【技术实现步骤摘要】
一种基于可重构智能表面的近场目标跟踪的相位设计方法
[0001]本专利技术涉及基于可重构智能表面的近场目标跟踪的相位设计方法，属于信号处理
技术介绍
[0002]定位跟踪技术广泛应用在无人驾驶、搜救行动和智能交通等领域。当前的定位跟踪方案大多基于全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)，然而，在天气恶劣或遮挡物多的环境下，GNSS信号可能被阻断，无法提供正常的目标跟踪。因此，如何在不依赖GNSS的条件下实现目标的有效跟踪已成为人们研究的热门问题。
[0003]目前，在GNSS无法提供服务的情况下，通常使用大规模的阵列天线采集数据，从而实现跟踪功能。但要想进一步提高定位精度，需要增加天线数量，这往往增加了硬件成本。在不改变天线阵列规模的情况下，寻找新技术来提高跟踪系统的性能至关重要。可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent surfaces，RIS)是一种极具发展前景的新技术，它可以通过设计附着在人造超表面上的被动反射单元的...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于可重构智能表面的近场目标跟踪的相位设计方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、建立RIS辅助跟踪系统的阵列天线接收信号模型；所述RIS为可重构智能表面；步骤二、通过运动状态的Fisher信息矩阵得到RIS辅助跟踪系统的后验克拉美罗下界；步骤三、利用RIS辅助跟踪系统的后验克拉美罗下界和RIS相位设计算法实现RIS相位设计。2.根据权利要求1所述的一种基于可重构智能表面的近场目标跟踪的相位设计方法，其特征在于：所述步骤一中建立RIS辅助跟踪系统的阵列天线接收信号模型；具体过程为：步骤一一、构建RIS辅助跟踪系统；步骤一二、基于步骤一一构建球面波模型；步骤一三、基于步骤一二获得天线接收信号的频率；步骤一四、基于步骤一三构建阵列天线接收信号模型。3.根据权利要求2所述的一种基于可重构智能表面的近场目标跟踪的相位设计方法，其特征在于：所述步骤一一中构建RIS辅助的跟踪系统；具体过程为：考虑带有接收阵列天线、RIS以及移动发射源的跟踪场景；移动发射源携带单根天线发射信号，以移动发射源作为跟踪目标；以接收阵列天线参考点为原点，以地面为XY平面建立三维直角坐标系，有个天线呈矩形均匀排布构成天线阵列，放置在XY平面上，天线间距均为其中为沿X轴方向的天线的个数，为沿Y轴方向的天线的个数，λ表示移动发射源发射信号的波长；设RIS平行于YZ平面，RIS由个反射单元组成，个反射单元呈矩形均匀排布，单元间距均为其中，为沿Y轴方向的反射单元的个数，为沿Z轴方向反射单元的个数，以位于RIS的左下角位置的反射单元p
R
为参考点，参考点坐标为p
R
＝(x
R
,y
R
,z
R
)；用p
k
＝[x
k
,y
k
,z
k
]
T
和分别表示移动发射源在时刻k分别在X轴、Y轴和Z轴的位置和速度参数向量；用包含位置和速度参数的向量表示移动发射源的运动状态，z
k
中的位置和速度参数为可观测数据；上角标T表示求转置；用数字1～N
A
对接收阵列天线进行标号，第1个天线为阵列天线参考点，则第i个天线的
坐标为其中mod表示取余运算符，n
x,i
表示第i个天线相对接收阵列天线参考点沿X轴方向的天线间隔数，n
y,i
表示第i个天线相对接收阵列天线参考点沿Y轴方向的天线间隔数；用数字1～N
R
对反射单元进行标号，则第n个反射单元的坐标为其中m
y,n
表示第n个反射单元相对于RIS参考点沿Y轴方向的反射单元间隔数，m
z,n
表示第n个反射单元相对于RIS参考点沿Z轴方向的反射单元间隔数，4.根据权利要求3所述的一种基于可重构智能表面的近场目标跟踪的相位设计方法，其特征在于：所述步骤一二中基于步骤一一构建球面波模型；具体过程为：在时刻k第i个天线和第n个反射单元到移动发射源的距离r
i,k
和分别为分别为其中，d
n,k
表示移动发射源到原点与原点到第n个反射单元形成夹角的余弦值，r
k
、φ
k
和ψ
k
分别表示在时刻k移动发射源到原点的距离、方位角和仰角，r
i
和φ
i
分别表示第i个天线到原点的距离和方位角，和分别表示第n个反射单元到原点的距离、方位角和仰角。5.根据权利要求4所述的一种基于可重构智能表面的近场目标跟踪的相位设计方法，其特征在于：所述步骤一三中基于步骤一二获得天线接收信号的频率；具体过程为：与分别表示在时刻k第i个天线接收到来自于移动发射源和RIS第n个反射单元反射信号的频率，具体表示为反射信号的频率，具体表示为其中，f
c
表示发射信号的频率，v
k
表示在时刻k移动发射源的速度，和分别表示在
时刻k移动发射源速度的方位角和仰角，φ
i,k
与ψ
i,k
分别表示在时刻k移动发射源对于第i个天线的方位角和仰角，分别表示为天线的方位角和仰角，分别表示为天线的方位角和仰角，分别表示为与分别表示在时刻k移动发射源对于RIS的第n个反射单元的方位角和仰角，表示为角，表示为6.根据权利要求5所述的一种基于可重构智能表面的近场目标跟踪的相位设计方法，其特征在于：所述步骤一四中基于步骤一三构建阵列天线接收信号模型；具体过程为：阵列天线接收的是来自移动发射源的视距链路信号以及经过RIS反射的非视距链路信号，在时刻k接收信号可表示为其中，x(k)表示移动发射源发射的单位信号，P表示信号发射功率，表示在时刻k接收天线到移动发射源的信道矩阵，矩阵大小为N
A
×
1；表示在时刻k接收天线到RIS的信道矩阵，矩阵大小为N
A
×
N
R
；表示在时刻k，RIS到移动发射源的信道矩阵，矩阵大小为N
R
×
1；Ω表示包含反射单元相位的对角矩阵，Θ表示反射单元相位的向量，θ1表示第1个反射单元的相位，θ2表示第2个反射单元的相位，表示第N
R
个反射单元的相位，j表示虚数单位，j2＝
‑
1，t1表示携带RIS第1个单元相位信息的参数，t2表示携带RIS第2个单元相位信息的参数，表示携带RIS第N
R
个单元相位信息的参数，diag(
·
)表示对角矩阵；h
k
表示阵列天线接收到的有用信号，ω为加性高斯白噪声向量，并且ω～Ν(0,P2)表示ω服从于以0为均值、以P2为协方差矩阵的高斯分布，N(
·
)表示高斯分布，～表示服从于某分布，P2表示噪声的协方差矩阵，为噪声的方差，I为单位矩阵；第i个天线在时刻k接收到的有用信号表示为
其中，τ
i,k
表示信号从移动发射源到第i个天线的时延，表示信号从移动发射源到第n个反射单元的时延，表示信号从第n个反射单元到第i个天线的时延，θ
n
表示第n个反射单元的相位，和分别为在时刻k信号从移动发射源直接到阵列天线和从移动发射源经RIS反射到阵列天线两条路径的路径损耗，分别表示为发射源经RIS反射到阵列天线两条路径的路径损耗，分别表示为其中，G
M
和G
A
分别表示发射天线和接收天线的增益，表示第i个天线到RIS的第n个反射单元的距离，和分别表示信号入射到RIS第n个反射单元并反射到第i个天线的入射角和反射角，与移动发射源运动状态和时刻k无关，为常数为常数，表示RIS的有效反射面积，表达式为其中，S
R
表示RIS反射单元的面积，和分别表示第n个反射单元到第i个天线的方位角和仰角，表达式为第i个天线的方位角和仰角，表达式为7.根据权利要求6所述的一种基于可重构智能表面的近场目标跟踪的相位设计方法，其特征在于：所述步骤二中通过运动状态的Fisher信息矩阵得到RIS辅助跟踪系统的后验克拉美罗下界；具体过程为：步骤二一、建立移动发射源运动状态模型；具体过程为：用随机线性模型来描述移动发射源的运动状态，表示为z
k
＝Az
k
‑1+η其中，A是状态转移矩阵，η为加性高斯白噪声，η～Ν(0,P1)，Ν(0,P1)表示以0为均值、以P1为协方差矩阵的高斯分布，P1表示噪声的协方差矩阵，表示噪声的方
差；z
k
表示移动发射源在时刻k的运动状态，z
k
‑1表示移动发射源在时刻k
‑
1的运动状态；步骤二二、推导RIS辅助跟踪系统的后验克拉美罗下界PCRLB；具体过程为：PCRLB可以写成Fisher信息矩阵的逆，表示为M≥J(z
0:k
)
‑1其中，M表示RIS辅助的跟踪系统估计的方差，J(z
0:k
)表示RIS辅助的跟踪系统中参数z
0:k
的FIM，J(
·
)表示RIS辅助的跟踪系统的FIM，z
0:k
表示包含从时刻0到时刻k移动发射源所有运动状态参数的向量，z0表示第0时刻移动发射源运动状态向量，z1表示第1时刻移动发射源运动状态向量，z
k
表示第k时刻移动发射源运动状态向量；其中，E{
·
}表示求期望，p(
·
)表示概率密度函数，z
0:k
表示包含从时刻0到时刻移动发射源所有运动状态参数的向量，y
0:k
表示包含从时刻0到时刻k天线阵列接收信号的向量，表示对向量z
0:k
求二阶导，表示对向量z
0:k
求一阶导，y0表示第0时刻...
【专利技术属性】
技术研发人员：王波，张宁，赵彦平，栾明桉，冯志远，杨佳慧，姚宝花，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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