CN101566690A - 一种无线自组网测距方法及实现该方法的测距系统 - Google Patents

Abstract

一种无线自组网测距方法及实现该方法的测距系统，它涉及一种无线测距方法及系统。它解决了现有的无线自组网的测距方法仅根据峰值位置测量距离导致测距精度低的问题。本发明的方法是：发射节点发射测距信号至目标节点；目标节点对测距信号加固定时延后发射；发射节点接收并滤波、采样后进行分数域相关变换；检测变换后结果的峰值大小和位置获得估计时延；用估计时延乘以光速获得测量结果。其装置使用分数域相关模块对离散采样值进行运算，运算后的结果使用峰值检测器检测峰值位置与大小，然后使用峰值位置与大小联合估计距离模块计算测距结果。本发明联合相关峰值大小和位置估计距离，提高测距精度，适用于战场通信、恶劣环境检测等多种场合。

Description

一种无线自组网测距方法及实现该方法的测距系统

技术领域

本发明涉及一种无线测距方法及系统，具体涉及一种使用分数傅立叶变换域相关检测的方法来实现测距的方法及系统。

背景技术

随着近年来移动通信技术的飞速发展，越来越多的新技术不断涌现。为了满足需求，一种与传统的蜂窝网公众通信系统不同的分布式自组网络受到了人们的关注，例如：无线传感器网络、Ad-hoc网络、Mesh网络等，它们的共同特点是无中心、自组织、通过多跳的方式传输信息。由于不需要预先架设基础设施(如蜂窝网中的基站、控制中心等设备)，无线自组网具有组网快、拓扑结构灵活、成本低、抗毁性强等特点。无线自组网可以应用于军事领域，如站场通信等；也可以用民用领域，如灾后重建、恶劣环境监测、个人通信等方面，尤其适用一些紧急、临时、无基础设施的场合使用。

测距是无线自组网中一项关键技术，例如在无线传感器网络中，传感器检测到的温度、湿度、气味等信息只有和网络节点的位置信息结合才具有意义。传统的无线自组网的测距方式是根据时域相关方法，利用峰值检测器对峰值位置估算距离，测距精度较低。

发明内容

本发明是为了解决现有的无线自组网的测距方法仅根据峰值位置测量距离导致测距精度低的问题，从而提出一种基于分数傅立叶变换域相关的无线自组网测距方法及使用所述方法的测距装置。

一种无线自组网测距方法，它由以下步骤完成：

步骤一：发射节点产生的切普信号调制测距序列后产生测距信号；

步骤二：发射节点控制并发射测距信号；

步骤三：目标节点接收步骤二中所述的测距信号，并且对所述测距信号加入固定时延后发射；

步骤四：发射节点接收目标节点返回的信号，并将所述信号滤波，获得滤波后的信号；

步骤五：将步骤四获得的滤波后的信号进行离散采样，获得离散采样值；

步骤六：将步骤五获得的离散采样值经p阶分数傅立叶变换后获得r_p(u)，所述r_p(u)与经p阶分数傅立叶变换获得的参考信号m_p(u)进行相关运算，获得corr_p(u)；所述corr_p(u)经-p阶分数傅立叶变换获得corr(t)；

步骤七：检测并获得步骤六获得的信号corr(t)的峰值大小corr(t_peak)和峰值位置t_peak；

步骤八：根据步骤七获得的峰值大小corr(t_peak)和峰值位置t_peak，采用公式：

t_peak＝Δt₁secα

$\mathrm{corr}\left(t_{\mathrm{peak}}\right)=\left|{\∫\left|c\left(t\right)\right|}^2{e}^{-j2\mathrm{\πt\Δ}{t}_2\tan \mathrm{\α}}\mathrm{dt}\right|$

$\widetilde{\mathrm{\Δt}}=({\mathrm{\Δt}}_1+{\mathrm{\Δt}}_2)/2$

获得估计时延式中 $\mathrm{\α}=p\×\frac{\mathrm{\π}}{2},$ p为分数阶数；

步骤九：用估计时延

乘以光速获得测量距离；

所述测距序列和参考信号为一段相同的切普信号。

同时，还可以在步骤六之后，根据系统对测距范围及分数阶数计算获得设定门限值，然后执行步骤七；在步骤七中，判断检测获得的信号corr(t)的峰值大小corr(t_peak)是否大于所述设定门限值，并保存判定为大于所述设定门限值的信号corr(t)的峰值大小corr(t_peak)和峰值位置t_peak。

实现无线自组网测距方法的测距系统，它由多个测距节点组成，每个测距节点的结构相同，所述测距节点包括切普信号产生器、发射波形成形器、时钟控制器、滤波器、采样器、峰值检测器、发射天线和接收天线；所述每个节点还包括分数域相关模块和峰值位置与大小联合估计距离模块，所述分数域相关模块由第一p阶分数傅立叶变换器、-p阶分数傅立叶变换器、本地模板信号产生器、第二p阶分数傅立叶变换器和相关器组成；切普信号产生器的第一切普信号输出端与发射波形成形器的切普信号输入端连接，切普信号产生器的第二切普信号输出端与本地模板信号产生器的切普信号输入端连接，时钟控制器的第一控制信号的输出端与发射波形成形器的控制信号输入端连接，时钟控制器的第二控制信号输出端与本地模板信号产生器的控制信号输入端连接，发射波形成形器的切普信号输出端与发射天线的信号输入端连接；接收天线的信号输出端与滤波器的信号输入端连接，所述滤波器的信号输出端与采样器的信号输入端连接，所述采样器的信号输出端与第一p阶分数傅立叶变换器的信号输入端连接，本地模板信号产生器的信号输出端与第二p阶分数傅立叶变换器的信号输入端连接，第一p阶分数傅立叶变换器的信号输出端与相关器的第一信号输入端连接，第二p阶分数傅立叶变换器的输出端与相关器的第二信号输入端连接，所述相关器的信号输出端与-p阶分数傅立叶变换器的输入端连接，所述-p阶分数傅立叶变换器的输出端与峰值检测器的信号输入端连接，所述峰值检测器的输出端与峰值位置与大小联合估计距离模块的输入端连接，所述峰值检测器用于检测分数域相关模块输出信号的峰值位置和峰值大小；峰值位置与大小联合估计距离模块用于根据峰值检测器检测到的峰值位置和峰值大小计算距离。

它还包括门限设置模块，所述门限设置模块的信号输出端与峰值检测器的门限设置信号输入端连接，门限设置模块用于根据测距范围及分数阶数计算获得设定门限值，并将所述设定门限值输出给峰值检测器；峰值检测器还用于判断检测到的分数域相关模块输出信号是否大于门限设置模块发送得设定门限值，并将大于所述门限值的峰值位置和峰值大小输出给峰值位置与大小联合估计距离模块。

本发明在接收端将传统的时域或者频域相关模块替换为分数傅里叶变换域相关模块，根据分数阶傅里叶变换域相关的移变性质，在分数傅里叶变换域通过峰值大小和位置的联合检测判决来进行距离估计，与传统的时域相关只根据峰值位置测距相比，峰值大小和位置联合测距大大提高了测距的精度，测量精度高；在信道噪声影响较小而系统的时间精度不高的情况下，峰值大小比峰值位置能够更好的反映时延信息，从而进一步精确的测定距离。

附图说明

图1是本发明的装置的结构示意图；图2是具体实施方式二所述的装置的结构示意图；图3是在p＝0.8时的分数域相关结果图，其中横坐标为峰值位置，纵坐标为信号幅度；图4是p＝0.6时的分数域相关结果图，其中横坐标为峰值位置，纵坐标为信号幅度；图5是p＝0.6时的设置门限值控制测距范围的结果图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种无线自组网测距方法，它由以下步骤完成：

步骤一：发射节点产生的切普信号调制测距序列后产生测距信号；

步骤二：发射节点控制并发射测距信号；

步骤三：目标节点接收步骤二中所述的测距信号，并且对所述测距信号加入固定时延后发射；

步骤四：发射节点接收目标节点返回的信号，并将所述信号滤波，获得滤波后的信号；

步骤五：将步骤四获得的滤波后的信号进行离散采样，获得离散采样值；

步骤六：将步骤五获得的离散采样值经p阶分数傅立叶变换后获得r_p(u)，所述r_p(u)与经p阶分数傅立叶变换获得的参考信号m_p(u)进行相关运算，获得corr_p(u)；所述corr_p(u)经-p阶分数傅立叶变换获得corr(t)；

步骤七：检测并获得步骤六获得的信号corr(t)的峰值大小corr(t_peak)和峰值位置t_peak；

步骤八：根据步骤七获得的峰值大小corr(t_peak)和峰值位置t_peak，采用公式：

t_peak＝Δt₁secα

$\mathrm{corr}\left(t_{\mathrm{peak}}\right)=\left|{\∫\left|c\left(t\right)\right|}^2{e}^{-j2\mathrm{\πt\Δ}{t}_2\tan \mathrm{\α}}\mathrm{dt}\right|$

$\widetilde{\mathrm{\Δt}}=({\mathrm{\Δt}}_1+{\mathrm{\Δt}}_2)/2$

获得估计时延

式中 $\mathrm{\α}=p\×\frac{\mathrm{\π}}{2},$ p为分数阶数；

步骤九：用估计时延

乘以光速获得测量距离；

所述测距序列和参考信号为一段相同的切普信号。

同时，还可以在步骤六之后，根据系统对测距范围及分数阶数计算获得设定门限值，然后执行步骤七；在步骤七中，判断检测获得的信号corr(t)的峰值大小corr(t_peak)是否大于所述设定门限值，并保存判定为大于所述设定门限值的信号corr(t)的峰值大小corr(t_peak)和峰值位置t_peak。

所述测距序列与信道参数之间的关系是：根据信道的带宽和中心频率，产生相应带宽和中心频率的信号。

所述切普信号由声表面波器件(SAW)产生。

本发明应用的数学工具为分数傅里叶变换域的相关运算。分数傅立叶变换是一种广义的傅立叶变换，信号在分数阶傅立叶域上的表示，同时包含了信号在时域和频域的信息。

分数阶相关和传统的时域相关相比，最大的特性就是它具有移变性质，即测距信号与模板信号的时延差不同时，相关峰值的大小和位置都发生变化，而传统的时域相关在不考虑信号的传输损耗时，测距信号与模板信号的时延差不同时只是峰值位置发生变化，峰值大小不变。用公式表示，分数阶相关的峰值位置为：

t_peak＝Δtsecα    (1)

峰值大小为

corr(t_peak)＝|∫|c(t)|²e^{-j2πtΔttanα}dt|  (2)

根据公式可以看出峰值位置和峰值大小与时延差和分数阶数均有关系。

时延与峰值大小和峰值位置的关系如公式(1)，(2)所示，将步骤七得到的t_peak和corr(t_peak)分别带入公式(1)、(2)求解

根据公式(1)可得 ${\widetilde{\mathrm{\Δt}}}_1=t_{\mathrm{peak}}/\sec (p\×\frac{\mathrm{\π}}{2}),$ 公式二的求解较为复杂，为了节省硬件资源，可以预先存储

与corr(t_peak)的对应关系，采用查表的方式求解得到

根据信道环境，对二者进行加权平均，得到时延估计结果

当

与

的差值很大时，说明由于干扰存在使得峰值大小或者峰值位置受到较大影响，可以认为测距结果不可信，重新进行测距，以提高系统的精度和可靠性；

本发明发送信号为c(t)，经过信道后的信号到达接收端的信号为r(t)，本地模板信号m(t)＝c(t)；在分数域相关模块，对r(t)和m(t)做p阶分数傅里叶变换得到r_p(u)和m_p(u)。其中p阶分数傅里叶变换的定义如下式所示：

$\left(F^{p}f\right)\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right)\mathrm{\κ}(p;u,t)\mathrm{dt}$

$=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{1-i\cot \mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\exp \left[i(\frac{u^2+t^2}{2}\cot \mathrm{\α}-\mathrm{ut}\csc \mathrm{\α})\right]f\left(t\right)\mathrm{dt}& \mathrm{\α}\≠\mathrm{n\π}\\ f\left(t\right)& \mathrm{\α}\≠2\mathrm{n\π}\\ f(-t)& \mathrm{\α}=(2n+1)\mathrm{\π}\end{array}\right.$

其中f(t)为信号的时域表达形式，f(t)的p阶分数傅立叶变换为F^pf(u)，u为分数傅里叶变换域坐标，α＝pπ/2。当α＝π/2时f(u)为普通的傅立叶变换。根据分数傅里叶变换的特性，它的基函数为切普信号，即特定参数的切普信号经过分数阶傅里叶变换后为冲击函数。

corr_p(u)是分数域信号r_p(u)和分数域模板信号m_p(u)做普通相关运算的结果：

${\mathrm{corr}}_p\left(\mathrm{\ρ}\right)=(r_p\⊗m_p)\left(\mathrm{\ρ}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{r}_p\left(u\right){m_p}^{*}(u-\mathrm{\ρ})\mathrm{du}$

切普信号的表达式为：

(0≤t≤T)

参数

f₀、k分别表示切普信号的相位，中心频率，和调频率。k与带宽B的关系为B＝kT，其中T为切普信号时域宽度。

若时域表示的输入信号和参考信号为s(t)和h(t)，则两信号的时域相关和频域相关分别定义为：

$(s\⊗h)\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}s\left(t\right)h^{*}(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

$\left(s{\⊗}_{\mathrm{\π}/2}h\right)\left(v\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}s\left(t\right)h^{*}\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\πvt}}\mathrm{dt}$

此处

表示相关符号。类似的可以得到分数阶相关的定义

$\left(s{\⊗}_{\mathrm{\φ}}h\right)\left(\mathrm{\ρ}\right)=\∫S^{\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\β}\right){\left[H^{\mathrm{\φ}}(\mathrm{\β}-\mathrm{\ρ})\right]}^{*}\mathrm{d\β}=\left(S^{\mathrm{\φ}}{\⊗}_0{H}^{\mathrm{\φ}}\right)\left(\mathrm{\ρ}\right)$

按照该定义，计算分数阶相关的方法是先对信号求旋转角为φ的分数阶傅里叶变换，再在与φ相应的分数阶傅里叶变换域内作普通相关运算。

由于分数阶相关的移变性质，选取适合的分数阶数后，当测距返回信号与参考信号的时延差变化时，相关的峰值大小和位置同时发生变化。可以联合二者进行测距，与传统的时域相关测距相比可以进一步提高测量距的精度。

本发明运用分数傅立叶变换，其分数傅里叶变化快速算法的运算量与快速傅立叶变换(FFT)相同，都为Nlog(N)，系统复杂度低，易于实现。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本具体实施方式，本具体实施实现具体实施方式一所述的无线自组网测距方法的测距系统，它由多个测距节点组成，每个测距节点的结构相同，所述测距节点包括切普信号产生器1、发射波形成形器2、时钟控制器3、滤波器4、采样器5、峰值检测器7、发射天线10和接收天线11；所述每个节点还包括分数域相关模块6和峰值位置与大小联合估计距离模块8，所述分数域相关模块6由第一p阶分数傅立叶变换器6-1、-p阶分数傅立叶变换器6-2、本地模板信号产生器6-3、第二p阶分数傅立叶变换器6-4和相关器6-5组成；切普信号产生器1的第一切普信号输出端与发射波形成形器2的切普信号输入端连接，切普信号产生器1的第二切普信号输出端与本地模板信号产生器6-3的切普信号输入端连接，时钟控制器3的第一控制信号的输出端与发射波形成形器2的控制信号输入端连接，时钟控制器3的第二控制信号输出端与本地模板信号产生器6-3的控制信号输入端连接，发射波形成形器2的切普信号输出端与发射天线10的信号输入端连接；接收天线11的信号输出端与滤波器4的信号输入端连接，所述滤波器4的信号输出端与采样器5的信号输入端连接，所述采样器5的信号输出端与第一p阶分数傅立叶变换器6-1的信号输入端连接，本地模板信号产生器6-3的信号输出端与第二p阶分数傅立叶变换器6-4的信号输入端连接，第一p阶分数傅立叶变换器6-1的信号输出端与相关器6-5的第一信号输入端连接，第二p阶分数傅立叶变换器6-4的输出端与相关器6-5的第二信号输入端连接，所述相关器6-5的信号输出端与-p阶分数傅立叶变换器6-2的输入端连接，所述-p阶分数傅立叶变换器6-2的输出端与峰值检测器7的信号输入端连接，所述峰值检测器7的输出端与峰值位置与大小联合估计距离模块8的输入端连接，所述峰值检测器7用于检测分数域相关模块6输出信号的峰值位置和峰值大小；峰值位置与大小联合估计距离模块8用于根据峰值检测器7检测到的峰值位置和峰值大小计算距离。

它还包括门限设置模块9，所述门限设置模块9的信号输出端与峰值检测器7的门限设置信号输入端连接，门限设置模块9用于根据测距范围及分数阶数计算获得设定门限值，并将所述设定门限值输出给峰值检测器7；峰值检测器7还用于判断检测到的分数域相关模块6输出信号是否大于门限设置模块9发送得设定门限值，并将大于所述门限值的峰值位置和峰值大小输出给峰值位置与大小联合估计距离模块8。

Claims (4)

1、一种无线自组网测距方法，其特征是：它由以下步骤完成：

步骤一：发射节点产生的切普信号调制测距序列后产生测距信号；

步骤二：发射节点控制并发射测距信号；

步骤三：目标节点接收步骤二中所述的测距信号，并且对所述测距信号加入固定时延后发射；

步骤四：发射节点接收目标节点返回的信号，并将所述信号滤波，获得滤波后的信号；

步骤五：将步骤四获得的滤波后的信号进行离散采样，获得离散采样值；

步骤六：将步骤五获得的离散采样值经p阶分数傅立叶变换后获得r_p(u)，所述r_p(u)与经p阶分数傅立叶变换获得的参考信号m_p(u)进行相关运算，获得corr_p(u)；所述corr_p(u)经-p阶分数傅立叶变换获得corr(t)；

步骤七：检测并获得步骤六获得的信号corr(t)的峰值大小corr(t_peak)和峰值位置t_peak；

步骤八：根据步骤七获得的峰值大小corr(t_peak)和峰值位置t_peak，采用公式：

t_peak＝Δt₁ sec α

$\mathrm{corr}\left(t_{\mathrm{peak}}\right)=\left|{\∫\left|c\left(t\right)\right|}^2{e}^{-j2\mathrm{\πt\Δ}{t}_2\tan \mathrm{\α}}\mathrm{dt}\right|$

$\widetilde{\mathrm{\Δt}}=(\mathrm{\Δ}{t}_1+\mathrm{\Δ}{t}_2)/2$

获得估计时延

式中 $\mathrm{\α}=p\×\frac{\mathrm{\π}}{2},$ p为分数阶数；

步骤九：用估计时延乘以光速获得测量距离；

所述测距序列和参考信号为一段相同的切普信号。

2、根据权利要求1所述的一种无线自组网测距方法，其特征在于，在步骤六之后，根据系统对测距范围及分数阶数计算获得设定门限值，然后执行步骤七；在步骤七中，判断检测获得的信号corr(t)的峰值大小corr(t_peak)是否大于所述设定门限值，并保存判定为大于所述设定门限值的信号corr(t)的峰值大小corr(t_peak)和峰值位置t_peak。

3、实现权利要求1所述的无线自组网测距方法的测距系统，它由多个测距节点组成，每个测距节点的结构相同，所述测距节点包括切普信号产生器(1)、发射波形成形器(2)、时钟控制器(3)、滤波器(4)、采样器(5)、峰值检测器(7)、发射天线(10)和接收天线(11)；其特征是：所述每个节点还包括分数域相关模块(6)和峰值位置与大小联合估计距离模块(8)，所述分数域相关模块(6)由第一p阶分数傅立叶变换器(6-1)、-p阶分数傅立叶变换器(6-2)、本地模板信号产生器(6-3)、第二p阶分数傅立叶变换器(6-4)和相关器(6-5)组成；切普信号产生器(1)的第一切普信号输出端与发射波形成形器(2)的切普信号输入端连接，切普信号产生器(1)的第二切普信号输出端与本地模板信号产生器(6-3)的切普信号输入端连接，时钟控制器(3)的第一控制信号的输出端与发射波形成形器(2)的控制信号输入端连接，时钟控制器(3)的第二控制信号输出端与本地模板信号产生器(6-3)的控制信号输入端连接，发射波形成形器(2)的切普信号输出端与发射天线(10)的信号输入端连接；接收天线(11)的信号输出端与滤波器(4)的信号输入端连接，所述滤波器(4)的信号输出端与采样器(5)的信号输入端连接，所述采样器(5)的信号输出端与第一p阶分数傅立叶变换器(6-1)的信号输入端连接，本地模板信号产生器(6-3)的信号输出端与第二p阶分数傅立叶变换器(6-4)的信号输入端连接，第一p阶分数傅立叶变换器(6-1)的信号输出端与相关器(6-5)的第一信号输入端连接，第二p阶分数傅立叶变换器(6-4)的输出端与相关器(6-5)的第二信号输入端连接，所述相关器(6-5)的信号输出端与-p阶分数傅立叶变换器(6-2)的输入端连接，所述-p阶分数傅立叶变换器(6-2)的输出端与峰值检测器(7)的信号输入端连接，所述峰值检测器(7)的输出端与峰值位置与大小联合估计距离模块(8)的输入端连接，所述峰值检测器(7)用于检测分数域相关模块(6)输出信号的峰值位置和峰值大小；峰值位置与大小联合估计距离模块(8)用于根据峰值检测器(7)检测到的峰值位置和峰值大小计算距离。

4、根据权利要求3所述的一种无线自组网测距方法的测距系统，其特征在于它还包括门限设置模块(9)，所述门限设置模块(9)的信号输出端与峰值检测器(7)的门限设置信号输入端连接，门限设置模块(9)用于根据测距范围及分数阶数计算获得设定门限值，并将所述设定门限值输出给峰值检测器(7)；峰值检测器(7)还用于判断检测到的分数域相关模块(6)输出信号是否大于门限设置模块(9)发送得设定门限值，并将大于所述门限值的峰值位置和峰值大小输出给峰值位置与大小联合估计距离模块(8)。

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