CN102495392B - 高精度测量脉冲到达时间的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种高精度测量脉冲到达时间的方法，包括：测量单一有效脉冲幅度的固定比例为固定门限；根据自适应门限来确定脉冲初始到达时间；采用差值测时的方法获得脉冲到达时间偏差，从而得到单一脉冲到达时间；将同一框架内所有有效单一脉冲的到达时间的平均作为该框架的最终到达时间。本发明还公开了一种该方法中使用的装置，包含在装有4片TigerSharc201DSP（DigitalSignalProcessing，数字信号处理）处理器的插件中。本发明的优点在于：提供机场地面及附近空域中目标应答信号到达各接收站精确的到达时间且单站测时精度优于1ns，实现机场区对飞机的精确定位和识别，改善繁忙机场的场面监视能力，提高机场的安全性。

Description

高精度测量脉冲到达时间的方法和装置

技术领域

本发明涉及分布式雷达领域测量飞机或机场地面汽车等目标中应答器发出的脉冲串信号到达各接收站到达时间的一种新型自适应高精度测量方法和实现装置。

背景技术

机场场面监视系统MDS（Multi-static Dependent Surveillance of the AirportSurface，多基站相关监视的机场场面）就是通过多点定位技术探测目标的空间位置，提供机场地面及附近空域中各目标的位置，为机场管理提供保障。通过布置在机场附近的各传感器（远端单元）捕获飞机（车辆）的应答信号，测量到达时间，并在中心站利用多站TOA（Time Of Arrive，到达时间）时差定位目标。MDS系统在机场场面监视中有广阔的应用前景，MDS系统的机场能得到广泛应用主要取决于它的定位精度，作为影响多点定位精度的多站脉冲到达时间测量方法尤为重要。

目前采用的脉冲到达时间测量通过测量框架脉冲中第一个脉冲前沿初始到达时间加脉冲偏差时间获得（以下所有实现均以100MHz采样率，20MHz抽样为准则）。具体实现为：第一门限、第二门限检测处理采用20MHz的抽样率，即经过门限处理后，框架第一个脉冲的过门限采样点时间定为初始到达时间（最小单位为50ns），可以采用逐次临近法进行优化测得脉冲偏差时间，使得脉冲到达时间精度到达10ns。如图1所示，求得框架脉冲第一个脉冲过门限脉冲幅度均值

后，以100MHz采样率取过门限第一个数值X左右各四个采样点幅度值与过门限幅度均值

逐个进行比较。当幅度均值落在某两个采样点幅度之间，且与某个幅度值更为接近时，则以此采样点时间与初始采样点时间T之间的偏差作为脉冲偏差时间。以图1为例，当幅度落于采样点X3与X4之间，且

幅度与X3幅度更为接近，脉冲到达时间为T+△t；假如

幅度与X4幅度更为接近，则脉冲到达时间为T+2△t。从上所述，目前脉冲到达时间通过测量脉冲前沿初始到达时间加脉冲偏差时间方法获得，脉冲偏差时间采用逐个采样点幅度临近比较法，取与其幅度均值较为接近采样点时间作为脉冲偏差时间，最大精度为10ns。

由图2可以看出，当应答信号首个过门限脉冲幅度均值

落于与幅度X1与X2之间，且与X2幅度更为接近，则X2距离初始到达时间采样点的偏差时间，即为脉冲偏差时间。采用此方法获得脉冲偏差时间△t，由于存在量化误差

且当t2-t1=10ns时，脉冲到达时间量化误差达到2.89ns，对目标定位精度影响很大，因此根据上述存在的问题，需要需求适合的脉冲到达时间测量方法获取更精确的到达时间。

以民航飞机为例其应答脉冲上升沿的宽度为50ns~100ns；不同强度的目标应答脉冲的测时需要自适应的测时方法，否则带来的误差是致命的。脉冲信号的多种混叠加重了高精度测时的难度，脉冲进入系统后会出现拖尾现象，影响测时。考虑上述多种因素的影响，如何精确测量应答信号的到达时间以满足多点定位系统高精度定位的需要是分布式场监雷达需要攻克的技术难点之一。若采用传统的测时方法要达到1ns的单站测时精度必须采样率达到1000Mhz以上，这会大大增加设备量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种高精度测量脉冲到达时间的方法，能够实现较少的设备量，较低的采样率情况下实现高精度的目标定位并具有较强的抗干扰能力，在使用本方法研制的多点定位机场场面监视系统中获得了优于1ns的测时精度及优于1m的场面定位精度。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种上述高精度测量脉冲到达时间的方法中使用的装置。

本发明采用以下技术手段解决上述技术问题之一：一种高精度测量脉冲到达时间的方法，包括以下步骤：

第一步：测量单一有效脉冲幅度的固定比例为固定门限，此门限为根据脉冲输入幅度不同而自适应生成的不同的门限；

第二步：根据自适应门限来确定脉冲初始到达时间；

第三步：采用差值测时的方法获得脉冲到达时间偏差，从而得到单一脉冲到达时间；

第四步：将同一框架内所有有效单一脉冲的到达时间的平均作为该框架的最终到达时间，所述第一步中，当输入信号为求模取对数的幅度信号时，采用脉冲幅度均值减固定门限的方法进行门限检测。

假设过门限脉冲顶端幅度均值减去固定门限所获得的脉冲前沿时刻幅度为设对应的时间为t，脉冲前沿时刻t落于采样点时刻t1、t2之间，A1、A2为t1、t2时刻的100MHz采样幅度值，

$\frac{A2-A1}{t2-t1}=\frac{\stackrel{\‾}{S}-A1}{t-t1}---\left(1\right)$

由式（1）得脉冲前沿时刻t：

$t=\frac{\stackrel{\‾}{S}-A1}{A2-A1}*(t2-t1)+t1---\left(2\right).$

进一步的：

所述第一步适用于输入IQ信号时的门限检测。

本发明采用以下技术手段解决上述技术问题之二：

一种所述的高精度测量脉冲到达时间的方法使用的装置，包括：DSP1、DSP2、DSP3、DSP4、flash、SDRAM、PMC背卡，所述DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均相互联系，且DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均连接到系统总线，其中DSP1连接到CPCI接口，DSP2、DSP3同时连接到stratixⅡFPGA，DSP4通过PMC背卡连接到stratixⅡFPGA，flash、SDRAM、stratixⅡFPGA均连接到系统总线，stratixⅡFPGA同时连接到D/A转换器及CPCI接口。

进一步的：

所述DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均为TigerSharc201。

DSP1主要完成脉冲检测，主要运算量在于脉冲检测的第一门限处理及自适应到达脉冲固定比例门限产生；

DSP2为完成脉冲检测第二门限处理及采用差值测时法计算脉冲偏差时间；

DSP3为进行应答码编码检测，应答信号解码处理，提取脉冲沿的时间信息；

DSP4为完成多站所匹配的应答码进行到达时间多脉冲平均生成高精度脉冲到达时间和数据包处理，满足数据格式要求，把数据传送到下一级。

本发明的优点在于：提供机场地面及附近空域中目标应答信号到达各接收站精确的到达时间且单站测时精度优于1ns，实现机场区对飞机的精确定位和识别，改善繁忙机场的场面监视能力，提高机场的安全性，具体为：

⑴在同样采样率、同样设备量的条件下，原检测方法测量精度约10ns，而采用本发明所采用测量方法测量精度可以在1ns以内。

⑵在框架内第一个脉冲信号噪比下降后或者干扰信号比较强的情况下，本发明表现出里很高的抗干扰性能。

⑶该脉冲到达时间测量方法的实现装置是基于通用DSP，具有很高的运算能力，使系统设计软件化，为系统设计的不确定性提供了可修改的环境。32bit浮点处理，可以满足系统对处理精度和数据动态范围的要求，定点硬件处理难以做到这一点。

附图说明

图1为现有逐次临近法脉冲到达时间测量示意图；

图2为现有脉冲偏差时间测量示意图；

图3为输入IQ信号的自适应门限检测示意图；

图4为输入求模取对数值的自适应门限检测示意图；

图5为差值测时法示意图；

图6为脉冲包络的视频信号；

图7为脉冲到达时间测量方法比较示意图；

图8为四片TS201数据流程示意图；

图9为四片TS201板硬件结构图。

具体实施方式

本发明公开了一种高精度测量脉冲到达时间的方法和装置，具体的说：为了解决各远端站因接收到脉冲幅度不同，而引起固定门限带来的脉冲到达时间测量误差，采用自适应门限的方法提高测时精度，即采用脉冲幅度的固定比例为门限，确定脉冲到达时间。由图3可以看出，即使脉冲幅度不同，脉冲幅度的固定比例时间仍在同一时间点t上，脉冲到达时间测量不受脉冲幅度影响。

以上方法适用于输入IQ信号时的门限检测。由于本系统输入信号为求模取对数后的幅度信号，脉冲幅度的固定比例为门限的检测方法即转化为脉冲幅度降固定数值为门限。如图4所示，当输入信号为求模取对数的幅度信号时，采用脉冲幅度均值减固定门限的方法进行门限检测，随着脉冲信号幅度不同，门限的选取随脉冲幅度变化而变化，由图4可以看出输入不同的脉冲幅度脉冲前沿到达时间相同为t。当脉冲沿线性时是无偏的，相当于是补偿了一次变化的固定门限的测时方法，提高了测时精度。对于多站分布式接收信号处理，自适应门限的检测方法尤为适用。

差值法到达时间测量由脉冲到达时间测量分析可知，采用逐次临近法选取与幅度均值接近的幅度时间偏差来获得脉冲到达时间偏差，所得到达时间测量精度为10ns，且会引起2.89ns的量化误差。为了避免量化误差对本系统定位精度上的影响，满足到达时间测量精度为1ns的系统精度要求，考虑采用差值测时法计算脉冲偏差时间。脉冲上升沿差值测时方法可以近似于梯形进行运算。如图5所示，假设过门限脉冲顶端幅度均值减去固定差值所获得的脉冲前沿时刻幅度为

设

对应的时间为t，脉冲前沿时刻t落于采样点时刻t1、t2之间，A1、A2为t1、t2时刻的100M采样幅度值，

$\frac{A2-A1}{t2-t1}=\frac{\stackrel{\‾}{S}-A1}{t-t1}---\left(1\right)$

由式（1）可得脉冲前沿时刻t：

$t=\frac{\stackrel{\‾}{S}-A1}{A2-A1}*(t2-t1)+t1---\left(2\right)$

采用差值测时的方法，解决了逐次临近法带来的量化误差，进一步提高单站到达时间测时精度。在同一个框架内所有的有效脉冲的到达时间都用以上的方法测得，根据在同一框架内有效脉冲的均值作为到达时间，保证了到达时间测量精度在1ns以内。

产生典型脉冲包络的视频信号如图6所示。采样间隔为10ns，上升沿100ns，脉冲顶部450ns，下降沿200ns，脉冲顶端幅度为1。设置幅度为0.64的固定门限，脉冲到达时间幅度选取脉冲顶端幅度均值－3dB。分别利用差值测时法、临近比较法测量100组加不同噪声脉冲到达时间，测量结果如图7所示。图7中象限中的水平线代表：脉冲真实到达时间；象限中的圈代表：差值测时测得时间；星形代表：临近比较测得时间。从图7测量结果看，采用差值测时法测量脉冲到达时间，较临近比较法测得到达时间更为接近脉冲真实到达时间。通过计算估计方差得到差值测时法的估计方差为1.51ns，临近测时法的估计方差为3.38ns，从而验证差值测时法很好的解决了临近法带来的量化误差，对目标的精确定位有着重要的意义。

通过对实际脉冲到达信号观测，以及以往脉冲门限检测方法、脉冲到达时间测量方法的分析，针对本系统对时间测量精度上的需求，提出了更符合该系统工程化的自适应门限检测方法、差值测时法和多脉冲平均法的解决方案。由差值测时法和多脉冲平均法仿真验证结果可以看出，采用差值测时法测算脉冲到达时间更优于以往的时间测量方法，避免了临近估计带来的量化误差。使测时精度更好的满足系统对目标精确定位的要求。

所述测量脉冲到达时间的方法所需的装置包含在装有4片TigerSharc201DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）处理器的插件中。4片DSP完成的功能流程如图8所示。图8中DSP1主要完成脉冲检测，主要运算量在于脉冲检测的第一门限处理及自适应到达脉冲固定比例门限产生。因为数据率为20MHz，则一片TS201，工作于480MHz可以完成。因为是以1毫秒为处理周期，因此存储容量20k*32bit即可；

DSP2为完成脉冲检测第二门限处理及采用差值测时法计算脉冲偏差时间。

DSP3为进行应答码编码检测：应答信号解码处理，包括解混叠等，提取脉冲沿的时间信息。

DSP4为完成多站所匹配的应答码进行到达时间多脉冲平均生成高精度脉冲到达时间和数据包处理等，满足数据格式要求，把数据传送到下一级。

请参阅图9所示，所述测量脉冲到达时间的方法所需的装置具体包括：DSP1、DSP2、DSP3、DSP4、flash（闪存）、SDRAM（Synchronous Dynamic RandomAccess Memory，同步动态随机存取存储器）、PMC背卡（PCI Mezzanine card，pci夹层卡）、D/A转换器（数/模转换器）。所述DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均相互联系，且DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均连接到系统总线，其中DSP1连接到CPCI（紧凑型PCI）接口，DSP2、DSP3同时连接到stratixⅡFPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列），DSP4通过PMC背卡连接到stratixⅡFPGA，flash、SDRAM、stratixⅡFPGA均连接到系统总线，stratixⅡFPGA同时连接到D/A转换器及CPCI接口。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高精度测量脉冲到达时间的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：测量单一有效脉冲幅度的固定比例为固定门限，此门限为根据脉冲输入幅度不同而自适应生成的不同的门限；

第二步：根据自适应门限来确定脉冲初始到达时间；

第三步：采用差值测时的方法获得脉冲到达时间偏差，从而得到单一脉冲到达时间；

第四步：将同一框架内所有有效单一脉冲的到达时间的平均作为该框架的最终到达时间，

所述第一步中，当输入信号为求模取对数的幅度信号时，采用脉冲幅度均值减固定门限的方法进行门限检测，假设过门限脉冲顶端幅度均值减去固定门限所获得的脉冲前沿时刻幅度为

设对应的时间为t，脉冲前沿时刻t落于采样点时刻t1、t2之间，A1、A2为t1、t2时刻的100MHz采样幅度值，

$\frac{A2-A1}{t2-t1}=\frac{\stackrel{\‾}{S}-A1}{t-t1}---\left(1\right)$

由式（1）得脉冲前沿时刻t：

$t=\frac{\stackrel{\‾}{S}-A1}{A2-A1}*(t2-t1)+t1---\left(2\right).$

2.如权利要求1所述高精度测量脉冲到达时间的方法，其特征在于，所述第一步适用于输入IQ信号时的门限检测。

3.一种如权利要求1或2所述的高精度测量脉冲到达时间的方法使用的装置，其特征在于，包括：DSP1、DSP2、DSP3、DSP4、flash、SDRAM、PMC背卡，所述DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均相互联系，且DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均连接到系统总线，其中DSP1连接到CPCI接口，DSP2、DSP3同时连接到stratixⅡFPGA，DSP4通过PMC背卡连接到stratixⅡFPGA，flash、SDRAM、stratixⅡFPGA均连接到系统总线，stratixⅡFPGA同时连接到D/A转换器及CPCI接口。

4.如权利要求3所述的高精度测量脉冲到达时间的方法使用的装置，其特征在于，所述DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均为TigerSharc201。

5.如权利要求3所述的高精度测量脉冲到达时间的方法使用的装置，其特征在于，DSP1主要完成脉冲检测，主要运算量在于脉冲检测的第一门限处理及自适应到达脉冲固定比例门限产生；

DSP2为完成脉冲检测第二门限处理及采用差值测时法计算脉冲偏差时间；

DSP3为进行应答码编码检测，应答信号解码处理，提取脉冲沿的时间信息；

DSP4为完成多站所匹配的应答码进行到达时间多脉冲平均生成高精度脉冲到达时间和数据包处理，满足数据格式要求，把数据传送到下一级。

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