基于PSO优化随机共振阵列的低信噪比射频测距方法及系统

本发明涉及射频载波相位测距领域，尤其涉及一种基于pso优化随机共振阵列的低信噪比射频测距方法及系统。

背景技术：

1、射频载波相位测距能够利用载波相位实现高分辨率距离估计，适用于长度测量、工业传感、封闭空间定位和弱信号测距等场景。该类方法通常需要从接收信号中稳定提取载波相位，再通过多频相位差、合成波长或整周模糊度解算获得绝对距离。

2、在远距离传输、遮挡衰减、接收链路噪声较强或硬件通道存在非理想特性的情况下，目标通道中的弱周期载波分量容易被噪声淹没，导致相位抖动、相位跳变和频点间相位差不稳定。由于载波相位本身具有周期性，一旦粗伪距不可靠，后续整周模糊度解算容易选错候选距离，最终产生米级甚至更大的绝对距离偏差。

3、现有低信噪比处理方法例如小波阈值降噪wtd、变分模态分解vmd等，通常从信号滤波或模态分解角度削弱噪声，但其参数选择对接收信噪比、硬件噪声颜色和频点位置较敏感。在严重低信噪比条件下，上述方法可能不能充分恢复与载波同步的弱周期分量，也难以兼顾多频相位一致性和后续模糊度解算可靠性。

4、随机共振是一种利用非线性系统和适当噪声增强弱周期信号的技术。若直接将随机共振用于载波相位测距，非线性势阱、噪声扰动和数值积分过程可能引入额外相位响应，使增强后的信号幅度改善但相位信息不一定准确。

5、因此，需要一种使非线性增强后的信号仍能输出可用于精密测距的准确相位观测的方法。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是低信噪比下直接使用随机共振非线性增强时，增强过程可能改变信号相位响应；目标通道弱载波虽被放大，但相位仍受非线性系统、硬件链路和固定偏置影响，难以作为精密测距相位。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于pso优化随机共振阵列的低信噪比射频测距方法，包括：

3、获取多个频点下的参考通道信号和目标通道信号，对所述参考通道信号和目标通道信号进行下变频和数字化处理，得到各频点对应的参考通道含噪基带复序列和目标通道含噪基带复序列，并通过零基线标定获得各频点对应的固定偏置；

4、基于粒子群优化算法对随机共振模型的参数进行优化，以模板信号和含噪接收信号作为输入，并以所述模板信号与随机共振输出之间的相关性或相干性作为适应度指标，获得随机共振模型的优化参数；

5、针对各频点，根据频点尺度对所述随机共振模型的参数进行适配，将对应频点的目标通道含噪基带复序列输入多个并行随机共振支路，各并行随机共振支路加入相互独立的噪声扰动并进行随机共振处理，得到多路随机共振增强输出；

6、对同一频点的多路随机共振增强输出进行矢量平均和正交解调，形成目标通道复相量，并根据所述目标通道复相量的相位、对应频点的参考通道复相量的相位以及所述固定偏置进行相位补偿，获得多个频点对应的净化载波相位；

7、根据至少两个频点对应的净化载波相位之间的相位差以及对应的合成波长确定合成波长伪距；

8、将所述合成波长伪距作为距离先验，在候选距离范围内，根据各候选距离对应的多频理论相位与所述净化载波相位之间的相位残差以及候选距离相对于所述距离先验的偏差构建最大后验概率联合代价，并根据所述最大后验概率联合代价确定整周模糊度和绝对距离。

9、本发明提出参考通道与目标通道协同的非线性相位补偿机制：对增强后的目标通道形成复相量，同时利用参考通道复相量和零基线标定偏置进行相位差补偿，获得与待测距离相关的净化载波相位。

10、参考通道与目标通道处于同一外部时钟、同一下变频和采样链路下，二者包含公共本振、采样时钟、固定硬件相位和部分非线性处理相位响应。通过目标相位减去参考相位并扣除零基线偏置，可以抵消与距离无关的公共相位项，使随机共振非线性系统输出的相干分量转化为准确的传播相位观测。

11、在保留随机共振弱信号增强能力的同时，避免非线性增强导致相位不可用的问题；提升多频相位点稳定性，为合成波长伪距和map整周模糊度解算提供可靠输入。

12、进一步地，所述随机共振模型为双稳态随机共振模型，所述随机共振模型的参数包括势阱参数a、势阱参数b和积分步长h；

13、所述粒子群优化算法将所述势阱参数a、势阱参数b和积分步长h作为粒子位置，在预设参数范围内迭代更新粒子速度和粒子位置，并根据所述适应度指标确定最优参数向量。

14、随机共振系统参数a、b和积分步长h对噪声水平、信号频率和硬件接收状态敏感，人工经验参数难以兼顾不同信噪比和不同频点。本发明采用粒子群优化pso驱动随机共振参数自适应搜索，将势阱参数a、b和数值积分步长h作为粒子位置，根据模板信号与随机共振输出的相关程度确定最优参数向量。

15、pso在预设可行域中迭代更新粒子速度和位置，以相干性或相关性指标作为适应度函数，自动寻找能够最大化弱周期载波相干成分的参数组合，从而使随机共振系统匹配当前硬件噪声和信噪比状态。

16、本发明降低人工调参依赖，提高不同低信噪比条件下的处理一致性；使随机共振增强从经验设置转为数据驱动优化，增强工程可重复性。

17、进一步地，所述粒子群优化算法的粒子数为60，最大迭代次数为80，学习因子c1和c2均为1.7，惯性权重由0.85递减至0.35；

18、所述势阱参数a和势阱参数b的取值范围为[1×10^-4，8]，所述积分步长h的取值范围为[0.01，0.60]；

19、当所述适应度指标连续预设轮次未提升时，提前终止粒子群优化过程并输出所述最优参数向量。

20、进一步地，针对不同频点分别进行频率尺度映射，使不同频点对应的信号适配于随机共振处理尺度；

21、每个频点对应多个并行随机共振支路，各并行随机共振支路加入相互独立的噪声扰动，并通过数值求解langevin方程获得随机共振增强输出；

22、对各并行随机共振支路的随机共振增强输出进行矢量平均，以抑制非相干扰动并保留与载波同步的相干分量。

23、单路随机共振输出受随机扰动和数值求解初值影响，可能出现残余相位抖动；多频信号频率尺度不同，统一参数处理容易造成增强不均衡。本发明构建带频率尺度映射的并行随机共振阵列，对各频点信号分别进行尺度适配；每个频点设置多个独立噪声扰动支路，并对支路输出进行矢量平均和正交解调。

24、本发明中频率尺度映射将不同频点的高频载波适配到适合随机共振处理的尺度；多个并行sr支路的独立扰动使非相干噪声在矢量平均中被抑制，而与载波同步的相干成分得以保留，正交解调进一步形成可计算相位的复观测。

25、本发明提升弱周期载波恢复质量，抑制随机分支带来的相位跳动；得到更稳定的八频点相位观测，减少后续伪距发散。

26、进一步地，每个频点对应16个并行随机共振支路，各并行随机共振支路采用四阶runge-kutta方法求解langevin方程。

27、进一步地，所述参考通道和目标通道使用同一外部参考时钟进行同步采集，所述参考通道用于提供公共相位基准，所述目标通道用于获取经过待测路径后的信号；

28、所述净化载波相位通过将所述目标通道复相量的相位减去对应频点的参考通道复相量的相位，并扣除所述固定偏置获得。

29、进一步地，从所述多个频点中选取至少一个频点对，根据所述频点对对应的净化载波相位之差确定拍频相位，并结合所述频点对对应的合成波长确定合成波长伪距；

30、以所述合成波长伪距为中心建立候选距离范围，对候选距离范围内的各候选距离计算各频点对应的理论相位；

31、根据所述理论相位与对应的净化载波相位之间的环形相位残差以及候选距离偏离所述合成波长伪距的程度确定所述最大后验概率联合代价，并通过全局网格搜索确定联合代价最小的候选距离，将其作为所述绝对距离，并确定对应的整周模糊度。

32、载波相位具有周期模糊性，低信噪比下单频或直接相位测距易出现整周模糊度误判；传统粗伪距在严重噪声下可能发生米级偏移。本发明将多频载波相位组合形成合成波长伪距，并将该伪距作为先验约束引入map联合代价最小化和全局网格搜索，联合求解整周模糊度和绝对距离。

33、本发明相邻或选定频点对的相位差对应较长合成波长，可形成粗距离锚点；map搜索同时比较候选距离的多频环形相位残差和伪距先验偏差，从全局候选网格中选择联合代价最小的距离点。

34、本发明缩小候选距离范围并降低错误整周被选中的概率。在-20 db至0 db硬件重放条件下，本方法的平均伪距误差降低至0.38 m至0.93 m，优于wtd和vmd的1.43 m至3.86m范围，最终有利于毫米级绝对距离输出。

35、第二方面，本发明提出了一种基于第一方面所述方法的pso优化随机共振阵列的低信噪比射频测距系统，包括：

36、射频采集模块，用于获取多个频点下的参考通道信号和目标通道信号，并对所述参考通道信号和目标通道信号进行下变频和数字化处理，得到参考通道含噪基带复序列和目标通道含噪基带复序列；

37、pso驱动参数优化模块，用于以模板信号和含噪接收信号作为输入，基于粒子群优化算法对随机共振模型的参数进行优化；

38、并行随机共振阵列模块，用于针对各频点进行频率尺度映射，并利用多个加入相互独立噪声扰动的随机共振支路对目标通道含噪基带复序列进行随机共振处理，对各随机共振支路的输出进行矢量平均和正交解调形成目标通道复相量，并根据对应频点的参考通道复相量和零基线标定获得的固定偏置进行相位补偿，得到多个频点对应的净化载波相位；

39、伪距计算模块，用于根据至少两个频点对应的净化载波相位的相位差及对应的合成波长确定合成波长伪距；

40、map模糊求解模块，用于以所述合成波长伪距作为距离先验，根据多频相位残差和候选距离相对于所述距离先验的偏差进行最大后验概率联合代价计算和全局搜索，以确定整周模糊度和绝对距离。

41、第三方面，本发明提出了一种电子设备，包括处理器、存储器和射频采集接口；

42、所述存储器中存储有程序指令；

43、所述处理器执行所述程序指令时，实现第一方面所述的低信噪比射频测距方法。

44、第四方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使所述处理器执行第一方面所述的低信噪比射频测距方法。

45、技术效果

46、本发明引入参考通道相位补偿、零基线偏置校正、pso自适应参数优化、并行随机共振阵列和map整周模糊度解算，使非线性增强后的信号仍能输出可用于精密测距的准确相位观测。

47、本发明具有明确的工程实用性。硬件侧仅需具备双通道射频采集能力和统一外部参考时钟，可由usrp b210等双通道软件无线电设备或其他多通道射频接收平台实现；软件侧主要包括pso参数搜索、随机共振阵列数值求解、相位补偿、多频伪距计算和map网格搜索，均可在通用处理器、嵌入式处理器、gpu或fpga/cpu协同平台上实现。

48、本发明适合部署于低信噪比射频测距、长线缆长度标定、弱回波链路测距、工业现场射频传感、复杂电磁环境下的相位测距和硬件在环测距验证系统。与单纯滤波降噪方法相比，本方案利用随机共振的非线性增强能力恢复弱周期载波，并通过参考补偿保证相位可测，特别适用于传统wtd、vmd等方法出现伪距发散的场景。

49、从性能指标看，在-20 db严重低信噪比条件下，四组2 mhz合成波长频率对中，pso-sr阵列将伪距误差降至1.50 m、1.13 m、2.38 m和1.94 m；相对于wtd降低64.0%至77.2%，相对于vmd降低66.0%至81.6%。在-20 db至0 db范围内，本方案平均伪距误差为0.38m至0.93 m，能够为map整周模糊度解算提供可靠先验。

50、本方案不限定具体射频设备型号、频点数量、频点间隔、并行sr支路数量或pso粒子数，能够根据处理资源和测距精度需求扩展。其产业化价值体现在提升低信噪比测距可靠性、降低硬件发射功率或链路信噪比要求、减少人工参数调试成本，并可作为现有相位测距系统的软件增强模块进行集成。

51、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。