[发明专利]基于双曲调频的胶囊内视镜的通信感知一体化设计方法

说明书

本发明公开了一种基于双曲调频的胶囊内视镜的通信感知一体化设计方法。在本发明中，采用两路相互类正交的上、下扫频HFM信号分别作为通信信号和感知信号，彼此之间干扰小，能够有效对抗人体信道的密集多径和多普勒；通信信号与感知信号相互叠加形成一体化波形，经接收机匹配滤波即可同时获得通信信息和感知信息，设备复杂度低，且节约硬件资源。本发明利用HFM信号特有的相关峰值时间偏移量与目标速度之间的确定性关系，接收机经简单计算得到胶囊的运动速度，不仅可以用于接收信号的多普勒补偿提高通信性能，还能用于胶囊位置的预测；另外，结合了时域补偿的TDoA定位方法，能够获得胶囊的准确三维坐标。

技术领域

本发明涉及超声探测、体内通信技术领域，具体涉及一种基于双曲调频的胶囊内视镜的通信感知一体化设计方法。

背景技术

胶囊内视镜是一种做成胶囊形状的内镜，用于检查人体肠胃道的仪器。它能进入人体，用于窥探人体肠胃和食道部位的健康状况。胶囊内视镜的实质是把摄像机缩小，植入食用胶囊，检测者吞服后，胶囊随胃肠肌肉运动沿消化方向运行，拍摄图像，再把图像传至检测者系于腰间的数据传输装置。在整个过程中，胶囊在体内的实时通信和定位尤为重要，这有利于确认异常部位的准确位置和预测胶囊在体内停留的时间。

为了提高检测者在检查时的舒适度，保证健康安全，提高装置的集成度能够减小设备体积，共用硬件资源能够降低设备复杂度，实现低功耗。近几年来，通信感知一体化系统的研究逐渐引起关注，该系统将原本独立的感知与通信系统集成到一起，共用一套硬件设备，实现目标探测与信息传输，相比于传统的感知与通信相互独立的系统，具有节约平台空间、降低平台能耗的优点。如果将通信和感知功能一体化技术运用到胶囊内视镜中，在将异常部位图片作为通信数据传回的同时携带感知信息，且二者共用相同的发送端和接收机，可以最大程度地减小设备体积，并且实现同时获得胶囊拍摄下的异常部位信息及其对应时刻在体内的实时位置和速度信息的功能，多普勒因子的估计值还可以对接收信号进行多普勒补偿，提升系统的通信性能。

目前用于胶囊内镜的位置感知方式有基于磁场的跟踪定位，例如：一种基于传感信号的胶囊内视镜姿态和位置感知设计；以及视觉定位技术，例如：一种基于深度网络模型的胶囊内镜位置信息获取的设计；以及基于射频的跟踪定位技术。利用磁场进行定位跟踪是目前较为常见的一种定位技术，但缺点是容易受到周围环境中其他磁场或者是其他磁性物体的干扰，适用的定位范围也比较小；视觉定位技术需要处理大量的图像信息，对于不同的场景要求不同的技术，算法复杂，所以定位的速度较慢，而且对技术的要求也很高；射频信号定位技术存在着在人体信道中吸收率高，功率过小，增大发射功率又会带来辐射危害、组织过热等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于双曲调频的胶囊内视镜的通信感知一体化设计方法，基于HFM信号的探测性能，设计全共享波形，实现高空间利用率、低能耗的胶囊内视镜实时体内通信及其在体内的位置、速度信息的同步感知。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于双曲调频的胶囊内视镜的通信感知一体化设计方法，采用感知、通信一体化波形，发送信号在通信数据传输的同时携带胶囊的感知信息，接收机同时完成胶囊的位置、速度信息获取和通信数据的解调，感知结果对接收信号的到达时间进行纠正，所述通信感知一体化设计方法包括以下步骤：

S1、生成发端一体化波形：由两路同频段、相互类正交的上、下扫频HFM信号分别作为通信信号和感知信号，其中通信信号采用连续发送的方式，感知信号则采用稀疏发送的方式，二者相互叠加后形成通信感知一体化波形后发出，实现通信感知一体化功能；其中，双曲调频(Hyperbolic Frequency Modulation)信号简称HFM信号；

S2、分离接收机感知信号：对接收信号与本地下扫频HFM信号构造的匹配滤波器进行脉冲压缩处理，获取脉冲压缩输出的相关峰值，获得对应时刻的感知信息，实现感知信号分离；