CN108387888B - 一种介质中近场超宽带测距方法 - Google Patents

一种介质中近场超宽带测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种介质中近场超宽带测距方法，能实现介质中的有效测距。所述方法包括：在接收端，接收发送端发射的通过介质传输的超宽带信号，其中，发送端位于所述介质的一端，接收端位于所述介质的另一端，接收到的信号包括：发送端发射的所述超宽带信号中的电场成分和磁场成分；获取所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差，其中，相位差为电场成分和磁场成分之间的相位差；根据所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差与通信距离的关系，确定发送端与接收端之间的距离。本发明涉及通信领域。

Description

一种介质中近场超宽带测距方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是指一种介质中近场超宽带测距方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，定位技术受到越来越多的关注。但是由于应用环境的复杂性，常用的高频无线信号，例如，超宽带、无线保真(Wireless Fidelity、WIFI)，存在多径干扰和衰减严重的问题，影响定位精度。
现有技术一，专利CN100338478C提出了一种近场超宽带信号相位差测距系统，该系统是利用近场电磁场测距(Near Field Electromagnetic Ranging，NFER)技术来实现实时定位的系统，并利用低频窄带信号能够更好地穿透建筑物的特点，有效地减少多径干扰，同时能够提高在非视距情况下的定位精度。NFER是利用电场天线和磁场天线在近场分别接收发射信号的电场部分和磁场部分，然后利用近场电磁场之间的相位差与通信距离之间的关系来确定发送端与接收端之间的通信距离；然而NFER技术的有效测距范围为0.1倍的信号波长到0.5倍的信号波长，因此，采用低频窄带信号难以同时实现远、近距离的有效测距。
现有技术二、专利CN107045121A提供一种近场超宽带信号相位差测距方法及系统，该系统发射低频超宽带信号，利用在多个频率所对应的电磁场之间的相位差与通信距离的关系来实现高精度测距，有效的规避了现有技术一中发射低频窄带信号带来的无法同时实现远、近距离的有效测距问题。
但是，现有技术一和二只适用于空气中的测距，而对于介质中的测距，仍望尘莫及。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种介质中近场超宽带测距方法，以解决现有技术存在的无法在介质中实现测距的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种介质中近场超宽带测距方法，包括：
在接收端，接收发送端发射的通过介质传输的超宽带信号，其中，发送端位于所述介质的一端，接收端位于所述介质的另一端，接收到的信号包括：发送端发射的所述超宽带信号中的电场成分和磁场成分；
获取所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差，其中，相位差为电场成分和磁场成分之间的相位差；
根据所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差与通信距离的关系，确定发送端与接收端之间的距离。
进一步地，所述超宽带信号包括：多频正弦叠加信号或宽带脉冲信号。
进一步地，所述方法还包括：
利用DDS技术产生所述多频正弦叠加信号；
利用阶跃恢复二极管电路产生所述宽带脉冲信号。
进一步地，所述获取所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差包括：
对所述接收到的信号中的电场成分和磁场成分分别进行采样转换，得到所述电场成分对应的数字电场信号和所述磁场成分对应的数字磁场信号；
对所述数字电场信号和所述数字磁场信号进行频域分析，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差。
进一步地，所述对所述数字电场信号和所述数字磁场信号进行频域分析，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差包括：
对所述数字电场信号和所述数字磁场信号分别进行频域变换，得到所述数字电场信号对应的频域特性和所述数字磁场信号对应的频域特性；
根据所述数字电场信号对应的频域特性得到所述数字电场信号对应的相频特性，根据所述数字磁场信号对应的频域特性得到所述数字磁场信号对应的相频特性；
根据所述数字电场信号对应的频域特性得到所述数字电场信号对应的幅频特性，根据所述数字磁场信号对应的频域特性得到所述数字磁场信号对应的幅频特性；
对所述数字电场信号对应的相频特性和所述数字磁场信号对应的相频特性进行差值运算，得到所述接收到的信号中的电场成分和磁场成分在各频率点的相位差；
根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性进行方向识别，得到所述接收到的信号在各频率点所对应的到达方向。
进一步地，所述频域变换包括：傅氏变换或小波变换。
进一步地，所述相频特性包括：对数相频特性。
进一步地，所述根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性进行方向识别，得到所述接收到的信号在各频率点所对应的到达方向包括：
根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性，利用交叉矢量积进行方向识别，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向。
进一步地，所述根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性进行方向识别，得到所述接收到的信号在各频率点所对应的到达方向包括：
根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性，利用磁方向识别技术进行方向识别，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向。
进一步地，所述根据所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差与通信距离的关系，确定发送端与接收端之间的距离包括：
根据多个频率点对应的到达方向以及对应的电场成分和磁场成分之间的相位差得到超定方程组，利用参数估计确定发送端与接收端之间的距离；其中，所述超定方程组表示为：
Wh＝Y
式中，W、h、Y都是简写形式；
Figure BDA0001537719000000041
c表示真空中光速，表示频率fi分量对应的电场成分和磁场成分之间的相位差，T表示转置；h＝[h1,h2,...,hn]T，hi为第i层介质厚度，n表示介质层数；W为k×n矩阵，k表示频率点的数目，元素
Figure BDA0001537719000000043
θj(fi)为频率fi分量在第j层介质中传播方向与法向之间的夹角，εj(fi)为第j层介质中频率fi分量所对应的介电常数，θj(fi)由频率fi分量对应的到达方向与法向之间的夹角和εj(fi)共同确定。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，在接收端，接收发送端发射的通过介质传输的超宽带信号，其中，发送端位于所述介质的一端，接收端位于所述介质的另一端，接收到的信号包括：发送端发射的所述超宽带信号中的电场成分和磁场成分；获取所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差，其中，相位差为电场成分和磁场成分之间的相位差；根据所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差与通信距离的关系，确定发送端与接收端之间的距离，从而实现介质中有效测距。
附图说明
图1为本发明实施例提供的介质中近场超宽带测距方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的确定接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的距离估计模块流程示意图；
图4为本发明实施例提供的介质中近场超宽带测距方法的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的难以实现介质中有效测距的问题，提供一种介质中近场超宽带测距方法。
参看图1所示，本发明实施例提供的介质中近场超宽带测距方法，包括：
S101，在接收端，接收发送端发射的通过介质传输的超宽带信号，其中，发送端位于所述介质的一端，接收端位于所述介质的另一端，接收到的信号包括：发送端发射的所述超宽带信号中的电场成分和磁场成分；
S102，获取所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差，其中，相位差为电场成分和磁场成分之间的相位差；
S103，根据所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差与通信距离的关系，确定发送端与接收端之间的距离发送端。
本发明实施例所述的介质中近场超宽带测距方法，在接收端，接收发送端发射的通过介质传输的超宽带信号，其中，发送端位于所述介质的一端，接收端位于所述介质的另一端，接收到的信号包括：发送端发射的所述超宽带信号中的电场成分和磁场成分；获取所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差，其中，相位差为电场成分和磁场成分之间的相位差；根据所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差与通信距离的关系，确定发送端与接收端之间的距离，从而实现介质中有效测距。
本实施例中，在发送端，可以通过宽带信号发射模块发射所述超宽带信号；所述超宽带信号包括：电场成分和磁场成分。
本实施例中，所述超宽带信号可以为多频正弦叠加信号或宽带脉冲信号，所述多频正弦叠加信号可以但不限于采用直接数字式频率合成器(Direct DigitalSynthesizer，DDS)技术产生；所述宽带脉冲信号可以但不限于采用阶跃恢复二极管电路产生。
本实施例中，所述超宽带信号还可以为其他超宽带信号，在实际应用中可以根据实际情况确定。
本实施例中，在接收端，可以通过接收模块接收发送端发射的通过介质传输的超宽带信号，其中，接收到的信号(简称：接收信号)包括：发送端发射的所述超宽带信号中的电场成分和磁场成分；其中，所述接收模块包括：超宽带接收天线；所述超宽带接收天线，用于接收所述超宽带发射天线器发射的所述超宽带信号中的电场成分和磁场成分。
在前述介质中近场超宽带测距方法的具体实施方式中，进一步地，所述获取所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差(电场成分和磁场成分之间的相位差)包括：
对所述接收到的信号中的电场成分和磁场成分分别进行采样转换，得到所述电场成分对应的数字电场信号和所述磁场成分对应的数字磁场信号；
对所述数字电场信号和所述数字磁场信号进行频域分析，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差。
在前述介质中近场超宽带测距方法的具体实施方式中，进一步地，所述对所述数字电场信号和所述数字磁场信号进行频域分析，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差包括：
对所述数字电场信号和所述数字磁场信号分别进行频域变换，得到所述数字电场信号对应的频域特性和所述数字磁场信号对应的频域特性；
根据所述数字电场信号对应的频域特性得到所述数字电场信号对应的相频特性，根据所述数字磁场信号对应的频域特性得到所述数字磁场信号对应的相频特性；
根据所述数字电场信号对应的频域特性得到所述数字电场信号对应的幅频特性，根据所述数字磁场信号对应的频域特性得到所述数字磁场信号对应的幅频特性；
对所述数字电场信号对应的相频特性和所述数字磁场信号对应的相频特性进行差值运算，得到所述接收到的信号中的电场成分和磁场成分在各频率点的相位差；
根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性进行方向识别，得到所述接收到的信号在各频率点所对应的到达方向。
本实施例中，如图2所示，可以通过频域获取器203对所述数字电场信号201和所述数字磁场信号202分别进行频域变换，得到所述数字电场信号对应的频域特性204和所述数字磁场信号对应的频域特性205；相位计算器206根据所述数字电场信号对应的频域特性204得到所述数字电场信号对应的相频特性208，根据所述数字磁场信号对应的频域特性205得到所述数字磁场信号对应的相频特性209；幅度计算器207根据所述数字电场信号对应的频域特性204得到所述数字电场信号对应的幅频特性210，根据所述数字磁场信号对应的频域特性205得到所述数字磁场信号对应的幅频特性211；差值运算器根据所述数字电场信号对应的相频特性208和所述数字磁场信号对应的相频特性209，得到所述接收到的信号中的电场成分和磁场成分在各频率点fi的相位差
Figure BDA0001537719000000071
方向识别器根据所述数字电场信号对应的幅频特性210和所述数字磁场信号对应的幅频特性211，得到所述接收到的信号在各频率点fi所对应的到达方向θi。
在前述介质中近场超宽带测距方法的具体实施方式中，进一步地，所述频域变换包括：傅氏变换或小波变换，具体采用哪种方式在实际情况中，可以根据实际情况确定，也可以采用除傅氏变换、小波变换以外的频域变换方式。
在前述介质中近场超宽带测距方法的具体实施方式中，进一步地，所述相频特性包括：对数相频特性，在实际应用中，也可以采用除对数相频特性以外的其他相频特性。
在前述介质中近场超宽带测距方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性进行方向识别，得到所述接收到的信号在各频率点所对应的到达方向包括：
根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性，利用交叉矢量积进行方向识别，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向。
在前述介质中近场超宽带测距方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性进行方向识别，得到所述接收到的信号在各频率点所对应的到达方向包括：
根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性，利用磁方向识别技术(Magnetism Direction Find，MDF)进行方向识别，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向。
本实施例中，可以通过距离估计模块根据所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差与通信距离的关系，确定发送端与接收端之间的距离，其中，所述距离估计模块包括：介质模型模块和参数估计模块。
本实施例中，如图3所示，可以通过介质模型模块301根据在各频率点fi所对应的达到方向以及电场成分和磁场成分的相位差获得超定方程组302，再通过参数估计模块303求解所述超定方程组302，得到发送端与接收端之间的距离(最优估计距离)
本实施例中，所述超定方程组表示为：
Wh＝Y
式中，W、h、Y都是简写形式；
Figure BDA0001537719000000083
c表示真空中光速，
Figure BDA0001537719000000084
表示频率fi分量对应的电场成分和磁场成分之间的相位差，T表示转置；h＝[h1,h2,...,hn]T，hi为第i层介质厚度，n表示介质层数；W为k×n矩阵，k表示频率点的数目，元素
Figure BDA0001537719000000085
θj(fi)为频率fi分量在第j层介质中传播方向与法向之间的夹角，εj(fi)为第j层介质中频率fi分量所对应的介电常数，θj(fi)由频率fi分量对应的到达方向与法向之间的夹角和εj(fi)共同确定。
本实施例中，结合图4，对所述介质中近场超宽带测距方法的工作原理进行说明：
发送端T通过宽带信号发射模块将超宽带信号发射出去，发射后，所述超宽带信号中不同频率成分到达介质(介电常数为ε1,ε2,...,εn)中，分别经由最短路径(l1,l2,...,lk)到达接收端R后变为接收信号101，在接收端，经超宽带接收天线接收后，得到接收信号101中的电场成分102和磁场成分103，接着，通过转换单元104转化为对应的数字电场信号105和对应的数字磁场信号106；分析单元107会对105和106做频域分析，得到接收信号105在各个频率点108的到达方向110以及电场成分102和磁场成分103之间的相位差109；距离估计模块111依据得到接收信号101在各个频率点108所对应的到达方向110以及电场成分102和磁场成分103之间相位差109与通信距离r的关系，确定最优距离估计值
Figure BDA0001537719000000091
即：发送端与接收端之间的距离。
综上，在发送端，通过宽带信号发射模块发射超宽带信号，发射信号经过介质后到达接收端后变为接收信号；在接收端，通过超宽带接收天线接收超宽带发射天线发射的信号，得到所述宽带信号发射模块发射的超宽带信号中的电场成分和磁场成分，再经转换单元分别得到数字电场信号和数字磁场信号；通过分析单元根据频域分析法对转换单元得到的数字电场信号和数字磁场信号计算得到接收信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差；通过距离估计模块依据分析单元得到的接收信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差与通信距离的关系，确定最优距离估计值，即：发送端与接收端之间的距离；这样就解决现有技术存在的无法在介质中实现测距的问题。

Claims (9)

1.一种介质中近场超宽带测距方法，其特征在于，包括：
在接收端，接收发送端发射的通过介质传输的超宽带信号，其中，发送端位于所述介质的一端，接收端位于所述介质的另一端，接收到的信号包括：发送端发射的所述超宽带信号中的电场成分和磁场成分；
获取所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差，其中，相位差为电场成分和磁场成分之间的相位差；
根据所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差与通信距离的关系，确定发送端与接收端之间的距离；
其中，所述根据所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差与通信距离的关系，确定发送端与接收端之间的距离包括：
根据多个频率点对应的到达方向以及对应的电场成分和磁场成分之间的相位差得到超定方程组，利用参数估计确定发送端与接收端之间的距离；其中，所述超定方程组表示为：
Wh＝Y
式中，W、h、Y都是简写形式；
Figure FDA0002269795530000011
c表示真空中光速，
Figure FDA0002269795530000012
表示频率fi分量对应的电场成分和磁场成分之间的相位差，T表示转置；h＝[h1,h2,...,hn]T，hi为第i层介质厚度，n表示介质层数；W为k×n矩阵，k表示频率点的数目，元素
Figure FDA0002269795530000013
θj(fi)为频率fi分量在第j层介质中传播方向与法向之间的夹角，εj(fi)为第j层介质中频率fi分量所对应的介电常数，θj(fi)由频率fi分量对应的到达方向与法向之间的夹角和εj(fi)共同确定。
2.根据权利要求1所述的介质中近场超宽带测距方法，其特征在于，所述超宽带信号包括：多频正弦叠加信号或宽带脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的介质中近场超宽带测距方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用DDS技术产生所述多频正弦叠加信号；
利用阶跃恢复二极管电路产生所述宽带脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的介质中近场超宽带测距方法，其特征在于，所述获取所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向和相位差包括：
对所述接收到的信号中的电场成分和磁场成分分别进行采样转换，得到所述电场成分对应的数字电场信号和所述磁场成分对应的数字磁场信号；
对所述数字电场信号和所述数字磁场信号进行频域分析，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差。
5.根据权利要求4所述的介质中近场超宽带测距方法，其特征在于，所述对所述数字电场信号和所述数字磁场信号进行频域分析，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向以及电场成分和磁场成分之间的相位差包括：
对所述数字电场信号和所述数字磁场信号分别进行频域变换，得到所述数字电场信号对应的频域特性和所述数字磁场信号对应的频域特性；
根据所述数字电场信号对应的频域特性得到所述数字电场信号对应的相频特性，根据所述数字磁场信号对应的频域特性得到所述数字磁场信号对应的相频特性；
根据所述数字电场信号对应的频域特性得到所述数字电场信号对应的幅频特性，根据所述数字磁场信号对应的频域特性得到所述数字磁场信号对应的幅频特性；
对所述数字电场信号对应的相频特性和所述数字磁场信号对应的相频特性进行差值运算，得到所述接收到的信号中的电场成分和磁场成分在各频率点的相位差；
根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性进行方向识别，得到所述接收到的信号在各频率点所对应的到达方向。
6.根据权利要求5所述的介质中近场超宽带测距方法，其特征在于，所述频域变换包括：傅氏变换或小波变换。
7.根据权利要求5所述的介质中近场超宽带测距方法，其特征在于，所述相频特性包括：对数相频特性。
8.根据权利要求5所述的介质中近场超宽带测距方法，其特征在于，所述根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性进行方向识别，得到所述接收到的信号在各频率点所对应的到达方向包括：
根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性，利用交叉矢量积进行方向识别，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向。
9.根据权利要求5所述的介质中近场超宽带测距方法，其特征在于，所述根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性进行方向识别，得到所述接收到的信号在各频率点所对应的到达方向包括：
根据所述数字电场信号对应的幅频特性和所述数字磁场信号对应的幅频特性，利用磁方向识别技术进行方向识别，得到所述接收到的信号在各个频率点所对应的到达方向。
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