一种近超声高精度的到达时间估计方法

本发明涉及近超声测距和室内定位领域，尤其涉及一种近超声高精度的到达时间估计方法。

背景技术：

1、近年来，智能手机和智能终端的普及使室内定位的需求显著增加。室内定位技术可以应用于包括商业、卫生服务、灾害管理和安全等各个行业。然而，传统的全球导航卫星系统(gnss)无法在室内环境中发挥作用。为解决这个问题，提出了各种方法和潜在技术来替代传统的gnss，例如wifi、ble(低功耗蓝牙)、zigbee、超宽带(uwb)和声学定位。然而，基于wifi指纹定位的定位需要大量的数据收集工作，这导致了测量过程的复杂化，而且兼容wifi往返时间(rtt)的接入点很少。ble依赖于接收信号强度指示(rssi)，其相对有限的信号传输距离导致成本显著增加。zigbee在大多数用户设备上不可用，因此不适用于城市规模的室内定位。uwb相对昂贵，只有少数智能手机兼容uwb信号。

2、声学信号定位可以以实惠的成本利用智能手机上的麦克风传感器实现高精度的定位。此外，由于声学测距与射频信号相似，因此可以在基于声学信号的定位中采用各种方法。声学定位方法通常利用基于时间戳的到达时间差(tdoa)。因此，准确的到达时间(本文中的到达时间指基于典型环境中声速为343m/s的到达时间估计的测距，以下简称toa)估计是确保室内声学定位的关键因素。toa估计的方法已经在过去几十年中得到广泛讨论，并且chirp信号由于其抗多径能力强、压缩性能好已经得到了广泛应用。然而，如何在复杂环境实现高精度的声chirp信号到达时间估计依然存在着挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种近超声高精度的到达时间估计方法。

2、本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种近超声高精度的到达时间估计方法，包括以下步骤：

3、(1)利用匹配滤波方法定位信号粗到达时间，获取接收信号；

4、(2)利用伪延长参考信号的方法等带宽比例延长参考信号，得到延长后的参考信号；

5、(3)利用fmcw方法将信号的每个到达径转换为频域表示，即中频信号；

6、(4)利用阈值搜索方法搜索第一个到达径，并将第一个到达径对应的频率转换为到达测距距离。

7、进一步地，所述步骤(2)中，参考信号的带宽和持续时间的比值保持一致，且最高频率不超过采样率的1/2。

8、进一步地，所述接收信号的截取位于粗到达时间的前10ms-15ms，且接收信号截取的时长为0.5s-0.65s。

9、进一步地，所述步骤(3)包括以下子步骤：

10、(3.1)将步骤(2)得到的参考信号和步骤(1)得到的接收信号相乘，得到混合多个频率信号的中频信号；

11、(3.2)对中频信号进行下采样，其中采样因子为4；

12、(3.3)对经过下采样得到的中频信号使用nuttall窗进行傅里叶变换，其中，nuttall窗为4阶5项；

13、(3.4)对经过傅里叶变换得到的中频信号的值进行补零，将中频信号长度增加至65536。

14、进一步地，所述步骤(4)具体为：找到子步骤(3.4)中经过傅里叶变换得到的中频信号对应的频谱中的最大峰值，计算最大峰值的幅值；然后在最大峰值前1.5khz-2khz的范围内搜索，找到第一个超过阈值的峰值，该峰值即第一个到达径，将该峰值的频率转换为到达测距距离；最后通过到达测距距离求得到达估计时间。

15、进一步地，所述步骤(4)中，将第一个到达径对应的频率转换为到达测距距离的转换公式为：

16、

17、式中，df为到达测距距离，τ0为粗估计时间，τa为信号截取时间点和粗估计时间的差值；为频率估计，c是声速，t是持续时间，b是信号的带宽。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过将时域信号转换为与到达时间相关的频谱图，可减少在时域上进行互相关时带来的寻峰分辨率误差；利用下采样可以降低信号计算复杂度；同时，采用第一径搜索方法和线性矫正可以有效降低多径和设备采样率不同所带来的干扰，从而进一步提高精度。该技术方案在测距距离达到16m时，能够实现高达5cm的测距精度。

技术特征：

1.一种近超声高精度的到达时间估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的近超声高精度的到达时间估计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，参考信号的带宽和持续时间的比值保持一致，且最高频率不超过采样率的1/2。

3.根据权利要求1所述的近超声高精度的到达时间估计方法，其特征在于，所述接收信号的截取位于粗到达时间的前10ms-15ms，且接收信号截取的时长为0.5s-0.65s。

4.根据权利要求1所述的近超声高精度的到达时间估计方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下子步骤：

5.根据权利要求4所述的近超声高精度的到达时间估计方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：找到子步骤(3.4)中经过傅里叶变换得到的中频信号频谱中的最大峰值，计算最大峰值的幅值；然后在最大峰值前1.5khz-2khz的范围内搜索，找到第一个超过阈值的峰值，该峰值即第一个到达径，将该峰值的频率转换为到达测距距离；最后通过到达测距距离求得到达估计时间。

6.根据权利要求1所述的近超声高精度的到达时间估计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将第一个到达径对应的频率转换为到达测距距离的转换公式为：

技术总结
本发明公开了一种近超声高精度的到达时间估计方法，该方法通过利用匹配滤波方法定位信号粗到达时间；利用FMCW方法和伪延长参考信号的方法将信号的每个到达径转换到频域；利用阈值搜索方法搜索第一个到达径对应的频率并转换为到达测距距离。本发明不依赖于传统的广义互相关计算方法，本发明通过将信号的到达时间转换成不同频率的单频信号，能够实现高精度的近超声到达时间估计，并且计算复杂度很低。

技术研发人员：王智,贾乃征,崔维蒙,刘光耀,薛灿
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16