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;
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;
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为无源谐波标签的波数矢量,Kn为接收机的波数矢量;
S5.3:将所述波数域的无源动目标反向散射回波信号进行去载波处理,获取所述解调后的回波信号,具体为:Dm,n(r)=σ(p)exp(j2π(Km+Kn)r)=σ(p)exp(j2πKm,nr)其中:Km,n=Km+Kn=(Kx,Ky,Kz)
σ(p)为无源动目标的散射强度系数,Km为无源谐波标签的波数矢量,Kn为接收机的波数矢量,r为无源动目标到矿井巷道断面的几何中心的距离,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。
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和最优频率组合,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,所述去载波处理过程中的参考函数,具体为:Sref(t,r)=exp(‑j2π(2ft‑(Kmram+Knrbn))‑φm)其中: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,Km为无源谐波标签的波数矢量,Kn为接收机的波数矢量。
6.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S6确定动目标轮廓,具体如下:S6.1:定义实际矿井场景的空间区域,根据所述解调后的回波信号,获取无源谐波标签和接收机构成的观测通道回波,具体为:其中:Km,n=Km+Kn=(Kx,Ky,Kz)
σ(p)为无源动目标的散射强度系数,Km为无源谐波标签的波数矢量,Kn为接收机的波数矢量,r为无源动目标到矿井巷道断面的几何中心的距离,f为发射天线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,ψ为实际矿井场景的空间区域;
S6.2:将所述无源谐波标签和接收机构成的观测通道回波由时域变换成波数域,具体为:其中:
σ(x,y,z)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,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,V为实际矿井场景的空间区域,x为无源动目标在三维直角坐标系中x轴的坐标,y为无源动目标在三维直角坐标系中y轴的坐标,z为无源动目标在三维直角坐标系中z轴的坐标;
S6.3:根据所述波数域的无源谐波标签和接收机构成的观测通道回波,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,具体为:其中:
Gm,n(kx,ky,kz)为波数域的无源谐波标签和接收机构成的观测通道回波,x为无源动目标在三维直角坐标系中x轴的坐标,y为无源动目标在三维直角坐标系中y轴的坐标,z为无源动目标在三维直角坐标系中z轴的坐标,f为发射天线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,Km为无源谐波标签的波数矢量;
S6.4:通过所述函数关系和无源谐波标签和接收机的总数目,确定所述动目标轮廓,具体为:其中:σm,n(x,y,z)为无源动目标波数域回波信号与目标散射强度的函数关系,M为无源谐波标签的总数目,N为接收机的总数目。