CN115343672B - 一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法 - Google Patents

一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，包括以下步骤：计算信号到主从天线之间的相位差‑主从天线与本地序列进行互相关运算‑共轭相乘运算，得到的结果作为主从路合并后的数据‑相位补偿‑对相位补偿后的数据取实部处理，将多路数据进合并成一路数据‑加权累加处理‑首径信号检测‑计算首径索引的置信度。本发明采用上述基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，通过主从路数据共轭相乘，消除了载波频偏的影响，通过到达相位差进行补偿，将首径能量集中在实部，提高了首径的相对强度，降低了首径搜索的难度，将多路数据进行合并成一路数据，带来首径信号检测增益、提高定位鲁棒性的同时，降低了系统处理的复杂度。

Description

一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法
技术领域
本发明涉及一种超宽带通信定位技术，尤其涉及一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法。
背景技术
目前基于GNSS(全球导航卫星系统)的室外定位技术相对成熟，但在室内，由于卫星信号容易受到遮挡并无法完成正常定位服务并且定位精度不能满足服务需求。近年来人们对于高精度的定位服务的需求愈加强烈，据统计，人们70％-80％的活动发生在室内，因此开展室内定位技术有着十分重要的意义。基于各种不同的需求，许多相应的定位技术已经展现出来，并取得了不错的效果，例如红外线、射频识别、超声波、WIFI、蓝牙、Zigbee、视觉定位等技术。然而都有各自的曲线，要么定位精度低，要么对坏境的要求苛刻，无法满足人们对室内定位感知系统精度高、环境自适应好的要求。UWB(超宽带)定位技术的诸多优点使得该技术能够实现高精度的室内定位，相比于其他无线定位技术，UWB具有抗干扰能力强、带宽极宽、传输速率快、功率消耗小等诸多优势。不管是基于双向测距的方式进行定位，还是基于信号到达时间的定位，又或是基于信号到达角度的定位，都需要精确的找到首径的位置。然而实际的情况错综复杂，一是有可能首径的强度很小；二是即使找到了首径，又不能确定找到的是否是真实的首径。从而给定位带来比较大的不确定度。基于此，怎样能够比较准确的找到首径位置并准确提供首径的置信度，是提高UWB定位系统定位鲁棒性的关键，也是当前研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，通过主从路数据共轭相乘，消除了载波频偏的影响，通过到达相位差进行补偿，将首径能量集中在实部，提高了首径的相对强度，降低了首径搜索的难度，将多路数据进行合并成一路数据，带来首径信号检测增益、提高定位鲁棒性的同时，降低了系统处理的复杂度。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，包括以下步骤：
S1，根据上一次定位结果计算出信号到主从天线之间的相位差，并存储；
S2，主从天线同时接收信号，并与本地序列进行互相关运算；
S3，各从路的互相关运算结果分别与主路的互相关运算结果进行共轭相乘运算，得到的结果作为主从路合并后的数据；
S4，利用步骤S1存储的结果与主从天线之间的延时差，计算补偿相位，分别对主从路合并后的数据进行相位补偿；
S5，对相位补偿后的数据取实部处理，将多路数据进行相同索引累加合并成一路数据；
S6，对合并后的数据按照符号为周期进行加权累加处理；
S7，利用累加平均后的数据进行首径信号检测；
S8，完成首径检测后，根据首径的索引提取主从天线对应数据共轭相乘运算后的数据求相位，并与步骤S1存储的相位和天线相对延迟对应的相位进行比较，计算首径索引的置信度。
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S10、根据标签的定位结果与锚定点的坐标计算出标签相对于锚定点主从天线的角度值θMS；
S11、根据标签相对于锚定点主从天线的角度值计算出信号到主从天线之间的相位差
式中，fc为载波频率，c为光速，dMS为主从天线之间的距离，θMS为标签相对于锚定点主从天线的角度值。
优选的，步骤S2具体包括以下步骤：
经路径互相关计算模块输出主从天线的结果分别为rM(n)和rS(n)；
其中，n为互相关计算输出的第n个数据。
优选的，步骤S3中的运算过程如下：
rMS(n)＝conj(rM(n))*rS(n)
其中，rMS(n)为经步骤S3的多路数据合并值，rM(n)为主路互相关运算输出的第n个数据，rS(n)为从路互相关运算输出的第n个数据，conj()为取共轭运算。
优选的，步骤S4中的运算过程如下：
其中，r′MS(n)为相位补偿值，rMS(n)为主从路合并后的数据，j为复指数，fc为载波频率，为信号到主从天线之间的相位差，ΔtMS从天线相对于主天线的延时差。
优选的，步骤S5的运算过程如下：
rsum(n)＝real(r′MS1(n))+real(r′MS2(n))+…+real(r′MSn(n))
其中，rsum(n)为经步骤S5的多路数据合并值，real()为取实部运算，r′MS1(n)为主天线与第1个从天线相位补偿后的数据，r′MS2(n)为主天线与第2个从天线相位补偿后的数据，r′MSn(n)为主天线与第n个从天线相位补偿后的数据。
优选的，步骤S6的运算过程如下：
scum(n)＝(1-ωG)*scum(n-N)+ωG*rsum(n)
其中，scum(n)为加权累加处理结果，ωG为权重系数，rsum(n)为步骤S5中多路数据合并后的结果，N为一个符号周期内的采样点数，scum(n-N)上一个符号相同位置处加权累加后的结果。
优选的，步骤S7具体包括以下步骤：
S70、首径信号检测为按照符号为周期进行检测，输入信号为累加平均后的数据scum(n)；
S71、当阈值计算控制信号使能后，利用累加平均后的数据scum(n)，开始滑窗计算动态阈值基数，计算方法如下：
其中，dth(n)为动态阈值基数，N为一个符号周期内的采样点数；
S72、根据阈值基数计算动态阈值，计算方法如下：
Dth(n)＝dth(n)*rcoef
其中，Dth(n)为数据scum(n)对应的动态阈值，rcoef为动态阈值基数转化为动态阈值的比例系数；
S73、当首径检测控制信号使能后，开始进行首径检测，首径检测使能需要比阈值计算至少延迟一个符号周期；
首径检测的第一个条件为：在一个符号周期内，连续三个点大于对应的动态阈值，并且中间的值为最大值，且最大值前后两个点的值均大约最大值的1/2；
第二个检测条件为：在符号间满足连续三个符号检测的首径位置波动在设定的阈值内；
第三个检测条件为：检测到首径的索引不超过设定的最大输出索引；
当出现满足第一个条件的点时，首径检测计数增加1；
S74、对S73输出的首径检测计数值进行判断，判断是否≥2，如果不满足，继续执行S70；
S75、如果计数值≥2，判断当前符号首径检测的位置与上一个符号首径检测的位置是否满足设定的阈值；
S76：如果不满足设定的阈值，首径检测计数置为1；如果满足设定的阈值，首径检测计数保持；
S77：继续判断首径检测计数是否≥3，如果不满足，继续执行S70；如果满足首径检测计数≥3，首径检测第二个条件通过，对首径索引进行保存；
S78：根据保存的首径索引与设定的最大允许首径索引值进行比较，如果没有超出最大允许首径索引值，则表示首径检测第三个条件通过，首径检测成功，如果超出了最大允许首径索引值，首径检测失败；
S79、根据检测结果，输出首径检测成功标志并输出首径索引值FP_idx，或者输出首径检测失败标志。
优选的，步骤S8具体包括以下步骤：
S80、根据首径的索引FP_idx，提取共轭相乘运算后的数据分为：
首径索引FP_dx前一个点的数据rMS(FP_idX-1)；
首径索引FP_dx对应的数据rMS(FP_idx)；
首径索引FP_dx后一个点的数据rMS(FP_idx+1)；
S81、根据rMS(FP_idx-1)、rMS(FP_idx)、rMS(FP_idx+1)计算出相位为φMSFP-1、φMSFP、φMSFP+1；
S82、根据φMSFP-1、φMSFP、φMSFP+1计算出平均相位
S83、计算置信度CFP：
其中，ωFP为权重系数，φ′MS＝φMS+2πfcΔtMS，φMS为信号到主从天线之间的相位差。
本发明与现有技术对比的有益效果如下：
1.利用主从路数据共轭相乘将主从路数据进行合并，从而消除了载波频偏的影响，保证了数据按照符号为周期的累加增益；
2.根据上次定位结果计算出信号到主从天线之间的相位差，通过到达相位差对合并后的数据进行相位补偿并取实部处理，通过相位补偿将首径能量集中在实部，提高了首径的相对强度，降低了首径搜索的难度；
3.将多路数据进行合并成一路数据，进一步提到了首径信号的强度，同时降低了系统处理的复杂度；
4.根据首径的相位特性，提供了首径检测的置信度计算方法。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明的系统架构示意图；
图2是本发明的系统处理流程图；
图3是本发明的信号相对于接收天线角度示意图；
图4是本发明的按照符号累加示意图；
图5是本发明的首径检测处理流程图；
图6是本发明的首径检测周期检测处理流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1是本发明的系统架构示意图；图2是本发明的系统处理流程图；图3是本发明的信号相对于接收天线角度示意图；图4是本发明的按照符号累加示意图；图5是本发明的首径检测处理流程图；图6是本发明的首径检测周期检测处理流程图，如图1-图6所示，本实施例三天线为例，三天线包含一个主天线，对应为主路的处理路径；两个从天线，分别对应两个从路的处理路径；其处理步骤包括：
S1，根据上一次定位结果计算出信号到主从天线之间的相位差，并存储；
具体的，S10、根据标签(发送端)的定位结果(xtag，ytag，ztag)与锚定点(接收端)的坐标(xanchor，yanchor，zanchor)计算出标签相对于锚定点主天线相对于第一从天线的角度值θMS1和第二从天线的角度值θMS2；其中，
S11、根据标签相对于锚定点主天线和第一从天线的角度值θMS1，计算出信号到主天线和第一从天线的相位差：
其中，fc为载波频率，c为光速，dMS1为主天线和第一从天线的距离；
同样的方法，计算出信号到主天线和第二从天线的相位差：
其中，dMS2为主天线和第二从天线的距离。
S2，主从天线同时接收信号，并与本地序列进行互相关运算；
具体的，主天线路径互相关计算模块输出的结果为rM(n)；
第一从天线路径互相关计算模块输出的结果为rS1(n)；
第二从天线路径互相关计算模块输出的结果为rS2(n)；
其中，n表述互相关计算输出的第n个数据。
S3，各从路的互相关运算结果分别与主路的互相关运算结果进行共轭相乘运算，得到的结果作为主从路合并后的数据；
具体的，主天线路径和第一从天线路径进行共轭运算以及数据合并的运算过程如下：
rMS1(n)＝conj(rM(n))*rS1(n)
同样，主天线路径和第二从天线路径进行共轭运算以及数据合并的运算过程如下：
rMS2(n)＝conj(rM(n))*rS2(n)
其中，conj()为取共轭运算。
S4，利用步骤S1存储的结果与主从天线之间的延时差，计算补偿相位，分别对主从路合并后的数据进行相位补偿；
具体的，主天线的天线延时即为tM，第一从天线的天线延时即为tS1，第二从天线的天线延时即为tS2
第一从天线相对于主天线的天线延时ΔtMS1＝tS1-tM；
第二从天线相对于主天线的天线延时ΔtMS2＝tS2-tM；
根据信号到主天线和第一从天线的相位差φMS1以及主天线和第一从天线的相对延时ΔtMS1，计算相位补偿值为φ′MS1＝φMS1+2πfcΔtMS1；
同样可以计算出主天线和第二从天线的相位补偿值为φ′MS2＝φMS2+2πfcΔtMS2；
根据主天线和第一从天线相位补偿值φ′MS1对其合并后的数据rMS1(n)进行相位补偿，补偿方法如下：
同样的方法，根据主天线和第二从天线相位补偿值φ′MS2对其合并后的数据rMS2(n)进行相位补偿，补偿后的结果为
S5，对相位补偿后的数据取实部处理，将多路数据进行相同索引累加合并成一路数据；
具体的，步骤S5的运算过程如下：
rsum(n)＝real(r′MS1(n))+real(r′MS2(n))+…+real(r′MSn(n))
其中，rsum(n)为经步骤S5的多路数据合并值，real()为取实部运算，r′MS1(n)为主天线与第1个从天线相位补偿后的数据，r′MS2(n)为主天线与第2个从天线相位补偿后的数据，r′MSn(n)为主天线与第n个从天线相位补偿后的数据。
S6，对合并后的数据按照符号为周期进行加权累加处理；
具体的，通过前一个符号累加平均的结果与当前符号的合并结果进行加权求和，得到当前符号累加平均的结果；
累加过程的公式如下所示：
scum(n)＝(1-ωG)*scum(n-N)+ωG*rsum(n)
其中，ωG为权重系数，N为一个符号周期内的采样点数，scum(n-N)上一个符号相同位置处加权累加后的结果；
在本实施例中，权重系数取值为：1，1/2，1/2，1/4，1/4，1/4，1/4，1/8，…。
S7，利用累加平均后的数据进行首径信号检测；
步骤S7具体包括以下步骤：
S70、首径信号检测为按照符号为周期进行检测，输入信号为累加平均后的数据scum(n)；
S71、当阈值计算控制信号使能后，利用累加平均后的数据scum(n)，开始滑窗计算动态阈值基数，计算方法如下：
其中，dth(n)为动态阈值基数，N为一个符号周期内的采样点数；
S72、根据阈值基数计算动态阈值，计算方法如下：
Dth(n)＝dth(n)*rcoef
其中，Dth(n)为数据scum(n)对应的动态阈值，rcoef为动态阈值基数转化为动态阈值的比例系数；
S73、当首径检测控制信号使能后，开始进行首径检测，首径检测使能需要比阈值计算至少延迟一个符号周期；
首径检测的第一个条件为：在一个符号周期内，连续三个点大于对应的动态阈值，并且中间的值为最大值，且最大值前后两个点的值均大约最大值的1/2；
第二个检测条件为：在符号间满足连续三个符号检测的首径位置波动在设定的阈值内；
第三个检测条件为：检测到首径的索引不超过设定的最大输出索引；
当出现满足第一个条件的点时，首径检测计数增加1；
S74、对S73输出的首径检测计数值进行判断，判断是否≥2，如果不满足，继续执行S70；
S75、如果计数值≥2，判断当前符号首径检测的位置与上一个符号首径检测的位置是否满足设定的阈值；
S76：如果不满足设定的阈值，首径检测计数置为1；如果满足设定的阈值，首径检测计数保持；
S77：继续判断首径检测计数是否≥3，如果不满足，继续执行S70；如果满足首径检测计数≥3，首径检测第二个条件通过，对首径索引进行保存；
S78：根据保存的首径索引与设定的最大允许首径索引值进行比较，如果没有超出最大允许首径索引值，则表示首径检测第三个条件通过，首径检测成功，如果超出了最大允许首径索引值，首径检测失败；
S79、根据检测结果，输出首径检测成功标志并输出首径索引值FP_idx，或者输出首径检测失败标志。
S8，完成首径检测后，根据首径的索引提取主从天线对应数据共轭相乘运算后的数据求相位，并与步骤S1存储的相位和天线相对延迟对应的相位进行比较，计算首径索引的置信度。
步骤S8具体包括以下步骤：
S80、根据首径检测输出首径索引值分别提取共轭相乘模块的输出结果rMS1(FP_idx-1)、rMS1(FP_idx)、rMS1(FP_idx+1)以及共轭相乘模块的输出结果rMS2(FP_idx-1)、rMS2(FP_idx)、rMS2(FP_idx+1)；
S81、根据rMS1(FP_idx-1)、rMS1(FP_idx)、rMS1(FP_idx+1)计算出相位值φMS1FP-1、φMS1FP、φMSiFP+1；
根据rMS2(FP_idx-1)、rMS2(FP_idx)、rMS2(FP_idx+1)计算出相位值φMS2FP-1、φMS2FP、φMS2FP+1；
S82、根据φMS1FP-1、φMS1FP、φMS1FP+1计算出平均相位
根据φMS2FP-1、φMS2FP、φMS2FP+1计算出平均相位
S83、对于第一分路置信度计算方法如下：
其中，ωFP为权重系数，本实施例中ωFP＝1/4；
对于第二分路置信度计算方法如下：
总体置信度为：
置信度CFP越接近于1，说明置信度越高。
因此，本发明采用上述基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，通过主从路数据共轭相乘，消除了载波频偏的影响，通过到达相位差进行补偿，将首径能量集中在实部，提高了首径的相对强度，降低了首径搜索的难度，将多路数据进行合并成一路数据，带来首径信号检测增益、提高定位鲁棒性的同时，降低了系统处理的复杂度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，根据上一次定位结果计算出信号到主从天线之间的相位差，并存储；
S2，主从天线同时接收信号，并与本地序列进行互相关运算；
S3，各从路的互相关运算结果分别与主路的互相关运算结果进行共轭相乘运算，得到的结果作为主从路合并后的数据；
S4，利用步骤S1存储的结果与主从天线之间的延时差，计算补偿相位，分别对主从路合并后的数据进行相位补偿；
S5，对相位补偿后的数据取实部处理，将多路数据进行相同索引累加合并成一路数据；
S6，对合并后的数据按照符号为周期进行加权累加处理；
S7，利用累加平均后的数据进行首径信号检测；
S8，完成首径检测后，根据首径的索引提取主从天线对应数据共轭相乘运算后的数据求相位，并与步骤S1存储的相位和天线相对延迟对应的相位进行比较，计算首径索引的置信度；
步骤S4中的运算过程如下：
其中,r′MS(n)为相位补偿值，rMS(n)为主从路合并后的数据，j为复指数，fc为载波频率，φMS为信号到主从天线之间的相位差，ΔtMS从天线相对于主天线的延时差；
步骤S8具体包括以下步骤：
S80、根据首径的索引FP_idx，提取共轭相乘运算后的数据分为：
首径索引FP_idx前一个点的数据rMS(FP_idx-1)；
首径索引FP_idx对应的数据rMS(FP_idx)；
首径索引FP_idx后一个点的数据rMS(FP_idx+1)；
S81、根据rMS(FP_idx-1)、rMS(FP_idx)、rMS(FP_idx+1)计算出相位为φMSFP-1、φMSFP、φMSFP+1；
S82、根据φMSFP-1、φMSFP、φMSFP+1计算出平均相位
S83、计算置信度CFP：
其中，ωFP为权重系数，φ′MS＝φMS+2πfcΔtMS，φMS为信号到主从天线之间的相位差。
2.根据权利要求1所述的一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：
S10、根据标签的定位结果与锚定点的坐标计算出标签相对于锚定点主从天线的角度值θMS；
S11、根据标签相对于锚定点主从天线的角度值计算出信号到主从天线之间的相位差φMS：
式中，fc为载波频率，c为光速，dMS为主从天线之间的距离，θMS为标签相对于锚定点主从天线的角度值。
3.根据权利要求2所述的一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：
经路径互相关计算模块输出主从天线的结果分别为rM(n)和rS(n)；
其中，n为互相关计算输出的第n个数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，其特征在于：步骤S3中的运算过程如下：
rMS(n)＝conj(rM(n))*rS(n)
其中，rMS(n)为经步骤S3的多路数据合并值，rM(n)为主路互相关运算输出的第n个数据，rS(n)为从路互相关运算输出的第n个数据，conj()为取共轭运算。
5.根据权利要求4所述的一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，其特征在于：步骤S5的运算过程如下：
rsum(n)＝real(r′MS1(n))+real(r′MS2(n))+...+real(r′MSn(n))
其中，rsum(n)为经步骤S5的多路数据合并值，real()为取实部运算，r′MS1(n)为主天线与第1个从天线相位补偿后的数据，r′MS2(n)为主天线与第2个从天线相位补偿后的数据，r′MSn(n)为主天线与第n个从天线相位补偿后的数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，其特征在于：步骤S6的运算过程如下：
scum(n)＝(1-ωG)*scum(n-N)+ωG*rsum(n)
其中，scum(n)为加权累加处理结果，ωG为权重系数，rsum(n)为步骤S5中多路数据合并后的结果，N为一个符号周期内的采样点数，scum(n-N)上一个符号相同位置处加权累加后的结果。
7.根据权利要求6所述的一种基于到达相位差辅助的首径信号增强及检测方法，其特征在于：步骤S7具体包括以下步骤：
S70、首径信号检测为按照符号为周期进行检测，输入信号为累加平均后的数据scum(n)；
S71、当阈值计算控制信号使能后，利用累加平均后的数据scum(n)，开始滑窗计算动态阈值基数，计算方法如下：
其中，dth(n)为动态阈值基数，N为一个符号周期内的采样点数；
S72、根据阈值基数计算动态阈值，计算方法如下：
Dth(n)＝dth(n)*rcoef
其中，Dth(n)为数据scum(n(对应的动态阈值，rcoef为动态阈值基数转化为动态阈值的比例系数；
S73、当首径检测控制信号使能后，开始进行首径检测，首径检测使能需要比阈值计算至少延迟一个符号周期；
首径检测的第一个条件为：在一个符号周期内，连续三个点大于对应的动态阈值，并且中间的值为最大值，且最大值前后两个点的值均大约最大值的1/2；
第二个检测条件为：在符号间满足连续三个符号检测的首径位置波动在设定的阈值内；
第三个检测条件为：检测到首径的索引不超过设定的最大输出索引；
当出现满足第一个条件的点时，首径检测计数增加1；
S74、对S73输出的首径检测计数值进行判断，判断是否≥2，如果不满足，继续执行S70；
S75、如果计数值≥2，判断当前符号首径检测的位置与上一个符号首径检测的位置是否满足设定的阈值；
S76：如果不满足设定的阈值，首径检测计数置为1；如果满足设定的阈值，首径检测计数保持；
S77：继续判断首径检测计数是否≥3，如果不满足，继续执行S70；如果满足首径检测计数≥3，首径检测第二个条件通过，对首径索引进行保存；
S78：根据保存的首径索引与设定的最大允许首径索引值进行比较，如果没有超出最大允许首径索引值，则表示首径检测第三个条件通过，首径检测成功，如果超出了最大允许首径索引值，首径检测失败；
S79、根据检测结果，输出首径检测成功标志并输出首径索引值FP_idx，或者输出首径检测失败标志。
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