CN109116302B - 一种到达时刻检测方法、装置及定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种到达时刻检测装置及方法，通过在到达时刻检测装置中设置多个比较电路和时间数字转换电路，对接收到的脉冲信号进行多点采样，进而拟合出脉冲信号的包络，通过与预存的脉冲包络进行匹配，认定接收到的脉冲信号为有用信号还是干扰信号。进一步地，根据匹配结果设置参考点，通过测定参考点在脉冲信号发射包络、本到达时刻检测装置及其他到达时刻检测装置的脉冲信号接收包络上的时刻值，准确获得脉冲信号的到达时间或到达时间差，解决了现有技术中单个比较电路和时间数字转换电路中无法排除干扰信号，以及由于脉冲信号幅度的起伏，无法准确测定脉冲信号的到达时间的技术问题。

Description

一种到达时刻检测方法、装置及定位装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及定位系统中的时间测量。

背景技术

对于大型建筑内部、城市密集区域，以及桥梁、水坝、山体、基坑等区域的安全监测，有助于实现对人员的安全监控、紧急救援，对物资的运输管理、分配调度，以及对自然灾害的预防和监测等。由于具有建筑群密集，遮挡，环境复杂监测空间狭小GPS、北斗信号往往不能深入覆盖，导致空间监测困难。现有技术中，通过自建定位系统实现在特定区域中对指定目标的定位和监控。UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB具有脉冲宽度窄，抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，广泛应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。以UWB信号作为定位信号的定位系统可以弥补天空卫星无法覆盖的区域，方便布置，实现狭小空间的位移监测。

在以UWB脉冲作为定位信号的定位系统中常用的定位算法有到达时间TOA定位及到达时间差TDOA定位，上述算法在实施过程中需要定位信号接收端检测UWB脉冲到达自身的时刻值。现有的定位系统中，定位信号接收端将接收到的UWB脉冲与系统预设的某一幅值门限进行比较，将UWB脉冲包络上刚好超过幅值门限的时刻值作为定位信号的到达时刻。理想情况下，UWB脉冲的上升沿可以达到接近九十度，此时，通过上述方法测得的到达时刻较为准确，但实际场景中，受限于硬件设备，UWB脉冲的上升沿无法达到接近九十度，此时，设置不同的幅值门限就会得到不同的定位信号到达时刻，定位系统无法给出准确的定位信号到达时刻测量标准，严重影响定位精度。此外，一些幅值超多幅值门限的其他干扰信号或噪声信号，会被检测成定位信号，从而造成误检，严重影响定位系统的性能。

因此，如何准确检测UWB脉冲定位信号的到达时刻，成为了本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

依据本发明的一个方面，公开了一种用于检测脉冲发射信号到达接收装置的到达时刻的检测装置，包括：多个比较电路，均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，各个比较电路的第一输入端分别接收一参考门限值，各个比较电路的第二输入端均接收待检脉冲信号，各个比较电路分别将待检脉冲信号与自身接收的参考门限值进行比较，并根据比较结果输出计时触发信号；多个时间数字转换电路，和多个比较电路一一对应，多个时间数字转换电路均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，各个时间数字转换电路的第一输入端分别耦接至对应的比较电路以接收计时触发信号，各个时间数字转换电路的第二输入端均接收时间参考信号，各个时间数字转换电路根据时间参考信号和计时触发信号获得采样时刻，所述参考门限值和与其相对应的采样时刻构成待检脉冲信号的采样点；以及匹配电路，将待检脉冲信号的采样点拟合成采样包络，并与预存的脉冲发射信号包络进行匹配，以根据匹配的结果获得脉冲发射信号到达接收装置的到达时间。

依据本发明的另一个方面，公开了一种用于检测脉冲发射信号到达接收装置的到达时刻的检测方法，包括：将待检脉冲信号与多个参考门限值进行比较；当待检脉冲信号的幅值为参考门限值时，记录此时时刻为采样时刻，所述参考门限值和与其相对应的采样时刻构成待检脉冲信号的采样点；将各个参考门限值对应的采样点拟合成采样包络；以及将采样包络和预存的脉冲发射信号包络进行匹配，根据匹配的结果获得脉冲发射信号到达接收装置的到达时间。

依据本发明的又一个方面，公开了一种定位装置，包括：定位信号发射装置，发射脉冲发射信号，记录脉冲发射信号包络上一个选取点所对应的时刻为脉冲发射信号的发射时间；以及定位信号接收装置，接收脉冲发射信号，所述定位信号接收装置包括到达时刻检测装置，定位信号接收装置记录采样包络上和脉冲发射信号包络上选取点对应的特定点对应的时刻作为脉冲发射信号到达定位信号接收装置的到达时间；定位装置利用脉冲发射信号的发射时间和到达时间之差获得飞行时间以用于定位。

依据本发明的又一个方面，还公开了一种定位装置，包括：定位信号发射装置，发射脉冲发射信号；第一定位信号接收装置，接收脉冲发射信号，所述第一定位信号接收装置包括到达时刻检测装置，第一定位信号接收装置记录采样包络上一特定点对应的时刻作为脉冲发射信号到达第一定位信号接收装置的第一到达时间；以及第二定位信号接收装置，接收脉冲发射信号，所述第二定位信号接收装置包括到达时刻检测装置，第二定位信号接收装置记录采样包络上一特定点对应的时刻作为脉冲发射信号到达第二定位信号接收装置的第二到达时间；定位装置利用第一到达时间和第二到达时间之差获得到达时间差以用于定位。

附图说明

图1给出依据本发明一种实施例的到达时刻检测装置100的示意图；

图2给出一种图1所示的到达时刻检测装置100获得待检脉冲信号包络的示意图；

图3给出另一种图1所示的到达时刻检测装置100获得待检脉冲信号包络的示意图；

图4给出依据本发明一种实施例的到达时刻检测装置400的示意图；

图5给出一种图4所示的到达时刻检测装置400获得待检脉冲信号包络的示意图；

图6给出依据本发明一种实施例的到达时刻检测方法600的流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“连接”到另一元件时，它可以是直接连接或连接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1给出依据本发明一种实施例的用于检测脉冲发射信号到达接收装置的到达时刻检测装置100的示意图。到达时刻检测装置100示例性地包括比较电路COMP1和COMP2、时间数字转换电路TDC1和TDC2以及匹配电路MAT。其中，比较电路COMP1和COMP2以及时间数字转换电路TDC1和TDC2均具有第一输入端、第二输入端和输出端。比较电路COMP1的第一输入端接收参考门限v_th1，比较电路COMP1的第二输入端接收待检脉冲信号mea_p。在一个实施例中，所述到达时刻检测装置100置于定位系统的接收装置中，该定位系统还包括发射装置，用于发射脉冲发射信号St，而接收装置用以接收脉冲发射信号St，并检测脉冲发射信号St到达接收装置的到达时间，从而用于定位。又在一个实施例中，所述脉冲发射信号St为超宽带脉冲信号(Ultra Wideband,UWB)。在另一实施例中，所述待检脉冲信号mea_p为表征脉冲发射信号St的信号，其是接收装置接收到的脉冲发射信号St经接收装置前端电路(如放大器、检波器等电路)处理后的信号，具有和脉冲发射信号相匹配的包络。在另一实施例中，待检脉冲信号mea_p为来自于其他信号源的干扰信号。比较电路COMP1将从第二输入端接收到的待检脉冲信号mea_p的幅值与从第一输入端接收到的参考门限v_th1相比较，并根据比较结果在输出端输出计时触发信号Str1。更具体地，当待检脉冲信号mea_p的幅值等于参考门限v_th1时，计时触发信号Str1为有效状态；当待检脉冲信号mea_p的幅值不等于参考门限v_th1时，计时触发信号Str1为无效状态。时间数字转换电路TDC1的第一输入端耦接至比较电路COMP1的输出端，以接收计时触发信号Str1，时间数字转换电路TDC1的第二输入端接收时间参考信号t_ref，时间数字转换电路TDC1根据时间参考信号t_ref和计时触发信号Str1获得采样时刻t_tdc1。在一个实施例中，时间参考信号t_ref为到达时刻检测装置100在时间数字转换电路TDC1接收到计时触发信号Str1之前，向其输入的另一计时触发信号，所述时间数字转换电路TDC1在时间参考信号t_ref触发下开始计时，在计时触发信号Str1转变有有效状态时停止计时，进而在输出端输出采样时刻t_tdc1。又在一个实施例中，时间参考信号t_ref为到达时刻检测装置100以自身时钟为基准的当前时刻值，在计时触发信号Str1转变为有效状态时，时间数字转换电路TDC1记录达时刻检测装置100自身时钟的当前时刻值并将其输出作为采样时刻t_tdc1。采样时刻t_tdc1和参考门限v_th1构成待检脉冲信号mea_p的采样点。

相对应地，比较电路COMP2的第一输入端接收参考门限v_th2，比较电路COMP2的第二输入端同样接收待检脉冲信号mea_p。在一个实施例，比较电路COMP1和COMP2接收到的参考门限v_th1和v_th2为不同值。比较电路COMP2将从第二输入端接收到的待检脉冲信号mea_p的幅值与从第一输入端接收到的参考门限v_th2相比较，并根据比较结果在输出端输出计时触发信号Str2。更具体地，当待检脉冲信号mea_p的幅值等于参考门限v_th2时，计时触发信号Str1为有效状态；当待检脉冲信号mea_p的幅值不等于参考门限v_th1时，计时触发信号Str1为无效状态。时间数字转换电路TDC2的第一输入端耦接至比较电路COMP2的输出端，以接收计时触发信号Str2，时间数字转换电路TDC2的第二输入端同样接收时间参考信号t_ref，时间数字转换电路TDC2根据时间参考信号t_ref和计时触发信号Str2获得采样时刻t_tdc2。采样时刻t_tdc2和参考门限v_th2构成待检脉冲信号mea_p的采样点。

匹配电路MAT中预存脉冲发射信号St的脉冲包络。如接下来将要描述的图2或图3所示，匹配电路MAT将待检脉冲信号mea_p的采样点拟合成采样包络，并利用相关运算将采样包络与预存的脉冲发射信号St的脉冲包络进行匹配，以根据匹配的结果获得脉冲发射信号St到达接收装置的到达时间t_arr。

在一个实施例中，待检脉冲信号mea_p可以是表征脉冲发射信号St的信号或是来自其他信号源的干扰信号。当待检脉冲信号mea_p是表征脉冲发射信号St的信号时，例如，当待检脉冲信号mea_p是脉冲发射信号St经过接收装置前端电路(如放大器、检波器等)处理后的信号时，待检脉冲信号mea_p与脉冲发射信号St的幅度有所不同，但其脉冲包络形状近似相同，因此，待检脉冲信号mea_p的采样包络与到达时刻检测装置100中预存的脉冲发射信号St的脉冲包络是相匹配的。当待检脉冲信号mea_p是干扰信号时，待检脉冲信号mea_p与脉冲发射信号St的包络开关有所不同，是不匹配的，因此，匹配电路MAT能够根据匹配的结果甄别待检脉冲信号是否是表征脉冲发射信号的信号。

在一个实施例中，当待检脉冲信号mea_p为表征脉冲发射信号St的信号时，获取采样包络上特定点的时刻值作为脉冲发射信号到达接收装置的到达时间。其中，特定点可以为采样包络上幅值最大的点或和预存的脉冲发射信号包络上预设的一参考点相对应的点，或者可以是采样包络的起始点或结束点等，根据电路设计而定。

图2给出根据本发明一实施例的图1所示到达时刻检测装置100获得待检脉冲信号包络的示意图。如图2所示，以时间t和幅度v分别为横坐标轴和纵坐标轴建立坐标系，利用时间数字转换电路TDC1输出的采样时刻t_tdc1和与采样时刻t_tdc1相对应的到达时刻检测装置100预设的参考门限v_th1，可以得到待检脉冲信号mea_p包络上的采样点p1。同样地，利用时间数字转换电路TDC2输出的采样时刻t_tdc2和到达时刻检测装置100预设的参考门限v_th2，可以得到待检脉冲信号mea_p包络上的采样点p2。

在图2所示的实施例中，匹配电路MAT得到待检脉冲信号mea_p包络的采样点p1和p2，将以采样点p1和p2为端点构成的线段的斜率与预存的脉冲发射信号St的脉冲包络的斜率相匹配，若匹配成功，则认定所述待检脉冲信号mea_p为表征脉冲发射信号St的信号。

图3给出根据本发明另一实施例的图1所示到达时刻检测装置100获得待检脉冲信号包络的示意图。图3所示实施例与图2所示实施例不同之处在于，待检脉冲信号mea_p的幅值等于参考门限v_th1的点有两个，待检脉冲信号mea_p的幅值等于参考门限v_th2的点亦有两个。比较电路COMP1将待检脉冲信号mea_p的幅值与参考门限v_th1进行比较并输出计时触发信号。由于待检脉冲信号mea_p的幅值等于参考门限v_th1的点有两个，计时触发信号Str1两次转变为有效状态，进而触发时间数字转换电路输出两个采样时刻t_tdc1和t_tdc1’，进而得到待检脉冲信号mea_p包络的采样点p1和p1’；同样地，时间数字转换电路TDC2输出采样时刻t_tdc2和t_tdc2’，进而得到待检脉冲信号mea_p包络的采样点p2和p2’。

本领域技术人员应当理解，在其他实施例中，根据待检脉冲信号mea_p的波形而定，对于同一参考门限，可以获得对应的一个、两个或更多个采样时刻，从而获得待检脉冲信号mea_p一个、两个或更多个采样点。

在一个实施例中，接收装置属于定位装置，定位装置还包括发射装置。该发射装置发射脉冲发射信号，并记录脉冲发射信号包络上一个选取点所对应的时刻为脉冲发射信号的发射时间。该接收装置接收脉冲发射信号，该接收装置包括上述实施例中的到达时刻检测装置100，接收装置记录采样包络上与脉冲发射信号包络上选取点对应的特定点对应的时刻作为脉冲发射信号到达定位信号接收装置的到达时间。到达时间与发射时间的差值，为脉冲发射信号在发射装置与接收装置之间的飞行时间，可用于实现定位计算。利用本发明实施例所述技术方案所获得的飞行时间是利用脉冲发射信号包络和待检脉冲信号包络上相对应两个点计算得到的，较为精确，这样的飞行时间用于定位将能够更加精确地对待定位物进行定位。

又在一个实施例中，定位装置还包括另一相同的定位信号接收装置，定位装置获得另一定位信号接收装置接收的与预存的脉冲信号包络上的参考点对应点的到达时间，两个接收装置接收到的待检脉冲信号是相对应的特定点对应的两个到达时刻，这两个到达时间的差值为脉冲发射信号到达两个接收装置的到达时间差，可用于实现定位计算。利用本发明实施例所述技术方案所获得的到达时间差是利用两个待检脉冲信号包络上相对应两个点计算得到的，较为精确，这样的到达时间差用于定位将能够更加精确地对待定位物进行定位。

图4给出依据本发明一种实施例的到达时刻检测装置400的示意图。到达时刻检测装置400包含n个比较电路和n个时间数字转换电路，每个比较电路和时间数字转换电路按照图1所示实施例中的比较电路COMP1和时间数字转换电路TDC1的方式运作。在一个实施例中，到达时刻检测装置400为n个比较电路分别输入n个不同的参考门限。

图5给出一种图4所示的到达时刻检测装置400获得待检脉冲信号包络的示意图，如图5所示，到达时刻检测装置100得到待检脉冲信号mea_p包络的采样点p1、p1’、p2、p2’、…、pn、pn’，n值越大，拟合的待检脉冲信号mea_p的包络越逼近真实值，从而，获得的到达时间越精确。

图6给出依据本发明一种实施例的用于检测脉冲发射信号到达接收装置的到达时刻的检测方法600的流程图。检测方法600包括如下步骤：

步骤601：将待检脉冲信号与多个参考门限值进行比较。

其中，待检脉冲信号可能是表征脉冲发射信号的信号，也可能是来自于其他源头的干扰信号。在一实施例中，待检脉冲信号可以是接收装置接收到的信号经接收装置前端电路(如，放大器、检波器等电路)处理后的信号。

步骤602：当待检脉冲信号的幅值为参考门限值时，记录此时时刻为采样时刻。各个参考门限值与其相对应的采样时刻构成待检脉冲信号的多个采样点。

步骤603：将各个参考门限值对应的采样点拟合成采样包络。

步骤604：将采样包络与预存的脉冲发射信号包络进行匹配，根据匹配结果获得脉冲发射信号到达接收装置的到达时刻。

在一个实施例中，步骤604还包括根据匹配的结果甄别待检脉冲信号是否是表征脉冲发射信号的信号，若是，则根据匹配的结果获得脉冲发射信号到达接收装置的到达时间。

在一个实施例中，步骤604中的匹配通过相关运算来实现。

在一个实施例中，步骤604中根据匹配的结果获得脉冲发射信号到达接收装置的到达时间的步骤包括获取采样包络上特定点的时刻值作为脉冲发射信号到达接收装置的到达时间。在一实施例中，该特定点为采样包络上幅值最大的点或和预存的脉冲发射信号包络上预设的一参考点相对应的点。在另一实施例中，该特定点也可以是采样包络的起始点或结束点。

本发明公开的到达时刻检测装置及方法，通过在到达时刻检测装置中设置多个比较电路和时间数字转换电路，可以对接收到的脉冲信号进行多点采样，进而拟合出脉冲信号的包络，通过与预存的脉冲包络进行匹配，认定接收到的脉冲信号为有用信号还是干扰信号。进一步地，根据匹配结果设置参考点，通过测定参考点在脉冲信号发射包络、本到达时刻检测装置及其他到达时刻检测装置的脉冲信号接收包络上的时刻值，准确获得脉冲信号的到达时间或到达时间差，解决了现有技术中单个比较电路和时间数字转换电路中无法排除干扰信号，以及由于脉冲信号幅度的起伏，无法准确测定脉冲信号的到达时间的技术问题。

如以上所提到的，虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行许多改变。由此，本发明的范围不由优选实施例的公开所限制。而是，应当完全参考随后的权利要求来确定本发明。

Claims (7)

1.一种用于检测脉冲发射信号到达接收装置的到达时刻的检测装置，包括：

至少两个比较电路，均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，第一比较电路和第二比较电路的第一输入端分别接收第一参考门限值和第二参考门限值，第一比较电路和第二比较电路的第二输入端均接收待检脉冲信号，第一比较电路和第二比较电路分别将待检脉冲信号与自身接收的参考门限值进行比较，并根据比较结果分别输出第一计时触发信号和第二计时触发信号；

至少两个时间数字转换电路，和多个比较电路一一对应，其中，第一时间数字转换电路和第二时间数字转换电路均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，第一时间数字转换电路和第二时间数字转换电路的第一输入端分别耦接至对应的第一比较电路和第二比较电路以分别接收第一计时触发信号和第二计时触发信号，各个时间数字转换电路的第二输入端均接收时间参考信号，第一时间数字转换电路和第二时间数字转换电路根据时间参考信号和第一计时触发信号和第二计时触发信号分别获得第一采样时刻和第二采样时刻，以第一参考门限值和与其相对应的第一采样时刻为坐标值构成待检脉冲信号的第一采样点，以第二参考门限值和与其相对应的第二采样时刻为坐标值构成待检脉冲信号的第二采样点；以及

匹配电路，将待检脉冲信号的多个采样点拟合成采样包络，并与预存的脉冲发射信号包络进行匹配，其中，将以第一采样点和第二采样点为端点构成的线段的斜率与预存的脉冲发射信号的脉冲包络的斜率相匹配，若匹配成功，则认定所述待检脉冲信号为表征脉冲发射信号的信号，其中，脉冲发射信号为UWB信号，当待检脉冲信号表征脉冲发射信号时，获取采样包络上特定点的时刻值作为脉冲发射信号到达接收装置的到达时间。

2.如权利要求1所述的到达时刻检测装置，其中，当待检脉冲信号的幅值为相应参考门限值时，计时触发信号触发时间数字转换电路，使时间数字转换电路输出此时的时刻作为采样时刻。

3.如权利要求1所述的到达时刻检测装置，其中，特定点为采样包络上幅值最大的点或和预存的脉冲发射信号包络上预设的一参考点相对应的点。

4.一种用于检测脉冲发射信号到达接收装置的到达时刻的检测方法，包括：

将待检脉冲信号与第一参考门限值和第二参考门限值进行比较；

当待检脉冲信号的幅值为第一参考门限值时，记录此时时刻为第一采样时刻，当待检脉冲信号的幅值为第二参考门限值时，记录此时时刻为第二采样时刻，以第一参考门限值和与其相对应的第一采样时刻为坐标值构成待检脉冲信号的第一采样点，以第二参考门限值和与其相对应的第二采样时刻为坐标值构成待检脉冲信号的第二采样点；

将各个参考门限值对应的采样点拟合成采样包络；以及

将采样包络和预存的脉冲发射信号包络进行匹配，其中，将以第一采样点和第二采样点为端点构成的线段的斜率与预存的脉冲发射信号的脉冲包络的斜率相匹配，若匹配成功，则认定所述待检脉冲信号为表征脉冲发射信号的信号，其中，脉冲发射信号为UWB信号，当待检脉冲信号表征脉冲发射信号时，获取采样包络上特定点的时刻值作为脉冲发射信号到达接收装置的到达时间。

5.如权利要求4所述的检测方法，其中，特定点为采样包络上幅值最大的点或和预存的脉冲发射信号包络上预设的一参考点相对应的点。

6.一种定位装置，包括：

定位信号发射装置，发射脉冲发射信号，记录脉冲发射信号包络上一个选取点所对应的时刻为脉冲发射信号的发射时间；以及

定位信号接收装置，接收脉冲发射信号，所述定位信号接收装置包括如权利要求1至3任意一项所述的到达时刻检测装置，定位信号接收装置记录采样包络上和脉冲发射信号包络上选取点对应的特定点对应的时刻作为脉冲发射信号到达定位信号接收装置的到达时间；

定位装置利用脉冲发射信号的发射时间和到达时间之差获得飞行时间以用于定位。

7.一种定位装置，包括：

定位信号发射装置，发射脉冲发射信号；

第一定位信号接收装置，接收脉冲发射信号，所述第一定位信号接收装置包括如权利要求1至3任意一项所述的到达时刻检测装置，第一定位信号接收装置记录采样包络上一特定点对应的时刻作为脉冲发射信号到达第一定位信号接收装置的第一到达时间；以及

第二定位信号接收装置，接收脉冲发射信号，所述第二定位信号接收装置包括如权利要求1至3任意一项所述的到达时刻检测装置，第二定位信号接收装置记录采样包络上一特定点对应的时刻作为脉冲发射信号到达第二定位信号接收装置的第二到达时间；

定位装置利用第一到达时间和第二到达时间之差获得到达时间差以用于定位。