基于调频连续波的室内人员定位技术研究

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随着物联网技术的发展,基于位置的服务和技术得到越来越广泛的应用,人们对定位和导航的需求迅速增长。由于目前常见的卫星定位技术在室内环境中无法实现精确的定位,室内定位技术的研究受到技术界和产业界的高度重视。2014年,美国麻省理工学院(MIT)Dina Katabi教授的研究团队提出了一种基于调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)反射的定位系统,利用室内电波的多径反射实现了高精度、免穿戴、可穿墙的室内人员位置跟踪,在学术界引起了广泛的关注。本文针对FMCW反射室内定位技术进行了深入的研究,围绕着降低多径和噪声干扰影响,提高定位精度的目标,开展了以下三方面的研究工作:首先,本文对基于FMCW反射室内定位跟踪技术的实现原理进行了分析,建立了基于FMCW反射室内人员定位系统的计算机仿真模型,并对系统进行了仿真研究。通过计算仿真发现,多径干扰和噪声对系统的性能具有重要影响,虽然利用背景消除算法可以消除静态多径干扰,但是动态多径干扰以及噪声的影响无法消除。此外,进一步的仿真分析发现,卡尔曼滤波可以有效地提高系统在噪声中的定位精度。为了减少室内定位系统中动态多径干扰以及噪声的影响,本文重点研究了FMCW反射的室内定位系统中直达路径回波信号的提取方法。通过分析高斯白噪声背景下的回波信号模型,设计了一种基于恒虚警概率(ConstantFalseAlarm Rate,CFAR)算法的信号检测方法。实验结果表明通过CFAR检测算法可以正确提取出定位目标人员引起的反射回波信号,有效地区分出噪声以及动态多径干扰成分。此外,仿真结果还表明对频域信号的连续平均可以有效的提高信噪比,提高回波信号的检测概率。最后,本文对定位系统中回波信号差频频率估算存在误差问题进行研究,提出了采用Rife频率校正算法修正离散傅里叶变换频率估计误差的方法,进一步提高了定位精度。仿真结果表明,在高斯白噪声背景下,相比于原始的估算频率,采用校正算法后估算频率具有较低的误差,测距准确度有较大的提升,可进一步提高系统定位的准确度。
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