基于多站超宽带雷达的穿墙目标精确定位技术

This project will analyze the through-wall propagation characteristics of UWB impulse signal, construct the corresponding propagation model and design new high-precision ranging methods based on the characteristics and model. Finally, we will propose novel position estimation methods when using multistatic UWB radar..Firstly, the project will study the characteristics of impulse signal attenuation and distortion and solve the reflection and refraction paths when the impulse signal propagates through the wall. We will then construct the special UWB propagation model between the transceiver and the target. Secondly, considering the special propagation path of through-wall target exploration, the problem of through-wall ranging will be studied and the model of received signal will also be set up. The project will design new TOA estimation methods using the through-wall propagation characteristics and multipath models of UWB impulse signal. At last, in order to mitigate the position error caused by through-wall propagation, TOA estimations are fused for localization based on the received signal intensity and distribution of TOA estimation error. Quite different from common positioning methods, a novel equal-wave path crossing-location model is constructed to estimate the position of the noncooperative target. .The project will carry some creative research on the aspects above to provide support for through-wall target localization using UWB impulse technique. Meanwhile, it will further develop the theories and methods of UWB localization and establish the solid basis for the wide application of UWB localization.

本项目将在分析超宽带窄脉冲信号穿墙传播特性基础上，建立其穿墙传播模型，而后基于墙壁的影响和传播模型设计高精度测距方法，最后基于多站超宽带雷达体制完成目标位置的精确估计。.首先深入分析穿墙传播时发生的信号衰减、失真等效应，并解算穿墙传播时的多次折射和反射路径，建立收发站与目标间信号传输模型。针对穿墙探测室内非合作目标应用中信号传播路径的特殊性，从分析穿墙环境下测距问题入手，建立考虑墙体后的接收信号模型，并利用墙壁特性和多径效应设计到达时间估计新方法。为消除穿墙传播引入的定位误差，将结合接收信号强度和时延误差分布信息融合各接收站测量结果，建立适用于穿墙非合作目标定位的等波程线交叉定位模型，实现对非合作目标位置的精确估计。.本项目将在上述方面开展创新研究，为解决穿墙非合作目标定位提供支撑，进一步发展和完善超宽带无线定位技术的理论和方法体系，为该技术的广泛应用奠定坚实基础。

超宽带技术由于具有高的时间分辨率和强的穿透障碍能力而成为穿墙定位的首选技术。多站UWB雷达可从室外对室内的非合作目标进行非视距(NLOS)定位，而墙壁的存在对定位性能将造成严重影响。本项目以此为背景，针对穿墙UWB室内非合作目标定位问题展开研究，主要工作和成果包括UWB信号穿墙传播特性分析与建模，UWB高精度测距和NLOS条件下目标位置估计三个方面。.1.UWB信号穿墙传播特性分析与建模.深入分析UWB信号穿墙传播相关特性，设计了实验测量系统，并基于实测数据分析墙壁障碍物存在情况下的UWB信号传播情况。基于此，以室内非合作目标定位为背景，针对一发多收和自发自收模式，分别建立视距和穿墙定位下的定位问题模型。.2.UWB高精度测距.①提出一种基于时间反转处理的到达时间(TOA)估计方法，实现多径成分的匹配和TOA的精确估计，比传统的GML方法具有更低的TOA估计误差和更低的输入信噪比适应范围。.②基于秩统计量TOA估计思想，分别提出基于行秩和列秩的TOA估计方法。可有效抑制重尾非高斯噪声或异常值影响，在高斯和非高斯噪声下均具有更高有效性和鲁棒性，且计算简单。.③提出基于接收信号统计特性的TOA估计方法。其门限设置简单，性能稳健，更易于在实践中使用。提出一种基于熵的无需门限检测首径TOA估计方法。通过检测多径区域来检测首径样本，在密集信道下可获得更好的TOA估计精度。.④提出使用幂变换和近似分布进行TOA估计的方法，获得与基于较复杂理论的chi平方分布TOA估计方法类似性能。提出基于延时器的高精度TOA估计方法，在高信噪比情况下进一步提高TOA估计精度。.⑤建立一种穿墙传输修正测距模型。根据距离与墙壁参数和传输路径入射角的关系，重构受到墙壁严重影响的接收信号的时间延迟，可减小穿墙传输引起的测量误差。.3.NLOS下目标位置估计.①提出一种将距离信息加权与非视距鉴别结果相结合的加权最小二乘（WLS）定位方法。该方法利用测量节点与被定位节点的距离设计WLS的优化权值，并将NLOS鉴别结果与距离加权阵的设计相结合，具有明显优于已有WLS方法的定位性能。.②基于所建立的修正测距模型，提出一种新的穿墙几何曲线定位方法，利用定位参考节点的TOA测量和修正测距模型对实际目标位置进行解算，有效降低了穿墙传输引起的定位误差，具有高精度目标位置估计和低计算复杂度的优势。