CN103491626B - 到达时间的估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种到达时间的估计方法及装置，属于定位技术领域。所述方法包括：对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值；根据所述一组能量积分值确定直达单径DP所在位置；根据所述DP所在位置得到所述DP的到达时间的估计值。所述装置包括：处理模块、确定模块和估计模块。本发明通过对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，可增大DP所在位置的能量值，更准确地检测到DP的位置，提高估计出的到达时间的精度；且减少了匹配滤波的支路，因而可在无需信道先验知识条件下，降低估计到达时间的复杂度，并且在各种UWB信道模型下均具有很好的性能。

Description

到达时间的估计方法及装置

技术领域

本发明涉及定位技术领域，特别涉及一种到达时间的估计方法及装置。

背景技术

随着定位应用范围的不断扩大，WSN(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)定位系统的应用前景越来越广。作为适用于WSN物理层技术的UWB（Ultra Wideband，超宽带）传输技术，由于其具有带宽高，持续时间短等特点，因而能够满足WSN的定位需求。在基于UWB的WSN中实现定位时，网络中的发射端会向接收端发射测距信号，定位装置估计出接收端接收到的测距信号中的DP（Direct Path，直达单径）的TOA（Time of Arrival，到达时间）后，即可根据TOA得到测距信号从发射端到接收端的传播时间，并以此进行定位。

其中，现有技术在估计DP的TOA时，采用了两步TOA估计法，其具体实现时，先对接收到的信号进行平方，输出信号能量，并对信号能量进行积分和低速率采样，得到低速率的能量采样序列，对低速率的能量采样序列进行能量叠加，再从中粗略估计出DP所在的能量块，之后采用高采样速率、高精度的匹配滤波技术在粗略估计出的DP所属能量块范围内估计出DP的精确位置，根据DP的精确位置估计TOA。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

由于现有的到达时间的估计方式需要粗略估计和精确估计两个过程，且精确估计过程中利用匹配滤波技术对DP进行精确估计时需要运用先验知识，进一步增加了复杂度。

发明内容

为了在不需要先验知识，保证估计精度的前提下，降低估计到达时间的复杂度，本发明实施例提供了一种到达时间的估计方法及装置。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种到达时间的估计方法，所述方法包括：

对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值；

根据所述一组能量积分值确定直达单径DP所在位置；

根据所述DP所在位置得到所述DP的到达时间的估计值。

其中，所述对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值，具体包括：

以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

将所述多帧长度的采样数据序列进行叠加，得到一帧长度的叠加采样数据序列；

将所述一帧长度的叠加采样数据序列中的每个叠加采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对所述一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值。

可选地，所述对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值，具体包括：

以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

将每帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到多帧长度的信号能量序列；

以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对每帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到多组能量积分值；

将所述多组能量积分值进行叠加，得到叠加后的一组能量积分值。

可选地，所述对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值，具体包括：

将接收到的多帧信号进行叠加，得到一帧叠加信号；

以预设采样率对所述一帧叠加信号进行采样，得到一帧长度的采样数据序列；

对所述一帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对所述一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值。

进一步地，所述预设滑动步长小于所述积分窗口的预设长度。

进一步地，所述根据所述一组能量积分值确定直达单径DP所在位置，具体包括：

在所述一组能量积分值中确定最大能量积分值，并将所述DP所在位置确定在得到所述最大能量积分值的积分窗口所对应的滑动步长范围内。

进一步地，所述根据所述DP所在位置得到所述DP的到达时间的估计值，具体包括：

确定得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号，并根据得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号、所述预设滑动步长以及所述预设采样率得到所述DP的到达时间的估计值。

进一步地，所述根据得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号、所述预设滑动步长以及所述预设采样率得到所述DP的到达时间的估计值，具体为：

通过公式得到所述DP的到达时间的估计值Δt_DP；

其中，所述k为得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号，所述S为所述预设滑动步长，所述SR为所述预设采样率。

另一方面，还提供了一种到达时间的估计装置，所述装置包括：

处理模块，用于对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值；

确定模块，用于根据所述处理模块得到的一组能量积分值确定直达单径DP所在位置；

估计模块，用于根据所述确定模块确定的DP所在位置得到所述DP的到达时间的估计值。

其中，所述处理模块，具体包括：

第一采样单元，用于以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

第一叠加单元，用于将所述第一采样单元得到的多帧长度的采样数据序列进行叠加，得到一帧长度的叠加采样数据序列；

第一平方单元，用于将所述第一叠加单元得到的一帧长度的叠加采样数据序列中的每个叠加采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

第一积分单元，用于以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对所述第一平方单元得到的一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值。

可选地，所述处理模块，具体包括：

第二采样单元，用于以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

第二平方单元，用于将所述第二采样单元得到的每帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到多帧长度的信号能量序列；

第二积分单元，用于以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对所述第二平方单元得到的每帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到多组能量积分值；

第二叠加单元，用于将所述第二积分单元得到的多组能量积分值进行叠加，得到叠加后的一组能量积分值。

可选地，所述处理模块，具体包括：

第三叠加单元，用于将接收到的多帧信号进行叠加，得到一帧叠加信号；

第三采样单元，用于以预设采样率对所述第三叠加单元得到的一帧叠加信号进行采样，得到一帧长度的采样数据序列；

第三平方单元，用于对所述第三采样单元得到的一帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

第三积分单元，用于以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对所述第三平方单元得到的一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值。

进一步地，所述确定模块，具体用于在所述一组能量积分值中确定最大能量积分值，并将所述DP所在位置确定在得到所述最大能量积分值的积分窗口所对应的滑动步长范围内。

进一步地，所述估计模块，具体包括：

确定单元，用于确定得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号；

估计单元，用于根据所述确定单元确定的得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号、所述预设滑动步长以及所述预设采样率确定所述DP的到达时间的估计值。

进一步地，所述估计单元，具体用于通过公式确定所述DP的到达时间的估计值Δt_DP；

其中，所述k为得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号，所述S为所述预设滑动步长，所述SR为所述预设采样率。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，从而可以增大DP所在位置的能量值，进而可更加准确地检测到DP的位置，提高估计出的到达时间的精度；另外，由于无需匹配滤波的支路，因而可在无需信道先验知识条件下，降低估计到达时间的复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种到达时间的估计方法流程图；

图2是本发明另一实施例提供的一种发射端发射的测距信号的时域波形示意图；

图3是本发明另一实施例提供的一种接收端接收到的测距信号的时域波形示意图；

图4是本发明另一实施例提供的一种到达时间的估计方法流程图；

图5是本发明另一实施例提供的一种多帧采样数据序列示意图；

图6是本发明另一实施例提供的一种多帧采样数据序列进行叠加的过程示意图；

图7是本发明另一实施例提供的一种对叠加采样数据进行平方的示意图；

图8是本发明另一实施例提供的一种对信号能量进行积分的示意图；

图9是本发明另一实施例提供的一种定位DP所在位置的示意图；

图10是本发明另一实施例提供的一种到达时间的估计方法流程图；

图11是本发明另一实施例提供的一种对采样数据进行平方的示意图；

图12是本发明另一实施例提供的一种对信号能量进行积分的示意图；

图13是本发明另一实施例提供的一种对能量积分值进行叠加的示意图；

图14是本发明另一实施例提供的一种到达时间的估计方法流程图；

图15是本发明另一实施例提供的一种信号叠加示意图；

图16是本发明另一实施例提供的一种对叠加信号进行采样的示意图；

图17是本发明另一实施例提供的一种对采样数据进行平方的示意图；

图18是本发明另一实施例提供的一种到达时间的估计装置的结构示意图；

图19是本发明另一实施例提供的一种处理模块的结构示意图；

图20是本发明另一实施例提供的另一种处理模块的结构示意图；

图21是本发明另一实施例提供的又一种处理模块的结构示意图；

图22是本发明另一实施例提供的一种估计模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本实施例提供了一种到达时间的估计方法，该方法无需匹配滤波的支路，因而可在无需信道先验知识条件下，降低在基于UWB的WSN定位系统中估计到达时间的复杂度的目的。参见图1，本实施例提供的方法流程具体如下：

101：对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值；

其中，对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值，具体包括：

以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

将多帧长度的采样数据序列进行叠加，得到一帧长度的叠加采样数据序列；

将一帧长度的叠加采样数据序列中的每个叠加采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值。

可选地，对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值，具体包括：

以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

将每帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到多帧长度的信号能量序列；

以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对每帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到多组能量积分值；

将多组能量积分值进行叠加，得到叠加后的一组能量积分值。

可选地，对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值，具体包括：

将接收到的多帧信号进行叠加，得到一帧叠加信号；

以预设采样率对一帧叠加信号进行采样，得到一帧长度的采样数据序列；

对一帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值。

进一步地，预设滑动步长小于积分窗口的预设长度。

102：根据该一组能量积分值确定DP所在位置；

其中，根据一组能量积分值确定DP所在位置，具体包括：

在一组能量积分值中确定最大能量积分值，并将DP所在位置确定在得到最大能量积分值的积分窗口所对应的滑动步长范围内。

103：根据DP所在位置得到DP的到达时间的估计值。

其中，根据DP所在位置得到DP的到达时间的估计值，具体包括：

确定得到最大能量积分值的积分窗口的序号，并根据得到最大能量积分值的积分窗口的序号、预设滑动步长以及预设采样率得到DP的到达时间的估计值。

进一步地，根据得到最大能量积分值的积分窗口的序号、预设滑动步长以及预设采样率得到DP的到达时间的估计值，具体为：

通过公式得到DP的到达时间的估计值Δt_DP；

其中，k为得到最大能量积分值的积分窗口的序号，S为预设滑动步长，SR为预设采样率。

本实施例提供的方法，通过对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，从而可以增大DP所在位置的能量值，进而可更加准确地检测到DP的位置，提高估计出的到达时间的精度；另外，由于无需匹配滤波的支路，因而可在无需信道先验知识条件下，降低估计到达时间的复杂度。

为了更加清楚地阐述上述实施例提供的方法，结合上述内容，以如下实施例为例，对到达时间的估计方法进行详细地举例说明，详见如下实施例：

本发明另一实施例提供了一种到达时间的估计方法，结合上述实施例的内容，为了便于说明，本实施例以发射端发射如图2所示时域波形的脉冲信号，接收端在某特定信道和无噪声的情况下接收到如图3所示时域波形的信号为例，对到达时间的估计方法进行举例说明。参见图4，本实施例提供的方法流程具体如下：

401：以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

其中，接收到的多帧信号为发射端发射的测距信号经过UWB信道之后的信号，由于采样定理中指出：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，为此，该步骤以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样时，在满足采样定理的基础上，该预设采样率越高，采样信号的时间辨析度越高，估计出的到达时间的精度越高，本实施例不对预设采样率的具体数值进行限定，为了提高采样信号的时间辨析度，进而提高估计出的到达时间的精度，本实施例可以预设的高采样率对接收到的多帧信号进行采样。除此之外，本实施例同样不对采样方式进行限定。在对接收到的多帧信号进行采样时，每帧信号采样得到对应的一帧长度的采样数据序列。以发射端每隔一个帧周期Tf发射一个脉冲周期为tf的脉冲信号，得到如图2所示时域波形的测距信号为例，接收端在接收到该脉冲信号后，其时域波形如图3所示，则在对多帧信号以预设采样之后，得到的多帧长度的采样数据序列，每一帧长度的采样数据序列长度为Tf/SR，其中，SR（SampleRate，采样率）为该步骤对接收到的多帧信号进行采样时所使用的预设采样率，如图5所示。

402：将多帧长度的采样数据序列进行叠加，得到一帧长度的叠加采样数据序列；

针对该步骤，在以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列后，将多帧长度的采样数据序列进行叠加时，以SR对接收到的j帧信号进行采样为例，将多帧长度的采样数据进行叠加的过程可如图6所示，每一帧长度的采样数据序列中的采样数据以r(n，j)表示，j表示帧号，j=1,2,3，…，Nf，每一帧信号中采样点的序号为n，n=1,2,3，…，Tf/SR，例如，r（2,3）表示第3帧长度的采样数据序列中的第2个采样点对应的采样数据。对多帧长度的采样数据序列叠加得到一帧长度的叠加采样数据序列后，该一帧长度的叠加采样数据序列中的叠加采样数据为Y（n），

由于该步骤是将脉冲信号的采样数据进行叠加，因此可抵消噪声。

403：将一帧长度的叠加采样数据序列中的每个叠加采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

具体地，在将一帧长度的叠加采样数据序列中的每个叠加采样数据进行平方时，可采用平方器实现，其过程如图7所示。对于上述步骤402得到的每个叠加采样数据Y（n），在将该Y（n）进入平方器后，输出的该叠加采样数据对应的信号能量记为PWR_Y(n)， 则对一帧长度的叠加采样数据序列中的每个叠加采样数据进行平方后，得到一帧长度的信号能量序列。

404：以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值；

其中，本实施例通过将上述步骤所述的平方过程和本步骤所述的积分过程从模拟前端移动至数字端完成，可增强定位系统的灵活性。该步骤在以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分时，采取预设滑动步长小于积分窗口的预设长度的方式，且该步骤的积分过程在具体实现时，可通过积分器实现，本实施例不对具体积分方式进行限定。经过多次仿真实验得出：积分窗口的预设长度为UWB脉冲宽度的2倍时，性能最优，当然，实际实施时，积分窗口还可以采用其他长度，本实施例不对积分窗口的长度进行具体限定。为了便于说明，此处仅以积分窗口的预设长度为4个信号能量长度，预设滑动步长S为1个信号能量长度为例，对图8所示的积分过程进行举例说明。图8中，信号能量的个数为13，积分窗口内包括4个信号能量，积分窗口每移动一个预设滑动步长S，均对应新的一组信号能量，而每组信号能量的个数均为4。对于13个信号能量，积分窗口的滑动次数为9，总的积分窗口数为N，针对图8所示的积分过程，该即积分窗口的个数为10，每个积分窗口输出的能量积分值为：其中，WL为积分窗口的长度，l为积分参数，l的范围由1到WL，i=1,2,3，…，N。因有10个积分窗口，则得到的一组能量积分值中有10个能量积分值。

需要说明的是，采用上述积分窗口进行积分时，相邻的积分窗口具有重叠的信号能量，通过采用上述有重叠信号能量的滑动积分窗口的方式对信号能量进行积分，可以使得到的能量积分值更加平滑，提高系统性能，因而采用滑动积分窗口进行积分的方式仅为本实施例提供的优选方案。然而，该步骤在对信号能量进行积分时，除了采用有重叠信号能量的滑动积分窗口的方式外，对于每组信号能量内无重叠信号能量的情况，本实施例提供的方法同样支持，即同样支持按照无重叠信号能量的积分窗口的方式对信号能量进行积分的方式，此时预设滑动步长与积分窗口的预设长度相等，具体实施过程中采用哪种积分方式，本实施例对此不做具体限定。

405：根据得到的一组能量积分值确定DP所在位置；

具体地，根据得到的一组能量积分值确定DP所在位置时，本实施例不对具体确定方式进行限定，具体实施时，可在得到的一组能量积分值中确定最大能量积分值，并将DP所在位置确定在得到最大能量积分值的积分窗口所对应的滑动步长范围内。

例如，通过上述步骤404积分得到的能量积分值如图9上半部分所示的块图为例，针对得到的N个能量积分值，对于序号为2的积分窗口得到的能量积分值的能量积分值最大，因此，可将DP所在位置确定为在序号为2的积分窗口所对应的滑动步长范围内，即图9下半部分虚线标示出的部分为DP所在范围，而DP的精确位置即在该范围内，本实施例通过如下公式估计出DP所在的位置：

其中

406：根据DP所在位置得到DP的到达时间的估计值。

针对该步骤，在上述步骤得到DP所在的位置，即确定最大能量积分值后，该步骤根据该最大能量积分值确定其所在的积分窗口的序号后，通过根据得到该最大能量积分值的积分窗口的序号、预设滑动步长以及预设采样率确定DP的到达时间的估计值。

进一步地，本实施例不对根据得到该最大能量积分值的积分窗口的序号、预设滑动步长以及预设采样率确定DP的到达时间的估计值的方式进行限定，具体实施时，包括但不限于：

通过公式确定DP的到达时间的估计值Δt_DP；

其中，k为得到最大能量积分值的积分窗口的序号，S为预设滑动步长，SR为预设采样率。

结合上述过程，得到DP的到达时间的估计值后，即可根据DP的到达时间而得到信号从发射端到接收端的传播时间，进而实现测距。在实现本实施例的过程中，针对IEEE802.15.4A中的各种信道模型，根据仿真得到DP所在位置的能量积分值为最大能量积分值的概率大致如下表1所示：

表1

由上面表1可以看出，增加脉冲叠加的个数，能明显提高DP所在位置拥有最大能量积分值的概率，具体实施时，本实施例不对脉冲叠加的个数进行限定。

本实施例提供的方法，由于将平方与积分的过程从模拟前端移至数字端完成，因而可增加系统的灵活性；且在高采样率下，通过采用滑动积分窗口对能量进行积分，不仅可以提高估计出的到达时间的精度，还可减少匹配滤波的支路，降低算法复杂度；另外，通过多脉冲叠加和滑动积分窗口积分的方式，能在未知信道先验知识的条件下，估计出DP的到达时间，并且在各种UWB信道模型下均具有很好的性能。

本发明另一实施例提供了一种到达时间的估计方法，结合上述实施例的内容，为了便于说明，本实施例同样以发射端发射如图2所示时域波形的脉冲信号，接收端在某特定信道和无噪声的情况下接收到如图3所示时域波形的信号为例，对到达时间的估计方法进行举例说明。参见图10，本实施例提供的方法流程具体如下：

1001：以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

该步骤的具体实现方式同上述实施例中步骤401，详见上述实施例中步骤401的描述，此处不再赘述。

1002：将每帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到多帧长度的信号能量序列；

具体地，上述步骤1001得到多帧长度的采样数据序列后，该多帧长度的采样数据序列可如图5所示，在对图5所示的每帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方时，可采用平方器实现，其过程如图11所示。对于上述步骤1001得到的每帧长度的采样数据序列中的每个采样数据r（n，j），在将其进入平方器后，输出的每个采样数据对应的信号能量记为PWR_r(n，j)，则

1003：以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对每帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到多组能量积分值；

其中，本实施例通过将上述步骤所述的平方过程和本步骤所述的积分过程从模拟前端移动至数字端完成，可增强定位系统的灵活性。该步骤在以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对每帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分时，采取预设滑动步长小于积分窗口的预设长度的方式，且该步骤的积分过程在具体实现时，可通过积分器实现，本实施例不对具体积分方式进行限定。经过多次仿真实验得出：积分窗口的预设长度为UWB脉冲宽度的2倍时，性能最优，当然，实际实施时，积分窗口还可以采用其他长度，本实施例不对积分窗口的长度进行具体限定。为了便于说明，此处仅以积分窗口的预设长度为4个信号能量长度，预设滑动步长S为1个信号能量长度为例，对图12所示的积分过程进行举例说明。图12中，信号能量的个数为13，积分窗口内包括4个信号能量，积分窗口每移动一个预设滑动步长S，均对应新的一组信号能量，而每组信号能量的个数均为4。对于13个信号能量，积分窗口的滑动次数为9，总的积分窗口数为N，针对图12所示的积分过程，该即积分窗口的个数为10，每个积分窗口输出的能量积分值为：其中，Interal_PWR_r(i,j)表示每个能量积分值，j表示帧号，j=1,2,3，…，Nf，WL为积分窗口的长度，l为积分参数，l的范围由1到WL，i=1,2,3，…，N。例如，Intergral_PWR_r(2，3)表示对第3帧长度的信号能量序列进行积分时，第2个积分窗口得到的能量积分值。每帧长度内因有10个积分窗口，则得到的一组能量积分值中有10个能量积分值。每帧均按照上述过程进行积分，得到多组能量积分值。

需要说明的是，采用上述积分窗口进行积分时，相邻的积分窗口具有重叠的信号能量，通过采用上述有重叠信号能量的滑动积分窗口的方式对信号能量进行积分，可以使得到的能量积分值的能量值更加平滑，提高系统性能，因而采用滑动积分窗口进行积分的方式仅为本实施例提供的优选方案。然而，该步骤在对信号能量进行积分时，除了采用有重叠信号能量的滑动积分窗口的方式外，对于每组信号能量内无重叠信号能量的情况，本实施例提供的方法同样支持，即同样支持按照无重叠信号能量的积分窗口的方式对信号能量进行积分的方式，此时预设滑动步长与积分窗口的预设长度相等，具体实施过程中采用哪种积分方式，本实施例对此不做具体限定。

1004：将多组能量积分值进行叠加，得到叠加后的一组能量积分值；

针对该步骤，在上述步骤1003得到多组能量积分值之后，将多组能量积分值进行叠加时，叠加的过程可如图13所示，将多组能量积分值叠加得到叠加后的一组能量积分值为

1005：根据得到的叠加后的一组能量积分值确定DP所在位置；

具体地，根据得到的叠加后的一组能量积分值确定DP所在位置时，本实施例不对具体确定方式进行限定，具体实施时，可在得到的叠加后的一组能量积分值中确定最大能量积分值，并将DP所在位置确定在得到最大能量积分值的积分窗口所对应的滑动步长范围内。该步骤的实现过程同上述实施例中步骤405的方式，详见上述实施例中步骤405的相关描述，此处不再赘述。

1006：根据DP所在位置得到DP的到达时间的估计值。

该步骤的具体实现方式同上述实施例中步骤406，具体详见上述实施例中步骤406的描述，此处不再赘述。

本实施例提供的方法，由于将平方与积分的过程从模拟前端移至数字端完成，因而可增加系统的灵活性；且在高采样率下，通过采用滑动积分窗口对能量进行积分，不仅可以提高估计出的到达时间的精度，还可减少匹配滤波的支路，另外，由于减少了匹配滤波的支路，因而可在未知信道先验知识条件下，降低估计到达时间的复杂度，并且在各种UWB信道模型下均具有很好的性能。

本发明另一实施例提供了一种到达时间的估计方法，结合上述实施例的内容，为了便于说明，本实施例同样以发射端发射如图2所示时域波形的脉冲信号，接收端在某特定信道和无噪声的情况下接收到如图3所示时域波形的信号为例，对到达时间的估计方法进行举例说明。参见图14，本实施例提供的方法流程具体如下：

1401：将接收到的多帧信号进行叠加，得到一帧叠加信号；

其中，接收到的多帧信号为发射端发射的测距信号经过UWB信道之后的信号，且为模拟脉冲信号，针对图2所示时域波形的测距信号，发射端每隔一个帧周期Tf发射一个脉冲周期为tf的脉冲信号，接收端在某特定信道和无噪声的情况下接收到该脉冲信号后，时域波形如图3所示。对于接收到的多帧信号，其叠加后的时域波形可如图15所示。由于该步骤是将模拟脉冲信号进行叠加，因此可抵消噪声。

1402：以预设采样率对一帧叠加信号进行采样，得到一帧长度的采样数据序列；

针对该步骤，在以预设采样率对一帧叠加信号进行采样时，本实施例不对预设采样率的具体数值进行限定，同样不对采样方式进行限定，具体可参见上述实施例中步骤401的相关描述。以高SR对一帧叠加信号Y（n）进行采样为例，其采样过程可如图16所示，采样点的序号为n，n=1,2,3，…，Tf/SR，得到采样数据为Y（n）。

1403：对一帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

具体地，在对每个采样数据进行平方时，可采用平方器实现，其过程如图17所示。对于上述步骤1402得到的每个采样数据Y（n），在将其进入平方器后，输出的每个采样数据对应的信号能量记为PWR_Y(n)，则

1404：以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值；

具体地，该步骤的实现方式同上述实施例中步骤404的实现方式，具体详见上述实施例中步骤404的相关描述，此处不再赘述。

1405：根据得到的一组能量积分值确定DP所在位置；

具体地，该步骤的实现方式同上述实施例中步骤405的实现方式，具体详见上述实施例中步骤405的相关描述，此处不再赘述。

1406：根据DP所在位置得到DP的到达时间的估计值。

具体地，该步骤的实现方式同上述实施例中步骤406的实现方式，具体详见上述实施例中步骤406的相关描述，此处不再赘述。

本实施例提供的方法，由于将平方与积分的过程从模拟前端移至数字端完成，因而可增加系统的灵活性；且在高采样率下，通过采用滑动积分窗口对能量进行积分，不仅可以提高估计出的到达时间的精度，还可减少匹配滤波的支路；另外，由于减少了匹配滤波的支路，因而能在未知信道先验知识的条件下，估计出DP的到达时间，降低估计到达时间的复杂度，并且在各种UWB信道模型下均具有很好的性能。

本发明另一实施例提供了一种到达时间的估计装置，该装置用于执行上述实施例所提供的到达时间的估计方法。参见图18，该装置包括：

处理模块181，用于对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值；

确定模块182，用于根据处理模块181得到的一组能量积分值确定直达单径DP所在位置；

估计模块183，用于根据确定模块182确定的DP所在位置得到DP的到达时间的估计值。

其中，结合上述实施例中步骤401至步骤404描述的内容，参见图19，处理模块181，具体包括：

第一采样单元1801，用于以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

第一叠加单元1802，用于将第一采样单元1801得到的多帧长度的采样数据序列进行叠加，得到一帧长度的叠加采样数据序列；

第一平方单元1803，用于将第一叠加单元1802得到的一帧长度的叠加采样数据序列中的每个叠加采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

第一积分单元1804，用于以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对第一平方单元1803得到的一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值。

可选地，处理模块181除了图19所示的结构外，结合上述实施例中步骤1001至步骤1004描述的内容，参见图20，处理模块181，具体包括：

第二采样单元1805，用于以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

第二平方单元1806，用于将第二采样单元1805得到的每帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到多帧长度的信号能量序列；

第二积分单元1807，用于以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对第二平方单元1806得到的每帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到多组能量积分值；

第二叠加单元1808，用于将第二积分单元1807得到的多组能量积分值进行叠加，得到叠加后的一组能量积分值。

可选地，处理模块181除了图19或图20所示的结构外，结合上述实施例中步骤1401至步骤1404描述的内容，参见图21，处理模181，具体包括：

第三叠加单元1809，用于将接收到的多帧信号进行叠加，得到一帧叠加信号；

第三采样单元1810，用于以预设采样率对第三叠加单元1809得到的一帧叠加信号进行采样，得到一帧长度的采样数据序列；

第三平方单元1811，用于对第三采样单元1810得到的一帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

第三积分单元1812，用于以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对第三平方单元1811得到的一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值。

进一步地，结合上述实施例中步骤405、上述实施例中步骤1005以及上述实施例中步骤1405描述的内容，确定模块182，具体用于在一组能量积分值中确定最大能量积分值，并将DP所在位置确定在得到最大能量积分值的积分窗口所对应的滑动步长范围内。

进一步地，参见图22，结合上述实施例中步骤406、上述实施例中步骤1006以及上述实施例中步骤1406描述的内容，估计模块183，具体包括：

确定单元1831，用于确定得到最大能量积分值的积分窗口的序号；

估计单元1832，用于根据确定单元1831确定的得到最大能量积分值的积分窗口的序号、预设滑动步长以及预设采样率确定DP的到达时间的估计值。

进一步地，估计单元1832，具体用于通过公式确定DP的到达时间的估计值Δt_DP；

其中，k为得到最大能量积分值的积分窗口的序号，S为预设滑动步长，SR为预设采样率。

本实施例提供的装置，通过对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，从而可以增大DP所在位置的能量值，进而可更加准确地检测到DP的位置，提高估计出的到达时间的精度；另外，由于无需匹配滤波的支路，因而可在无需信道先验知识条件下，降低估计到达时间的复杂度，并且在各种UWB信道模型下均具有很好的性能。

需要说明的是：上述实施例提供的到达时间的估计装置在估计到达时间时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的到达时间的估计装置与到达时间的估计方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种到达时间的估计方法，其特征在于，所述方法包括：

对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值；

根据所述一组能量积分值确定直达单径DP所在位置；

根据所述DP所在位置得到所述DP的到达时间的估计值；

其中,所述对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值包括:

以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

将所述多帧长度的采样数据序列进行叠加，得到一帧长度的叠加采样数据序列；

将所述一帧长度的叠加采样数据序列中的每个叠加采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对所述一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值；

或者，所述对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值包括:以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

将每帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到多帧长度的信号能量序列；

以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对每帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到多组能量积分值；

将所述多组能量积分值进行叠加，得到叠加后的一组能量积分值；

或者，所述对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值包括:

将接收到的多帧信号进行叠加，得到一帧叠加信号；

以预设采样率对所述一帧叠加信号进行采样，得到一帧长度的采样数据序列；

对所述一帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对所述一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设滑动步长小于所述积分窗口的预设长度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述一组能量积分值确定直达单径DP所在位置，具体包括：

在所述一组能量积分值中确定最大能量积分值，并将所述DP所在位置确定在得到所述最大能量积分值的积分窗口所对应的滑动步长范围内。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述DP所在位置得到所述DP的到达时间的估计值，具体包括：

确定得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号，并根据得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号、所述预设滑动步长以及所述预设采样率得到所述DP的到达时间的估计值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号、所述预设滑动步长以及所述预设采样率得到所述DP的到达时间的估计值，具体为：

通过公式得到所述DP的到达时间的估计值Δt_DP；

其中，所述k为得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号，所述S为所述预设滑动步长，所述SR为所述预设采样率。

6.一种到达时间的估计装置，其特征在于，所述装置包括：

处理模块，用于对接收到的多帧信号进行采样和能量聚集，得到一组能量积分值；

确定模块，用于根据所述处理模块得到的一组能量积分值确定直达单径DP所在位置；

估计模块，用于根据所述确定模块确定的DP所在位置得到所述DP的到达时间的估计值；

其中，所述处理模块，具体包括：

第一采样单元，用于以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

第一叠加单元，用于将所述第一采样单元得到的多帧长度的采样数据序列进行叠加，得到一帧长度的叠加采样数据序列；

第一平方单元，用于将所述第一叠加单元得到的一帧长度的叠加采样数据序列中的每个叠加采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

第一积分单元，用于以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对所述第一平方单元得到的一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值；

或者，所述处理模块，具体包括：

第二采样单元，用于以预设采样率对接收到的多帧信号进行采样，得到多帧长度的采样数据序列；

第二平方单元，用于将所述第二采样单元得到的每帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到多帧长度的信号能量序列；

第二积分单元，用于以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对所述第二平方单元得到的每帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到多组能量积分值；

第二叠加单元，用于将所述第二积分单元得到的多组能量积分值进行叠加，得到叠加后的一组能量积分值；

或者，所述处理模块，具体包括：

第三叠加单元，用于将接收到的多帧信号进行叠加，得到一帧叠加信号；

第三采样单元，用于以预设采样率对所述第三叠加单元得到的一帧叠加信号进行采样，得到一帧长度的采样数据序列；

第三平方单元，用于对所述第三采样单元得到的一帧长度的采样数据序列中的每个采样数据进行平方，得到一帧长度的信号能量序列；

第三积分单元，用于以预设长度的积分窗口按照预设滑动步长对所述第三平方单元得到的一帧长度的信号能量序列中的信号能量进行积分，得到一组能量积分值。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定模块，具体用于在所述一组能量积分值中确定最大能量积分值，并将所述DP所在位置确定在得到所述最大能量积分值的积分窗口所对应的滑动步长范围内。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述估计模块，具体包括：

确定单元，用于确定得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号；

估计单元，用于根据所述确定单元确定的得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号、所述预设滑动步长以及所述预设采样率确定所述DP的到达时间的估计值。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述估计单元，具体用于通过公式确定所述DP的到达时间的估计值Δt_DP；

其中，所述k为得到所述最大能量积分值的积分窗口的序号，所述S为所述预设滑动步长，所述SR为所述预设采样率。