基于阴影衰落的大尺度无线透射层析成像仪

It is difficult to overcome the obstacle influence for nondestructive fast human detection and tracking in large scale space.By analysis of shadow fading characteristics of radio wave in typical scenes, we design and develop a radio tomographic imaging instrument based on the shadow fading in wireless transmission. We will take a deep study of multipath effects on the radio tomography algorithm and design a certain kind of radio wave with a precisive estimation of multipath effects, and build a pseudo image corrective model based on Fractional Fourier Transform. Then we will study large bandwidth signal processing algorithm by descending dimension with compressed sensing theory. We will do some researches on regularization methods of radio tomographic imaging equation and super resolution image reconstruction method based on Maximum A Posteriori and Markov Random Fields. We will design an integration system prototype with communication, scanning and imaging by Graphic Processing Unit. By our researches, we will solve the key technologies for quick imaging with high resolution in multipath environments and do engineering validation test. Our project will give theoretical and technique supports for human sensing and tracking in large scale space, and solve bottleneck problems in imaging for regional monitoring.

针对大尺度空间范围内无损快速人体探测和跟踪难以克服障碍物影响的问题，通过分析典型场景下无线电波的阴影衰落特性，设计和研制一种基于阴影衰落的无线透射层析成像仪，填补国内在该领域的一项空白。深入研究多径环境下场景物体对无线层析成像算法的影响，设计具有精确多径估计能力的无线电波形，建立基于分数阶傅里叶变换的多径伪像修正模型；研究基于压缩感知理论的大带宽信号降维处理算法；研究基于正则化的无线层析成像方程求解算法和基于最大后验概率和马尔可夫场模型的超分辨图像重建方法；设计基于GPU并行处理架构的无线通信、扫描、层析成像一体化系统样机，突破强多径干扰下快速高精度成像等关键技术，完成大型网络无线层析成像的工程验证。本项目将为我国大尺度空间下人体探测与跟踪系统的发展提供理论和技术支持，解决区域监控领域中的成像瓶颈问题。

无线层析成像技术是通过测量无线网络节点间信号的阴影衰落来形成探测区域内障碍物的截面图像，该技术能应用于烟、雾、霾等特殊环境，可用于紧急救援、安全监控的目标定位。本项目通过理论分析、仿真研究、系统研制、试验测试等工作，完成了基于阴影衰落的大尺度无线透射层析成像仪样机1套，基于多节点分布式探测系统开展了室外、室内办公场所、穿墙环境等典型场景成像系统实验，完成目标探测和定位跟踪，收集并分析相关统计数据，达到了项目预期的技术指标，取得的主要研究成果包括：（1）提出了链路阴影衰落的绕射模型和恒定离心率椭圆模型，基于干扰链路检测和冗余数据分离的层析成像增强算法；（2）在室内抗多径干扰方面，提出了基于宽带Chirp信号及分数阶傅里叶变换的抗多径无线层析成像方法，基于多频点的室内无线层析成像增强方法；（3）提出了基于结构适应归一化卷积法的超分辨率图像增强方法、基于目标结构特征的无线层析超分辨率图像重建方法，基于无线层析成像系统降质函数的图像复原方法；（4）提出了基于绕射模型和贝叶斯滤波的目标跟踪算法，基于联合数据关联的鲁棒多目标跟踪算法；（5）探索了进行目标识别与生命体征探测的新应用，提出了层析成像网络中基于RSS的目标识别方法。发表论文22篇，申请发明专利10项，获授权3项。构建了20个节点的无线层析成像实验系统，开展了室外及室内办公环境目标定位跟踪实验，成像分辨率为0.1m，跟踪精度达到0.1m。并可以根据实际区域面积大小改变探测节点数量实现仪器系统的适应与扩展。