基于Wi-Fi信號的穿墻探測新方法與關鍵技術研究

項目的背景: 現(xiàn)代社會中，地震、火災、建筑坍塌、劫持綁架、恐怖活動等緊急事件時有發(fā)生，嚴重威脅著公共及人身財產(chǎn)安全，作為一種非接觸式近距離遙感手段，穿墻探測雷達在上述領域具有緊迫的應用需求。WiFi(Wireless Fidelity 802.11)作為IEEE的無線局域網(wǎng)標準，現(xiàn)已在世界范圍內獲得廣泛應用。本項目主要研究一種利用WiFi信號進行動目標隔墻無源探測的新方法，其探測具有低成本、低功率、隱蔽性好、生存能力強等優(yōu)勢。 研究內容: 具體包括如下幾個方面：（1）WiFi 信號波形特性分析，并針對模糊函數(shù)在距離域與多普勒域的副峰，提出有效的抑制策略。（2）WiFi新體制穿墻雷達電磁傳播及探測模型仿真。（3）強直達波及雜波抑制研究，分析強直達波與雜波對雷達測量性能產(chǎn)生影響的原因和規(guī)律，探討時域與頻域的雜波相消策略。（4）信號獲取實驗平臺的建立及實驗研究。 重要結果、關鍵數(shù)據(jù)及其科學意義： 1、提出了WiFi基帶復信號模型，并推導了隨機信號的模糊函數(shù)（AF）表達式，從距離和速度兩個方面提出了模糊函數(shù)的副峰識別與抑制方法。 2、根據(jù)信號特點及探測實際需求，提出一種WiFi信號模糊函數(shù)快速計算方法，該方法以 OFDM 符號為處理單元劃分快時間和慢時間，計算點數(shù)較大時，較采用DFT方法計算模糊函數(shù)的速度大大提升。 3、進行了不同直達波恢復方法研究，重點探討了基于重構的參考信號獲取方法，從理論和實測數(shù)據(jù)兩方面對參考信號重構質量及其對探測性能的影響進行了分析。 4、直達波與雜波抑制研究，重點研究了擴展相消系列算法（Extensive Cancellation Algorithm，ECA）算法及其在WiFi外輻射源雷達應用中的改進。 5、對Wi-Fi信號傳播特性、人體目標散射進行了分析與建模，建立了改進的人體步態(tài)模型，進行了基于人體微動的探測信號建模及分析。 6、研制了多通道WiFi外輻射源雷達探測系統(tǒng)，并進行了單/多站人體目標探測實驗。多通道、多站探測實驗目前還未見公開報道，我們獲取了第一手數(shù)據(jù)。 7、對實驗數(shù)據(jù)進行了分析與算法完善，為WiFi外輻射源雷達的實際應用提供了參考依據(jù)。同時，與當前其他WiFi外輻射源雷達研究不同，本項目多通道探測實驗不僅可獲取更多目標信息，增強探測能力與性能，同時，對于復雜環(huán)境下電磁傳播與目標散射機理研究也非常有價值。

穿墻探測在軍事偵察、反恐斗爭、安防消防、災害救援等領域具有緊迫的應用需求。Wi-Fi作為IEEE的無線局域網(wǎng)標準，現(xiàn)已在全球獲得廣泛應用，本項目擬研究一種利用Wi-Fi信號的隔墻動目標無源探測新方法，通過理論與實驗研究，突破移動目標信息獲取的部分關鍵技術。主要內容包括：1）分析多種形式Wi-Fi信號結構與特性，并優(yōu)化設計無源探測參數(shù)；2）研究復雜傳播環(huán)境下的目標探測機理與信號模型；3）建立Wi-Fi無源探測實驗平臺，開展多種傳播條件下的科學實驗；4）結合理論模擬與實測數(shù)據(jù)完善目標檢測與定位方法。擬解決的關鍵技術有：Wi-Fi信號特性與修正、參考信號提純、直達波及雜波抑制、實時信號處理等。作為傳統(tǒng)穿墻探測雷達的一種有益補充，該雷達具有成本低、功率小、覆蓋性好、隱蔽性強等優(yōu)點，項目成果將為發(fā)展一種全新的穿墻探測雷達打下良好的理論與技術基礎，在救援、反恐和安全等領域具有廣闊的應用前景。

傳統(tǒng)的火災探測技術基于煙霧顆粒、溫度等物理量的傳感器，難以滿足大空間、大范圍火災探測的需要。本項目旨在研究如何更好地利用視頻圖像實現(xiàn)對火災事件的探測和預警。探究智能視頻火災探測的理論新方法和關鍵技術，改進已有算法在火災視頻特征提取、分析等方面的不足，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)實時的火災監(jiān)控。研究的重點包括以下四方面內容：1）針對可見光視頻場景中光照變化、類似火焰顏色和運動物體干擾等因素及形成機制，在二分光模型的基礎上研究穩(wěn)定可靠的視頻火焰光譜特征模型和提取方法；2）針對傳統(tǒng)小波變換的不足，研究基于Contourlet的火焰、煙霧的方向性 紋理和高頻特征提取與分析技術。3）分析視頻場景中煙霧彌漫運動特性，研究可靠的煙霧模糊特征提取和分析方法；4）結合SVM、神經(jīng)網(wǎng)絡等方法對火災特征進行學習和識別，保障識別率，降低誤識率。

火災是一種常見的自然災害，它嚴重影響了人民群眾生命和財產(chǎn)的安全。如何及時、準確地探測出突發(fā)性火災事件將火災造成的損失降至最低，一直是人們長期關注和研究的課題。傳統(tǒng)的火災探測技術基于煙霧顆粒、溫度等物理量的傳感器，難以滿足大空間、大范圍火災探測的需要。本項目旨在探索如何利用視頻圖像實現(xiàn)對火災事件的探測和預警，在現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)實時的火災監(jiān)控。 本項目圍繞四個方面展開工作：1、研究二分光模型在視頻火焰光譜特征提取方法；2、研究基于Contourlet的火焰、煙霧的方向性紋理和高頻特征提取與分析方法。3、研究可靠的煙霧模糊特征提取和分析方法；4、構建視頻火災探測原型系統(tǒng)。 在自然基金的支持下，項目組成員在視頻火焰、煙霧探測方面取得三項主要進展：1、提出基于Contourlet變換和協(xié)方差矩陣融合的時空域火焰紋理特征，在視頻火焰檢測上取得良好效果。2、引入HEP模型并對LBP-TOP算子進行改進，在視頻煙霧檢測上取得良好效果。3、初步構建了一套視頻火災檢測軟件原型系統(tǒng)。在本項目資助期間，項目組成員發(fā)表多篇論文、提交專利申請4項，并在視頻火災檢測領域培養(yǎng)碩士生4名。