在多径以及其它信号噪声干扰环境下的信号强度室内测距方法

摘要

本发明公开了在多径以及其它信号噪声干扰环境下的信号强度室内测距方法，其包括如下步骤：（1）首先布置一个测距节点，再布置一个目标节点；由目标节点向测距节点发射电磁波，并由测距节点接受该电磁波；（2）在测距节点，利用在不同信道上面测量的信号强度来建立电磁波接收模型；（3）利用建立完成的一条直射路径和多条反射路径完成接收端电磁场叠加模型；（4）利用离散傅立叶变换DFT原理，对电磁场叠加模型进行求解，得到直射距离，反射系数和反射距离。本发明既能保证测距准确，而且硬件代价不高可以适用于很多的应用场景。

主权项

在多径以及其它信号噪声干扰环境下的信号强度室内测距方法，其特征在于，所述测距方法包括如下步骤：(1)首先布置一个测距节点，再布置一个目标节点；由目标节点向测距节点发射电磁波，并由测距节点接受该电磁波；(2)在测距节点，利用在不同信道上面测量的信号强度来建立电磁波接收模型；该电磁波接收模型如下：$M_{LoS}\left(t\right)=\frac{\sqrt{S_t{W}_t{W}_r}}{\sqrt{4\pi }d}sin(\frac{2\pi c}{\lambda }t+2\pi \frac{d}{\lambda })---\left(1\right)$其中，S_t是发送功率，W_t是发送天线增益，W_r是接受天线增益，λ是电磁波的波长，d为传输路径；接收端接受的功率与信号的波长成正比，与传输路径长度成反比；(3)在电磁波非直射或者折射的电磁波传输路径中时，将公式(1)改变为公式(2)，在公式(2)中，d仍为传输路径，而L为反射系数；$M_{NLoS}\left(t\right)=L\frac{\sqrt{S_t{W}_t{W}_r}}{\sqrt{4\pi }d}sin(\frac{2\pi c}{\lambda }t+2\pi \frac{d}{\lambda })---\left(2\right)$由此由直射路径和反射路径的信号开始叠加形成接收端电磁场叠加模型；(4)利用离散傅立叶变换DFT原理，对电磁场叠加模型进行求解，得到直射距离，反射系数和反射距离：当仅有1条反射路径d₂的时候，由公式(1)和公式(2)确定接受信号强度公式(3)：$\begin{array}{c}s\left(\lambda \right)={\mathrm{C\lambda }}^2\underset{t=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{\left(M_1\right(t)+M_2(t\left)\right)}^2}{N}\\ ={\mathrm{C\lambda }}^2\left(\frac{1}{2{d_1}^2}+\frac{{L_2}^2}{2{d_2}^2}+\frac{L_2}{d_1{d}_2}\cos \left(\frac{d_1-d_2}{\lambda }\right)\right)\end{array}---\left(3\right)$其中C＝发射功率×发射增益×接受增益；对s(λ)做离散傅立叶变换得：$Q\left(k\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{\hat{s}}_n}{{{\mathrm{C\lambda }}_n}^2}·e^{-i2\pi \frac{k}{N}n},k=1,...,N---\left(4\right)$接着通过傅立叶变换后的非0谐波系数Q(0),Q₁，来求解d₁，d₂，L₂$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{2{d_1}^2}+\frac{{L_2}^2}{2{d_2}^2}=Q\left(0\right)\\ \frac{L_2}{d_1{d}_2}=Q_1\\ d_2-d_1=\underset{k}{\arg }\left(Q_1\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$由于Q(0),Q₁，都是傅立叶变换后导出的系数，这样就可以通过这些系数解得d₁，d₂和L₂；如果有3条反射路径，由公式(1)和公式(2)确定接受信号强度公式为：$\begin{array}{c}s\left(\lambda \right)={\mathrm{C\lambda }}^2\underset{t=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{\left(M_1\left(t\right)+M_2\left(t\right)+M_3\left(t\right)\right)}^2}{N}\\ ={\mathrm{C\lambda }}^2(\frac{1}{2{d_1}^2}+\frac{{L_2}^2}{2{d_2}^2}+\frac{{L_3}^2}{2{d_3}^2}+\frac{L_2}{d_1{d}_2}\cos \left(\frac{d_1-d_2}{\lambda }\right)\\ +\frac{L_3}{d_1{d}_3}\cos \left(\frac{d_1-d_3}{\lambda }\right)+\frac{L_2{L}_3}{d_2{d}_3}\cos \left(\frac{d_2-d_3}{\lambda }\right)\end{array}---\left(6\right)$通过找出第一大，第二大和第三大的反射系数Q₁，Q₂，和Q₃，其中$Q_1=\frac{L_2}{d_1{d}_2},Q_2=\frac{L_3}{d_1{d}_3},Q_3=\frac{L_2{L}_3}{d_2{d}_3}---\left(7\right)$由此发射端与接受端之间的最短直线距离d₁被解出；$d_1=\sqrt{Q_3/Q_1·Q_2}---\left(8\right)$如果一共有M个反射路径，那么由公式(1)和(2)确定接受信号强度公式为：$s\left(\lambda \right)={\mathrm{C\lambda }}^2(\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{L_m}{2{d_m}^2}+\underset{m\ne m^{,}}{\Sigma }\frac{L_m{L}_{m^{,}}}{d_m{d}_{m^{,}}}cos(\frac{d_m-{d_m}^{\prime }}{\lambda }\left)\right)---\left(9\right)$和$Q\left(0\right)={\Sigma }_{m=1}^M\frac{{\Gamma }_m}{2{d_m}^2},Q_1=\frac{L_2}{d_1{d}_2},Q_2=\frac{L_3}{d_1{d}_3},Q_3=\frac{L_2{L}_3}{d_2{d}_3},Q(d_m-d_{m^{,}})=\frac{L_m{L}_{m^{,}}}{d_m{d}_{m^{,}}}---\left(10\right)$由此确定发射端与接受端之间的最短直线距离d₁：$\begin{array}{c}{d}_1=1/\sqrt{2Q\left(0\right)-{\Sigma }_{m=2}^M\frac{{L_m}^2}{{d_m}^2}}\\ \approx 1/\sqrt{2Q\left(0\right)-{\Sigma }_{m=2}^{M}Q{\left(d_m-d_1\right)}^2/2Q\left(0\right)}\end{array}---\left(12\right)$最终求解出直射距离d₁。