基于回波相干效应的精确定位方法

1.一种基于回波相干效应的精确定位方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
（1）设计一种自相关特性良好的检测波形，并将检测波形分别植入井下人员定位系统的识别传感器和识别卡中；
（2）由识别传感器周期性地对井下人员携带的识别卡发出呼叫信号，识别卡收到呼叫信号后，对识别传感器发出包含有有用信息和检测波形的回波信号；
（3）识别传感器收到的回波信号一方面进入识别传感器的主控单片机进行处理，由主控单片机提取回波信号中的有用信息；另一方面经识别传感器的高频芯片解调后串行输入到相干接收器，由相干接收器不断移位地接收回波信号，当回波信号移位到特定的往返时延τ时，回波信号中的检测波形与相干接收器中植入的检测波形完全重合，相干接收器有峰值输出；
（4）根据往返时延τ计算出识别传感器与识别卡之间的距离L，由此实现井下人员的精确定位；
所述步骤（3）中，往返时延τ由两部分组成：一部分是识别传感器的呼叫信号到达识别卡加上识别卡的回波信号到达识别传感器所需的电波传输时间；另一部分是为了防止各个识别卡同时应答发生碰撞而有意加入的延时t0；
所述延时t0的具体算法如下：识别传感器发出的呼叫信号中包含一个整数Q，各个识Q
别卡在0~2-1之间各自取一个随机数N，并且等待延时t0后再发出回波信号；各个识别卡每次发出的回波信号中均包含本次应答所取的随机数N；整数Q由人为设定；所述延时t0的计算公式如下：t0=N*T；式中：T为识别卡发出的回波信号的持续时间，为已知常数；所述识
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别传感器与识别卡之间的距离L的计算公式如下：L=（τ-t0）×C÷2；式中：C=3×10 米/秒，为电磁波速。
2.根据权利要求1所述的基于回波相干效应的精确定位方法，其特征在于：所述检测波形为1bit量化的线性调频波。
3.一种实施如权利要求1所述的基于回波相干效应的精确定位方法的相干接收器，其特征在于：包括同或运算器；同或运算器的两个输入端分别连接移位寄存器和检测波形寄存器，同或运算器的输出端连接有硬件加法器，硬件加法器的输出端连接有峰值检波器，峰值检波器的输出端连接有延时锁存器，延时锁存器的输入端连接有延时计数器，延时计数器的输入端连接有移位时钟。

基于回波相干效应的精确定位方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及移动目标定位技术，具体是一种基于回波相干效应的精确定位方法。\n背景技术\n[0002] 井下人员定位系统目前已经在众多煤矿企业得到应用。然而目前的定位系统只是粗略的分区定位，而不具有精确定位功能，即系统只能根据哪一个识别传感器收到识别卡的回波信号来判定持卡人当前处于该识别传感器的有效接收范围内，而无法确定持卡人在该区域内的具体位置。识别传感器的作用半径通常都超过100米，并且还在不断增长中，因此目前这种分区定位方法存在着很大的模糊度。井下人员定位系统的最终目标是要达到无盲区的全覆盖，为此各种定位系统都在努力提高识别传感器的作用距离，例如采用泄漏电缆，感应通信等。但随着作用距离的增长，定位的模糊度也会随之加大。为减小定位模糊度，提高定位精度，通常采用的方法是增加识别传感器的密度，但是这种方法必然要以增加设备数量、提高系统造价为代价。基于上述分析，有必要发明一种全新的井下人员定位技术，以解决在不增加设备数量的前提下显著提高定位精度的问题。\n发明内容\n[0003] 本发明为了解决现有井下人员定位技术定位模糊度大的问题，提供了一种基于回波相干效应的精确定位方法。\n[0004] 本发明是采用如下技术方案实现的：基于回波相干效应的精确定位方法，该方法是采用如下步骤实现的：（1）设计一种自相关特性良好的检测波形，并将检测波形分别植入井下人员定位系统的识别传感器和识别卡；（2）由识别传感器周期性地对井下人员携带的识别卡发出呼叫信号，识别卡收到呼叫信号后，对识别传感器发出包含有有用信息和检测波形的回波信号；（3）识别传感器收到的回波信号一方面进入识别传感器的主控单片机进行处理，由主控单片机提取回波信号中的有用信息；另一方面经识别传感器的高频芯片解调后串行输入到相干接收器，由相干接收器不断移位地接收回波信号，当回波信号移位到特定的往返时延τ时，回波信号中的检测波形与相干接收器中植入的检测波形完全重合，相干接收器有峰值输出；（4）根据往返时延τ计算出识别传感器与识别卡之间的距离L，由此实现井下人员的精确定位。\n[0005] 所述检测波形为1bit量化的线性调频波，如图1所示。\n[0006] 所述步骤（3）中，往返时延τ由两部分组成：一部分是识别传感器的呼叫信号到达识别卡加上识别卡的回波信号到达识别传感器所需的电波传输时间；另一部分是为了防止各个识别卡同时应答发生碰撞而有意加入的延时t0。\n[0007] 所述延时t0的具体算法如下：识别传感器发出的呼叫信号中包含一个整数Q，各Q\n个识别卡在0~2-1之间各自取一个随机数N，并且等待延时t0后再发出回波信号；各个识别卡每次发出的回波信号中均包含本次应答所取的随机数N；整数Q由人为设定；所述延时t0的计算公式如下：t0=N*T；式中：T为识别卡发出的回波信号的持续时间，为已知常数；所\n8\n述识别传感器与识别卡之间的距离L的计算公式如下：L=（τ-t0）×C÷2；式中：C=3×10米/秒，为电磁波速。\n[0008] 与现有井下人员定位技术相比，本发明所述的基于回波相干效应的精确定位方法基于回波测距原理，实现了井下人员与识别传感器之间的精确测距。在煤矿井下巷道环境下，人员只能在一维空间中活动，并且识别传感器的位置是固定且已知的，因此，实现井下人员与识别传感器之间的精确测距便实现了井下人员的精确定位。由此，本发明所述的基于回波相干效应的精确定位方法显著提高了定位精度，减小了定位模糊度。\n[0009] 本发明基于回波测距原理，有效解决了现有井下人员定位技术定位模糊度大的问题，适用于煤矿井下的人员定位。\n附图说明\n[0010] 图1是本发明的检测波形的示意图。\n[0011] 图2是本发明的相干接收器的结构示意图。\n[0012] 图3是本发明的相干接收器的工作原理图。\n[0013] 图4是本发明的相干接收器的输出波形示意图。\n具体实施方式\n[0014] 基于回波相干效应的精确定位方法，该方法是采用如下步骤实现的：\n[0015] （1）设计一种自相关特性良好的检测波形，并将检测波形分别植入井下人员定位系统的识别传感器和识别卡；\n[0016] （2）由识别传感器周期性地对井下人员携带的识别卡发出呼叫信号，识别卡收到呼叫信号后，对识别传感器发出包含有有用信息和检测波形的回波信号；\n[0017] （3）识别传感器收到的回波信号一方面进入识别传感器的主控单片机进行处理，由主控单片机提取回波信号中的有用信息；另一方面经识别传感器的高频芯片解调后串行输入到相干接收器，由相干接收器不断移位地接收回波信号，当回波信号移位到特定的往返时延τ时，回波信号中的检测波形与相干接收器中植入的检测波形完全重合，相干接收器有峰值输出；\n[0018] （4）根据往返时延τ计算出识别传感器与识别卡之间的距离L，由此实现井下人员的精确定位。\n[0019] 所述检测波形为1bit量化的线性调频波。\n[0020] 所述步骤（3）中，往返时延τ由两部分组成：一部分是识别传感器的呼叫信号到达识别卡加上识别卡的回波信号到达识别传感器所需的电波传输时间；另一部分是为了防止各个识别卡同时应答发生碰撞而有意加入的延时t0。\n[0021] 所述延时t0的具体算法如下：识别传感器发出的呼叫信号中包含一个整数Q，各Q\n个识别卡在0~2-1之间各自取一个随机数N，并且等待延时t0后再发出回波信号；各个识别卡每次发出的回波信号中均包含本次应答所取的随机数N；整数Q由人为设定；所述延时t0的计算公式如下：t0=N*T；式中：T为识别卡发出的回波信号的持续时间，为已知常数；所\n8\n述识别传感器与识别卡之间的距离L的计算公式如下：L=（τ-t0）×C÷2；式中：C=3×10米/秒，为电磁波速。\n[0022] 所述相干接收器包括同或运算器；同或运算器的两个输入端分别连接移位寄存器和检测波形寄存器，同或运算器的输出端连接有硬件加法器，硬件加法器的输出端连接有峰值检波器，峰值检波器的输出端连接有延时锁存器，延时锁存器的输入端连接有延时计数器，延时计数器的输入端连接有移位时钟，如图2所示。\n[0023] 相干接收器可以用通用EPLD器件烧制，其具体工作过程如下：移位寄存器的输入端连接识别传感器的高频芯片，用于接收来自识别卡的回波信号。检测波形寄存器存放植入相干接收器的检测波形。延时锁存器的输出端和延时计数器的“清零”控制端分别连接识别传感器的主控单片机。移位寄存器每个时钟周期进行1次移位操作，同时与检测波形寄存器的对应存储单元逐点进行“同或”操作，各点的“同或”结果通过同或运算器输出端并行输入到硬件加法器，得到二进制数形式的瞬时累加和输出值。该输出值进入峰值检波器，该峰值检波器是一个硬件比较器，当累加和输出值超过预先存储的阈值时，则将延时计数器中的当前计数值τ推入延时锁存器进行锁存，等待识别传感器的主控单片机来读取。\n当回波信号移位到特定的往返时延τ时，回波信号中的检测波形与相干接收器中植入的检测波形完全重合，回波信号中的检测波形与相干接收器中植入的检测波形逐点“同或”后的累加和输出最大。换言之，当接在相干接收器输出端的峰值检波器检测到最大输出时，此时相干接收器的移位值即为回波信号的往返时延τ，如图4所示。\n[0024] 相干接收器完全以硬件方式独立工作，其工作过程不占用主控单片机的时间，与主控单片机对回波信号的处理并行进行。当主控单片机检测到一个识别卡的回波信号时，立即读取延时锁存器，此时延时锁存器中存放的便是最近一个回波信号的往返时延τ。\n[0025] 相干接收器在检测到1个回波信号之后继续检测后续信号，再次检测到回波信号时，将下一个回波信号的往返时延τ推入延时锁存器，覆盖上一个计数值，亦即：相干接收器在一个呼叫周期中可以连续检测多个回波信号（对应于多个识别卡），直到本次呼叫周期结束。\n[0026] 主控单片机在发起一个新的呼叫周期时对延时计数器清零。\n[0027] 相干接收器的移位频率f0决定了系统分辨率，亦即定位精度。具体计算公式如下：\n[0028] Δ= C÷f0；式中：Δ为定位误差；C=3×108米/秒，为电磁波速。\n[0029] 通过上述公式可知，相干接收器的移位频率f0越高，则定位精度越高。但是移位频率f0的提高受到电子器件速度和电路稳定性的限制。通常，采用当前普通电子器件，移位频率f0可以做到100MHZ，对应的定位误差不大于3米；采用高速器件，移位频率f0可以做到300MHZ，对应的定位误差不大于1米。\n[0030] 在本发明中，检测波形的设计非常重要。理想的检测波形不仅应当具有良好的自相关性，而且应当算法简单，容易生成，这样在识别卡发出回波信号时可以通过软件算法实时加入检测波形，而不需要在识别卡中增加额外的硬件电路，从而大大降低系统造价。本发明提出的1bit量化的线性调频波即是一种接近理想的波形。