基于双指数模型的超声定位算法及其应用研究

论文摘要

定位精度不高和对环境因素敏感等缺点限制了超声定位技术的应用领域和范围。本文以超声定位技术的实际需求为牵引,以克服超声定位技术的缺陷为目的,对超声信号的经验模型、实时超声定位算法以及算法的实际应用等内容进行了深入研究,具体包括(1)影响超声定位系统精度的主要因素,以及定位精度与系统参数和测量精度之间的定量关系;(2)超声信号TOF的常速度模型以及阈值法中整周期误差的消除算法;(3)采用双指数模型描述超声信号及双指数模型参数估计方法;(4)基于超声信号双指数模型的TOF实时估计算法;(5)多径环境下基于双指数模型的TOF估计算法;(6)基于双指数模型的定位算法在超短基线二维超声定位系统中的应用与实现。研究结果表明:与传统的混合指数模型相比,本文提出的超声信号双指数模型能够更细腻地刻划压电薄膜超声传感器产生的超声信号,为高精度超声定位算法研究提供了新的基础;提出的若干算法,从不同层面发挥了双指数模型的特性,在精度和实时性两方面都有良好的表现,为进一步研究与应用提供了参考。

论文目录

• 内容提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声定位技术的研究与发展现状
• 1.2.1 超声定位产品
• 1.2.2 超声定位系统的拓扑
• 1.2.3 超声定位系统中的测距技术
• 1.3 提高超声定位精度面临的主要问题
• 1.3.1 低成本高精度TOF 动态测量
• 1.3.2 环境因素的影响
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 超声定位系统精度分析
• 2.1 超声测距误差
• 2.1.1 同步误差
• 2.1.2 时间测量分辨力
• 2.1.3 声速
• 2.1.4 超声信号的信噪比
• 2.1.5 超声信号的衰落
• 2.1.6 多径效应的影响
• 2.2 运算过程中的误差传递
• 2.2.1 二维超声定位系统定位原理
• 2.2.2 TOF 误差传递分析
• 2.2.3 基线长度误差的影响
• 2.3 提高定位精度的措施
• 2.3.1 提高TOF 测量分辨力和精度
• 2.3.2 声速补偿
• 2.3.3 减小同步误差
• 2.3.4 提高安装精度
• 2.4 本章小结
• 第三章 动目标的常速度模型及阈值法中整周期误差的消除算法
• 3.1 超声定位电子白板系统中的整周期误差的影响
• 3.2 二维定位系统中目标运动常速度模型
• 3.3 消除整周期误差的最大似然方法
• 3.4 仿真分析结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 超声信号的双指数模型
• 4.1 超声信号模型
• 4.1.1 超声信号的高斯模型
• 4.1.2 超声信号的混合指数模型
• 4.2 实际超声信号的普罗尼分析
• 4.3 超声信号的双指数模型及参数确定方法
• 4.4 双指数模型与混合指数模型的对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于双指数模型的TOF 估计方法
• 5.1 基于双指数模型参数估计的TOF 估计算法
• 5.1.1 双指数模型参数线性最小二乘估计
• 5.1.2 相关滤波算法
• 5.1.3 关于参数估计算法的一点说明
• 5.2 基于双指数模型的互相关TOF 估计算法
• 5.2.1 相关函数的快速算法
• 5.2.2 提高TOF 估计分辨力的措施
• 5.2.3 与基于混合指数模型快速算法的比较
• 5.3 仿真分析与结论
• 5.3.1 基于参数估计的TOF 估计方法仿真
• 5.3.2 基于互相关的TOF 估计方法仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 多径环境下TOF 估计算法
• 6.1 电子白板系统中的多径现象
• 6.2 多径条件下TOF 估计方法
• 6.3 基于倒谱的TOF 估计算法
• 6.4 本章小结
• 第七章 基于双指数模型的超声红外定位系统的实现
• 7.1 系统结构
• 7.1.1 信号发射单元
• 7.1.2 信号接收及处理单元
• 7.1.3 系统实物及安装方式
• 7.2 定位算法的实现
• 7.2.1 TOF 初步估计
• 7.2.2 TOF 精细估计
• 7.2.3 红外干扰抑制算法
• 7.3 系统校准
• 7.3.1 接收器安装角度的校准
• 7.3.2 基线长度的校准
• 7.4 系统实验结果
• 7.5 本章小结
• 第八章 全文总结
• 8.1 主要内容及结论
• 8.2 主要创新点
• 8.3 下一步工作
• 参考文献
• 攻博士期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 摘要
• Abstract