室内环境下基于频控阵MIMO的高分辨率、低复杂度目标定位研究

In this project, we bring matrix completion to a general sparse indoor scene of moving targets. Assuming knowledge of room geometry, we study on localization and estimation methods using MIMO with frequency diverse array (referred to as FDA-MIMO) that solve the problem of joint lower-resolution and higher-complexity in an indoor multipath environment. Specific studies are as follows: 1) making use of the fact that targets of indoor scene are sparse relative to the whole scene space, we establish multipath propagation model based on FDA-MIMO. 2) in order to solve the coupled problem in range-angle-dependent transmitted beam pattern, we analyze the steering vectors of FDA-MIMO and propose a beam focused method based on convex optimization theory in indoor target localization system. 3) we explore the relationship between coherence of matrix completion and transmit waveforms, and then we aim to design waveforms so that the coherence of the receive data matrix attains its lowest possible value. 4) to use reconstruction technology of matrix completion and Lp norm space, we propose the data matrix recovered method so as to reduce computational complexity. The goal of this project is achieve to joint target localization (range and angle) and Doppler estimation method in indoor environment. The proposal can provide new theory and method for tradeoff between the competing requirements of reliability and cost in indoor target localization, and technical support for application and promotion for indoor position estimation, elderly people indoor fall detection as well as mine life detection.

面对室内目标定位中的多径、分辨率低及计算复杂高等问题，本项目拟通过引入矩阵填充理论，研究基于频控阵MIMO进行室内定位的关键技术。主要研究内容为：1）利用室内环境中目标相对于整个空间是稀疏的特点，建立基于频控阵MIMO室内多径传播的系统模型；2）分析频控阵MIMO导向矢量的特点，结合凸优化技术，研究频控阵MIMO室内定位中的能量聚焦方法，解决发射波束在距离和方位上的耦合问题；3）探索矩阵填充的相干特性与频控阵MIMO发射波形的关系，利用频率编码技术研究发射波形的设计方法，以确保接收数据矩阵的相干性能；4）联合矩阵填充中的重构技术和Lp范数空间，研究数据矩阵的恢复方法，减少算法的计算量和复杂度，以实现室内目标精确的距离和方位二维联合估计。本项目的研究为解决室内目标定位在可靠性和成本之间兼顾提供新的理论和方法，为室内位置估计、老年人跌倒检测及矿井中生命检测等场合的应用和推广提供技术支撑。

本项目面向室内和近距离目标定位应用，致力于解决在频控阵MIMO（MIMO）雷达基础上实现室内和近距离目标定位中多径、高分辨率及低复杂度之间的兼顾问题。首先针对室内环境的特点，利用矩阵填充理论，建立了一种基于矩阵填充的FDA-MIMO雷达系统实现方法；在系统建模的基础上，针对雷达接收数据矩阵的相干性影响矩阵填充的性能，证明了相干性跟FDA-MIMO雷达的发射波形相关，提出了一种FDA-MIMO雷达系统的波形优化方法，实现目标精确估计的同时降低接收数据的相干性；接着，针对近距离应用环境，对FDA-MIMO阵列因子的二次相位项进行了补偿，结合类功率方法，提出了FDA-MIMO雷达时不变的发射波束形成方法，解决发射波束随时间上变化的问题；最后，结合FDA-MIMO的导向矢量与目标距离有关特性，通过构造加权lq范数（0<q≤1）的稀疏优化模型，提出了基于稀疏迭代的FDA-MIMO雷达多维信息估计方法；在此基础上，以最小化稀疏模型中感知矩阵的互相干为准则，结合类功率法，提出了一种基于循环优化的FDA-MIMO雷达发射波束矩阵设计方法，提高距离和角度维分辨率的同时减少了采样快拍数；搭建了近距离和中短距离的MIMO雷达实物平台，也为MIMO雷达应用算法验证提供支持。该结题项目的研究为FDA-MIMO雷达在室内及近距离应用提供了思路。. 基于上述研究重点，项目在执行期3年内发表与项目相关的论文7篇，其中被SCI检索3篇、EI检索1篇，ESI高被引论文1篇；出版学术专著1部；申请国家发明专利12项，其中授权3项；培养已毕业硕士研究生6名；搭建了实物实验平台，为后续研究和成果深化打下了坚实的基础。此外，在团队建设方面，项目负责人在此期间晋升副教授；课题组成员李婕博士获得硕士研究生导师资格。综上所示，本项目圆满完成既定研究目标。