CN117420538B - 一种超宽带系统的测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带系统的测距方法，包括以下步骤：S1：发射机周期性发射脉冲超宽带信号，接收机采集无线环境的复数信道脉冲响应；S2：提取复数信道脉冲响应中随时间变化的反射体反射信号；S3：根据随时间变化的反射体反射信号，选取信号幅度满足预设要求的目标采样点，并结合所述目标采样点处的相位角，计算反射体的位置信息。本发明解决了现有技术中厘米级测距精度不足的问题，在同样的系统带宽情况下，提出结合信号幅度和相位信息，进行毫米级距离测量和分辨，也使得超宽带测距的应用更加广泛。
Description
技术领域
本发明涉及无线感知技术领域，尤其涉及一种超宽带系统的测距方法。
背景技术
脉冲超宽带（Impulse Radio Ultra-Wideband, IR-UWB）系统是一种以窄脉冲进行无线感知系统，UWB系统的发射功率低，信号能够很好地隐蔽在其他类型的信号以及环境噪声之中。国际电气电子工程师学会（IEEE）定义的802.15.4以及802.15.4z/4ab的UWB系统利用500MHz或1GHz左右的带宽，采用脉冲信号幅度边缘检测（Leading Edge Detection）等方法，可以达到厘米级测距精度（1厘米~10厘米），并且具有安全性好、抗干扰能力强和支持设备到设备之间的通信与测距等特点，在室内外短距离无线通信和无线测距与定位等领域获得广泛应用。
然而在人体或宠物呼吸和心跳监测等应用中，厘米级的精度还不足以准确检测呼吸和心跳，对于其它微小运动物体的检测也需要更加精细的距离分辨能力。如果用500MHz或1.5GHz带宽的系统进行更加精细的测距，则需要开发更好的测距方法。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种超宽带系统的测距方法，能够进行毫米级距离测量和分辨，使得超宽带测距的应用更加广泛。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明公开了一种超宽带系统的测距方法，包括以下步骤：
S1：发射机周期性发射脉冲超宽带信号，接收机采集无线环境的复数信道脉冲响应；
S2：提取复数信道脉冲响应中随时间变化的反射体反射信号；
S3：根据随时间变化的反射体反射信号，选取信号幅度满足预设要求的目标采样点，并结合所述目标采样点处的相位角，计算反射体的位置信息。
优选地，步骤S3具体包括：
S31：选取随时间变化的反射体反射信号中信号模值大于第一阈值的采样点作为目标采样点；
S32：计算反射信号在所述目标采样点处的相位角；
S33：根据所述目标采样点的采样时间和所述相位角，计算反射信号的飞行时间；
S34：根据反射信号的飞行时间计算所述反射体的位置信息。
优选地，步骤S31之前还包括：
S301：判断复数信道脉冲响应的采样时间间隔是否大于第二阈值，如果是，则执行步骤S302，如果否，则直接执行步骤S31；
S302：对随时间变化的反射体反射信号进行快时间域插值，插值后的采样时间间隔小于等于第二阈值，继续步骤S31。
优选地，所述第二阈值为1/fc，其中fc为脉冲超宽带信号的载波频率。
优选地，所述第一阈值是指反射信号中的信号模值的最大值的0.6倍。
优选地，步骤S33中反射信号的飞行时间等于所述目标采样点的采样时间加上所述相位角除以2π*fc，其中fc为脉冲超宽带信号的载波频率。
优选地，步骤S34中包括：
当发射机和接收机位于同一位置时，根据反射信号的飞行时间获得反射体的具体位置；
当发射机和接收机位于不同位置时，根据反射信号的飞行时间计算发射机和接收机之间的信号路径长度，并根据信号路径长度获得反射体的位置变化信息。
优选地，当发射机和接收机位于同一位置时，反射体相对发射机和接收机的距离等于反射信号的飞行时间乘以C/2，根据反射体相对发射机和接收机的距离确定反射体的具体位置，其中C为空气中无线电波传播速度；当发射机和接收机位于不同位置时，发射机和接收机之间的信号路径长度等于反射信号的飞行时间乘以C，其中C为空气中无线电波传播速度。
优选地，步骤S2中具体包括：先滤除复数信道脉冲响应中慢时间域的直流分量，再从复数信道脉冲响应的快时间域中选取幅度大于第三阈值的至少一段，以得到随时间变化的反射体反射信号。
第二方面，本发明公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为可被一处理器运行以执行第一方面所述的超宽带系统的测距方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的超宽带系统的测距方法，在同样的系统带宽和采样率情况下，结合信号幅度和相位需信息，以利用载波相位信息进行距离计算，大幅度提高了距离估计的精度，能够进行毫米级距离测量和分辨，从而解决了现有技术中厘米级测距精度不足的问题；能够进一步将超宽带测距的应用于人体或宠物呼吸和心跳监测等，使得超宽带测距的应用更加广泛。
附图说明
图1为本发明优选实施例公开的超宽带系统的测距方法流程图；
图2是本发明具体实施例中的超宽带系统的测距方法流程图；
图3为本发明应用于单站脉冲雷达的无线系统示意图；
图4为复数CIR幅度模值示意图；
图5为去掉直流分量的CIRv幅度模值示意图；
图6为对CIRv中幅度较大区段进行插值后的CIRvi的幅度模值示意图；
图7为CIRvi的以弧度为单位的相位示意图；
图8为根据本发明方法结合幅度和相位计算的信号反射面距离变化图；
图9为根据估计距离计算得到频谱示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，本发明优选实施例公开了一种超宽带系统的测距方法，包括以下步骤：
S1：发射机周期性发射脉冲超宽带信号，接收机采集无线环境的复数信道脉冲响应；
S2：提取复数信道脉冲响应中随时间变化的反射体反射信号；
具体地，滤除复数信道脉冲响应中慢时间域的直流分量，再从复数信道脉冲响应的快时间域中选取幅度大于第三阈值的至少一段，以得到随时间变化的反射体反射信号。其中，滤除复数信道脉冲响应中慢时间域的直流分量是将静止物体发出的信号部分滤除掉，选取幅度大于第三阈值的至少一段是选取其中的生物体或运动物体反射信号的重点区段，其中该第三阈值可以根据实际情况来定，只需确保选取出的一段或几段的幅度较大即可。比如，第三阈值可以选取为滤除直流分量后的反射信号幅度均值的2~10倍。
S3：根据随时间变化的反射体反射信号，选取信号幅度满足预设要求的目标采样点，并结合所述目标采样点处的相位角，计算所述反射体的位置信息。
其中，步骤S3具体包括：
S31：选取随时间变化的反射体反射信号中信号模值大于第一阈值的采样点作为目标采样点；其中，第一阈值是指反射信号中的信号模值的最大值的0.6倍。
S32：计算反射信号在所述目标采样点处的相位角；
S33：根据所述目标采样点的采样时间和所述相位角，计算反射信号的飞行时间；
其中，反射信号的飞行时间等于所述目标采样点的采样时间加上所述相位角除以2π*fc，其中fc为脉冲超宽带信号的载波频率。
S34：根据反射信号的飞行时间计算所述反射体的位置信息。
其中，当发射机和接收机位于同一位置时，根据反射信号的飞行时间获得反射体的具体位置；具体地，反射体相对发射机和接收机的距离等于反射信号的飞行时间乘以C/2，根据反射体相对发射机和接收机的距离确定反射体的具体位置，其中C为空气中无线电波传播速度。
当发射机和接收机位于不同位置时，根据反射信号的飞行时间计算发射机和接收机之间的信号路径长度，并根据信号路径长度获得反射体的位置变化信息；具体地，发射机和接收机之间的信号路径长度等于反射信号的飞行时间乘以C，其中C为空气中无线电波传播速度。
其中，在步骤S31之前还包括：
S301：判断复数信道脉冲响应的采样时间间隔是否大于第二阈值，如果是，则执行步骤S302，如果否，则直接执行步骤S31；
S302：对随时间变化的反射体反射信号进行快时间域插值，插值后的采样时间间隔小于等于第二阈值，继续步骤S31；其中，第二阈值为1/fc，fc为脉冲超宽带信号的载波频率。
本发明另一优选实施例公开了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为可被一处理器运行以执行上述实施例一中的超宽带系统的测距方法的步骤。
可选地，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器（Read-Only Memory，简称为ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，简称为RAM）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
下述结合具体实施例对本发明优选实施例提供的超宽带系统的测距方法作进一步的说明。
如图2所示，本具体实施例中的超宽带系统的测距方法包括：
第一步：采集无线环境的复数信道脉冲响应CIR（Channel Impulse Respond）：
其中，复数信道脉冲响应的自变量为时延，应变量为复数反射波信号的函数。
发射机周期性发射一系列经载波调制的脉冲超宽带（Impulse Radio Ultra-Wideband, IR-UWB）信号，其中，载波频率为fc，周期为T，脉冲信号带宽为B。
接收机周期性接收经无线环境（无线环境中包含待测量的生命体或者运动物体）发射的脉冲超宽带信号，进行载波解调和脉冲相干累积，得到随时间变化的无线环境的复数信道脉冲响应：CIR(m, n)=CIR(m*T, n*d)，其中，T为周期，d为采样时间间隔，d≤1/B；m表示CIR慢时间域的周期的序号，m=0、1、2、…、M-1，CIR共有M个周期的CIR慢时间域；n表示每个周期T内CIR快时间域的采样点的序号，n=0、1、2、…、N-1，每个周期T内的CIR快时间域共有N个采样点，对应无线环境中不同距离位置的反射信号。
需要说明的是，快时间域指的是接收信号时间相对发射信号时间延迟量；通常一个周期T中得到的一次CIR函数是以接收信号时间相对发射信号时间延迟量为自变量的函数，这里的时间延迟量对应空中信号传播距离，时间延迟量小于周期T。慢时间域指的是不同周期T的多次CIR，反映了包括反射体在内的无线信道随着T的整数倍时间的变化，通常采取几十几百个周期T进行分析处理。
具体地，发射信号调制到载波频率fc上，接收机解调时分别用cos（2π*fc*t）和sin（2π*fc*t）进行载波解调，即可得到复数信号的实部和虚部。对一个周期T内所有脉冲的无线信号进行相干累积，即可得到复数脉冲响应的该周期快时间域CIR。计算多个周期的CIR，就可以得到包括慢时间域的二维CIR。后续可以进一步对二维CIR进行一些滤波滤除噪声。
其中，发射机和接收机优选使用相同的载波频率时钟源，比如单站雷达方式。此时CIR的相位信息反映了无线环境的特性。而如果发射机和接收机使用了不同的载波频率时钟源，比如双站雷达或收发分离方式，需要根据CIR进行频率偏差估计和补偿，具体的估计方法可以用CIR较大能量峰值滑动平均相位变化速度来衡量频偏。
第二步：提取重点区段运动物体反射信号CIRv：
滤除CIR慢时间域直流分量，即滤除无线信道中不随时间变化的信息，得到含有随时间变化信息的CIRv(m, n)。具体地，静止物体发生信号在CIR中体现为慢时间域不变的直流分量，通过滤除慢时间域的直流分量，比如CIR上各点减去该点所处一段慢时间域的平均值，即可得到包含运动信息的CIRv。CIRv是指时变信道脉冲响应，即CIR随时间变化量的函数。
从CIRv的快时间域中幅度较大的一段或几段，即为生命体或运动物体反射信号的重点区段。
第三步：对重点区段计算反射体毫米级距离D(m)：
如果CIR的采样时间间隔d大于1/fc，则对重点区段的CIRv进行快时间域插值，得到CIRvi(m, k)=CIRvi(m*T, k*di)，k是经插值后的每个周期T内的快时间域的第k个采样点，插值后的采样时间间隔di≤1/fc。再采用下述具体方法计算第m个慢时间域周期内的反射体距离：（1）选取CIRvi(m, k)重点区段内CIRvi模值较大的k，记为kmax；其中，CIRvi模值较大是指CIRvi(m, k)重点区段内CIRvi模值的最大值的0.6倍以上；（2）计算CIRvi(m,kmax)的相位角Phase；（3）反射信号相对飞行时间为Tof(m)=kmax*di+Phase/(2π*fc)。
而如果CIR的采样时间间隔d小于等于1/fc，则直接采用下述具体方法计算第m个慢时间域周期内的反射体距离：（1）选取CIRv(m, n)重点区段内CIRv模值较大的n，记为nmax；其中，CIRv模值较大是指CIRv(m, n)重点区段内CIRv模值的最大值的0.6倍以上；（2）计算CIRv(m, nmax)的相位角Phase；（3）反射信号相对飞行时间为Tof(m)=nmax*d+Phase/(2π*fc)。
对于单站雷达或收发处于同一位置的双站雷达，反射体相对发射机和接收机的距离为D1(m)=Tof(m)*C/2，其中C为空气中无线电波传播速度。如果是不同位置的双站雷达，发射机和接收机之间信号路径长度为：D2(m)=Tof(m)*C，再根据该D2(m)可以进一步获得反射体的距离变化规律或者运动规律。
通过上述结合幅度和相位的距离计算，对于载波波长只有几厘米的系统，测距精度可以达到毫米级别。
本步骤中，对具有生命体或运动物体反射信号的重点区段，进行快时间域插值，插值的方法可以用通用的插值滤波器，插值后的采样时间间隔di≤1/fc。大于等于di对应的距离后续由较大幅度位置所对应的采样点kmax估计，小于di对应距离变化后续由较大幅度位置的相位Phase估计，即第m个慢时间域周期内反射信号飞行时间：Tof(m)=kmax*di+Phase/(2π*fc)，反射体相对距离位置即为：D1(m)=Tof(m)*C/2，其中C为空气中无线电波传播速度。这样可以用几个GHz的中心频率，500M~1.5GHz左右的带宽，得到毫米级的距离测量。
第四步：根据毫米级距离分析反射体特征：
根据D1(m)或D2(m)继续做反射体特征分析，比如通过傅里叶变换分析呼吸频率，心跳频率等。
本步骤是可选的，由于距离已经由上述第三步测量完成。如果要进行进一步的信号分析，可用上述距离变化分析活体的呼吸频率心跳频率等。
如图3所示，是将本发明应用于单站脉冲雷达的无线系统示意图。该系统中，根据系统设置的脉冲序列11，通过脉冲生成模块12产生基带脉冲信号。本地振荡器（LO）13产生载波频率fc用于发射混频器（Tx Mixer）14和接收混频器（Rx Mixer）15。发射混频器14把基带脉冲信号混频到中心频率fc上得到射频信号。射频信号经功率放大器16放大后通过发射天线17发射出去。发射信号经过无线环境的一些静止反射体18或活动反射体19（比如生命体）反射，在雷达的接收天线20上可以耦合反射信号。这些接收信号经过低噪声放大器21放大后进入接收混频器15，混频并进行低通滤波22后得到基带信号。接收混频器15接收同时用了I路和Q路，分别对应本振信号cos（2π*fc*t）和sin（2π*fc*t）。基带信号再经过模数转换器23得到数字信号。这些信号再经信道脉冲响应处理模块24得到复数信道脉冲响应CIR，最后将复数信道脉冲响应CIR输入给测量处理模块25进行上述本发明的超宽带系统的测距方法处理。脉冲序列（Pulse Sequence）的正负极性也是收发共知。无线环境中可能有各种静态的反射体，也可能有人体/宠物等发射体。人体的呼吸引起胸腔约正负1cm的距离变化，频率通常0.2~0.3Hz，人体的心跳会引起约正负1mm的距离变化，频率通常1~1.6Hz。不同距离的这些反射信号会被接收天线接收到。接收机经过低噪声放大（LNA），解调，低通滤波（LPF），模数采样转换（ADC）后得到数字信号。
图4为上述具体实施例中的第一步得到复数CIR的幅度模值示意图。这里用了约1GHz带宽的脉冲，ADC采样时间间隔1ns，慢时间域周期0.1s，记录了30秒时间长度，载波频率6.5GHz。0.75米处有静态反射体，1.5米处有人体反射。CIR幅度中能明显看到两个不同距离的反射信号。
图5为上述具体实施例中的第二步去掉直流分量的CIRv幅度模值示意图。通过滤除直流，可以把静态反射信号去除，剩下较明显的活体反射信号，但目前从该图中还很难看出活体发射信号的细节特征，需进一步进行后续处理。
图6为上述具体实施例中的第三步中对CIRv中幅度较大区段进行插值后的CIRvi的幅度模值示意图。由于ADC采样频率满足奈奎斯特采样定律，对上述活体反射信号快时间域进行插值恢复细节信息，比如进行16倍插值，插值后的采样时间间隔为1/16ns，小于1/fc=1/6.5ns。这里1/fc时间差里，相当于信号相位转了一圈360度，即利用CIR相位估计距离，360度的相位范围对应1/fc时间内无线电波走过的距离，如果计算往返再除以2，所以大于1/fc（fc=6.5GHz，雷达应用中对应2.3cm）的时间距离，需要靠CIR幅度来估计，小于这个距离可以用相位做更精细的估计；图6中慢时间域各处CIR幅度基本相同。
图7为上述具体实施例中的第三步中的CIRvi的以弧度为单位的相位示意图。可见虽然CIR幅度基本相同，但慢时间域各个时间点的CIR相位随着活体呼吸和心跳的周期性微小变化而变化，这是因为载波fc的波长只有4.6cm，这些微小的距离变化都体现在发射信号的相位上。本发明方法利用相位信息估计结果来检测反射体小于载波波长的距离变化。
图8为上述具体实施例中的第三步中结合幅度和相位计算的信号反射面距离变化图。根据上述方法，可以计算出人体发射面距离变化如图8，从中可以看出上下振幅正负1cm内的毫米级距离变化都得到了精细的体现。
图9为上述具体实施例中的第四步中根据估计距离计算得到频谱示意图。频谱中有明显的幅度较大0.3Hz呼吸频率，同时也有清晰的1Hz心跳频率。心跳频率的幅度只有呼吸频率的1/10，即心跳幅度只有正负1mm的距离变化，也能够通过本发明结合幅度和相位测距方法中精准的体现。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (9)
1.一种超宽带系统的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：发射机周期性发射脉冲超宽带信号，接收机采集无线环境的复数信道脉冲响应；
S2：提取复数信道脉冲响应中随时间变化的反射体反射信号；
S3：根据随时间变化的反射体反射信号，选取信号幅度满足预设要求的目标采样点，并结合所述目标采样点处的相位角，计算反射体的位置信息；
其中，步骤S3具体包括：
S31：选取随时间变化的反射体反射信号中信号模值大于第一阈值的采样点作为目标采样点；
S32：计算反射信号在所述目标采样点处的相位角；
S33：根据所述目标采样点的采样时间和所述相位角，计算反射信号的飞行时间；
S34：根据反射信号的飞行时间计算所述反射体的位置信息。
2.根据权利要求1所述的超宽带系统的测距方法，其特征在于，步骤S31之前还包括：
S301：判断复数信道脉冲响应的采样时间间隔是否大于第二阈值，如果是，则执行步骤S302，如果否，则直接执行步骤S31；
S302：对随时间变化的反射体反射信号进行快时间域插值，插值后的采样时间间隔小于等于第二阈值，继续步骤S31。
3.根据权利要求2所述的超宽带系统的测距方法，其特征在于，所述第二阈值为1/fc，其中fc为脉冲超宽带信号的载波频率。
4.根据权利要求1所述的超宽带系统的测距方法，其特征在于，所述第一阈值是指反射信号中的信号模值的最大值的0.6倍。
5.根据权利要求1所述的超宽带系统的测距方法，其特征在于，步骤S33中反射信号的飞行时间等于所述目标采样点的采样时间加上所述相位角除以2π*fc，其中fc为脉冲超宽带信号的载波频率。
6.根据权利要求1所述的超宽带系统的测距方法，其特征在于，步骤S34中包括：
当发射机和接收机位于同一位置时，根据反射信号的飞行时间获得反射体的具体位置；
当发射机和接收机位于不同位置时，根据反射信号的飞行时间计算发射机和接收机之间的信号路径长度，并根据信号路径长度获得反射体的位置变化信息。
7.根据权利要求6所述的超宽带系统的测距方法，其特征在于，
当发射机和接收机位于同一位置时，反射体相对发射机和接收机的距离等于反射信号的飞行时间乘以C/2，根据反射体相对发射机和接收机的距离确定反射体的具体位置，其中C为空气中无线电波传播速度；
当发射机和接收机位于不同位置时，发射机和接收机之间的信号路径长度等于反射信号的飞行时间乘以C，其中C为空气中无线电波传播速度。
8.根据权利要求1所述的超宽带系统的测距方法，其特征在于，步骤S2中具体包括：先滤除复数信道脉冲响应中慢时间域的直流分量，再从复数信道脉冲响应的快时间域中选取幅度大于第三阈值的至少一段，以得到随时间变化的反射体反射信号。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为可被一处理器运行以执行权利要求1至8任一项中所述的超宽带系统的测距方法。
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