本發(fā)明屬于超聲測距與定位，尤其涉及一種基于變調(diào)頻速率的分段線性調(diào)頻超聲信號設(shè)計方法，適用于設(shè)計超聲測距、超聲定位領(lǐng)域等需要高時間分辨率和強抗干擾能力的應用場景下的變調(diào)頻速率的分段線性調(diào)頻超聲信號。

背景技術(shù)：

1、基于超聲波飛行時間測量的測距、定位技術(shù)因其非接觸性、高精度和低成本等優(yōu)點已經(jīng)廣泛應用于諸多工業(yè)生產(chǎn)和家庭生活場景，諸如工業(yè)檢測、室內(nèi)導航、無人物流、移動機器人等領(lǐng)域。在這類應用中，系統(tǒng)通常利用超聲換能器發(fā)射一段調(diào)制信號，該信號經(jīng)過空氣或其他介質(zhì)傳播至目標并被反射，接收端通過分析回波信號與原始信號的時間差來推算傳播距離，從而實現(xiàn)測距或定位。超聲波飛行時間測量的經(jīng)典技術(shù)為互相關(guān)技術(shù)，該類技術(shù)采用對已知發(fā)射信號與接收信號互相關(guān)運算的方法來估計超聲信號的傳播時間，即通過對發(fā)射信號與接收信號進行互相關(guān)計算，確定其相關(guān)峰值位置以推算信號飛行時間。其中互相關(guān)結(jié)果的峰值位置即對應超聲信號的飛行時間。

2、公開號為cn1494874a的專利文獻公開了一種用于超聲波成像的分段線性調(diào)頻信號設(shè)計方法，其通過將線性調(diào)頻過程分為多個調(diào)頻段以提高成像質(zhì)量，但其主要應用場景為超聲波醫(yī)學成像，與本技術(shù)所涉及的超聲波定位領(lǐng)域存在技術(shù)差異。此外其所采用的分段線性調(diào)頻信號在不同段之間存在頻率和相位的不連續(xù)性，容易造成頻譜泄漏，影響信號壓縮性能；且各子段的幅度存在差異，進一步加劇了互相關(guān)計算中旁瓣的產(chǎn)生，因此這種方法不利于進行高精度定位。

3、互相關(guān)運算求存在對窄帶信號的適應性較差的問題：在采用窄帶信號時，由于信號的周期性結(jié)構(gòu)，互相關(guān)結(jié)果中往往存在多個虛假峰值，易導致飛行時間的誤判，進而降低測距的準確性。這一局限通常通過信號帶寬優(yōu)化解決，當采用線性調(diào)頻信號等具有寬頻帶特性的信號時，互相關(guān)技術(shù)的精度會隨信號帶寬增加顯著提升。線性調(diào)頻信號通過頻率變化賦予信號時域-頻域雙重特征，能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖壓縮，將信號能量集中到主瓣。但由于超聲收發(fā)器帶寬受限，在實際系統(tǒng)中脈沖壓縮效果常受限制，難以充分抑制旁瓣。尤其在多徑或多源信號干擾場景中，各通道線性調(diào)頻信號間互為噪聲，造成主峰識別困難，嚴重影響測距穩(wěn)定性與分辨能力，進一步削弱了測量的可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于變調(diào)頻速率的分段線性調(diào)頻超聲信號設(shè)計方法，以解決現(xiàn)有超聲測距和定位系統(tǒng)中傳統(tǒng)線性調(diào)頻信號在有限帶寬條件下，存在因相關(guān)旁瓣高導致抗干擾能力弱、誤判率高的問題。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，包括下列步驟：

3、（1）確定所生成信號的基本參數(shù)；

4、（2）設(shè)置各段信號頻率范圍，確定各段信號起始頻率fn-1及調(diào)頻速率kn；

5、（3）構(gòu)造完整的變調(diào)頻速率的分段線性調(diào)頻信號s(t)；

6、（4）計算所生成信號的相關(guān)運算旁瓣高度，使用梯度下降法調(diào)整步驟（2）中的起始頻率fn-1及調(diào)整信號的調(diào)頻速率kn，以降低旁瓣高度為目標進行迭代優(yōu)化，最終生成優(yōu)化后各段信號的調(diào)頻速率和旁瓣最低的分段線性調(diào)頻信號；

7、（5）使原分段線性調(diào)頻信號和新生成的信號組合成為多通道信號集合。

8、本發(fā)明所述步驟（1）確定所生成信號的基本參數(shù)包括：確定信號總持續(xù)時間t，信號起始頻率f0，信號總帶寬b，信號子段個數(shù)n。

9、本發(fā)明所述步驟（2）中對第n個子段，設(shè)置其起始頻率fn-1，終止頻率fn，使得每個子段的起始頻率與其上一個子段的終止頻率相同，首個子段的起始頻率為步驟（1）中所設(shè)信號起始頻率f0，調(diào)頻速率指的是信號的頻率變化率，第n個子段的調(diào)頻速率為kn=(fn-fn-1)/(t/n)。

10、本發(fā)明所述步驟（3）中根據(jù)確定的信號起始頻率fn和調(diào)頻速率kn，生成變調(diào)頻速率的分段線性調(diào)頻信號，各段信號間相位需連續(xù)從而避免頻譜突變、能量泄露或解調(diào)誤差，每段信號是一個線性調(diào)頻信號，其頻率隨時間線性變化，對于第n段信號，其瞬時頻率為：

11、

12、其中tn-1,tn為第n段信號的起止時間，tn=nt/n，由于相位為頻率的積分，故每段的相位為：

13、

14、其中是上一段終點處的相位，作為當前段的初始相位，由于首段信號沒有其對應的上一段信號，令首段信號的初始相位，即第一段信號起始相位為0，這使得信號相位隨時間變化連續(xù)，易于信號的生成與發(fā)射，根據(jù)信號相位積分所生成的變調(diào)頻速率的分段線性調(diào)頻信號s(t)，其表達式為：

15、

16、式中exp代表e指數(shù)運算，j為虛數(shù)單位，為各段信號窗函數(shù)其表達式為：

17、

18、為便于數(shù)字系統(tǒng)生成和處理信號，以采樣率fs=1mhz對信號s(t)進行數(shù)字化，得到離散信號s[k]，k=[1,2,…,k]，k為離散信號長度。

19、本發(fā)明所述步驟（4）中根據(jù)所生成離散信號s[k]生成其自相關(guān)運算結(jié)果：

20、

21、為離散信號在不同時間延遲下的自相關(guān)運算結(jié)果，為便于比較旁瓣高度對自相關(guān)運算結(jié)果進行歸一化，并給出旁瓣高度的定義為相關(guān)運算結(jié)果除其峰值外的最大值，得到歸一化旁瓣高度計算方式為：

22、

23、式中代表信號的旁瓣高度，代表信號主瓣范圍，調(diào)整每一段的調(diào)頻速率，等價于調(diào)制第n段的起始頻率fn-1，在帶寬與總時間固定的條件下進行優(yōu)化，設(shè)置目標函數(shù)與約束條件，從而運行梯度下降算法；

24、所述目標函數(shù)為?，代表不同頻率參數(shù)下根據(jù)步驟（3）所生成離散信號的旁瓣高度，其頻率參數(shù)約束條件為，保證優(yōu)化結(jié)果在系統(tǒng)確定的帶寬內(nèi)，為便于表示用形如的方式指代不同頻率參數(shù)的集合，t表迭代次數(shù)，信號初始頻率信號為，使用數(shù)值梯度近似法迭代更新該頻率信號，計算頻率信號中每個元素對應的信號梯度：

25、

26、并根據(jù)此梯度更新每段起始頻率：

27、

28、其中為學習率，其典型值為105可根據(jù)信號尺度進行調(diào)整，檢查信號收斂條件，若達到確定的最大迭代次數(shù)則終止迭代，根據(jù)迭代結(jié)果既優(yōu)化后的頻率參數(shù)生成信號及優(yōu)化后的旁瓣高度，得到隨優(yōu)化次數(shù)變化的旁瓣下降曲線，記錄此時的迭代結(jié)果，得到優(yōu)化后的頻率參數(shù)，繪制優(yōu)化后的頻率-時間曲線，對此頻率時間曲線按照步驟（3）生成優(yōu)化后的變調(diào)頻速率的分段線性調(diào)頻信號。

29、本發(fā)明所述步驟（5）中根據(jù)系統(tǒng)需要可對生成的分段線性調(diào)頻信號進行反褶信號，或按比率調(diào)節(jié)調(diào)頻速率的方式進行處理，生成同樣擁有較低自相關(guān)旁瓣的新信號，反褶信號為原始信號在時間軸上的翻轉(zhuǎn)，其定義如下：

30、

31、反褶信號與原始信號有完全相同的旁瓣高度，且反褶信號與原始信號的相關(guān)結(jié)果較低，使用于構(gòu)建兩個通道間互補配對信號組；當要求的通道數(shù)量更多時，通過等比調(diào)整調(diào)頻速率生成變種信號，調(diào)整信號的總持續(xù)時間t，設(shè)置縮放比例，使縮放后的持續(xù)時間，根據(jù)步驟（4）的迭代結(jié)果按照步驟（2）和步驟（3）生成，將，及其各自的反褶信號組合成為包含四個分段線性調(diào)頻信號的集合，即多通道信號集合。

32、本發(fā)明的優(yōu)點是通過在保持總帶寬不變的前提下，將整個調(diào)頻過程劃分為多個子段，每個子段采用不同的調(diào)頻速率，實現(xiàn)頻率調(diào)制規(guī)律的靈活調(diào)整，從而改善信號的互相關(guān)特性。與傳統(tǒng)線性調(diào)頻信號相比，本發(fā)明所設(shè)計的信號在互相關(guān)運算中具有更低的旁瓣能量和更高的主瓣峰值，有效抑制多徑干擾與相互串擾，顯著提升超聲系統(tǒng)的測距精度與可靠性，適用于多源定位、復雜環(huán)境感知等高精度測距應用場景。相較于傳統(tǒng)單一斜率的線性調(diào)頻信號，本方法所生成的信號在相關(guān)計算中旁瓣顯著降低，具備更強的抗干擾能力和更高的測距精度，尤其適用于室內(nèi)復雜環(huán)境下的高精度超聲測距與定位系統(tǒng)。為工業(yè)檢測、導航定位、智能設(shè)備等領(lǐng)域提供高性能的超聲信號解決方案，適用于多通道干擾環(huán)境下的高精度超聲定位系統(tǒng)。