一种基于线性调频信号的波达方向估计方法与流程

本发明属于无线传感器技术与电子通信系统领域，涉及一种基于线性调频信号的波达方向估计方法。

背景技术：

通过测量rf(射频)信号的波达角度(aoa)实现对目标的定位是rf定位系统经常采用的工作方式。近年来，随着无线网络的普及和室内定位技术的发展，基于位置的服务(locationbasedservice--lbs)受到越来越多的关注；例如在紧急救助、医疗保健、个性化信息传递等领域显示出巨大的活力。无线传感器网络节点定位的目的就是通过对接收到的无线电波进行相关参数测量，比如波达时间(toa)、波达时间差(tdoa)、波达角(aoa)或信号场强(rss)等，这些参数的观测式是关于目标位置的函数，观测站通过适当的定位算法来对信号源的位置进行估计，再根据特定算法给出各节点在平面或空间中的绝对或相对坐标。

目前比较常见定位的方案中，基于toa/tdoa的定位方案比较普遍，基于toa/aoa的定位方案也逐渐引起人们的重视，基于aoa的定位方案也有过大量的研究。因此对于rf信号aoa估计的技术也是非常重要的，随着rf技术的发展与新型测量技术的不断涌现，角度测量技术也得到不断的完善与发展，通常来讲aoa估计问题可以采用传统方法也可以采用现代方法。传统方法采用机械式旋转方向性天线来实现aoa估计，容易受到干扰，角度分辨率比较低；现代方法是采用阵列天线，这种方法能够克服传统方法的不足，但是需要大量的天线因此成本比较昂贵。

综上所述，现有的aoa估计技术存在如下缺陷：基于机械式旋转方向性天线的方法，分辨率比较低，角度估计精度不高；由于复杂环境下多径效应非常严重，使得获取的aoa存在较大的误差，无法准确获取信号的直达经时延差；基于阵列天线的方法，需要较多的天线，具有较高的成本和功耗。

技术实现要素：

为了克服现有aoa估计技术中存在估计角度精度不高、多径效应存在较大误差、天线数量较多成本较高的缺陷，本发明公开了一种基于线性调频信号的波达方向估计方法。

本发明所述一种基于线性调频信号的波达方向估计方法，由安装两根全向性天线的锚节点和安装一根天线的标签节点组成；

具体的，所述锚节点安装的两根天线之间的距离为d，锚节点具有发射线性调频lfm信号的功能，并且两根天线通过同一个振荡器控制同时发射初始频率不同、调频速率相同的lfm信号。

本发明所提出的一种基于线性调频信号的波达方向估计方法具体包括以下步骤：

步骤一：所述锚节点是安装距离为d的两根天线，发射初始频率不同、调频速率相同的lfm信号：

其中：天线a发射信号的时域波形为：

该信号的瞬时频率为：

fa(t)＝fat+βt,(2)

天线b发射信号的时域波形为：

该信号的瞬时频率为：

fb(t)＝fb+βt,(4)

其中：fa＞fb,并且

fa为天线a的初始频率，fb为天线b的初始频率,t表示时间，β表示调频速率，表示天线a的初始相位，表示天线b的初始相位；

步骤二：由于室内范围较小，认为发射信号是在近场情况下进行传播的，在los(视距)环境下，标签节点对天线接收的信号进行a/d采样，同时进行信号下变频处理，采样周期为ts、采样频率接收信号为：

srss＝||r(t)||²+w(t),(6)

其中：w(t)代表接收的白噪声，r(t)为天线的接收信号进行下变频以后的信号:

其中：p和q代表天线a和b的多径个数，τai、τbi分别代表天线a和b在第i条路径上的衰减以及时延，其中τai、τbi是天线a和b的los直达径时延(los环境下)，室内环境存在明显多径效应的时候，转入步骤五，否则转入步骤三；

步骤三：在los环境下，经过两天线到达标签节点的直达信号存在不同的时延，会产生时延差。此时，公式(7)中p＝1、q＝1，此时把式(7)代入式(6)里面，接收信号经过整理得到：

其中：

θ是信号的波达方向aoa，d是a、b天线的间距，c表示光速；

在los环境下，接收信号是具有(fa-fb-β(τa1-τb1))频率的正弦波，转入步骤八，对接收信号进行ndft变换；再转入步骤四；

步骤四：对信号进行ndft变化以后求出信号的周期得到时延差τa1-τb1，进而通过几何关系由公式(9)可求出波达方向aoa，如公式(10)所示，转入步骤九；

其中：c表示光速，d是天线a和b之间的距离。

步骤五：当存在多径效应的时候，经过两天线到达标签节点的直达信号会存在不同的时延，此时公式(7)中，p和q不同时为1，把式(7)代入式(6)里面，对接收信号进行整理得到如下表达式：

其中：τk＝τai-τbj表示天线a的第i条路径与天线b的第j条路径的时延差，π表示常数。

在多径环境下接收信号是与多径时延差τk相关的不同周期(fa-fb-βτk)信号的叠加，由于直达信号的幅度较强，对aoa估计有用的是两天线发射信号的直达路径时延差τk＝τa1-τb1，对应的信号频率是：

此时重点区域的频率范围是：(fa-fb±βd/c)，假设fa-fb＝k·fs，fs＞2βd/c，此时重点区域的频率范围是：

(k-1)fs～(k+1)fs,(13)

在这些范围内设置最多的点数，转入步骤八进行ndft变换，再转入步骤六；

步骤六：对信号进行ndft变化，判断变换后的信号峰值是否超过规定的阈值，如果未超过规定阈值，则转入步骤七，否则搜索变换后信号峰值出现的位置对应的频率作为frss的估计值，代入公式(14)可求出aoa，转入步骤九；

其中：天线的间距d＜c/2βts。

步骤七：当搜索的峰值没有超过预定的阈值，则认为当前环境下没有直达径信号，是nlos(非视距)环境，增加重点区域频率的范围，进入步骤五进行次优aoa的估计；

步骤八：对信号进行ndft变换，fft变换采样点在单位圆上是均匀分布的，故此基于fft变换的方法无法在重点区域频率出实现更小频率间隔的采样；ndft变换采样点在单位圆上是随机分布的，在重点区域频率范围设置在尽可能多的采样点、频率间隔尽可能小的ndft变化，以此来估计多径环境中首达径的时延差，ndft变换如下式所示：

其中：z0,z1,…,zn-1是单位圆上选取的任意不同n个点；式(15)写成矩阵的形式(16)，通过矩阵形式快速进行ndft变换：

s＝z^ts,(16)

其中：s＝[sndft(z0),sndft(z1),…,sndft(zn-1)]^t,(17)

s＝[srss[0],srss[1],…srss[n-1]]^t,(18)

在(k-1)fs～(k+1)fs范围内采样点数大于其他地方采样点数；

步骤九：对aoa进行卡尔曼滤波处理，消除噪声对系统造成的影响，进一步提高估计的精度，输出信号到达方向aoa。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：采用lfm信号体制，通过设置大的带宽，可以获得高的时间分辨率，从而提高了aoa估计的精度；在多径环境下，采用了非均匀离散傅里叶变换，对重点区域频率范围采样多的点，其他地方采样少的点数，通过观察频谱的精细机构来改善频率的分辨性能，更加准确的进行多径条件下的aoa估计；同时本发明具有抗多径效应、高动态性、高精度、低硬件复杂度等优势。

附图说明

此处所说明的如图用来提出本发明的进一步解释，构成本发明的一大组成部分，但是并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明提出的基于线性调频信号的波达方向估计方法硬件组成框图

图2是本发明的基于线性调频信号的波达方向估计方法发射信号(实线)与接收信号(虚线)的瞬时频率

图3是本发明的基于线性调频信号的波达方向估计方法中ndft(b图)采样点在z平面单位圆上的分布

图4是本发明的基于线性调频信号的波达方向估计方法实施流程图

具体实施方式

下面结合附图及具体实施案例对本发明进行更加详细和完整的说明，此处声明，所描述的具体实施案例仅用于对本发明的一种解释，并不是对本发明的限定。另外还需要说明，为了方便描述，附图中只显示了与本发明相关的部分并不是全部内容。

本发明设计了一种基于线性调频信号的波达方向估计方法，通过两根天线同时发射lfm信号，接收端对接收信号进行采样，通过ndft算法获取直达径传输时延差，通过对重点区域频率范围内进行重点采样，进一步的消除多径效应对系统的影响，提升了aoa估计的精度。本发明的目的是克服现有aoa估计技术在多径环境下精度不高，误差较大的缺点，设计的一种具有抗信号多径效应、高动态性、高精度、低硬件复杂度的aoa估计方法。

为了解决上述技术方面的难题，本发明采用了以下技术方案：

如附图1所示，一种基于线性调频信号的波达方向估计方法硬件组成框图，从图中可以看出，本发明由安装两根全向性天线的锚节点和安装一根天线的标签节点组成；所述锚节点安装的两根天线具有固定的间隔，具有发射线性调频信号lfm的功能，并且两根天线通过一个振荡器控制同时发射初始频率不同、调频速率相同的lfm信号；所述标签节点对天线接收的接收信号进行a/d采样，同时进行信号下变频处理，对预处理以后的数据进行ndft变换；由于室内范围较小，可以认为发射信号是在近场情况下进行传播的，如图2所示；在los环境下，经过两天线到达标签节点的直达信号会存在不同的时延，产生时延差，经过ndft变换以后可以估计出来信号的周期，根据几何关系进一步估计aoa如公式(10)所示；当存在多径效应的时候，经过两天线到达标签节点的直达信号会存在不同的时延，同时多径信号也会产生复杂的时延，因此接收信号是多种信号的叠加，由于直达信号的幅度较强，根据发射天线的距离和采样速率可以求出直达信号时延差对应的接收信号周期，对重点区域的频率点处进行较多点的ndft，如图3所示，寻找最大峰值所对应的频率，也就是直达信号的时延差，进而准确的估计信号aoa，对aoa进行滤波处理，更进一步提高估计的精度；当最大峰值没有超过预定的门限的时候，认为当前环境没有直达信号，为非视距(nlos)环境，需要扩大重点区域的频率范围，继续采用ndft变换，求出在nlos环境下的次优aoa。

进一步的，在本案例中，为了让相关领域内的技术人员了解本发明的一种基于线性调频信号的波达方向估计方法，利用线性调频脉冲信号来实现aoa估计的功能，同时还提出了该方案实施的整体流程图，如附图4所示，该方法的流程包括以下步骤：

ss1.初始化各个参数：天线a和b发射的lfm信号的初始频率fa,fb以及调频速率β，lfm信号的重复周期t和两根天线的距离d，接收信号的采样周期ts、采样频率采样点数n，使得fa-fb＝k·fs，fs＞2βd/c，判断变换后的峰值的阈值δ；

ss2.锚节点周期发射lfm信号，标签节点通过a/d模块对天线的接收信号进行采样，并且下变频操作，同时保存采样得到的原始数据；

ss3.对保存的数据进行ndft变化，对重点区域的频率范围进行重点采样，例如：(k-1)fs～(k+1)fs，通过在这些频率点处采样更多的点，通过观察频谱的精细机构来改善频率的分辨性能；

ss4.搜寻变换以后的数据的峰值并且记录峰值对映的频率点判断峰值是否超出给定的阈值：如果超出给定的阈值δ，认为在该条路径下存在直达信号，转入ss5，否则认为当前路径不存在直达信号，为非视距路径(nlos)，需要经通过相关的机制消除非视距误差，同时扩大重点区域频率范围，转入ss3，寻找当前环境下的次优aoa；

ss5.根据公式(12)frss＝fa-fb-β(τa1-τb1)，估计信号经过天线a、b以后的直达径时延差(τa1-τb1)，根据公式(14)估计出信号的波达方向aoa；

ss6.对估计的进行卡尔曼、粒子滤波等滤波处理，进一步的消除噪声对系统造成的影响，提高估计的精度。

通过上述的步骤后，在标签节点就可以实时的获得标签节点与锚节点之间的角度，实现对aoa进行高精度估计。

本发明成本低廉、能够减少多径效应造成的误差，经过多次的实际实验测量，本发明的测角精度较高，特别适用于如下场景：汽车在室内停车场行驶、行人在商场购物等定位应用中基于aoa的定位系统，都可以实现有效的测向与定位。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的方案进行修改或者是部分技术的替换，凡非用于限制本发明的专利保护范围，本发明保护范围依然以权利要求书为准；凡是采用本发明附图内容或者是说明书所做的类似结构变动，同理均应该包含在该专利的保护范围内。