一种矿井无源动目标轮廓识别方法技术

本发明专利技术公开了一种矿井无源动目标轮廓识别方法，识别方法具体包括如下步骤：S1：在矿井内部发射机、接收机、无源谐波标签和无源动目标共同组建信息传递系统；S2：对发射机、接收机、无源谐波标签和无源动目标构建球坐标；S3：确定无源谐波标签的球坐标；S4：获取无源动目标反向散射回波信号；S5：根据波数矢量，获取解调后的回波信号；S6：建立无源动目标波数域回波信号与目标散射强度的函数关系，确定动目标轮廓。本发明专利技术以无源谐波标签代替昂贵的发射机，且不需要在目标上佩戴标签，采用多频和多标签分别提供频率分集和角度分集，实现了傅里叶域采样点的完整覆盖，对无源动目标实现了定位和识别。

A Method of Mine Passive Moving Target Contour Recognition

【技术实现步骤摘要】
一种矿井无源动目标轮廓识别方法
本专利技术涉及矿井的定位和识别
，尤其涉及一种矿井无源动目标轮廓识别方法。
技术介绍
矿井动目标的精确识别对于无人智能生产、人员安全、灾后施救等具有非常重要的意义。目前井下主要使用的是基于RFID技术的定位系统，ZigBee、WiFi、UWB技术也常得以应用。其中：ZigBee定位技术传输速度慢、有效范围小；WiFi定位精度差，若要提高精度，则需要部署更多的硬件设施，所需成本高；UWB定位技术可以实现高精度定位，但是需要配备至少两套发射装置，所需成本较高；有源RFID定位技术虽然已经被广泛的应用于井下定位系统，但是识别距离短、盲点距离长，定位精度一般在10米级，局限大。以上采用的都是有源定位识别技术，实现矿井动目标定位和识别的方法是将定位设备/标签放在动目标上，动目标识别的问题被转换为标签识别问题。当标签调制查询信号时，通过反向散射信号的相位，延迟和幅度，可以提取位置信息。然而，在许多情况下，无论是有意还是无意，都不能将感兴趣的动目标放置标签，例如矿井采煤机和掘进机的截割部均无法放置标签，因此这些既不发射信号，也不调制信号的无源动目标识别要困难得多。随着智能化、无人化矿山开采技术的发展，无源动目标识别技术亟待在此领域大力推进。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有无源动目标定位和识别困难的问题，本专利技术提出一种矿井无源动目标轮廓识别方法。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种矿井无源动目标轮廓识别方法，所述识别方法具体包括如下步骤：S1：在矿井内部发射机、接收机、无源谐波标签和无源动目标共同组建信息传递系统；S2：以矿井巷道断面的几何中心为原点、巷道中线为x轴、断面底线为y轴、腰线为z轴，对所述发射机、接收机、无源谐波标签和无源动目标构建球坐标；S3：利用遗传算法，通过所述球坐标确定无源谐波标签的球坐标；S4：通过所述信息传递系统和无源谐波标签的球坐标，获取无源动目标反向散射回波信号；S5：所述无源动目标反向散射回波信号根据波数矢量，获取解调后的回波信号；S6：根据所述解调后的回波信号，建立无源动目标波数域回波信号与目标散射强度的函数关系，通过所述无源谐波标签和接收机的总数目，确定动目标轮廓。进一步地讲，所述步骤S1在矿井内部发射机、接收机、无源谐波标签和无源动目标共同组建信息传递系统，具体为：S1.1：在矿井内部设置所述发射机和接收机，在矿井的巷道上设置所述无源谐波标签；S1.2：所述发射机的查询信号发送至无源谐波标签中，所述无源谐波标签通过非线性元件将查询信号发送至无源动目标中，并将所述查询信号转换为无源动目标反向散射空间中的电磁波信号；S1.3：所述接收机接收无源动目标反向散射空间中的电磁波信号，构建信息传递系统。进一步地讲，所述步骤S3通过球坐标确定无源谐波标签的球坐标，具体如下：S3.1：确定多频连续波的频率数，利用所述遗传算法产生最优频率组合；S3.2：通过所述多频连续波频率数，定义阈值方程，具体为：其中：T为阈值方程，λi为第i个正弦波的波长，λj第j个正弦波的波长，Z为整数集合，bi为第i个波长的系数，bj为第j个波长的系数，Rmax为无源谐波标签和接收机之间的最远距离，i为发射机第i次发射频率，j为发射机第j次发射频率；S3.3：根据所述阈值方程，获取单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离，具体为：其中：Hmn为单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离，λi为第i个正弦波的波长，ai为第i个模糊数，ei为测量误差，为在第i个频率作用下的相位差测量值；S3.4：所述单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离通过有约束的最小均方误差的方法进行优化，具体为：其中：Hmn为单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离，λi为第i个正弦波的波长，ai为第i个模糊数，K为多频连续波频率数，Z为整数集合，为频率作用下的相位差测量值，i为发射机第i次发射频率；S3.5：通过所述球坐标，获取接收机的球坐标和三维直角坐标；S3.6：根据所述接收机的球坐标和三维直角坐标、优化后的单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离，获取无源谐波标签的三维直角坐标和接收机的三维直角坐标之间的关系，确定无源谐波标签的球坐标，其中所述无源谐波标签的三维直角坐标和接收机的三维直角坐标之间的关系，具体为：其中：Hmn为单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离，为第mk个接收机在三维直角坐标中的x轴坐标，为第ml个接收机在三维直角坐标中的x轴坐标，为第mk个接收机在三维直角坐标中的y轴坐标，为第ml个接收机在三维直角坐标中的y轴坐标，第mk个接收机在三维直角坐标中的z轴坐标，第ml个接收机在三维直角坐标中的z轴坐标，xan为无源谐波标签在三维直角坐标中的x轴坐标，yan为无源谐波标签在三维直角坐标中的y轴坐标，zan为无源谐波标签在三维直角坐标中的z轴坐标。进一步地讲，所述有约束的最小均方误差的方法中的约束条件，具体为：其中：Rmax为无源谐波标签和接收机之间的最远距离，λi为第i个正弦波的波长，λj第j个正弦波的波长，ai为第i个模糊数，aj为第j个模糊数，为在第i个频率作用下的相位差测量值，为在第j个频率作用下的相位差测量值，Φ为相位误差阈值。进一步地讲，所述步骤S4获取无源动目标反向散射回波信号，具体如下：S4.1：通过所述信息传递系统，获取无源谐波标签的发射信号，具体为：Sm(t)＝exp(j2π(2f)t+φm)＝exp(j4πft+φm)其中：f为发射机发射的查询信号的频率，t为时间，φm为发射信号的初相位；S4.2：根据所述无源谐波标签的发射信号和无源谐波标签的球坐标，获取所述无源动目标反向散射回波信号，具体为：其中：σ(p)为无源动目标的散射强度系数，f为发射机发射的查询信号的频率，τmn为时间延迟，t为时间，φm为发射信号的初相位，ram为无源谐波标签到矿井巷道断面的几何中心的距离，rbn为接收机到矿井巷道断面的几何中心的距离，c为光速，r为无源动目标到矿井巷道断面的几何中心的距离。进一步地讲，所述步骤S5获取解调后的回波信号，具体如下：S5.1：定义波数矢量，具体为：其中：Km为无源谐波标签的波数矢量，Kn为接收机的波数矢量，f为发射机发射的查询信号的频率，c为光速，θam为无源谐波标签与巷道中线和断面底线构成的平面之间的夹角，为无源谐波标签在巷道中线和断面底线构成的平面上的投影与断面底线之间的夹角，θbn为接收机与巷道中线和断面底线构成的平面之间的夹角，为接收机在巷道中线和断面底线构成的平面上的投影与断面底线之间的夹角；S5.2：所述无源动目标反向散射回波信号根据波数矢量，由时域变换到波数域，具体为：Sm,n(t,r)＝σ(p)exp(j2π(2ft+(Km(ram-r))+(Kn(rbn-r)))+φm)其中：σ(p)为无源动目标的散射强度系数，f为发射天线发射的查询信号的频率，t为时间，φm为发射信号的初相位，ram为无源谐波标签到矿井巷道断面的几何中心的距离，rbn为接收机到矿井巷道断面的几何中心的距离，r为无源动目标到矿井巷道断面的几何中心的距离，Km为无源谐波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矿井无源动目标轮廓识别方法，其特征在于，所述识别方法具体包括如下步骤：S1：在矿井内部发射机、接收机、无源谐波标签和无源动目标共同组建信息传递系统；S2：以矿井巷道断面的几何中心为原点、巷道中线为x轴、断面底线为y轴、腰线为z轴，对所述发射机、接收机、无源谐波标签和无源动目标构建球坐标；S3：利用遗传算法，通过所述球坐标确定无源谐波标签的球坐标；S4：通过所述信息传递系统和无源谐波标签的球坐标，获取无源动目标反向散射回波信号；S5：所述无源动目标反向散射回波信号根据波数矢量，获取解调后的回波信号；S6：根据所述解调后的回波信号，建立无源动目标波数域回波信号与目标散射强度的函数关系，通过所述无源谐波标签和接收机的总数目，确定动目标轮廓。

【技术特征摘要】
1.一种矿井无源动目标轮廓识别方法，其特征在于，所述识别方法具体包括如下步骤：S1：在矿井内部发射机、接收机、无源谐波标签和无源动目标共同组建信息传递系统；S2：以矿井巷道断面的几何中心为原点、巷道中线为x轴、断面底线为y轴、腰线为z轴，对所述发射机、接收机、无源谐波标签和无源动目标构建球坐标；S3：利用遗传算法，通过所述球坐标确定无源谐波标签的球坐标；S4：通过所述信息传递系统和无源谐波标签的球坐标，获取无源动目标反向散射回波信号；S5：所述无源动目标反向散射回波信号根据波数矢量，获取解调后的回波信号；S6：根据所述解调后的回波信号，建立无源动目标波数域回波信号与目标散射强度的函数关系，通过所述无源谐波标签和接收机的总数目，确定动目标轮廓。2.根据权利要求1所述的一种矿井无源动目标轮廓识别方法，其特征在于，所述步骤S1在矿井内部发射机、接收机、无源谐波标签和无源动目标共同组建信息传递系统，具体为：S1.1：在矿井内部设置所述发射机和接收机，在矿井的巷道上设置所述无源谐波标签；S1.2：所述发射机的查询信号发送至无源谐波标签中，所述无源谐波标签通过非线性元件将查询信号发送至无源动目标中，并将所述查询信号转换为无源动目标反向散射空间中的电磁波信号；S1.3：所述接收机接收无源动目标反向散射空间中的电磁波信号，构建信息传递系统。3.根据权利要求1或2所述的一种矿井无源动目标轮廓识别方法，其特征在于，所述步骤S3通过球坐标确定无源谐波标签的球坐标，具体如下：S3.1：确定多频连续波的频率数，利用所述遗传算法产生最优频率组合；S3.2：通过所述多频连续波频率数，定义阈值方程，具体为：其中：T为阈值方程，λi为第i个正弦波的波长，λj第j个正弦波的波长，Z为整数集合，bi为第i个波长的系数，bj为第j个波长的系数，Rmax为无源谐波标签和接收机之间的最远距离，i为发射机第i次发射频率，j为发射机第j次发射频率；S3.3：根据所述阈值方程，获取单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离，具体为：其中：Hmn为单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离，λi为第i个正弦波的波长，ai为第i个模糊数，ei为测量误差，为在第i个频率作用下的相位差测量值；S3.4：所述单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离通过有约束的最小均方误差的方法进行优化，具体为：其中：Hmn为单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离，λi为第i个正弦波的波长，ai为第i个模糊数，K为多频连续波频率数，Z为整数集合，为频率作用下的相位差测量值，i为发射机第i次发射频率；S3.5：通过所述球坐标，获取接收机的球坐标和三维直角坐标；S3.6：根据所述接收机的球坐标和三维直角坐标、优化后的单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离，获取无源谐波标签的三维直角坐标和接收机的三维直角坐标之间的关系，确定无源谐波标签的球坐标，其中所述无源谐波标签的三维直角坐标和接收机的三维直角坐标之间的关系，具体为：其中：Hmn为单个无源谐波标签在两个不同位置处的接收机之间的差分距离，为第mk个接收机在三维直角坐标中的x轴坐标，为第ml个接收机在三维直角坐标中的x轴坐标，为第mk个接收机在三维直角坐标中的y轴坐标，为第ml个接收机在三维直角坐标中的y轴坐标，第mk个接收机在三维直角坐标中的z轴坐标，第ml个接收机在三维直角坐标中的z轴坐标，xan为无源谐波标签在三维直角坐标中的x轴坐标，yan为无源谐波标签在三维直角坐标中的y轴坐标，zan为无源谐波标签在三维直角坐标中的z轴坐标。4.根据权利要求3所述的一种矿井无源动目标轮廓识别方法，其特征在于，所述有约束的最小均方误差的方法中的约束条件，具体为：其中：Rmax为无源谐波标签和接收机之间的最远距离，λi为第i个正弦波的波长，λj第j个正弦波的波长，ai为第i个模糊数，aj为第j个模糊数，为在第i个频率作用下的相位差测量值，为在第j个频率作用下的相位差测量值，Φ为相位误差阈值。5.根据权利要求3所述的一种矿井无源动目标轮廓识别方法，其特征在于，所述步骤S4获取无源动目标反向散射回波信号，具体如下：S4.1：通过所述信息传递系统，获取无源谐波标签的发射信号，具体为：Sm(t)＝exp(j2π(2f)t+φm)＝exp(j4πft+φm)其中：f为发射机发射的查询信号的频率，t为时间，φm为发射信号的初相位；S4.2：根据所述无源谐波标签的发射信号和无源谐波标签的球坐标，获取所述无源动目标反向散射回波信号，具体为：其中：σ(p)为无源动目标的散射强度系数，f为发射机发射的查询信号的频率，τmn为时间延迟，t为时间，φm为发射信号的初相位，ram为无源谐波标签到矿井巷道断面的几何中心的距离，rbn为接收机到矿井巷道断面的几何中心的距离，c为光速，r为无源动目标到矿井巷道断面的几何中心的距离。6.根据权利要求5所述的一种矿井无源动目标轮廓识别方法，其特征在于，所述步骤S5获取解调后的回波...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙彦景，滕跃，张晓光，杨悦，段元星，杨皇卫，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32