基于UWB的AOA估计优化方案的研究
发布时间：2021-02-21 14:55
信号到达角度（Angel of Arrival,AOA）估计在原始接收信号的重建和位置估计方面具有重要的实用价值,在雷达、声纳、航空航天和军事侦察以及新时代智能生活等领域都有广泛的应用。未来是物联网、人工智能与机器人的时代,随动机器人可以保持对目标精准测距进而达到持续追随跟进目标的特性,可以做到大规模大批量地搬运任意物品,比如进行重物搬运以及军事跟随目标进行武器运输等,不仅减少人力物力的消耗,还可以减少在运输过程中的人身危险系数。本文对AOA估计的研究主要应用于复杂环境下近距离点对点跟随系统,鉴于超宽带（Ultra Wide Band,UWB）信号具有抗多径干扰能力强,角度分辨率高等特点,故选用UWB信号作为基础信号来实现AOA估计。本文首先概述了AOA估计的应用背景及使用UWB信号进行AOA估计的优势和相关理论基础知识,之后从窄带信号AOA估计出发,研究了超宽带信号的AOA估计方法,选用多重信号分类（Multiple Signal Classification,MUSIC）算法作为基础算法,提出了基于信号到达时间（Time of Arrival,TOA）的AOA估计方案和基于信号到达...
【文章来源】：海南大学海南省 211工程院校
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
UWB跟随系统应用Fig.1UWBfollowsthesystemapplication
海南大学硕士学位论文72AOA估计理论基础信号到达角度（AOA）估计是信号处理领域的一个重要组成部分，它在无线通信、位置服务、阵列天线、雷达探测、声呐、电子侦查等领域有着广泛的应用前景，也是实现高灵敏度两个物体之间跟随移动形态场景的一个重要环节，本章从传统的UWB定位跟随系统的AOA估计出发，介绍了阵列信号的AOA估计原理，并对本研究相关算法及UWB系统的基础知识进行了简要介绍主要内容包括：AOA估计原理简介、AOA估计算法简介、UWB信号AOA估计系统数据模型、影响AOA估计性能的因素等内容。2.1AOA估计简介2.1.1传统的AOA估计原理图2定位系统中AOA估计原理Fig.2AOAestimationprincipleinpositioningsystem使用AOA估计技术来实现点对点跟随最大的优点是所需基站比较少，在典型的跟随系统中，只需要一个发射机配合两个接收机，就可以确定发射机与接收机之间的位置方向，如图2所示，使用信号到达时差（TDOA）或到达时间（TOA）估计可以确定发射机与两个接收器的距离1d，2d再通过几何关系关系计算出信号到达角度1，2经一系列的算法优化后得到标签于物体的距离和方位信息从而实现精准跟随（Cheng-xiaoWANGetal，2018）。此方法的缺点是定位精度与两接收器之间的距离有关，且距离越大精度越高，在系统中需要将两接收器安装在同一物体上，才可以实现两物体间的跟随，此方案不利于安装在小型物体上（徐哲超等，2020）。
基于UWB的AOA估计优化方案的研究82.1.2阵列天线AOA估计信号到达角度（AOA）估计在阵列信号处理中又被称为是波达方向（DirectionofArrival，DOA）估计是一种空间谱估计，空间频谱表示各个方向的信号到达接收机时在空间中的分布情况，若能得到信号的空间谱，就可以得知信号的到达方向，故空间谱估计又称DOA估计（Beulahetal，2020）。在阵列信号AOA估计中空间谱估计和自适应波形设计是两个主要研究方向。阵列信号处理是近年来迅速发展起来的一项交叉性学科技术，AOA技术的研究在阵列信号处理中具有重要意义，尤其是多信号源到达方向、相干信号源估计、UWB信号AOA估计等方面。AOA估计在雷达、声纳、通信、地震测量、生物医学等领域具有广泛的应用前景（ShenChongetal，2019）。天线阵列模型的布置方式多种多样，由于不同的天线布置位置会影响到阵列接收信号的数学模型，且在不同的应用场景下对天线阵列模型也有着不同的要求，所以天线阵列类型也会影响阵列信号处理的方法。本研究使用阵列天线一是为了进行信号的AOA估计，其次还可以最大化减少接收机部署的个数，常见天线整列分布模型有任意型天线阵、均匀矩阵型天线阵、均匀圆型天线阵、L型天线阵、均匀直线型天线阵等。（1）任意型天线阵（ArbitraryArray）如图3所示为任意型天线阵分布图，有M个接收天线在x-y平面内任意分布，其坐标为),(mmmyxR，以坐标原点O为参考点，信号到达角度可表示为),(mm，其中为仰角，为方向角。假设受多径影响有L个信号从不同角度射入，则LM的天线流矩阵可表示为：),(...),(),(),(2211LLaaaA（2-1）第l条路径信号的实方向向量可表示为：),(),(),(02010...),(lllllMljjjlleeea（2-2）其中cyxllmllmllmsinsincossin),(表示第m个接收天线的信号
【参考文献】：
期刊论文
[1]Low-degree root-MUSIC algorithm for fast DOA estimation based on variable substitution technique[J]. Fenggang YAN,Ming JIN,Hongjuan ZHOU,Jun WANG,Shuai LIU. Science China（Information Sciences）. 2020(05)
[2]复杂环境下UWB室内定位接收信号的模拟研究[J]. 郭陆岩,庄铭杰. 现代计算机. 2020(06)
[3]一种基于TDOA、FDOA、DOA量测与粒子滤波的动目标双星跟踪方法[J]. 尤明懿,顾黎明. 通信对抗. 2017(01)
[4]基于DOA和TDOA的单站外辐射源目标跟踪IPKF方法[J]. 李晶,赵拥军,李冬海. 武汉大学学报(信息科学版). 2017(02)
[5]基于超宽带的TOA-DOA联合定位方法[J]. 杨小凤,陈铁军,黄志文,李琼. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2016(02)
[6]IR-UWB系统中基于root-MUSIC算法的TOA和DOA联合估计[J]. 王方秋,张小飞,汪飞. 通信学报. 2014(02)
[7]基于扩展卡尔曼滤波器的混合TDOA/AOA室内定位技术的研究[J]. 苏翔. 数字技术与应用. 2013(08)
[8]多入多出超宽带信道建模与仿真[J]. 左晓亚,王永生,许家栋,王顶,何帅. 系统仿真学报. 2012(08)
[9]基于TOA和DOA联合估计的UWB定位方法[J]. 丁锐,钱志鸿,王雪. 电子与信息学报. 2010(02)
硕士论文
[1]改进MUSIC算法的相干信号DOA估计研究[D]. 张洪铭.浙江海洋大学 2019
[2]基于稀疏贝叶斯的超宽带天线阵列DOA估计[D]. 冯晓敏.海南大学 2019
[3]超宽带精准实时定位系统的TDOA定位算法研究[D]. 朱振海.海南大学 2019
[4]大规模MIMO系统宽带信号DOA估计算法研究[D]. 赵婷.内蒙古大学 2019
[5]IR-UWB收发机系统的研究与实现[D]. 翟似禹.上海师范大学 2019
[6]基于UWB技术的井下定位系统接收机的研究[D]. 靳伟超.华北理工大学 2019
[7]超宽带通信系统室内密集多径信道模型识别与参数估计[D]. 谢晓娇.哈尔滨工业大学 2018
[8]基于均匀线阵的宽带信号DOA估计算法研究[D]. 张晓琳.河北科技大学 2016
[9]基于TOF测距的无线传感器网络定位技术研究[D]. 车志平.大连理工大学 2016
[10]超宽带探测室内多径传播特性的研究与分析[D]. 韩文文.成都理工大学 2016
本文编号：3044513
【文章来源】：海南大学海南省 211工程院校
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
UWB跟随系统应用Fig.1UWBfollowsthesystemapplication
海南大学硕士学位论文72AOA估计理论基础信号到达角度（AOA）估计是信号处理领域的一个重要组成部分，它在无线通信、位置服务、阵列天线、雷达探测、声呐、电子侦查等领域有着广泛的应用前景，也是实现高灵敏度两个物体之间跟随移动形态场景的一个重要环节，本章从传统的UWB定位跟随系统的AOA估计出发，介绍了阵列信号的AOA估计原理，并对本研究相关算法及UWB系统的基础知识进行了简要介绍主要内容包括：AOA估计原理简介、AOA估计算法简介、UWB信号AOA估计系统数据模型、影响AOA估计性能的因素等内容。2.1AOA估计简介2.1.1传统的AOA估计原理图2定位系统中AOA估计原理Fig.2AOAestimationprincipleinpositioningsystem使用AOA估计技术来实现点对点跟随最大的优点是所需基站比较少，在典型的跟随系统中，只需要一个发射机配合两个接收机，就可以确定发射机与接收机之间的位置方向，如图2所示，使用信号到达时差（TDOA）或到达时间（TOA）估计可以确定发射机与两个接收器的距离1d，2d再通过几何关系关系计算出信号到达角度1，2经一系列的算法优化后得到标签于物体的距离和方位信息从而实现精准跟随（Cheng-xiaoWANGetal，2018）。此方法的缺点是定位精度与两接收器之间的距离有关，且距离越大精度越高，在系统中需要将两接收器安装在同一物体上，才可以实现两物体间的跟随，此方案不利于安装在小型物体上（徐哲超等，2020）。
基于UWB的AOA估计优化方案的研究82.1.2阵列天线AOA估计信号到达角度（AOA）估计在阵列信号处理中又被称为是波达方向（DirectionofArrival，DOA）估计是一种空间谱估计，空间频谱表示各个方向的信号到达接收机时在空间中的分布情况，若能得到信号的空间谱，就可以得知信号的到达方向，故空间谱估计又称DOA估计（Beulahetal，2020）。在阵列信号AOA估计中空间谱估计和自适应波形设计是两个主要研究方向。阵列信号处理是近年来迅速发展起来的一项交叉性学科技术，AOA技术的研究在阵列信号处理中具有重要意义，尤其是多信号源到达方向、相干信号源估计、UWB信号AOA估计等方面。AOA估计在雷达、声纳、通信、地震测量、生物医学等领域具有广泛的应用前景（ShenChongetal，2019）。天线阵列模型的布置方式多种多样，由于不同的天线布置位置会影响到阵列接收信号的数学模型，且在不同的应用场景下对天线阵列模型也有着不同的要求，所以天线阵列类型也会影响阵列信号处理的方法。本研究使用阵列天线一是为了进行信号的AOA估计，其次还可以最大化减少接收机部署的个数，常见天线整列分布模型有任意型天线阵、均匀矩阵型天线阵、均匀圆型天线阵、L型天线阵、均匀直线型天线阵等。（1）任意型天线阵（ArbitraryArray）如图3所示为任意型天线阵分布图，有M个接收天线在x-y平面内任意分布，其坐标为),(mmmyxR，以坐标原点O为参考点，信号到达角度可表示为),(mm，其中为仰角，为方向角。假设受多径影响有L个信号从不同角度射入，则LM的天线流矩阵可表示为：),(...),(),(),(2211LLaaaA（2-1）第l条路径信号的实方向向量可表示为：),(),(),(02010...),(lllllMljjjlleeea（2-2）其中cyxllmllmllmsinsincossin),(表示第m个接收天线的信号
【参考文献】：
期刊论文
[1]Low-degree root-MUSIC algorithm for fast DOA estimation based on variable substitution technique[J]. Fenggang YAN,Ming JIN,Hongjuan ZHOU,Jun WANG,Shuai LIU. Science China（Information Sciences）. 2020(05)
[2]复杂环境下UWB室内定位接收信号的模拟研究[J]. 郭陆岩,庄铭杰. 现代计算机. 2020(06)
[3]一种基于TDOA、FDOA、DOA量测与粒子滤波的动目标双星跟踪方法[J]. 尤明懿,顾黎明. 通信对抗. 2017(01)
[4]基于DOA和TDOA的单站外辐射源目标跟踪IPKF方法[J]. 李晶,赵拥军,李冬海. 武汉大学学报(信息科学版). 2017(02)
[5]基于超宽带的TOA-DOA联合定位方法[J]. 杨小凤,陈铁军,黄志文,李琼. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2016(02)
[6]IR-UWB系统中基于root-MUSIC算法的TOA和DOA联合估计[J]. 王方秋,张小飞,汪飞. 通信学报. 2014(02)
[7]基于扩展卡尔曼滤波器的混合TDOA/AOA室内定位技术的研究[J]. 苏翔. 数字技术与应用. 2013(08)
[8]多入多出超宽带信道建模与仿真[J]. 左晓亚,王永生,许家栋,王顶,何帅. 系统仿真学报. 2012(08)
[9]基于TOA和DOA联合估计的UWB定位方法[J]. 丁锐,钱志鸿,王雪. 电子与信息学报. 2010(02)
硕士论文
[1]改进MUSIC算法的相干信号DOA估计研究[D]. 张洪铭.浙江海洋大学 2019
[2]基于稀疏贝叶斯的超宽带天线阵列DOA估计[D]. 冯晓敏.海南大学 2019
[3]超宽带精准实时定位系统的TDOA定位算法研究[D]. 朱振海.海南大学 2019
[4]大规模MIMO系统宽带信号DOA估计算法研究[D]. 赵婷.内蒙古大学 2019
[5]IR-UWB收发机系统的研究与实现[D]. 翟似禹.上海师范大学 2019
[6]基于UWB技术的井下定位系统接收机的研究[D]. 靳伟超.华北理工大学 2019
[7]超宽带通信系统室内密集多径信道模型识别与参数估计[D]. 谢晓娇.哈尔滨工业大学 2018
[8]基于均匀线阵的宽带信号DOA估计算法研究[D]. 张晓琳.河北科技大学 2016
[9]基于TOF测距的无线传感器网络定位技术研究[D]. 车志平.大连理工大学 2016
[10]超宽带探测室内多径传播特性的研究与分析[D]. 韩文文.成都理工大学 2016
本文编号：3044513
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