CN105116371A - 一种基于连续发射调频信号的目标定位方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于连续发射调频信号的目标定位方法与装置，包括操作模块、控制模块、发射模块、接收模块、处理模块和显示模块；控制模块与发射模块、接收模块、处理模块、显示模块、操作模块相连。该方法通过连续不间断的发射信号，从而保证接收端接收到的信号包括发射信号及反射信号。本发明通过对接收信号进行分析，最后运用所述目标定位方法得出目标的距离；显示模块，与控制模块、处理模块相连，并根据控制模块的指令，将处理模块得出的目标位置参数显示出来。本发明通过延长发射的时间，从而提高接收信号的信息量，进而提高信息的精度和准确性。

Description

一种基于连续发射调频信号的目标定位方法与装置

技术领域

本发明涉及目标定位测量技术，具体涉及基于连续发射调频信号的目标定位方法与装置。

背景技术

超声波测距技术是一种原理简单，易于实现的非接触测量技术，至今已广泛应用于航天、军工、石油、化工、造船、交通等领域。随着应用的广泛，对超声波测距的性能要求也越来越高。超声波定位的原理与无线电定位系统相仿，只是由于超声波在空气中的衰减较大，只适用于较小的范围。超声波在空气中的传播距离一般只有几十米。短距离的超声波测距系统已经在实际中应用，测距精度为厘米级。

超声波测距的基本方法很很多种，目前应用最为广泛的一种方法是脉冲反射法。其基本原理是：超声传感器由强电脉冲信号激励，向外发射超声波，超声波遇到被测物体后形成反射回波；超声传感器接收反射回波，根据发射与接收的时间差来计算被测物体的距离。

脉冲反射法是利用超声波(脉冲波)入射到两种不同介质交界面上发生反射的原理进行检测。首先由发射传感器发出超声波脉冲，在具有不同介电常数的两种介质的分界面处，由于介质的非同性质，波阻将产生几句的跳跃，从而产生反射波，经反射后的信号通过介质返回到接收传感器，通过探测信号至两介质分界面处双行程所需要的时间可计算出发射端距两介质分界面的距离。

然而脉冲反射法存在的几个问题：首先，脉冲反射发对现有的基于幅度估计(近场盲区)采用时域估计,由于存在噪声的干扰会导致测量精度不高。其次，采用单工探测,探测所需时间较长，脉冲探测反映速度较慢。本发明针对现有脉冲反射法的不足，提高探测速度和精度，采用连续探测与变化域估计的方法。

发明内容

本发明目的在于克服现有的以单工工作和基于脉冲探测测量方法的不足，提出一种基于连续发射调频信号的目标定位方法与测量。该方法通过连续不间断的发射信号，从而保证接收端接收到的信号包括发射信号及反射信号。本方法通过延长发射的时间，从而提高接收信号的信息量，进而提高信息的精度和准确性。

本发明方法的具体步骤如下：

步骤1：连续发射线性调频(LFM)超声探测信号S(t)，其中f为初始频率，k为调制频率：

$S\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π}(f+\frac{1}{2}kt)t}$ (公式1)

步骤2：信号经过介质传播和反射后，得到接收信号R(t)：

R(t)＝α·S(t-τ)+n(t)+β·S(t-τ₀)(公式2)

其中α·S(t-τ)为目标反射信号，n(t)为噪声信号，β·S(t-τ₀)为未经过反射面而直达接收端(直达信号)的信号，其过程如图2所示；α、β为信号在空气中传输的损耗，τ为目标反射信号的时延，τ₀为直达信号的时延，其公式如下：

(公式3)

d为收发端探头中心的距离，v_声为声速。本发明探测距离范围是探测目标位于大于d/2处。

上述(公式2)具体的表达式为：

$R\left(t\right)=\mathrm{\α}\·e^{j2\mathrm{\π}\[f+\frac{1}{2}k(t-\mathrm{\τ})\](t-\mathrm{\τ})}+n\left(t\right)+\mathrm{\β}\·e^{j2\mathrm{\π}\[f+\frac{1}{2}k(t-{\mathrm{\τ}}_0)\](t-{\mathrm{\τ}}_0)}$ (公式4)

步骤3：对接收信号R(t)进行采样，采样频率为f_s，则得到数字接收信号R(n)：

$R\left(n\right)=\mathrm{\α}\·e^{j2\mathrm{\π}\[f+\frac{1}{2}k(n/f_s-\mathrm{\τ})\](n/f_s-\mathrm{\τ})}+n\left(n\right)+\mathrm{\β}\·e^{j2\mathrm{\π}\[f+\frac{1}{2}k(n/f_s-{\mathrm{\τ}}_0)\](n/f_s-{\mathrm{\τ}}_0)}$ (公式5)

对数字接收信号R(n)进行(公式6)发的处理，得到一个解线性调制信号D(n)，即

D(n)＝R(n)·S^*(n)(公式6)

其中S^*(n)是S(n)经过f_s采样得到的共轭信号。

$S^{*}\left(n\right)=e^{-j2\mathrm{\π}(f+\frac{1}{2}kn/f_s)n/f_s}$ (公式7)

对(公式6)中的D(n)进行分析推导，得到推导后的公式：

$D\left(n\right)=\mathrm{\α}\·e^{-j2\mathrm{\π}\[f\mathrm{\τ}-\frac{1}{2}{\mathrm{k\τ}}^2\]}\·e^{j2\mathrm{\π}k\mathrm{\τ}n/f_s}+n\left(n\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}(f+\frac{1}{2}kn/f_s)n/f_s}+\mathrm{\β}\·e^{-j2\mathrm{\π}\[{\mathrm{f\τ}}_0-\frac{1}{2}{{\mathrm{k\τ}}_0}^2\]}\·e^{j2{\mathrm{\πk\τ}}_{0}n/f_s}$

(公式8)

从上式可以看出D(n)信号包括三部分，第一部分为经过反射后接收到的部分信号的解线性调制信号，其是一个数字频率为kτ/f_s的单频信号；第二部分为噪声与单频信号的乘积仍为噪声信号，第三部分为直达信号的解线性调制信号，其是一个数字频率为kτ₀/f_s单频信号。由于探测距离大于d/2，所以可以推导出kτ/f_s<kτ₀/f_s。

步骤4：对D(n)信号进行数字高通滤波，高通滤波器的截止角频率为w_c≥2πkτ₀/f_s，其单位冲击响应为h(n)，滤波后得到信号为：

E(n)＝D(n)*h(n)(公式9)

对(公式9)进行进一步推导，通过高通滤波器后，滤除了D(n)中低频的信号，得到最终的信号E(n)。

$E\left(n\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f\mathrm{\&tau;}-\frac{1}{2}{\mathrm{k\&tau;}}^2\&rsqb;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}k\mathrm{\&tau;}n/f_s}+\&lsqb;n\left(n\right)\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}(f+\frac{1}{2}kn/f_s)n/f_s}\&rsqb;*h\left(n\right)$ (公式10)

上式中，第一部分为单频信号，第二部分为噪声信号。

步骤5：用现有的频率估计方法，估计出E(n)信号的数字频率

$\hat{f}=k\mathrm{\&tau;}/f_s$ (公式11)

步骤6：计算目标距离：

(公式12)

将(公式11)代入(公式12)中得：

(公式13)

由于发射的脉冲信号与接收到的信号之间有时间的延迟，随着时间的变化，这种影响包含在接收信号内，接收端接收到信号后，无法判断正确分离发射信号和反射信号，进而影响对目标的检测。而通过发射连续的信号,再将信号进行分离，避免了信号延时对接收端接收信号并分离信号产生的影响，提高信息的精度要求。

本发明目标定位装置包括操作模块、控制模块、发射模块、接收模块、处理模块和显示模块，如图4所示，其中：

操作模块，与控制模块相连，提供人机交互界面，供用户输入设定参数。

控制模块，与发射模块、接收模块、处理模块、显示模块，操作模块相连，用于对各个模块进行控制。

发射模块，与控制模块相连，根据控制模块的指令，进行不间断的超声发射信号。

接收模块，与控制控制模块、处理模块相连，根据控制模块的指令，接收目标声源信号并传送给处理模块。

处理模块，与控制模块、接收模块、显示模块相连，根据控制模块的指令进行数据处理，通过对接收信号进行分析，最后运用相关算法计算出目标的距离。

显示模块，与控制模块、处理模块相连，并根据控制模块的指令，将处理模块计算出的目标位置参数显示出来。

本发明装置的主要工作流程如下：操作者通过操作模块输入对应参数，控制模块根据操作模块的指令对处理模块产生相应的指令。处理模块根据指令信息配置各个参数，产生相应的发射信号，并通过发射模块发射。然后接收模块根据控制模块的指令接收测量信号的回波，并将相应的数据传给处理模块处理。处理模块先对接收到的回波进行采样，采样后得到的数字信号，将得到的数字信号进行滤波，滤除高频的信号，利用现有的频谱估计方法估计出频率，并计算出距离。最后讲计算出的结果传送给显示模块，显示出测量结果。

与现有技术相比，本发明提供的方法优点在于：

1、对现有的以单工通信为基础的调频连续脉冲发射进行改进，提出了一种基于双工通信收发同时的测量技术。该方法的优点在于探测时间长精度高。由于单工通信信道是单向信道，发送端和接收端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能发送信息，数据信号仅从一端传送到另一端，即信息流是单方向的。

2、根据香农公式可知时间T和信息量C成正比关系。理论上随着连续发射时间T的增加，信号所携带的信息量C也会随之增加，从而达到提高探测精度的效果。

3、根据估计理论的克拉美-罗(CRLB)下限界。基于频率的时延估计比幅度精度高一个数量级，信号所携带的信息多，所以探测的精度较高。

4、本发明装置可行性强、安装简单。现有技术已经相当成熟，而且，本发明使用的处理器等芯片，集成度高，计算能力强大，保证了本发明的可行性。

附图说明

图1为实例中的信号收发框图。

图2为实例中目标定位方法的总体流程框图。

图3为实例中目标定位方法装置的硬件构成示意图。

图4为所述装置的模块构成方框示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明实施和保护不限于此。

如图3、图4所示，目标定位装置主要包括操作模块、控制模块、发射模块、接收模块、处理模块、显示模块。控制模块和处理模块可以用DSP芯片实现(如：TI公司TMS320VC5509A的DSP芯片，AT&T公司的DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等)；发射模块和接收模块可分别使用超声波发射探头和超声波接收探头(如：德国USM33系列)；显示模块可采用LCD显示屏；本发明所述装置的硬件结构框图如图4所示。发射与接收探头中心间距为4cm。

如图1所示，利用声波回波信号测量距离，主要步骤如下：第一，连续发射线性调频超声信号；第二，将超声信号发射出去，信号碰到所测目标后反射，产生回波，检测反射回来的回波信号，经过处理后得到回波信号；第三，对信号进行采样，滤除高频信号；第四，利用现存的方法进行频谱估计，得到频率；第五，根据所得的值求得时延，并求得最终所需距离的结果。

以下再对具体的目标定位方法进行举例说明，步骤具体如下。

步骤1：信号源发射信号S(t),其中f为初始频率，k为调制频率。在此取初始频率为f＝10kHz,调制频率k＝5kHz。

$S\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\&pi;}(f+\frac{1}{2}kt)t}$ (公式14)

步骤2：接收端接收到测量的回波信号R(t)

R(t)＝α·S(t-τ)+n(t)+β·S(t-τ₀)(公式15)

其中，τ₀为直达信号的时延，其公式如下：

(公式16)

d＝4cm为收发端探头中心的距离，取标准大气压下的声速v_声＝340m/s。

(公式15)的具体表达式如下：

$R\left(t\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f+\frac{1}{2}k(t-\mathrm{\&tau;})\&rsqb;(t-\mathrm{\&tau;})}+n\left(t\right)+\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f+\frac{1}{2}k(t-{\mathrm{\&tau;}}_0)\&rsqb;(t-{\mathrm{\&tau;}}_0)}$ (公式17)

步骤3：对接收信号进行采样，采样频率为f_s，则得到接收数字信号R(n)：

$R\left(n\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f+\frac{1}{2}k(n/f_s-\mathrm{\&tau;})\&rsqb;(n/f_s-\mathrm{\&tau;})}+n\left(n\right)+\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f+\frac{1}{2}k(n/f_s-{\mathrm{\&tau;}}_0)\&rsqb;(n/f_s-{\mathrm{\&tau;}}_0)}$

(公式18)

对接收到的R(n)信号进行处理，得到一个解线性调制信号D(n)，即

D(n)＝R(n)·S^*(n)(公式19)

其中S^*(n)是S(n)经过f_s采样得到的共轭信号。

$S^{*}\left(n\right)=e^{-j2\mathrm{\&pi;}(f+\frac{1}{2}kn/f_s)n/f_s}$ (公式20)

对上式D(n)进行分析推导，得到：

$D\left(n\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f\mathrm{\&tau;}-\frac{1}{2}{\mathrm{k\&tau;}}^2\&rsqb;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}k\mathrm{\&tau;}n/f_s}+n\left(n\right)\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}(f+\frac{1}{2}kn/f_s)n/f_s}+\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;{\mathrm{f\&tau;}}_0-\frac{1}{2}{{\mathrm{k\&tau;}}_0}^2\&rsqb;}\&CenterDot;e^{j2{\mathrm{\&pi;k\&tau;}}_{0}n/f_s}$

(公式21)

步骤4：对D(n)信号进行高通滤波。高通滤波器的截止频率为w_c≥2πkτ₀/f_s，单位冲击响应为h(n)，滤波后得到信号为：

E(n)＝D(n)*h(n)(公式22)

对(公式9)进行进一步推导，通过高通滤波器后，滤除了D(n)中低频的信号，得到最终的信号E(n)。

$E\left(n\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f\mathrm{\&tau;}-\frac{1}{2}{\mathrm{k\&tau;}}^2\&rsqb;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}k\mathrm{\&tau;}n/f_s}+\&lsqb;n\left(n\right)\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}(f+\frac{1}{2}kn/f_s)n/f_s}\&rsqb;*h\left(n\right)$ (公式23)

步骤5：用现有的频率估计方法估计E(n)信号的数字频率

$\hat{f}=k\mathrm{\&tau;}/f_s$ (公式24)

步骤6：计算目标距离，其中我们取标准大气压下的声速v_声＝340m/s：

(公式25)。

Claims (3)

1.一种基于连续发射调频信号的目标定位方法，该方法通过连续不间断的发射信号，从而保证接收端接收到的信号包括发射信号及反射信号；其特征在于具体步骤如下：

步骤1：连续发射线性调频（LFM）超声探测信号S(t)，其中f为初始频率，k为调制频率：

$S\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\&pi;}\left(f+\frac{1}{2}kt\right)t}$ （公式1）

步骤2：信号经过介质传播和反射后，得到接收信号R(t)：

R(t)=α·S(t-τ)+n(t)+β·S(t-τ₀)（公式2）

其中α·S(t-τ)为目标反射信号，n(t)为噪声信号，β·S(t-τ₀)为未经过反射面而直达接收端的信号；α、β为信号在空气中传输的损耗，τ为目标反射信号的时延，τ₀为直达信号的时延，其公式如下：

（公式3）

d为收发端探头中心的距离，v_声为声速；探头探测距离范围是探测目标位于大于d/2处；

上述（公式2）具体的表达式为：

$R\left(t\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f+\frac{1}{2}k\left(t-\mathrm{\&tau;}\right)\&rsqb;\left(t-\mathrm{\&tau;}\right)}+n\left(t\right)+\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f+\frac{1}{2}k\left(t-{\mathrm{\&tau;}}_0\right)\&rsqb;\left(t-\mathrm{\&tau;}\right)}$ （公式4）

步骤3：对接收信号R(t)进行采样，采样频率为f_s，则得到数字接收信号R(n)：

$R\left(n\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f+\frac{1}{2}k\left(n/f_s-\mathrm{\&tau;}\right)\&rsqb;\left(n/f_s-\mathrm{\&tau;}\right)}+n\left(n\right)+\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f+\frac{1}{2}k\left(n/f_s-{\mathrm{\&tau;}}_0\right)\&rsqb;\left(n/f_s-{\mathrm{\&tau;}}_0\right)}$ （公式5）

对数字接收信号R(n)进行（公式6）发的处理，得到一个解线性调制信号D(n)，即

D(n)=R(n)·S^*(n)（公式6）

其中S^*(n)是S(n)经过f_s采样得到的共轭信号；

$S^{*}\left(n\right)=e^{-j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f+\frac{1}{2}kn/f_s\&rsqb;n/f_s}$ （公式7）

对（公式6）中的D(n)进行分析推导，得到推导后的公式：

$D\left(n\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f\mathrm{\&tau;}-\frac{1}{2}{\mathrm{k\&tau;}}^2\&rsqb;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}k\mathrm{\&tau;}n/f_s}+n\left(n\right)\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}\left(f+\frac{1}{2}kn/f_s\right)n/f_s}+\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;{\mathrm{f\&tau;}}_0-\frac{1}{2}{{\mathrm{k\&tau;}}_0}^2\&rsqb;}\&CenterDot;e^{j2{\mathrm{\&pi;k\&tau;}}_{0}n/f_s}$

（公式8）

其中，D(n)信号包括三部分，第一部分为经过反射后接收到的部分信号的解线性调制信号，其是一个数字频率为kτ/f_s的单频信号；第二部分为噪声与单频信号的乘积仍为噪声信号，第三部分为直达信号的解线性调制信号，其是一个数字频率为kτ₀/f_s单频信号；由于探测距离大于d/2，因此有kτ/f_s<kτ₀/f_s；

步骤4：对D(n)信号进行数字高通滤波，高通滤波器的截止角频率为w_c≥2πkτ₀/f_s，其单位冲击响应为h(n)，滤波后得到信号为：

E(n)=D(n)*h(n)（公式9）

通过高通滤波器后，滤除了D(n)中低频的信号，得到最终的信号E(n)，

$E\left(n\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f\mathrm{\&tau;}-\frac{1}{2}{\mathrm{k\&tau;}}^2\&rsqb;}\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;}k\mathrm{\&tau;}n/f_s}+\&lsqb;n\left(n\right)\&CenterDot;e^{-j2\mathrm{\&pi;}\left(f+\frac{1}{2}kn/f_s\right)n/f_s}\&rsqb;*h\left(n\right)$ （公式10）

上式中，第一部分为单频信号，第二部分为噪声信号；

步骤5：用现有的频率估计方法，估计出E(n)信号的数字频率

$\hat{f}=k\mathrm{\&tau;}/f_s$ （公式11）

步骤6：计算目标距离：

（公式12）

将（公式11）代入（公式12）中得：

（公式13）。

2.实现权利要求1所述一种基于连续发射调频信号的目标定位方法的装置，其特征在于包括操作模块、控制模块、发射模块、接收模块、处理模块和显示模块，其中：

操作模块，与控制模块相连，提供人机交互界面，供用户输入设定参数；

控制模块，与发射模块、接收模块、处理模块、显示模块，操作模块相连，用于对相连接的各个模块进行控制；

发射模块，与控制模块相连，根据控制模块的指令，进行不间断的超声发射信号；

接收模块，与控制控制模块、处理模块相连，根据控制模块的指令，接收目标声源信号并传送给处理模块；

处理模块，与控制模块、接收模块、显示模块相连，根据控制模块的指令进行数据处理，通过对接收信号进行分析，最后运用所述目标定位方法得出目标的距离；

显示模块，与控制模块、处理模块相连，并根据控制模块的指令，将处理模块得出的目标位置参数显示出来。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于操作者通过操作模块输入对应参数，控制模块根据操作模块的指令对处理模块产生相应的指令；处理模块根据指令信息配置各个参数，产生相应的发射信号，并通过发射模块发射；然后接收模块根据控制模块的指令接收测量信号的回波，并将相应的数据传给处理模块处理；处理模块先对接收到的回波进行采样，采样后得到的数字信号，将得到的数字信号进行滤波，滤除高频的信号，利用现有的频谱估计方法估计出频率，并计算出距离；最后讲计算出的结果传送给显示模块，显示出测量结果。