一篇关于穿墙系统原理与应用的综述.

本文主要内容：

1. Introduction

穿墙(througt-wall)技术是指能够检测封闭区域内感兴趣的物体，并且不要求用户佩戴任何附加设备的技术。

穿墙技术具有以下应用：

穿墙技术通常使用射频信号(radio frequency, RF)穿透非金属障碍物并反射人体。常用的RF信号通常小于$10GHz$，因为频率越高，墙的衰减越大。实践中常用工业科学医疗(Industrial Scientific Medical, ISM)波段，如WiFi（$2.4GHz$）和Bluetooth（$5.8GHz$）。

穿墙技术的表现通常用如下关键绩效指标(key point indicator)表示：

这篇综述主要介绍满足Federal Communications Commission (FCC)协议和ISM带宽的穿墙系统，其具有较低发射功率(低于$1W$)、窄带宽(低于$2GHz$)、轻便和容易部署的特点。

2. Challenges

射频信号在穿墙时会遇到一些挑战。

(a) 信号衰减 signal attenuation

射频信号穿过墙体时会受到衰减。信号频率越高，检测分辨率越高，但穿透性越差；需要权衡选择合适的频率。研究人员倾向于在$3GHz$以下设计穿墙雷达。

此外，随着传播距离的增加，信号强度会降低，这对检测不同距离的多个目标有显著的影响。在多目标场景中，靠近设备的目标比远离设备的目标具有更强的信号，后者的信号很容易被前者的信号掩埋。

通过墙壁检测微小运动（例如呼吸、心率检测）也具有挑战性。微小运动引起的反射信号的波动通常弱于来自整个人体的反射信号。

(b) 信号测量 signal measurement

穿墙系统中的一个重要参数是飞行时间(time-of-flight, TOF)，即信号从发射天线到接收天线的时间。由于射频信号的传输速度很高，因此很难准确地测量TOF。

传统雷达利用高速ADC（模数转换器）的大功率系统来解决这一问题，它们主要用于室外环境中探测数百或数千米距离的物体。这种方法价格昂贵、功耗大、分辨率低、成本高。

为了应对这一挑战，穿墙系统主要采用三种技术：

  1. 利用频率调制连续波(FMCW)间接测量TOF；
  2. 测量到达方向(direction of arrival,DOA)以获得角度信息，而不是TOF获得的距离信息；
  3. 利用接收信号强度(received signal strength,RSS)或信道状态信息(channel state information,CSI)的模式实现定位。

(c) 多径效应 multipath effect

穿墙检测的复杂环境会产生多径效应(multipath effect)。天线不仅接收来自目标的信号，还会接收到从环境中的其他物体甚至其他周围目标反射的信号(如从墙壁和家具反射的信号)，这些信号会导致目标定位不准确，甚至产生伪目标。

(d) 镜面反射 mirror effect

射频信号的波长比可见光的波长更长；人体会反射射频信号，但不会散射。通常散射是更有用的，因为散射信号在各个方向上都是可见的，而反射信号是定向的。 这种指向性只能导致天线接收部分反射信号。如从胸部反射的信号沿接收天线的方向，但同时从腿反射的信号沿地板的方向，此时只有胸部可见；这种现象称为镜面反射(mirror effect)。

为了通过射频信号捕捉整个人体，只通过单帧捕捉是不行的。由于人体的运动，反射信号的方向随时间而变化。因此在不同的时间段人体的可见部分是不同的，这使得捕获整个人体成为可能。

(e) 实际问题 practical issue

设计穿墙系统面临的实际问题是实时性，即能够有效地处理接收到的信号，并以较低的时间延迟将结果呈现给用户。复杂的穿墙系统总是更紧凑，计算能力有限，如何控制计算复杂度是系统设计的关键问题。

另一个实际问题是射频信号的检测分辨率与可见光相比相对较低。对于利用WiFi和射频识别(RFID)等现成设备的穿墙系统，频带干扰也是影响系统性能的关键因素。

3. Categories of througt-wall systems

穿墙系统可以分成四类：

  1. 基于WiFi的系统：WiFi-based system
  2. 射频层析成像系统：radio tomographic imaging (RTI) system
  3. 传统穿墙雷达：traditional through-wall radar
  4. 基于软件的射频系统：software-defined radio (SDR) system

(a) WiFi-based system

基于WiFi的系统是指利用WiFi设备作为平台并通过测量接收到的WiFi信号来检测物体的系统。基于WiFi的系统主要有三种方法：（1）从MAC层分析接收信号强度(RSS)，（2）从物理层分析信道状态信息(CSI)，（3）通过软件技术分析WiFi信号。

基于WiFi的系统最显著的优点是它们可以利用现成的WiFi设备，因此它们相对更便宜和更容易实现。 此外，WiFi设备的发射功率通常小于$50mW$，低于传统的穿墙雷达。 缺点是系统的性能受到WiFi设备的限制（带宽、采样率等）。

(b) radio tomographic imaging (RTI) system

RTI通过密集的无线传感器网络重建环境。大多数系统需要在目标区域周围放置大量传感器来包围整个感兴趣的区域，是一种有效的穿墙检测技术，其传感器节点具有低成本、低功耗的特点。

(c) traditional through-wall radar

基于雷达的方法可分为三类：超宽带雷达(ultra-wideband,UWB)、多普勒雷达(Doppler)和频率调制连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达。

最广泛使用的是UWB雷达，因为它较高的距离分辨率和良好的穿透性。但这种雷达需要高性能的硬件、更高的传输功率和大天线阵列。

(d) software-defined radio (SDR) system

SDR系统是指大多数硬件部件被软件方法所取代的RF系统。这类系统需要专业的射频设备和特殊的可编程软件平台。软件的灵活性为SDR系统提供了更多的算法选择。系统的优点是比WiFi更低的发射信号功率和合理分辨率，信号处理方法相对灵活，但缺点是特殊设备的成本高。

4. Basic principle of through-wall technology

穿墙系统发射电磁波来探测空间，并根据反射信号定位目标。电磁波和定位的基本原理如下。

(a) 电磁波的基本原理 Principle of electromagnetic wave

电磁波具有传输(tranmission)和反射(reflection)特性。

传输 Tranmission

电磁波能穿透非金属物体，其穿透能力与频率有关。频率越高，传输性能就越差，在穿透障碍时会产生低通滤波效应。如可见光的波段为$3.9×10^5 \text{~} 8.6×10^5$千兆赫，而射频信号的波段为$3 \text{~} 300$千兆赫；因此，可见光的穿透能力非常差，但射频信号可以很好地穿透障碍物。

传输的性能也受到障碍物材料的显著影响。木材、干墙和聚苯乙烯泡沫等材料具有较小的损失系数，而砖墙和砖块则具有显著的损失系数。下表显示了不同频率信号的衰减和信号通过不同材料的衰减。

反射 Reflection

穿墙系统可以根据被人体和家具等障碍物反射的信号计算物体的距离或角度。但并非所有的反射信号都是有价值的，比如从墙上反射的信号。所以穿墙系统需要额外过滤掉不需要的反射。此外，射频信号的反射与可见光信号的反射存在很大的差异。由于射频信号的波长比可见光的波长长得多，所以人体看作反射体而不是散射体。

(b) Principle of localization

使用穿墙系统可以实现目标定位。

根据天线的往返距离( round-trip distance)实现定位。一个发射天线发射信号，另一个接收天线接收信号。假设已知一对天线之间的往返距离，把两个天线的位置看作焦点绘制一个椭圆，两个天线的距离之和构成了椭圆的边缘，目标的位置落在椭圆上。使用另一对天线再次根据往返距离构造椭圆，则目标位于两个椭圆的交点处。整个过程如下图所示：

如果天线是定向的，则可以排除无效的交点。如果有两对以上的天线，位置可以唯一确定。在三维空间中，由一对天线建立的椭圆将成为椭球，$3$个椭球可以确定一个交点。

另一种定位方法是根据距离和角度。类似于极坐标系中的定位，一旦知道目标的距离和角度，就可以准确地定位。在天线系统中，利用往返距离来绘制椭圆，如果进一步知道物体的角度，便可以绘制射线，其与椭圆的交叉点表示物体的位置，如下图所示：

5. Basic method of through-wall technology

穿墙系统利用射频技术可以获得目标的距离和角度。

(a) 距离测量

通常利用射频信号来测量两个物体之间的距离。由于射频信号以光速传播，因此一旦得到信号从发射机到接收机的飞行时间(TOF)，就可以计算传播距离。

脉冲法 Pulse method

脉冲法是测量TOF的直接方法。发射天线发射短脉冲，接收天线接收脉冲的回波并计算时延。该时延就是所求TOF。计算如下：

\[d_1+d_2=c \times t_{TOF}\]

该方法的优点是测量和计算简单。但是信号的传播速度太快，非常难测量较短时间的TOF，穿墙系统必须以亚纳秒间隔采样信号。需要高功耗和价格昂贵的高速ADC。

频率调制连续波 Frequency modulated continuous wave (FMCW)

FMCW技术是一种测量TOF的间接方法。FMCW发射一个周期信号，其载波频率随时间线性变化。天线接收的反射信号同时具有时间延迟和频移。FMCW并不是直接测量时延，而是利用频移来计算时延。由于载波频率随时间线性变化，时延$t_{TOF}$和频移$\Delta f$是线性相关的，计算如下：

\[t_{TOF} = \frac{\Delta f}{k}\]

如上图所示，当物体与天线的距离恒定时，接收信号的时延也是恒定的。可以通过增大频率变化来降低测量难度，如载波频率从每秒$5GHz$变化到$7GHz$，则其理论上的变化为TOF的$2×10^9$倍，因此更容易测量。

发射信号的载波频率应随时间线性变化。为实现这一目标需保证发射机硬件在带宽内的线性，发射机中的任何非线性分量都会影响TOF的估计。FMCW带宽$B$的选择不仅影响输出频率的线性，而且影响其检测分辨率，即位置的最小可测变化量$R$：

\[R = \frac{c}{2B}\]

为了实现亚米精度，基于FMCW的穿墙系统通常具有$1.7GHz$的带宽，以满足FCC的民用规定。

(b) 角度测量

通常通过信号的到达方向(direction of arrived signals, DOA)检测物体的角度。假设包含$m$个相同天线的线阵，每两个相邻天线之间的距离是$d$，第$k$个天线的输出可以写作：

\[y_k(t)=H_k(\omega_c)e^{-j \omega_c (k-1)\frac{dsin \theta}{c}}s(t)+e_k(t)\]

其中$\theta$是DOA，$\omega$是载频频率，$s(t)$是基带信号，$H_k(\omega)$是频率响应，$e_k(t)$是噪声信号。通过已知$y_k(t)$、$s(t)$和$H_k(\omega)$，可以近似求得$\theta$。

(c) 机器学习方法

卷积神经网络在穿墙系统中被广泛采用的原因是射频信号的格式（表示不同位置信号强度的射频热图）与图像非常相似。 在穿墙成像场景中，每帧数据由大量表示射频信号空间信息的像素组成。

一种处理射频信号的常见方法称为时空卷积，它将卷积操作应用于空间维度和时间维度。因为人体的运动是连续的，为了定位不同的身体部位，神经网络不仅应该关注每帧数据（空间维度)中的信息，而且还应关注一系列连续的数据(时间维度）。

在穿墙系统中，经常使用跨模态监督。这是因为人工标注RF数据作为训练集是非常困难的，需要引入基于视觉的系统进行监督。在训练时，基于射频的系统和基于视觉的系统分别工作，然后将基于视觉的系统的结果用于修正基于射频的系统中的神经网络。训练结束后，基于射频的系统可以单独工作。

6. Examples of handy through-wall systems

本节介绍一些穿墙系统，其系统配置和性能指标如下表所示。

7. Open issues

穿墙系统已经应用在各种场合，但还有若干问题需要解决：

可行性 feasibility

大多数穿墙系统是在实验环境中测试的，将其应用于实际场景时面临着许多问题，因为现实世界的环境比实验环境复杂得多。

  1. 对于人体定位的穿墙系统，宠物的存在可能会影响设备。 宠物的快速移动会使信号失真，干扰人体的检测。
  2. 密集的城市地区总是有复杂的电磁干扰。 例如，城市中心对WiFi信号的密集覆盖对基于WiFi的系统来说是巨大的干扰。
  3. 穿墙定位的能力也受到人数的限制。

灵活性 mobility

大多数穿墙设备需要固定位置，以使信号处理更加容易；而笨重的硬件设备和实时处理需求使穿墙系统失去灵活性。

智能性 intelligent

人工智能已经被证明具有从射频信号中直接提取人体细粒度信息的能力。 如何将人工智能和穿墙技术更紧密地结合，是未来穿墙系统面临的挑战。 监督学习被广泛应用于穿墙场景中解释复杂的射频信息。 然而，监督学习需要大量人工标注的训练集，目前的系统向基于视觉的系统寻求帮助（跨模态学习）。未来无监督学习可能是另一种选择。

隐私性 privacy

穿墙技术如果使用不当，将严重侵犯人们的隐私。 因此，穿墙系统在广泛民用之前，隐私保护技术是必要的。