本发明属于巷道监测领域，尤其涉及一种基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法。
背景技术：
1、随着电磁环境的日益复杂，大规模复杂多样化接入设备日益增加，局部定位系统特别是在井下巷道中的超可靠、低时延及超高密度连接的感知需求成为未来定位发展亟需解决的重要难题。物联网已被学术界和工业界公认为未来无线网络的重要组成部分，智慧工业、智能交通、智能健康等应用将成为未来无线网络中快速增长的领域；随着智能设备的爆炸式增长和超大规模连接，物联网在感知方面面临着极大挑战。而由通感一体化支撑的定位技术有望成为解决未来无线网络感知问题的关键技术，将反向散射定位技术应用于物联网是促进定位相关研究的一大推动力。
2、在现实应用场景中，毫米波多输入多输出无线通信系统，由于其高频率特性能够提供更细致的空间分辨率。可以通过接收信号利用空域信号处理技术计算信号的到达角度及时延信息达到粗略定位目的，鉴于毫米波信道稀疏特性，利用这个特点，同时结合粗略定位结果在目标一定角度范围内进行角度细化，得到角度精细化结果，进而实现对反向散射体的定位。
技术实现思路
1、本发明的主要内容是提出一种基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，借助对智能反射单元散射体的定位，从而实现井下巷道的变形监测。
2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，包括：
3、基于安装在巷道墙壁上的智能反射单元接收来自发射机的毫米波正交频分复用信号后传输至向接收机；
4、通过所述接收机接收智能反射单元反射的毫米波正交频分复用信号并利用超分辨率算法进行智能反射单元的到达角和时延估计，根据三角关系确定智能反射单元的粗略位置；
5、根据所述智能反射单元的粗略位置提供的信号离开角和到达角，使用压缩感知工具进行角度细化，获得精细化的离开角和达到角估计；
6、利用三角关系，最终解算智能反射单元的位置信息，并将所述位置信息上传到数据库，间隔时间更新位置信息，根据前后位置信息对比判断巷道变形情况。
7、优选地，通过所述接收机接收的智能反射单元反射的毫米波正交频分复用信号表示为：
8、定义坐标为pt(xt,yt)t的nt天线发射机、坐标为pr(xr,yr)t的nr天线接收设备、l个单天线智能反射单元反向散射设备和环境散射体，假设直射链路与环境散射体反射链路已知，则ofdm毫米波信号在接收端接收信号表示为：
9、yq[k]＝h[k]fq[k]xq[k]+nq[k]
10、其中k表示第k个子载波，f[k]为任意发送波束成形矩阵，xq[k]是第q个发送信号，h[k]为离散频率域信道表示，nq[k]表示均值为0，方差为n0的高斯噪声。
11、优选地，利用超分辨率算法进行智能反射单元的到达角和时延估计，根据三角关系确定智能反射单元的粗略位置的过程包括：
12、通过所述接收机接收智能反射单元的反射信号并利用超分辨率算法进行智能反射单元的到达角和时延估计，获得反射信号的到达角度与时延信息；
13、根据所述反射信号的到达角度与时延信息以及已知收发机位置坐标间的三角关系，获得智能反射单元的反射设备坐标；
14、利用所述反射设备坐标求解发射信号离开角，根据求解得到的目标离开角和到达角，使用压缩感知工具对角度信息进行角度细化处理，重新得到反射设备的精确坐标。
15、优选地，利用超分辨率算法进行智能反射单元的到达角和时延估计的过程包括：
16、连续发送的时域信号表示为：
17、
18、其中，mt为ofdm符号数，k为子载波数，δf为子载波间隔，fc为中心载波频率，rect(t/t)为持续时间是t的矩形脉冲窗函数；对于第q个信号，当同时发送mt个ofdm符号时，第q个发送离散时间信号为：
19、
20、不考虑直射链路与环境散射体反射链路，则时域信道表示为：
21、
22、其中，θl和分别为第l条路径的离开角与到达角，为方向导向矢量，假设天线间距为d1，d1＝λ/2，波长为λ＝c/fc，l为智能反射单元个数，αl为信道系数；
23、时域信道经过采样，通过k点fft变换将时域变换到频域，则在第k个子载波处的频域信道表示为：
24、h[k]＝arx,lχ[k]atx,lt
25、其中，arx,l为接收方向导向矩阵，xtx,l为发射方向导向矩阵，χ[k]＝diag[γk,l]，把记作rectk,l，ncp为信道抽头数，同时等于循环前缀数，令记作γk,l[k]；
26、信道系数αl同时包含路径损耗、第l个智能反射单元的雷达横截面积和时延信息，则其中为路径损耗,h表示信道增益。
27、优选地，获取反射信号到达角度的过程包括：
28、根据信号模型、信道模型以及接收信号模型，当发送mt个ofdm信号时，离散频域信道重表示为：
29、
30、其中k,m∈[0,1,...,l],[0,1,...,mt]，βm,k＝diag(βm,k,l)，βm,k包含除角度信息以外的其他信道信息：
31、
32、rl和fl是第l个智能反射单元的距离与多普勒信息，gl表示与第l个智能反射单元的路径损耗、雷达散射截面相关的衰减因子；
33、则频域接收信号表示为：
34、
35、f(:,m)为波束成形矩阵f的第m列，表示均值为0，方差为n0的高斯噪声矢量；
36、通过定义频域接收信号再次表示为：
37、
38、通过将mt个ofdm符号和k个子载波数堆叠，得到信号表示为：
39、其中
40、优选地，获取反射信号到达角度的过程还包括：
41、基于接收信号的协方差矩阵进行特征值分解，获得相关矩阵的特征值；
42、根据智能反射单元的数量l获得噪声子空间矩阵，基于所述噪声子空间矩阵的噪声子空间获取空间谱函数的峰值即为所述到达角度信息；
43、其中，所述接收信号的协方差矩阵表示为：
44、
45、所述相关矩阵的特征值及对应特征向量表示为：
46、[uy,σy]＝eig(ry)
47、uy和∑y是特征值的正交特征值矩阵和特征值按降序排列的对角矩阵；
48、所述噪声子空间矩阵un表示为：
49、un＝uy[:,l+1:nr]
50、所述空间谱函数表示为：
51、
52、优选地，获取反射信号时延信息的过程包括：
53、基于反射信号的到达角度，第m个ofdm符号的第k个子载波处接收信号通过接收波束成形矢量表示为：
54、即
55、是接收波束成形矢量，根据到达角度信息，由低复杂度的最小二乘产生，即其中cr是模值为1的任意复数值；
56、将带入
57、得到新的接收信号：
58、
59、其中仍然是均值为0，方差为n0高斯噪声；
60、多普勒和延迟转向矢量沿子载波和符号的表示定义如下：
61、
62、对目标物体进行定位忽略多普勒信息，利用时延导向矢量可以得到多目标时延导向矩阵，即ar,k＝[ar,k(r1),ar,k(r2),......,ar,k(rl)]；
63、然后将所有ofdm符号与k个子载波堆叠在一起，得到：
64、
65、优选地，获取反射信号时延信息的过程还包括：
66、从接收到的信号中去除发送的通信导频数据获得信道信息，基于超分辨率算法对所述信道信息进行计算获得时延估计；
67、基于超分辨率算法对所述信道信息进行计算获得时延估计的过程包括：
68、基于信道信息的协方差矩阵进行特征分解，获得相关矩阵的特征值；
69、根据智能反射单元的数量l获得噪声子空间矩阵，基于所述噪声子空间矩阵的噪声子空间获取空间谱函数的峰值即为所述时延信息；
70、其中，所述信道信息的协方差矩阵表示为：
71、
72、所述协方差矩阵的特征值及对应特征向量表示为：
73、[uτ,στ]＝eig(rτ)
74、所述空间谱函数表示为：
75、
76、优选地，所述智能反射单元的粗略估计坐标表示为：
77、基于到达角度θ1和时延信息τ1，发射机位置坐标(xt,yt)、接收设备位置坐标(xr,yr)，则智能反射单元的粗略估计坐标表示为：
78、
79、其中，c为光速，为收发机两者的距离信息；
80、基于已知的收发机坐标以及所述粗略估计坐标获得发射机发射信号离开角为：
81、
82、优选地，所述智能反射单元的精确坐标表示为：
83、假设发射机位置坐标(xt,yt)、接收设备位置坐标(xr,yr)，其获得的到达角度为θ1′和离开角则获得智能反射单元的精确坐标为
84、
85、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
86、本发明通过将智能反射单元放置在井下巷道墙壁上，通过利用空域信号处理技术计算信号的到达角度及时延信息获得粗略定位，再根据毫米波信号信道稀疏特性，同时结合粗略定位结果在目标一定角度范围内得到角度精细化的智能反射单元的定位。本发明适合于矿井，具备简便的实施方案和显著的实用价值，更重要的是在拥有较低的计算复杂度的同时，可以达到毫米级定位精度，能有效监控细微巷道变化。
1.一种基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，其特征在于，通过所述接收机接收的智能反射单元反射的毫米波正交频分复用信号表示为：
3.根据权利要求1所述的基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，其特征在于，利用超分辨率算法进行智能反射单元的到达角和时延估计，根据三角关系确定智能反射单元的粗略位置的过程包括：
4.根据权利要求3所述的基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，其特征在于，利用超分辨率算法进行智能反射单元的到达角和时延估计的过程包括：
5.根据权利要求3所述的基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，其特征在于，获取反射信号到达角度的过程包括：
6.根据权利要求3所述的基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，其特征在于，获取反射信号到达角度的过程还包括：
7.根据权利要求3所述的基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，其特征在于，获取反射信号时延信息的过程包括：
8.根据权利要求3所述的基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，其特征在于，获取反射信号时延信息的过程还包括：
9.根据权利要求1所述的基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，其特征在于，所述智能反射单元的粗略估计坐标表示为：
10.根据权利要求1所述的基于毫米波感知辅助的井下巷道cs定位及变形监测方法，其特征在于，所述智能反射单元的精确坐标表示为：
