為解決定位性能問(wèn)題，提高定位精度，本文提出了一種基于壓縮傳感(CS)波束成形算法應(yīng)用于射頻無(wú)線定位研究。本文分別通過(guò)軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析了該定位算法的

6、性能。根據(jù)仿真結(jié)果討論了各算法定位的效果，通過(guò)改變采樣次數(shù)和陣元數(shù)目計(jì)算定位的誤差率，分析算法的性能。上述研究表明：壓縮傳感波束形成算法在較小的采樣次數(shù)下，仍能夠較高精度的定位目標(biāo)方位。另外，在多目標(biāo)方向定位中，CS算法有更強(qiáng)的指向性，定位性能穩(wěn)定。
　　在實(shí)驗(yàn)方面，通過(guò)對(duì)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)分析，探究實(shí)驗(yàn)所用信號(hào)頻率、均勻線陣陣元間距和非均勻線陣對(duì)定位結(jié)果的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)天線陣列采用半波布陣時(shí)，信號(hào)的頻率對(duì)定位結(jié)果影響不大