一種強多徑環境下信號的到達時間估計方法技術

本發明專利技術公開了一種強多徑環境下信號的到達時間估計方法，該方法通過對接收信號的歸一化匹配濾波，降低了噪聲干擾，同時減小了信號傳輸損失帶來的影響；同時在動態門限的設置上考慮了接收信號濾波器輸出的最大值和最小值，既體現了信道響應，又體現了信噪比信息；此外本發明專利技術通過最大值檢測回溯方式，避免了確定門限后從濾波器輸出起點開始搜索，降低了計算量；同時由于回溯范圍較短，多數情況下突發噪聲峰值落在回溯窗外，最大限度地避免了可能的峰值干擾，提高了TOA估計效率與精度。本發明專利技術具有算法簡單、TOA估計準確等優點，實驗證明本發明專利技術在室內條件下具有良好的TOA估計精度，為實現高精度定位打下了良好的基礎。

【技術實現步驟摘要】
一種強多徑環境下信號的到達時間估計方法
本專利技術屬于信號檢測和無線定位
，具體涉及一種強多徑環境下信號的到達時間估計方法。
技術介紹
室內定位技術在特定場合受到了廣泛關注。對于室內環境，衛星信號衰落嚴重，GPS失去作用；同時，蜂窩基站的定位精度太低，無法滿足室內定位的精度要求。出于易推廣、低成本室內定位系統的需求，使用聲波信號作為定位載體正成為研究熱點之一。在基于時間到達法(TimeofArrival，TOA)的定位系統中，由直達徑(DirectPath，DP)傳播時間估計目標與基站之間的距離，使用多個基站即可使用三邊定位法估計目標位置。然而在室內復雜環境下，存在大量的散射及反射多徑，即使直達徑存在，由于后續多徑分量的同相疊加，直達徑很可能不是最強徑。因此室內環境下獲取準確的TOA估計存在一定困難，提出適應強多徑環境的TOA估計方法至關重要。現有的TOA估計技術主要可分為似然估計法和門限判決法兩大類。似然估計法試圖尋找一組多徑分量，通過多徑分量的延時、幅度組合，與觀察到的信號樣本做匹配，似然估計法一般通過迭代尋求最大似然規則上的最優多徑組合，該方法計算量巨大，在移動設備上較難實現，且在低信噪比條件下性能不佳。門限判決法采用相關器，也就是匹配濾波器(MatchedFilter，MF)，現有的門限判決法可分為三種：第一種是最大能量選擇法(MaximumEnergySelection，MES)，該方法選擇MF的最大輸出作為閾值，即認為輸出最大的時刻即是信號的到達時刻，然而室內多徑環境下直達徑往往不是最強徑，使用MES算法會使TOA估計出現巨大誤差；第二種則是門限比較法(ThresholdComparison，TC)，將MF的輸出與特定門限作比較，選出第一個超出該門限的值作為TOA估計，TC法中門限一般是信噪比的函數，該方法僅在高信噪比條件下可以獲得較高的精度，且無法應對突發噪聲；第三種是基于最大能量的回溯算法(MaximumEnergySelection-SearchBack，MES-SB)，該算法定位到MF的最大輸出后，后向(延時減小方向)搜索固定長度，選出第一個低于門限值的時刻，該時刻與最大輸出時刻的中值作為TOA估計。MES-SB法在低信噪比條件下相比TC法性能更優，但其估計結果永遠在在真實TOA與MF最大輸出之間，通常無法獲得準確的TOA估計。綜上所述，現有的TOA估計方法在應對室內強多徑環境時存在一定困難，加之以往的研究都側重于白噪聲環境，對于突發噪聲并未有過多的涉及，在現有TOA估計方法的基礎上要實現準確定位有一定難度。
技術實現思路
鑒于上述，本專利技術提供了一種強多徑環境下信號的到達時間估計方法，能夠在室內強多徑環境和突發噪聲存在的條件下獲取準確的TOA估計，以提高定位系統準確度，在不需要先驗知識，保證估計精度的條件下，降低TOA估計方法的復雜度。一種強多徑環境下信號的到達時間估計方法，包括如下步驟：(1)由接收機對接收到的信號進行奈奎斯特采樣得到數字信號，進而使所述數字信號通過帶通濾波器以濾除其中的帶外噪聲；(2)將帶通濾波后的數字信號通過歸一化匹配濾波器以抑制其中的突發噪聲，降低信號能量隨距離衰減帶來的影響；(3)對歸一化匹配濾波器的輸出信號Y進行檢測，提取其中的信號最大值ymax和信號最小值ymin，并依此確定一個動態的自適應門限η；(4)從nmax-lsb時刻開始對輸出信號Y逐點進行判斷，直至尋找到第一個信號值超過η的采樣點，該采樣點對應的時刻即為估計出的信號到達時刻；其中，nmax為輸出信號Y中信號最大值ymax對應的時刻，lsb為設定的回溯時長。所述步驟(3)中對歸一化匹配濾波器的輸出信號Y進行檢測，檢測過程中設定一固定的門限值，當輸出信號值高于該門限值，則判定輸出信號Y為非噪聲信號，以此開始提取輸出信號Y中的信號最大值ymax和信號最小值ymin。所述自適應門限η的計算表達式如下：η＝αconst(ymax-ymin)+ymin其中：αconst為設定的歸一化常數且0＜αconst＜1。所述歸一化匹配濾波器基于以下算式表達：其中：ynorm[n]為歸一化匹配濾波器輸出信號Y中第n時刻的信號值，s[i+n]為接收機本地信號模板中第i+n時刻的信號值，接收機的本地信號模板與發射機所發出的信號一致，r[i]為帶通濾波后的數字信號中第i時刻的信號值，r*[i]為r[i]的共軛表達，N為帶通濾波后的數字信號時長，n為自然數。對于室內環境，所述回溯時長lsb設定為10ms。本專利技術的有益技術效果如下：(1)本專利技術通過對接收信號的歸一化匹配濾波，降低了噪聲干擾，同時減小了信號傳輸損失帶來的影響。(2)本專利技術在動態門限的設置上考慮了接收信號濾波器輸出的最大值和最小值，既體現了信道響應，又體現了信噪比信息。(3)本專利技術通過最大值檢測回溯方式，避免了確定門限后從濾波器輸出起點開始搜索，降低了計算量；同時由于回溯范圍較短，多數情況下突發噪聲峰值落在回溯窗外，最大限度地避免了可能的峰值干擾，提高了TOA估計效率與精度。(4)本專利技術相比其他的TOA估計方法，具有算法簡單、TOA估計準確等優點，實驗證明本專利技術在室內條件下具有良好的TOA估計精度，為實現高精度定位打下了良好的基礎。附圖說明圖1為本專利技術TOA估計方法的流程示意圖。圖2為LFM的匹配濾波器輸出波形示意圖。圖3(a)為信號到達前存在突發噪聲情況下的接收信號示意圖。圖3(b)為信號到達前存在突發噪聲情況下一般匹配濾波的輸出信號示意圖。圖3(c)為信號到達前存在突發噪聲情況下歸一化匹配濾波的輸出信號示意圖。圖4為典型的接收信號匹配濾波輸出信號以及各種TOA估計方法所得到的結果示意圖。圖5為本專利技術所使用的動態門限與匹配濾波輸出最大最小值的關系示意圖。圖6為本專利技術基于動態門限回溯的TOA估計方法實現框圖。具體實施方式為了更為具體地描述本專利技術，下面結合附圖及具體實施方式對本專利技術的技術方案進行詳細說明。針對強多徑環境，本專利技術提出的基于動態門限回溯方式的TOA估計方法在具體實施時，為了區分多徑分量，要求信號的匹配濾波器輸出具有較小的時間分辨率。而脈沖壓縮信號具有良好的時間分辨率，在多徑時延大于信號自相關時間的條件下，可以將多徑與直達波分離。對簡單波形增加頻率或相位調制可以實現脈沖壓縮波形，最簡單的頻率調制則是線性調頻信號。因此，本專利技術具體針對線性調頻信號(LinearFrequencyModulation，LFM)設計TOA估計算法，其具體流程如圖1所示，包含如下步驟：(1)發射信號選取。本專利技術所采用的LFM信號表達式為：式中，B是時間內的最大頻移，即信號帶寬；T是信號持續時間，即時寬。自相關函數為：從上式可以看出，LFM期望的匹配濾波器時域輸出集中在[-1/B,1/B]內，因而時間分辨率為1/B，輸出幅度則與時寬帶寬積(BT積)有關。根據上式繪出B＝4k(1k-5k)，T＝0.1s，LFM的匹配濾波器輸出，如圖2所示，當BT積足夠大，其相關峰的主峰非常窄，因而具有很高的時延估計精度。在實際使用時，還需考慮信號發生器件的頻率響應，在保證帶寬的前提下，選擇其頻譜較為平坦頻率區間作為LFM的掃頻范圍。(2)信號接收與采樣。將室內空氣信道視為準靜態信道，令發本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種強多徑環境下信號的到達時間估計方法，包括如下步驟：(1)由接收機對接收到的信號進行奈奎斯特采樣得到數字信號，進而使所述數字信號通過帶通濾波器以濾除其中的帶外噪聲；(2)將帶通濾波后的數字信號通過歸一化匹配濾波器以抑制其中的突發噪聲，降低信號能量隨距離衰減帶來的影響；(3)對歸一化匹配濾波器的輸出信號Y進行檢測，提取其中的信號最大值y

【技術特征摘要】
1.一種強多徑環境下信號的到達時間估計方法，包括如下步驟：(1)由接收機對接收到的信號進行奈奎斯特采樣得到數字信號，進而使所述數字信號通過帶通濾波器以濾除其中的帶外噪聲；(2)將帶通濾波后的數字信號通過歸一化匹配濾波器以抑制其中的突發噪聲，降低信號能量隨距離衰減帶來的影響；(3)對歸一化匹配濾波器的輸出信號Y進行檢測，提取其中的信號最大值ymax和信號最小值ymin，并依此確定一個動態的自適應門限η；(4)從nmax-lsb時刻開始對輸出信號Y逐點進行判斷，直至尋找到第一個信號值超過η的采樣點，該采樣點對應的時刻即為估計出的信號到達時刻；其中，nmax為輸出信號Y中信號最大值ymax對應的時刻，lsb為設定的回溯時長。2.根據權利要求1所述的到達時間估計方法，其特征在于：所述步驟(3)中對歸一化匹配濾波器的輸出信號Y進行檢測，檢測過程中設定一固定的門限值，當輸出信號值高于該門限值，則判定輸出信號Y為非噪聲信號，以此開始提取輸出信號Y中的信號最大值ymax和信號最小值ymin。3.根據權利要求1所述的到達時間估計方法，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐元欣，辜一帆，俞俊濤，向彥博，夏伊倩，毛佳，余睿，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江,33