近场电磁测距优化算法研究
近场电磁测距(NFER,Near-Field Electromagnetic Ranging)技术根据近场电磁场相位差与通信距离之间的关系来实现测距。

利用低频信号能够更好地穿透建筑物的特点,近场电磁测距技术能够有效地减少多径干扰,同时在非视距情况下取得较高的测距精度。

但是,面对复杂多变的室内、地下环境以及不同的应用需求,现有近场电磁定位系统还存在以下问题:(1)现有近场电磁测距技术采用固定单频点信
号作为测距信号,有效测距范围被限制在发射信号半波长范围内。

为了增加测距范围,提高测距精度,需要根据应用需求调整信号频率。

(2)在低频测距信号频段范围内,噪声干扰较大,影响测距精度。

(3)当发射信号穿透介质传播时,信号传播路径、波长、相位等信息发生改变,影响测距精度。

针对以上问题,本文对近场电磁测距技术的优化方法进行了研究,主要研究内容包括:(1)基于RSSI的自适应时延估计算法。

为了能够调整测距信号频率,使近场电磁测距系统满足不同测距范围、测距精度的要求,本文将测距信号电磁场成分之间的相位差转化为电磁场成分之间的时间延迟,利用自适应时延估计
(ATDE,Adaptive Time Delay Estimation)算法来检测电磁场成分之间的时间延迟,能够在不需要先验信号频率知识的前提下,测得与定
位目标之间的距离,提高了系统的灵活性。

本文基于近场电磁波传播模型,将接收信号强度值转化为时延估计算法的初始时延,提出了基
于接收信号强度指示(RSSI,Received SignalStrength Indication)的自适应时延估计算法,提高了算法的收敛速度,并且基于最大相关
熵准则(MCC,Maximum Correntropy Criterion)对时延估计算法进行了优化,提高了低频非高斯噪声环境下的时延估计精度。

本文通过设计流水线结构,在FPGA(Field Programmable Gate Array)上对所提出的基于RSSI和MCC的时延估计算法进行了实现和室内测距实验验证。

(2)基于时延补偿的自适应噪声消除算法。

为了提高接收端的信噪比,本文提出基于时延补偿的自适应噪声消除(ANC,Adaptive Noise Cancellation)算法,通过自适应时延估计算法来量化多路参
考信号与信号中噪声之间的相关性,确定参考噪声,并根据时延估计
结果补偿参考噪声输入通道与测距信号输入通道之间变化的时延值。

本文分别基于近似椭球波函数(APSWF,Approximate Prolate Spheroidal Wave Function)和 MCC 对算法进行了优化,提高了算法的时延补偿性能和脉冲噪声环境下的降噪性能,并且基于FPGA对所
设计算法进行了实现和实验验证。

(3)面向多层介质的宽带近场电磁测距算法。

为了减小室内、地下环境中多层介质对测距精度的影响,本文将宽带技术和近场电磁测距技术相结合,设计了宽带近场电磁测距系统。

针对多层介质中的测距,本文首先基于多层介质模型,分析了宽带信号中不同频率的子载波在多层介质中的传播特性,利用宽带信号不同频率子载波的电磁场相位差、到达方向角度信息,基于最小二乘(LS,LeastSquares)准则设计了多层介质中的距离估计算法,并采
用Tikhonov正则化方法对由于误差导致的不适定问题进行了求解。

仿真实验结果表明,在已知介质层数和种类,介质厚度未知的情况下,本文所设计的宽带近场电磁测距技术能够实现在多层介质中测距,为
复杂非视距环境下的精确测距提供了可行方案。