IR-UWB系统结合曲线拟合方法用于地下目标检测

⃝−可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 6（2020）348www.elsevier.com/locate/icteUWB系统结合曲线拟合的异质环境下地下目标检测Nguyen Thi Huyena，Duong Duc Haa，Pham Thanh Hiepb，a越南河内Le Quy Don技术大学无线电电子工程学院电路理论-测量系b越南河内Le Quy Don技术大学无线电电子工程学院无线技术系接收日期：2020年5月4日;接受日期：2020年2020年8月3日网上发售摘要提出了一种利用无线电脉冲超宽带（IR-UWB）、跳时脉位调制（TH-BPSK UWB）、二进制相移键控（TH-BPSK UWB）系统和最小二乘曲线拟合（LSCFM）相结合的方法来提高非均匀环境下地下目标定位精度的新方法。通过仿真验证了解析表达式的正确性，并将定位误差作为系统性能的评估指标。数值结果表明，该方法具有较高的精度比 传统的那些。c2020年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：IR-UWB; TH-BPSK UWB; TH-PPM UWB;埋地目标;曲线拟合法1. 介绍地下或非破坏性结构中的埋藏物定位系统在现代生活中起着重要作用。已经开发了用于定位埋地管道的各种检测技术，例如探地雷达- GPR [1]、金属检测[2]、声波透射法[3]。这些方法可以探测金属或非金属埋地管道的位置，但受环境特性、噪声影响较大，且不能确定波速。随着超宽带（UWB）技术的发展，UWB技术具有很高的分辨率，是在无损环境下对地下目标进行定位的理想方法之一。[4]中提出的基于接收信号强度指标- RSSI的定位方法，可以确定目标的环境属性和形状，但这些参数是在假设传播介质是均匀的情况下确定的。与RSSI方法不同，利用传播时间可以确定环境的相对介电∗ 通讯作者。电子邮件地址： phamthanhhiep@gmail.comP.T. Hiep）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2020.06.006在接收器处从相关函数计算。为了提高异构环境下的走时确定精度，本文提出了一种利用脉冲移位一定时间的UWB技术结合LSCFM实现异构环境下多目标定位的方法。其余的文件组织如下：第2节描述了系统模型及其参数;所提出的方法在第3节;第4节提出的数值结果和第5节结束的文件。2. 系统模型图1中示出了非破坏性环境中的定位系统。传输介质有两层，其相对介电常数分别为ε1和ε2。所发射的信号是UWB脉冲，表示为s（t），并且从第一掩埋对象反射，表示为r（t）。s（t）至两层之间的界面被部分反射，表示为A. r（t），其余部分通过界面并从第二对象反射，由（1A）r（t）表示。通过水平参数Zob和埋深dob确定了各埋藏目标的位置。采用IR-UWB、TH-BPSK和TH-PPM UWB信号作为发射信号。IR-UWB2405-9595/2020韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。N.T. Huyen，D. D.哈和PTHIEP/ICT Express 6（2020）348349∑√∑NpX联系我们联系我们−}=2Fig. 1. 系统模型。信号的形式为[5]：NpsI R（t）=Pg（t-iTr），（1）i=0时图二. 超宽带信号的形状与T r= 5 ns，Tc= 0。TPPM=0 ns0的情况。15 ns，αp= 0。2877 ns。TH-BPSK和TH-PPM UWB具有形式[6]：NpsBPSK（t）= P di g（t-iTr-ci Tc），（2）i=0时sPPM（t）=<$P∑g（t−i Tr−ci Tc−di TPPM），（3）TH-PPM UWB [6]。由τ表示的行进时间由R（x）的最大值计算：τ=x val=Arg max {R（x）}。（九）系统中的传播速度为[8]i=0时其中t是时间，P是发射功率，Np是发射脉冲的数量，g（t）是具有脉冲宽度Tp的信号脉冲; Tr 是脉冲的重复周期;对于TH-BPSK UWB信号，di1， 1;对于TH-PPM UWB信号，di0，1;Tc是TH码片宽度，TPPM是与PPM信号相关联的时移。本文所用的信号脉冲是基本高斯脉冲的导数，称为n阶高斯单周期脉冲：CVi=εi，（10）其中，εi是第i层的相对介电常数，c3 .第三章。108 m/s是真空环境中的光速。设备到埋地物体的距离l1=1V1τ1，（11）1l2=τl2+ D1=V2τ2+ D1。（十二）g（t）=Bdne−2π（t）2（四）二n npdtnαp、其中αp是时间归一化因子，Bnp是gn（t）的归一化能量。图1给出了一个具有二阶高斯单周期的IR-UWB、TH-BPSK、TH-PPM UWB信号的例子。 2对于图1所示的系统模型，图1中第一个埋地体、界面和第二个埋地体的接收信号。 1具有以下形式：r1（t）=A1s（t−τ1）+n1（t），（5）r21（t）=A1A21s（t−τ21）+n21（t）（6）r22（t）=A2（1−A21）s（t−τ22）+n22（t）;（7）其中A1、A2分别是具有层1和层2的环境的衰减因子;A21是来自两层之间的界面的反射因子;并且n（t）是加性高斯白噪声。使用相关函数计算通过行进时间∫∞R（x）=−∞r（t）ω（t-x）dt。（八）350N.T. Huyen，D. D.哈和PTHIEP/ICT Express 6（2020）348=：NNp3. 确定行程时间和定位方法3.1. 确定旅行时间走时的大小对地下目标位置的估计有很大的影响。为了提高行程时间估计的精度，本文提出了一种新的行程时间估计方法，移动传输脉冲的能力因此，让我们考虑具有重复周期Tr的Np个发射脉冲的序列，第n个脉冲移位时间常数n <$T（n1Np），其中：Trn=Np，（13）因此，在Eq.（1）形式：sIRs（t）=<$P∑g（t−i Tr−i Tr），（14）i=0时ω（t）是接收器处的模板信号，其为g（t），其中UWB-IR，TH-BPSK UWB [7];和g（t）-g（t-TPPM）以及类似形式的TH-BPSK、TH-PPM信号。旅行-扫描时间根据以下相关值确定：N.T. Huyen，D. D.哈和PTHIEP/ICT Express 6（2020）348351∑1∑1（d）=M∑=+Np脉冲如下：NpτNp i=0时τi=NpNp i=0时精氨酸最大值X∞ri−∞（t−iTrNpω（t-x）dt，（十五）其中ri（t）是第i个脉冲的接收信号。利用从设备到被埋物体的行进时间的估计值3.2. 定位方法在图1中，为了定位被埋物体“T1”和“T2”的位置参数ε1、Zob1、dob1;D1;ε2、Zob2、dob2基于行进时间值τ1、τ0、τ2和设备的位置ZDe来估计。系统参数之间的关系用以下等式图三. 分析了IR-UWB系统中接收信号的相关波形。 1、设备的不同位置。表101 -02 -03 -2001（2OB1+（Z Dei−Zob1）2）模拟参数。τ1i=2c√，（十六）τ0=2D1ε1，（17）C√ε22OB2+（ZDei -Zob2）2）τ2 i=τ0+ 2c。（十八）其中ZDeii Z是第i次移动时设备的位置。使用LSCFM [9]计算未知参数（19）和（20）达到最小值。E1=∑[τ1i−f1（Z Dei）]2;（ 19）在相对于θ的零梯度处有最小值，因此θ可以确定满足：[JT J+λdiag（JT J）]θ=JT[τ−f（ZDe）];（21）其中J是雅可比矩阵，其第i行等于：n（Z，X）i=1MJi=DeiX.（二十二）E2=[τ2i−f2（ZDei）]2;（20）i=1其中M是收发器的移动次数，f1（ZDei）、f2（ZDei）是等式的右手侧。 （16），（18）.在方程式中，在公式（19）、（20）中，E1是变量ε1、Zob1、dob1的函数，E2是变量ε2、Zob2、dob2的函数;这些变量被称为ε、Zob、dob。此外，正如所见，在图3和Eqs. （16）、（17）当设备移动时，D1的值以及因此τ0的值是恒定的，因此利用ε1和τ0的估计值，完全确定D1 通过以下步骤确定未知向量X（ε，Zob，dob步 骤 1 ： 初 始 化任 何 值; 检 查 方程 中 的 约 束 条件 。（19）、（20），如果为假，则执行步骤2-更新参数，否则，停止算法。步骤2：用新的参数向量（Xθ）替换参数向量，其中θ是更新的步长向量，并且计算等式2中的偏差函数（19），（20）.偏差函数∫）D=参数符号值脉冲宽度PW0.7 ns脉冲重复周期Tr0.2 ns时间归一化因子Tp0.2877毫微秒PPM时移TP P M0.15 ns码片时宽Tc0.9 ns的脉冲Np100器械移动步骤Z10厘米352N.T. Huyen，D. D.哈和PTHIEP/ICT Express 6（2020）348=ZDe是一个向量，其第i个元素是ZDei，在每次迭代时调整因子λ（非负）如果E（E1，E2）迅速减小，可以使用更小的λ值，而λ可以增加。步骤3：更新的步长向量计算如下。θ=[J T J+λ diag（J T J）] −1J T [τ − f（Z De）]。（二十三）该算法重复步骤2和3，直到方程2中（19）、（20）满足。得到了系统参数的估计值，即最佳拟合曲线。4. 数值结果和比较根据第3节，我们观察到，可以使用LSCFM基于行进时间来计算埋地物体的位置和环境的相对介电常数。 本文的所有数值计算结果都用Matlab进行了计算，并将计算值与实际值进行了比较，N.T. Huyen，D. D.哈和PTHIEP/ICT Express 6（2020）348353==ˆ1表2估计结果。参数真正价值偏移估计值TH-BPSK-UWBε1，ε22.5，4.52.3415，4.2387D10.4 m0.4153米见图4。分析了IR、TH-BPSK、TH-PPM超宽带系统和本文提出的系统的估计值误差。常规方法。在表1中列出了使用第二高斯单周期的示例UWB系统的参数。仿真模型如图所示。1.一、首先，在相对介电常数为ε 2的均匀环境中，通过确定设备到埋地物体的距离，对UWB系统进行了比较。5.埋地物体在d方向上移动0-1米的距离传统的IR，TH-BPSK，TH-PPM UWB和建议系统的性能如图所示。 四、结果表明，在相同的系统参数下，TH-BPSK、PPM超宽带系统的误码率小于IR-UWB系统，而移时系统的误码率优于传统系统，移时系统的平均相对误码率分别为1.9%、2.6%和3.2%，而传统IR-UWB、TH-PPM超宽带、TH-BPSK 系 统的 平 均 相对 误 码 率分 别 为4.8%、 4%和3.5%。这 些结果 可以从 方程 解释。（ 1） 、（2 ）、（3）、（14）、（15），当UWB脉冲被跳时码调制时，根据TH码对接收脉冲的检测优于IR系统; BPSK对极调制脉冲也提供更好的PPM检测。此外，发射的脉冲被移位一定的时间（i. Tr/NP），这使得传播时间的确定更精确，因为通过移动脉冲，在接收到的脉冲序列中存在具有最接近真实传播时间值的传播时间的脉冲。为了确定埋地物体的相对介电常数和位置，收发器在每次移动时从位置0沿Z轴方向（如图1所示）移动。图五. 利用该方法估计出了旅行时间随收发机位置的变化曲线。图六、 用所提出的方法估计埋藏物的位置。步长为10 cm，发射Np个脉冲序列，接收反射信号，计算来自对象“T1”、界面D 1和对象“T2”的信号的传播时间表2，图5和图6显示了模型参数的估计结果，表2仅显示了图5和图6中未直观显示的估计值。六、计算了参数ε1，Zob1，dob1首先根据τ0和ε确定D1，然后用τ0，τ2确定参数ε2，Zob2，dob2。图图5示出了Eq.对于第一埋藏物体（“T1”），图6示出了观察到，类似于图中所示。4.在比较的系统中，移相TH-BPSK的估计精度最高。5. 结论本文提出了一种利用时间偏移脉冲和超宽带系统中的LSCFM对异质环境中的地下目标进行定位的方法。分析表明，在IR-UWB、TH-BPSK和TH-PPM UWB系统中，该方法可以提高对地下目标的定位精度。这些系统的性能是根据354N.T. Huyen，D. D.哈和PTHIEP/ICT Express 6（2020）348TH-BPSK超宽带系统的定位精度优于其它具有二阶高斯单周期的系统。该方法同样适用于任意阶数的UWB系统的定位应用。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作引用[1] Abolfazl Saghafi，利用探地雷达数据的功率谱密度进行实时目标检测，结构控制健康监测。26（6）（2019）.[2] Yogadhish Das，土壤电磁特性对金属探测器的影响，IEEE Trans. 地球科学远程传感器44（6）（2006）1444[3] 刘英，达瑞尤什·哈比比，柴道生，王秀明，陈浩，高艳，李帅勇，地下管线声学定位方法综述，应用科学，多学科综合。数字。 Publ.Inst. 10（3）（2020）1031.[4] Nguyen Thi Huyen，Pham Thanh Hiep，RSSI在使用超宽带技术的探地雷达中的应用，载于：2018年国际通信先进技术会议（ATC），2018年，pp. 137[5] Zafer Sahinoglu，Sinan Gezici，Ismail Guvenc，超宽带定位系统，剑桥，纽约，2008年。[6] MoE Z.罗伯特·温 Scholtz，用于无线多址通信的超宽带跳时扩频脉冲无线电，IEEE Trans. Commun. 48（4）（2000）679[7] 放大图片作者：John M. Chugg，干扰UWB多址脉冲无线电的影响的理论研究，在：第36届Asilomar信号，系统和计算机会议记录，卷。1，IEEE，2002，pp.728-732。[8] 欧文·M高立，实用射频功率设计技术，Tab Books，1993年。[9] K. Molugaram，G.S. Rao，运输工程的曲线拟合统计技术，2017年，第100页。281-292.