亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        隧道高分辨率無源動(dòng)目標(biāo)定位研究及其仿真實(shí)驗(yàn)

        2018-11-16 09:11:30張曉光王艷芬孫彥景
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2018年10期
        關(guān)鍵詞:零陷參數(shù)估計(jì)無源

        張曉光, 楊 悅, 王艷芬, 孫彥景

        (中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

        0 引 言

        為了培養(yǎng)社會(huì)所需求的專業(yè)人才,將新方法和新技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是高校教育關(guān)注的問題,而仿真實(shí)驗(yàn)則是驗(yàn)證新系統(tǒng)性能的一種有效手段[1-3]。精確目標(biāo)定位是隧道、礦井巷道等復(fù)雜地下環(huán)境中的人員安全和救災(zāi)施救的重要研究內(nèi)容,也是未來實(shí)現(xiàn)機(jī)器協(xié)同工作、高效無人智能生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)[4-7],主要應(yīng)用于資源調(diào)配、智能開采、井下人員安全保護(hù)、災(zāi)后及時(shí)施救等領(lǐng)域。

        在隧道/巷道定位技術(shù)方面,目前使用的定位系統(tǒng)主要采用RFID技術(shù)[6-8]。隨著WiFi、ZigBee、UWB無線通信技術(shù)的發(fā)展,相關(guān)隧道/巷道定位系統(tǒng)也在相繼研發(fā)[5,9-10]。文獻(xiàn)[5]中提出一種基于WiFi和計(jì)時(shí)誤差抑制的TOA煤礦井下定位方法,文獻(xiàn)[9]中選用ZigBee技術(shù)、數(shù)據(jù)防碰撞技術(shù)對KJ236(A)人員管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[10]中提出一種用于煤礦井下的UWB無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。以上國內(nèi)外隧道定位基本上采用的是有源定位技術(shù),隨著智能化、無人化礦山開采技術(shù)的發(fā)展,有必要開展隧道、礦井等復(fù)雜環(huán)境下的無源定位方法的研究。

        隧道中的無源定位系統(tǒng)利用發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào),接收機(jī)需要從直達(dá)波和強(qiáng)靜物回波[11-13]多徑干擾信號(hào)中檢測接收移動(dòng)目標(biāo)反射波,基于TOA/DOA估計(jì)實(shí)現(xiàn)精確的無源定位。

        在空間受限的隧道/巷道環(huán)境下,電磁波頻繁反射和散射會(huì)造成密集多徑,且多徑時(shí)延擴(kuò)展小,一般在幾十ns[14-15];同時(shí),由于機(jī)器設(shè)備較多,易形成較大的背景噪聲。相關(guān)干擾抑制目標(biāo)反射波檢測和TOA/DOA估計(jì)算法不適合直接應(yīng)用于隧道環(huán)境。因此,本文提出一種基于TOA/DOA參數(shù)估計(jì)的無源動(dòng)目標(biāo)定位方法。強(qiáng)干擾抑制算法主要基于特征值分解的零陷設(shè)計(jì)思路,從直達(dá)波和強(qiáng)靜物回波多徑干擾信號(hào)中檢測接收出移動(dòng)目標(biāo)反射波;基于天線陣列,在低信噪比條件下實(shí)現(xiàn)高分辨率、低復(fù)雜度的TOA/DOA參數(shù)估計(jì),以對抗隧道/巷道內(nèi)的ns級密集多徑和背景噪聲,對無源動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行精確定位。

        1 隧道無源定位系統(tǒng)模型

        基于TOA/DOA參數(shù)估計(jì)的無源動(dòng)目標(biāo)定位方法系統(tǒng)模型示意如圖1所示。

        該系統(tǒng)采用非合作式雙基地通信,在有效通信范圍內(nèi)由2個(gè)以上發(fā)射機(jī)和1個(gè)接收機(jī)來完成移動(dòng)目標(biāo)的無源定位,其中Ai表示發(fā)射機(jī),R表示接收機(jī),Tj表示移動(dòng)目標(biāo)。由于動(dòng)目標(biāo)T含有3個(gè)空間坐標(biāo)量,需要兩個(gè)以上發(fā)射機(jī)才可以進(jìn)行無源定位,本文使用圖2描述定位計(jì)算過程。

        圖1 基于TOA/DOA參數(shù)估計(jì)的無源動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)模型

        圖2 無源定位原理圖

        設(shè)接收機(jī)和兩臺(tái)發(fā)射機(jī)坐標(biāo)已知,分別為R(x0,y0,z0),A1(x1,y1,z1)和A2(x2,y2,z2),待求解移動(dòng)目標(biāo)位置為T(x,y,z),收發(fā)信機(jī)間距分別為a1和a2,移動(dòng)目標(biāo)與接收機(jī)距離為b,移動(dòng)目標(biāo)與兩臺(tái)發(fā)射機(jī)距離分別為c1和c2,移動(dòng)目標(biāo)反射波到達(dá)角為θ,接收機(jī)收到的直達(dá)波與移動(dòng)目標(biāo)反射波之間的時(shí)延為τi,i=1或2為發(fā)射機(jī)序號(hào),電磁波傳播速度為c。由此列出:

        (x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=b2

        (1)

        (x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=c1

        (2)

        (x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2=c2

        (3)

        設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位置已經(jīng)標(biāo)定,即a1和a2確定,Δτi和θ均有待測量估算給出,根據(jù)圖2所示的無源定位原理圖,可得:

        b+c1-a1=c△τ1

        (4)

        b+c2-a2=c△τ2

        (5)

        (6)

        由式(4)~(6)分別解得:

        c1=a1+c△τ1-b

        c2=a2+c△τ2-b

        式(1)~(3)中b、c1和c2已知,在準(zhǔn)確估計(jì)出移動(dòng)目標(biāo)反射波的TOA/DOA參數(shù)τi和θ的條件下,可以精確求解移動(dòng)目標(biāo)位置T(x,y,z)。

        2 隧道無源動(dòng)目標(biāo)定位算法

        2.1 強(qiáng)干擾抑制

        為在直達(dá)波、多徑較多且衰落嚴(yán)重的靜物多徑回波信號(hào)和噪聲中提取移動(dòng)目標(biāo)的反射波信號(hào),本文基于特征值分解的零陷設(shè)計(jì)思路,采用適合低信噪比條件下的最小范數(shù)零限設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行干擾抑制。

        設(shè)來波方向?yàn)棣萰的J個(gè)移動(dòng)目標(biāo)反射波(j=1,…,J)入射到M個(gè)陣元構(gòu)成的接收機(jī)上,對應(yīng)干擾來波方向θi有I+1個(gè)干擾信號(hào)(J+I+1

        (7)

        由式(7)構(gòu)造成矩陣:

        Z=AS+N

        (8)

        式中:A=[AθjAθi];S=[SθjSθi];Z=[z1(t),z2(t),…,zM(t)]T為M×1陣列天線數(shù)據(jù)向量;Aθj=[a(θ1),a(θ2),…a(θJ)],Aθj為θj方向的陣列響應(yīng)矩陣;a(θj)=[1, ejθj,…,ej(M-1)θj];Sθj=[s1(t),s2(t),…,sJ(t)]T;sj(t)為t時(shí)刻第j個(gè)信號(hào)的復(fù)包絡(luò);N(t)=[n1(t),n2(t),…,nM(t)]T為t時(shí)刻M×1陣列天線白噪聲向量。

        陣列天線接收信號(hào)的相關(guān)矩陣為R=ZZH,對其進(jìn)行特征值分解,得:

        R=

        (9)

        式中,UI+1(CM×(I+1)和UM-I-1∈CM×(M-I-1)分別為I+1個(gè)大特征值和M-I-1個(gè)小特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成的,在直達(dá)波、靜物回波和噪聲等干擾信號(hào)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于移動(dòng)目標(biāo)反射波信號(hào)時(shí),span(AI+1)≈span(UI+1),AI+1為I+1個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)的空間信息,有AI+1⊥UM-I-1,即UM-I-1可作為基礎(chǔ)零陷矩陣。鑒于隧道巷道內(nèi)靜物回波信號(hào)的多徑較多且衰落嚴(yán)重,為了提高移動(dòng)目標(biāo)反射波的信噪比,進(jìn)一步求解UM-I-1中具有最小范數(shù)的特征向量,重構(gòu)零陷矩陣U:

        UM-I-1=

        (10)

        設(shè)

        m=[u1,I+2,…,u1,M]

        (11)

        (12)

        U=M·mH·(m·mH)-1

        (13)

        由零陷矩陣U構(gòu)建零陷權(quán)矢量

        (14)

        2.2 RMCHS參數(shù)估計(jì)算法

        為在隧道ns級密集多徑和背景噪聲等較低信噪比條件下,高分辨率地估計(jì)TOA/DOA參數(shù)τi和θ,下面給出基于互高階譜的求根最小范數(shù)(Root Min-norm based on Cross High-order Spechre, RMCHS)算法。

        信源數(shù)為J,設(shè)波達(dá)方向?yàn)棣?,θ2,…,θJ,并以陣列的第1個(gè)陣元作為基準(zhǔn),則在兩個(gè)頻率第k次快拍的采樣值分別為:

        ξx(n)+ηx(n)

        (15)

        ξy(n)+ηy(n)

        (16)

        式中:φxk、φyk為各路徑的相位,在[0,2π]之間均勻分布;θk為兩序列間的相位關(guān)系;η1、η2為高斯噪聲;ξ1、ξ2為互不相關(guān)的噪聲,假設(shè)η1、η2和ξ1、ξ2彼此獨(dú)立。

        式(15)和(16)兩個(gè)復(fù)諧波過程的互4階累積量的一維對角切片為:

        (17)

        為了消除隧道巷道內(nèi)高斯噪聲和不相關(guān)噪聲的影響,依據(jù)式(17)建立M階互4階累積量擴(kuò)階矩陣為

        D是秩為J的M×M方陣,其特征分解為:

        (18)

        式中:

        A=[a(θ1)a(θ2) …a(θJ)]

        a(θj)= [1 ejωk+θkej2ωk+θk… ej(M-1)ωk+θk]T

        Σ=diag[λ1,λ2…λLp]

        λ1≥λ2≥…λ>0

        特征空間被分解為U=[U1U2]和V=[V1V2],其中U2對應(yīng)后M-J個(gè)零特征值,對應(yīng)噪聲子空間Snoise,為了提高分辨率,按照式(10)~(14)可以得到具有最小范數(shù)的噪聲向量Qww,依此可以建立譜峰搜索函數(shù)為:

        (19)

        P(z)能夠在真實(shí)波達(dá)方向和到達(dá)時(shí)間附近出現(xiàn)譜峰。為了縮減譜峰搜索的計(jì)算量,可以求式(19)的極點(diǎn)。令z=ej2πΔfτ,p(z)=[1,z,z2,…,zM-1]T,pT(z)=[zL-1,zL-2,…z,1],構(gòu)造求根多項(xiàng)式如下:

        (20)

        式(20)的零點(diǎn)就是TOA/DOA參數(shù)的估計(jì)值。此時(shí)零點(diǎn)滿足共軛鏡像,即有pT(z-1)=pT(z),因此RMCHS偽譜函數(shù)等價(jià)于:

        (21)

        (22)

        (23)

        2.3 定位算法過程

        綜合以上過程分析,下面給出定位算法步驟:

        (1) 獲取接收信號(hào)的空間信息矩陣,計(jì)算相關(guān)矩陣的特征值分解,給出表達(dá)式:

        (2) 求解UM-I-1中具有最小范數(shù)的特征向量,重構(gòu)零陷矩陣,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)干擾抑制:

        (3) 建立互4階累積量擴(kuò)階矩陣D,并將口進(jìn)行特征分解,解得:

        (4) 得到具有最小范數(shù)的噪聲向量,建立譜峰搜索函數(shù):

        (5) 構(gòu)造求根多項(xiàng)式,縮減譜峰搜索的計(jì)算量,成功估計(jì)出TOA/DOA參數(shù)。

        (6) 求解移動(dòng)目標(biāo)位置T(x,y,z)。以圖2所示情況為例,應(yīng)用消元法將式(1)~(3)寫成AX=B的形式,其中A、X和B分別為:

        (24)

        (25)

        (26)

        當(dāng)R(A)=R(B)=n時(shí),解得[x,y,z]T=A-1B,實(shí)現(xiàn)隧道無源移動(dòng)目標(biāo)定位。

        3 實(shí)驗(yàn)仿真

        下面分別對強(qiáng)干擾抑制、RMCHS參數(shù)估計(jì)算法,以及定位效果進(jìn)行仿真測試。

        3.1 強(qiáng)干擾抑制

        仿真參數(shù)為:工作頻率為1 GHz;采樣點(diǎn)數(shù)為1 024;干擾信號(hào),20°時(shí)為10 dB;30°時(shí)為0 dB;60°時(shí)為-10 dB?;谔卣髦捣纸鈁13]和基于本文提出的最小范數(shù)的零陷效果對比如圖3所示;改變干擾信號(hào)的信噪比為10、-10、-20 dB之后,零陷效果對比如圖4所示。

        圖3 干擾信號(hào)為10、0、-10 dB時(shí)的零陷效果

        由圖3~4可以看出,在干擾信號(hào)信噪比較高時(shí),兩種零陷設(shè)計(jì)對干擾信號(hào)都有很好的抑制作用;但當(dāng)干擾信號(hào)信噪比較低時(shí),基于特征值分解的零陷設(shè)計(jì)失效,本文提出的零限設(shè)計(jì)仍然有效,能夠適應(yīng)低信噪比的隧道環(huán)境。

        圖4 干擾信號(hào)為10、-10、-20 dB時(shí)的零陷效果

        3.2 RMCHS參數(shù)估計(jì)

        TOA/DOA參數(shù)估計(jì)算法中,到達(dá)角與時(shí)延測試均采用估計(jì)坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的對比圖來完成;定位測試由估計(jì)坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的絕對誤差、和標(biāo)準(zhǔn)差來體現(xiàn)定位效果,其中標(biāo)準(zhǔn)差定義為:

        (27)

        式中:xi為第i次所測估計(jì)坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的絕對誤差;μ為N次所得絕對誤差的平均值。這個(gè)值越小,表明估計(jì)坐標(biāo)在真實(shí)坐標(biāo)附近,說明實(shí)現(xiàn)算法效果越好。

        (1) DOA參數(shù)相關(guān)估計(jì)算法。仿真中設(shè)置工作頻率為1GHz,3個(gè)待估信號(hào)入射方向分別為20°、30°和60°,信噪比在0 dB和-10 dB時(shí)運(yùn)用Music及Min-norm算法分別進(jìn)行仿真測試,DOA估計(jì)效果對比如圖5~6所示。

        圖5 0 dB時(shí)DOA估計(jì)效果對比

        圖6 -10 dB時(shí)DOA估計(jì)效果對比

        由圖5~6仿真結(jié)果看出:當(dāng)信噪比在0 dB以上時(shí),兩種算法均有效;而當(dāng)信噪比降到-10 dB時(shí),Music算法基本失效,Min-norm算法仍可較準(zhǔn)確地估計(jì)出到達(dá)角的信息。

        (2) TOA參數(shù)相關(guān)估計(jì)算法。仿真中設(shè)置信噪比SNR=0 dB,收發(fā)天線相距300 m,直達(dá)路徑到達(dá)時(shí)刻τ1=1 μs,另兩條路徑到達(dá)時(shí)間分別為τ2=1.4 μs,τ3=1.8 μs。樣本數(shù)N=50,多徑數(shù)為3條,工作頻率為1 GHz,采用滑動(dòng)相關(guān)和互4階累積量的時(shí)延估計(jì)效果如圖7所示。

        圖7 0 dB時(shí)TOA估計(jì)效果對比

        由圖7可以看到當(dāng)信噪比為0 dB時(shí),滑動(dòng)相關(guān)算法失效,互4階累積量算法比較適應(yīng)噪聲環(huán)境,可以準(zhǔn)確估計(jì)出多徑時(shí)延。

        仿真中設(shè)置4個(gè)待估信號(hào),信號(hào)到達(dá)時(shí)間分別設(shè)為τ1=1 μs,τ2=1.025 μs,τ3=1.07 μs和τ4=1.125 μs。其他參數(shù)保持不變,采用互4階累積量和Min-norm算法的時(shí)延估計(jì)效果對比如圖8所示;當(dāng)信噪比均降到0dB時(shí)Min-norm算法時(shí)延估計(jì)效果如圖9所示。

        圖8 10 dB時(shí)TOA估計(jì)效果對比

        由圖8看出信噪比為10 dB時(shí),多徑時(shí)延較小且較密集時(shí),互4階累積量失效,Min-norm算法可以準(zhǔn)確估計(jì)出4條多徑信號(hào)。由圖9看出信噪比降為0 dB時(shí),Min-norm算法也失效。

        圖9 0 dB時(shí)Min-norm TOA估計(jì)效果

        以上仿真結(jié)果說明,這幾種地面開放空間的算法,無法滿足隧道ns級密集多徑和大背景噪聲的需求。

        (3) 基于RMCHS算法的TOA/DOA參數(shù)估計(jì)。設(shè)有4條待估計(jì)ns級多徑,到達(dá)時(shí)間分別為τ1=1 μs、τ2=1.025 μs、τ3=1.07 μs和τ4=1.125 μs,入射角分別為10°、20°、30°和40°;信噪比為-10 dB。利用本文所提的RMCHS算法進(jìn)行了3次TOA/DOA估計(jì)測試,仿真結(jié)果如表1、2所示。由表1、2可見,在信噪比較低的條件下使用RMCHS算法,到達(dá)角估計(jì)的最大誤差為2.42°,時(shí)延估計(jì)的最大誤差為2 000 s,說明本文提出的RMCHS算法適應(yīng)ns級密集多徑、背景噪聲大的隧道/巷道等復(fù)雜環(huán)境。

        3.3 定位效果

        性能測試中設(shè)置隧道長度為258 m、寬度為3.43 m,高度為2.6 m,兩個(gè)發(fā)射機(jī)分別位于A1(5 m,1 m,1.5 m)、A2(5 m,2 m,1.5 m),目標(biāo)位于T(50 m,1 m,1.5 m)。實(shí)驗(yàn)仿真3次,得出估計(jì)坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的絕對誤差和標(biāo)準(zhǔn)差,最終以平均結(jié)果作為衡量算法性能的指標(biāo)。

        表1 基于RMCHS算法的DOA估計(jì)結(jié)果

        表2 基于RMCHS算法的TOA估計(jì)結(jié)果

        由表3結(jié)果看出,當(dāng)信噪比由大到小變化時(shí),由于TOA/DOA參數(shù)估計(jì)的誤差越來越大,4種方法的定位精度開始下降,標(biāo)準(zhǔn)差也隨之增加。但很明顯,在隧道環(huán)境下利用本文提出的隧道無源移動(dòng)目標(biāo)定位算法具有很強(qiáng)的頑健性,大大減小了噪聲和ns級密集多徑對算法性能的影響,在定位測試中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

        4 結(jié) 語

        本文提出隧道高分辨率無源動(dòng)目標(biāo)定位方法,在定位測試中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。具體包括:

        (1) 強(qiáng)干擾抑制算法簡單、較對比算法有更高的檢測靈敏度,更適合隧道/巷道無線通信多徑密集衰落嚴(yán)重的特點(diǎn)。

        表3 隧道復(fù)雜環(huán)境下的無源動(dòng)目標(biāo)定位方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        (2) 提出RMCHS算法用于隧道/巷道復(fù)雜環(huán)境下的TOA/DOA參數(shù)估計(jì),仿真表明在隧道環(huán)境下該算法具有很強(qiáng)的頑健性,大大減小了噪聲和ns級密集多徑對算法性能的影響。

        猜你喜歡
        零陷參數(shù)估計(jì)無源
        幾種發(fā)射波束零陷展寬算法仿真分析
        科技視界(2022年26期)2023-01-16 03:50:36
        基于新型DFrFT的LFM信號(hào)參數(shù)估計(jì)算法
        一種三相無源逆變電源供電方案設(shè)計(jì)
        電子制作(2019年12期)2019-07-16 08:45:14
        基于PCH模型的航天器姿態(tài)無源控制
        Logistic回歸模型的幾乎無偏兩參數(shù)估計(jì)
        基于向前方程的平穩(wěn)分布參數(shù)估計(jì)
        無源互調(diào)干擾對TD-LTE系統(tǒng)的影響研究
        基于競爭失效數(shù)據(jù)的Lindley分布參數(shù)估計(jì)
        新型無源無損軟開關(guān)Cuk變換器的研制
        一種基于MSNR準(zhǔn)則的零陷控制方法
        欧美精品一区二区蜜臀亚洲| 成人国产一区二区三区av| 亚洲国产精品不卡av在线| 97人人模人人爽人人少妇| 日本一区二区三区高清千人斩 | chinese国产在线视频| 久久熟女精品—区二区蜜臀| 蜜桃一区二区三区视频网址| 超级碰碰色偷偷免费视频| 国产精品片211在线观看| 最大色网男人的av天堂| 中文字幕中文字幕在线中二区| 777米奇色8888狠狠俺去啦| 久久99国产亚洲高清观看韩国| 日韩有码中文字幕第一页| 日韩精品在线一二三四区| 国产精品18久久久| 欧美日韩亚洲国产千人斩| 日本在线免费一区二区三区| 99久久免费视频色老| 麻豆精品传媒一二三区| 自拍亚洲一区欧美另类| 亚洲精品一区二区三区四区| 呦系列视频一区二区三区| 成年女人毛片免费视频| 加勒比精品一区二区三区| 亚洲一区二区三区高清在线观看| 一本色道久久综合无码人妻| 日本午夜福利| 国产精品一区又黄又粗又猛又爽| 18禁在线永久免费观看| 日韩电影一区二区三区| 国产美女精品AⅤ在线老女人| 亚洲免费女女在线视频网站| 永久黄网站免费视频性色| 99精品一区二区三区免费视频| 国产精品亚洲av一区二区三区| av无码小缝喷白浆在线观看| 激情欧美日韩一区二区| av网站入口在线免费观看| 免费在线观看av不卡网站|