基于Wi-Fi信號的成像與壓縮波束形成定位研究.pdf

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

2、美好的應用前景；另一方面，Wi-Fi信號也可用于室內定位或Wi-Fi熱點附近區(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時定位導航服務，但是對于地下室或大型建筑物內這些導航信號難以覆蓋或提供更為精確的定位信息，因此基于Wi-Fi信號的定位技術，可以彌補它們在室內環(huán)境下定位的不足。Wi-Fi定位可為大型商場、學校、車站或停車場等公共場所提供更為便捷、精確和低成本的定位服務。另外，基于該Wi-Fi定位技術也可實現大型倉儲貨物定

3、位、家中老人小孩的安全監(jiān)測、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（SAR）成像技術，使用線性調頻信號即chirp信號，采用距離-多普勒算法，利用MATLAB進行了Wi-Fi信號SAR成像仿真。由于Wi-Fi信號頻率相對較低，其相應的SAR成像精度不高，難以滿足室內傳感和定位的要求。因此針對Wi-Fi信號的特點提出天線陣列成像和二維掃描成像的方法，利用定向天線通過二維機械掃描成像方式，獲取成

4、像目標的各像素點的反射信號值，最后重構出目標圖像。該研究結果表明：主動式Wi-Fi信號成像技術可以實現物體的低分辨率成像。對于金屬物體的目標物，在像素點采集數目較低的情況下，依然可識別出金屬目標物及其相應的大致輪廓。最后本文對該實驗所存在的問題及成像的局限性進行了討論。
　　在Wi-Fi定位方面，本文介紹對比了目前常用的幾種定位方法：基于到達方向監(jiān)測的信號到達角(AOA)定位、基于信號到達時間的(TOA)定位和基于信號傳播時間差的

5、(TDOA)定位，以及用于距離估計的接收信號強度基(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算法對噪聲魯棒性強，但其分辨率低，MUSIC和MVDR算法依賴于頻譜矩陣特征值，所以當出現采樣數量少，頻譜矩陣軼不足以及信號子空間少時，定位性能會大大降低。為解決定位性能問題，提高定位精度，本文提出了一種基于壓縮傳感(CS)波束成形算法應用于射頻無線定位研究。本文分別通過軟件仿真和實驗驗證分析了該定位算法的

6、性能。根據仿真結果討論了各算法定位的效果，通過改變采樣次數和陣元數目計算定位的誤差率，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下，仍能夠較高精度的定位目標方位。另外，在多目標方向定位中，CS算法有更強的指向性，定位性能穩(wěn)定。
　　在實驗方面，通過對定位系統(tǒng)的系統(tǒng)參數分析，探究實驗所用信號頻率、均勻線陣陣元間距和非均勻線陣對定位結果的影響。研究結果表明：當天線陣列采用半波布陣時，信號的頻率對定位結果影響不大