一种强多径环境下信号的到达时间估计方法技术

本发明专利技术公开了一种强多径环境下信号的到达时间估计方法，该方法通过对接收信号的归一化匹配滤波，降低了噪声干扰，同时减小了信号传输损失带来的影响；同时在动态门限的设置上考虑了接收信号滤波器输出的最大值和最小值，既体现了信道响应，又体现了信噪比信息；此外本发明专利技术通过最大值检测回溯方式，避免了确定门限后从滤波器输出起点开始搜索，降低了计算量；同时由于回溯范围较短，多数情况下突发噪声峰值落在回溯窗外，最大限度地避免了可能的峰值干扰，提高了TOA估计效率与精度。本发明专利技术具有算法简单、TOA估计准确等优点，实验证明本发明专利技术在室内条件下具有良好的TOA估计精度，为实现高精度定位打下了良好的基础。

【技术实现步骤摘要】
一种强多径环境下信号的到达时间估计方法
本专利技术属于信号检测和无线定位
，具体涉及一种强多径环境下信号的到达时间估计方法。
技术介绍
室内定位技术在特定场合受到了广泛关注。对于室内环境，卫星信号衰落严重，GPS失去作用；同时，蜂窝基站的定位精度太低，无法满足室内定位的精度要求。出于易推广、低成本室内定位系统的需求，使用声波信号作为定位载体正成为研究热点之一。在基于时间到达法(TimeofArrival，TOA)的定位系统中，由直达径(DirectPath，DP)传播时间估计目标与基站之间的距离，使用多个基站即可使用三边定位法估计目标位置。然而在室内复杂环境下，存在大量的散射及反射多径，即使直达径存在，由于后续多径分量的同相叠加，直达径很可能不是最强径。因此室内环境下获取准确的TOA估计存在一定困难，提出适应强多径环境的TOA估计方法至关重要。现有的TOA估计技术主要可分为似然估计法和门限判决法两大类。似然估计法试图寻找一组多径分量，通过多径分量的延时、幅度组合，与观察到的信号样本做匹配，似然估计法一般通过迭代寻求最大似然规则上的最优多径组合，该方法计算量巨大，在移动设备上较难实现，且在低信噪比条件下性能不佳。门限判决法采用相关器，也就是匹配滤波器(MatchedFilter，MF)，现有的门限判决法可分为三种：第一种是最大能量选择法(MaximumEnergySelection，MES)，该方法选择MF的最大输出作为阈值，即认为输出最大的时刻即是信号的到达时刻，然而室内多径环境下直达径往往不是最强径，使用MES算法会使TOA估计出现巨大误差；第二种则是门限比较法(ThresholdComparison，TC)，将MF的输出与特定门限作比较，选出第一个超出该门限的值作为TOA估计，TC法中门限一般是信噪比的函数，该方法仅在高信噪比条件下可以获得较高的精度，且无法应对突发噪声；第三种是基于最大能量的回溯算法(MaximumEnergySelection-SearchBack，MES-SB)，该算法定位到MF的最大输出后，后向(延时减小方向)搜索固定长度，选出第一个低于门限值的时刻，该时刻与最大输出时刻的中值作为TOA估计。MES-SB法在低信噪比条件下相比TC法性能更优，但其估计结果永远在在真实TOA与MF最大输出之间，通常无法获得准确的TOA估计。综上所述，现有的TOA估计方法在应对室内强多径环境时存在一定困难，加之以往的研究都侧重于白噪声环境，对于突发噪声并未有过多的涉及，在现有TOA估计方法的基础上要实现准确定位有一定难度。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种强多径环境下信号的到达时间估计方法，能够在室内强多径环境和突发噪声存在的条件下获取准确的TOA估计，以提高定位系统准确度，在不需要先验知识，保证估计精度的条件下，降低TOA估计方法的复杂度。一种强多径环境下信号的到达时间估计方法，包括如下步骤：(1)由接收机对接收到的信号进行奈奎斯特采样得到数字信号，进而使所述数字信号通过带通滤波器以滤除其中的带外噪声；(2)将带通滤波后的数字信号通过归一化匹配滤波器以抑制其中的突发噪声，降低信号能量随距离衰减带来的影响；(3)对归一化匹配滤波器的输出信号Y进行检测，提取其中的信号最大值ymax和信号最小值ymin，并依此确定一个动态的自适应门限η；(4)从nmax-lsb时刻开始对输出信号Y逐点进行判断，直至寻找到第一个信号值超过η的采样点，该采样点对应的时刻即为估计出的信号到达时刻；其中，nmax为输出信号Y中信号最大值ymax对应的时刻，lsb为设定的回溯时长。所述步骤(3)中对归一化匹配滤波器的输出信号Y进行检测，检测过程中设定一固定的门限值，当输出信号值高于该门限值，则判定输出信号Y为非噪声信号，以此开始提取输出信号Y中的信号最大值ymax和信号最小值ymin。所述自适应门限η的计算表达式如下：η＝αconst(ymax-ymin)+ymin其中：αconst为设定的归一化常数且0＜αconst＜1。所述归一化匹配滤波器基于以下算式表达：其中：ynorm[n]为归一化匹配滤波器输出信号Y中第n时刻的信号值，s[i+n]为接收机本地信号模板中第i+n时刻的信号值，接收机的本地信号模板与发射机所发出的信号一致，r[i]为带通滤波后的数字信号中第i时刻的信号值，r*[i]为r[i]的共轭表达，N为带通滤波后的数字信号时长，n为自然数。对于室内环境，所述回溯时长lsb设定为10ms。本专利技术的有益技术效果如下：(1)本专利技术通过对接收信号的归一化匹配滤波，降低了噪声干扰，同时减小了信号传输损失带来的影响。(2)本专利技术在动态门限的设置上考虑了接收信号滤波器输出的最大值和最小值，既体现了信道响应，又体现了信噪比信息。(3)本专利技术通过最大值检测回溯方式，避免了确定门限后从滤波器输出起点开始搜索，降低了计算量；同时由于回溯范围较短，多数情况下突发噪声峰值落在回溯窗外，最大限度地避免了可能的峰值干扰，提高了TOA估计效率与精度。(4)本专利技术相比其他的TOA估计方法，具有算法简单、TOA估计准确等优点，实验证明本专利技术在室内条件下具有良好的TOA估计精度，为实现高精度定位打下了良好的基础。附图说明图1为本专利技术TOA估计方法的流程示意图。图2为LFM的匹配滤波器输出波形示意图。图3(a)为信号到达前存在突发噪声情况下的接收信号示意图。图3(b)为信号到达前存在突发噪声情况下一般匹配滤波的输出信号示意图。图3(c)为信号到达前存在突发噪声情况下归一化匹配滤波的输出信号示意图。图4为典型的接收信号匹配滤波输出信号以及各种TOA估计方法所得到的结果示意图。图5为本专利技术所使用的动态门限与匹配滤波输出最大最小值的关系示意图。图6为本专利技术基于动态门限回溯的TOA估计方法实现框图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。针对强多径环境，本专利技术提出的基于动态门限回溯方式的TOA估计方法在具体实施时，为了区分多径分量，要求信号的匹配滤波器输出具有较小的时间分辨率。而脉冲压缩信号具有良好的时间分辨率，在多径时延大于信号自相关时间的条件下，可以将多径与直达波分离。对简单波形增加频率或相位调制可以实现脉冲压缩波形，最简单的频率调制则是线性调频信号。因此，本专利技术具体针对线性调频信号(LinearFrequencyModulation，LFM)设计TOA估计算法，其具体流程如图1所示，包含如下步骤：(1)发射信号选取。本专利技术所采用的LFM信号表达式为：式中，B是时间内的最大频移，即信号带宽；T是信号持续时间，即时宽。自相关函数为：从上式可以看出，LFM期望的匹配滤波器时域输出集中在[-1/B,1/B]内，因而时间分辨率为1/B，输出幅度则与时宽带宽积(BT积)有关。根据上式绘出B＝4k(1k-5k)，T＝0.1s，LFM的匹配滤波器输出，如图2所示，当BT积足够大，其相关峰的主峰非常窄，因而具有很高的时延估计精度。在实际使用时，还需考虑信号发生器件的频率响应，在保证带宽的前提下，选择其频谱较为平坦频率区间作为LFM的扫频范围。(2)信号接收与采样。将室内空气信道视为准静态信道，令发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强多径环境下信号的到达时间估计方法，包括如下步骤：(1)由接收机对接收到的信号进行奈奎斯特采样得到数字信号，进而使所述数字信号通过带通滤波器以滤除其中的带外噪声；(2)将带通滤波后的数字信号通过归一化匹配滤波器以抑制其中的突发噪声，降低信号能量随距离衰减带来的影响；(3)对归一化匹配滤波器的输出信号Y进行检测，提取其中的信号最大值y

【技术特征摘要】
1.一种强多径环境下信号的到达时间估计方法，包括如下步骤：(1)由接收机对接收到的信号进行奈奎斯特采样得到数字信号，进而使所述数字信号通过带通滤波器以滤除其中的带外噪声；(2)将带通滤波后的数字信号通过归一化匹配滤波器以抑制其中的突发噪声，降低信号能量随距离衰减带来的影响；(3)对归一化匹配滤波器的输出信号Y进行检测，提取其中的信号最大值ymax和信号最小值ymin，并依此确定一个动态的自适应门限η；(4)从nmax-lsb时刻开始对输出信号Y逐点进行判断，直至寻找到第一个信号值超过η的采样点，该采样点对应的时刻即为估计出的信号到达时刻；其中，nmax为输出信号Y中信号最大值ymax对应的时刻，lsb为设定的回溯时长。2.根据权利要求1所述的到达时间估计方法，其特征在于：所述步骤(3)中对归一化匹配滤波器的输出信号Y进行检测，检测过程中设定一固定的门限值，当输出信号值高于该门限值，则判定输出信号Y为非噪声信号，以此开始提取输出信号Y中的信号最大值ymax和信号最小值ymin。3.根据权利要求1所述的到达时间估计方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐元欣，辜一帆，俞俊涛，向彦博，夏伊倩，毛佳，余睿，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33