CN103117815B - 一种多传感器信号的时差估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多传感器信号的时差估计方法及装置，用于解决现有技术中对所有路信号进行联合，计算量较大、降低了系统的处理性能的问题。对接收到的多传感器信号处理系统的多路信号进行质量评估；从信号中选取信号质量最好的多路信号作为参考信号；依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差并根据依次估计的时延差确定出待估计信号的时延差的误差，直到待估计信号的时延差的误差不大于预设值。本发明的技术方案，有效的减少了多传感器信号的时延差估计的计算量，提升了时差估计的性能。

Description

一种多传感器信号的时差估计方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体而言，涉及一种多传感器信号的时差估计方法及装置。

背景技术

在多传感器信号处理系统利用多个传感器对同一信号进行接收，各路信号承载着相同的信息。目前，对多传感器信号的时差估计的方法主要有以下两种方式：多路互相关系数法以及Hahn提出的基于融合的多传感器信号时差估计方法。（1）、多路互相关系数法，利用阵元间距与时延的关系，借助空间预测技术，将多时差问题转化为单时差问题。该方法需要获知阵元位置的信息，操作较为复杂，且应用受限。（2）、Hahn提出的基于融合的多传感器信号时差估计方法，其待估计量为所有路信号相对于一路参考路信号的时差，将任意两路信号的时差估计值视为观测矢量，利用互相关的方法对任意两路信号进行时差估计获得观测矢量，然后建立观测矢量与待估计量的线性方程，结合观测矢量的概率密度函数，最后给出了待估计量的最小方差无偏估计。该方法对所有路信号进行联合，计算量较大、降低了系统的处理性能，此外，由于实际接收的各路信号的信噪比可能存在较大差异，因此进行多路信号联合时差估计时，信噪比较低的信号对时差估计性能贡献较小。

发明内容

本发明提供了一种多传感器信号的时差估计方法及装置，用于解决现有技术中对所有路信号进行联合，增加计算量，降低了系统的处理性能的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种多传感器信号的时差估计方法，包括：对接收到的多传感器信号处理系统的多路信号进行质量评估；从信号中选取信号质量最好的多路信号作为参考信号；依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差并根据依次估计的时延差确定出待估计信号的时延差的误差，直到误差不大于预设值。

其中，上述根据依次估计的时延差确定出待估计信号的时延差的误差包括：

对首次估计的参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量进行线性变换，得到待估计信号的第一时延差值；对第一时延差的估计性能进行评估，得到第一时延差的误差；判断第一时延差值的误差是否大于预设值；如果否，则确定第一延时差值为待估计信号的时延差估计值；如果是，则继续估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量，对该向量进行线性变换，得到待估计信号的第二时延差值；将第一时延差值与第二时延差值进行综合，得到待估计信号的综合时延差值；对综合时延差值的估计性能进行评估，得到综合时延差的误差；判断综合时延差的误差是否大于预设值；如果综合时延差值的误差不大于预设值，则确定综合时延差值为待估计信号的时延差估计值；如果综合时延差值的误差大于预设值，则返回依次估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差值的步骤。

其中，上述将第一时延差值与第二时延差值进行综合，得到待估计信号的综合时延差值包括：按照两次时延差估计所使用的两路参考信号的质量确定第一时延差以及第二时延差的权重值；根据第一时延差以及第二时延差的权重值将第一时延差以及上述第二时延差进行加权计算，将加权计算得到的值确定为待估计信号的综合时延差值。

其中，上述从信号中选取信号质量最好的多路信号作为参考信号包括：按照信号的质量从高到低对信号进行排序；选取排序靠前的多路信号作为参考信号；依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差包括：根据参考信号的排序依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差。

其中，上述对接收到的多传感器信号处理系统的多路信号进行质量评估包括：根据信号的信噪比对信号进行质量评估。

根据本发明的另一个方面，提供了一种多传感器信号的时差估计装置，包括：评估模块，用于对接收到的多传感器信号处理系统的多路信号进行质量评估；选取模块，用于从信号中选取信号质量最好的多路信号作为参考信号；估计模块，用于依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差并根据依次估计的时延差确定出待估计信号的时延差的误差，直到误差不大于预设值。

其中，上述估计模块包括：第一变换单元，用于对首次估计的参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量进行线性变换，得到待估计信号的第一时延差值；第一评估单元，用于对第一时延差的估计性能进行评估，得到第一时延差的误差；第一判断单元，用于判断第一时延差值的误差是否大于预设限值；第一确定单元，用于当第一判断单元的判断结果为否时，确定第一延时差值为待估计信号的时延差估计值；第二变换单元，用于当第一判断单元的判断结果为是时，继续估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量，对该向量进行线性变换，得到待估计信号的第二时延差值；综合单元，用于将第一时延差值与第二时延差值进行综合，得到待估计信号的综合时延差值；第二评估单元，用于对综合时延差值的估计性能进行评估，得到综合时延差的误差；第二判断单元，用于判断综合时延差值的误差是否大于预设值；第二确定单元，用于当第二判断单元的判断结果为否时，确定综合时延差值为待估计信号的时延差估计值；返回单元，用于当第二判断单元的判断结果为是时，返回依次估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差值的步骤。

其中，上述综合单元包括：确定子单元，用于按照两次时延差估计所使用的两路参考信号的质量确定第一时延差以及第二时延差的权重值；计算子单元，用于根据第一时延差以及第二时延差的权重值将第一时延差以及第二时延差进行加权计算；确定子单元，用于将加权计算得到的值确定为待估计信号的综合时延差值。

其中，上述选取模块包括：排序单元，用于按照信号的质量从高到低对信号进行排序；选取单元，用于选取排序靠前的多路信号作为参考信号；估计模块包括：估计单元，用于根据参考信号的排序依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差。

其中，上述评估模块包括：评估单元，用于根据信号的信噪比对信号进行质量评估。

本发明的技术方案，从接收到的多传感器信号处理系统中选择信号质量最好的多路信号作为参考信号，利用两路时差估计方法得到参考信号与除自身之外的其它信号的时延差向量，根据该向量可以得到待估计信号的时延差估计值，通过将待估计信号的时延差值与预设值进行比较，判断待估计信号的时延差是否满足要求。由于在信号质量较好的参考信号的基础上，利用了两路信号时差估计方法，有效的减少了时延差估计的计算量，提升了时差估计的性能。该方法尤其适用于在大规模阵且各路信号存在较大差异的情况下的信号时差估计。

附图说明

图1是本发明实施例1的多传感器信号的时差估计方法的流程图；

图2是本发明实施例2的多传感器信号的时差估计方法的运算过程示意图。

图3是本发明实施例2的多传感器信号的时差估计示意图；

图4是本发明实施例2的多传感器信号的时延差性能评估示意图；

图5是本发明实施例3的多传感器信号的时差估计装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

实施例1

图1是本实施例1的多传感器信号的时差估计方法的流程图。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤101：对接收到的多传感器信号处理系统的多路信号进行质量评估；

步骤102：从信号中选取信号质量最好的多路信号作为参考信号；

步骤103：依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差并根据依次估计的时延差确定出待估计信号的时延差的误差，直到待估计信号的时延差的误差不大于预设值。

其中，上述步骤101中是对接收到的多传感器信号处理系统的多路信号进行质量评估，进行质量评估的准则可以是按照接收信号的功率或是信噪比。

在上述步骤102中，从接收到的信号中选取信号质量最好的多路信号作为参考信号可以采用以下具体方式：

按照信号的质量从高到低对信号进行排序；选取排序靠前的多路信号作为参考信号；在实际估计中，参考信号的数量越多，估计性能越好，同时计算量也越大，因此，可以综合对信号质量的要求以及操作耗费的资源两个因素进行考虑来确定参考信号的数量。依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差可以包括：根据参考信号的排序依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差。

步骤103中，根据依次估计得到的参考信号与除自身之外的其它多路信号的多个时延差，根据这些向量可以得出待估计信号的时延差估计值，并判断这些待估计信号的时延差估计值是否满足需要。具体地，对由每次估计得到的时延差组成的向量进行线性变换得到待估计的信号时延差值。这样可以通过对每次估计得到的多个时延差值的向量进行线性变换排除多个时延差中当前不需要去估计的多个时延差，仅得到待估计的时延差值，从而便于对这些时延差值的估计性能进行评估，得到这些时延差的误差。上述预设值可以按照实际对估计性能的要求，预先设定一个阈值，也可以将得到的时延差估计按照固定的理论表达式进行计算，根据计算得到的结果判断该时延差是否满足要求。

其中，上述步骤103中根据所述依次估计的时延差确定出待估计信号的时延差估计值具体可以包括以下步骤：

步骤对首次估计的参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量进行线性变换，得到待估计信号的第一时延差值；

对所述第一时延差的估计性能进行评估，得到所述第一时延差的误差；

判断第一时延差值的误差是否大于预设限值；如果否，则确定该第一延时差值为待估计信号的时延差估计值；如果是，则继续估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量，并对该向量进行线性变换，得到待估计信号的第二时延差值；将第一时延差值与第二时延差值进行综合，得到待估计信号的综合时延差值；

对综合时延差值的估计性能进行评估，得到所述综合时延差的误差；

判断综合时延差值的误差是否大于预设值；如果综合时延差值的误差不大于预设值，则确定综合时延差值为待估计信号的时延差估计值；如果综合时延差值的误差大于预设值，则返回依次估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差值的步骤。

其中，上述对两次得到的待估计信号的时延差进行综合的计算具体可以采用以下方式：

按照两次时延差估计所使用的两路参考信号的质量确定第一时延差以及第二时延差的权重值；优选地，可以设置参考信号质量高时，得到的时延差所占权重较大，具体权重值可根据实际需要设定。将第一时延差以及上述第二时延差进行加权计算，将加权计算得到的值确定为待估计信号的综合时延差值。

实施例2

图2是本发明实施例2的多传感器信号的时差估计方法的运算过程示意图。

以下结合图2对本实施例的多传感器器信号的时差估计方法进行详细的阐述：

步骤201：将各传感器接收到的信号x₁(n)，x₂(n),…,x_N(n)输入质量评估单元（装置A），其中，N为信号通道数目，按照信号的信噪比对输入的信号进行质量评估，按照信号质量从高到低进行排序，选取排序靠前的m（1≤m≤N）路信号作为参考信号；

步骤202：将第一路参考信号x₁(n)和x_i(n)，i＝2，3,…,N送入时延差估计单元（装置B，其结构如图3所示)，对x₁(n)和x_i(n)，i＝2，3,…,N进行时差估计，得到时差估计值组成的矢量： ${\mathrm{\θ}}_1={\left[\begin{array}{cccc}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{12}& {\widehat{\mathrm{\τ}}}_{13}& ...& {\widehat{\mathrm{\τ}}}_{1N}\end{array}\right]}^T;$

如图3所示，将参考信号x_i(n)，i＝1,2,…,m与除自身以外的其它信号分别送入两路时延差估计单元(装置F)，得到所估计的时延差1≤k≤N,k≠i组成的矢量θ_i；

需要说明的是，本实施例中的时延差估计算法可以使用现有的互相关法、相位法和循环相关法等，这里时延差估计方法包括但不限于这三种方法。

步骤203：将步骤202中得到的矢量θ₁送入换算单元（装置C），得到待估时差τ₁，将τ₁送入性能评估单元（装置D）进行性能评估，确定τ₁是否满足要求，如果满足要求，则将τ₁作为最终时差估计值，否则执行步骤204；

步骤204：将第二路参考信号x₂(n)和x_i(n)，i＝1，3,…,N送入时延差估计单元(装置B)，对x₂(n)和x_i(n)，i＝1，3,…,N进行时差估计，得到时差估计值组成的矢量： ${\mathrm{\θ}}_2={\left[\begin{array}{cccc}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{21}& {\widehat{\mathrm{\τ}}}_{23}& ...& {\widehat{\mathrm{\τ}}}_{2N}\end{array}\right]}^T,$ 将θ₂送入换算单元（装置C），得到τ′₂，将其和步骤203中得到的时差估值τ₁一同送入综合单元（装置E，其结构框图如图4所示），该综合单元对τ₁以及τ′₂进行加权得到待估时差τ₂，判断τ₂是否满足要求，若满足要求，则将τ₂作为最终时差估计值输出，否则重复步骤204，按照此方法，依次增加参考路信号的数目，直到得到的待估时差的性能满足要求为止。

如图4所示，利用权值计算单元(装置D)计算出权值W，这里具体可以按照信号时延差估计时所使用的参考信号的质量的高低为赋予τ_i、τ′_i+1不同的权重。然后将矢量τ_i、τ′_i+1(1≤i<l)和权值W送入综合单元(H)进行综合，得到时差矢量τ_i+1。

实施例3

图5是本发明实施例3的多传感器信号的时差估计装置的结构框图。

如图5所示，该装置包括以下组成部分：

评估模块51，用于对接收到的多传感器信号处理系统的多路信号进行质量评估；

选取模块52，用于从信号中选取信号质量最好的多路信号作为参考信号；

估计模块53，用于依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差并根据依次估计的时延差确定出待估计信号的时延差的误差，直到待估计信号的时延差的误差不大于预设值。

其中，上述估计模块53可以由以下组成部分构成：

第一变换单元，用于对首次估计的参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量进行线性变换，得到待估计信号的第一时延差值；

第一评估单元，用于对第一时延差的估计性能进行评估，得到第一时延差的误差；

第一判断单元，用于判断第一时延差值的误差是否大于预设限值；

第一确定单元，用于当第一判断单元的判断结果为否时，确定第一延时差值为待估计信号的时延差估计值；

第二变换单元，用于当第一判断单元的判断结果为是时，继续估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量，对该向量进行线性变换，得到待估计信号的第二时延差值；

综合单元，用于将第一时延差值与第二时延差值进行综合，得到待估计信号的综合时延差值；

第二评估单元，用于对综合时延差的估计性能进行评估，得到综合时延差的误差；

第二判断单元，用于判断综合时延差值的误差是否大于预设值；

第二确定单元，用于当第二判断模块的判断结果为否时，确定综合时延差值为待估计信号的时延差估计值；

返回单元，用于当第二判断单元的判断结果为是时，返回依次估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差值的步骤。

其中，上述综合单元可以包括以下组成部分：

确定子单元，用于按照两次时延差估计所使用的两路参考信号的质量确定第一时延差以及第二时延差的权重值；计算子单元，用于根据第一时延差以及第二时延差的权重值将第一时延差以及上述第二时延差进行加权计算；确定子单元，用于将加权计算得到的值确定为待估计信号的综合时延差值。

其中，上述选取模块52具体可以包括以下组成部分：

排序单元，用于按照信号的质量从高到低对信号进行排序；

选取单元，用于选取排序靠前的多路信号作为参考信号；

基于该排序单元以及选取单元，估计模块还可以包括估计单元，用于根据参考信号的排序依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差。

其中，上述评估模块51可以包括评估单元，用于根据信号的信噪比对信号进行质量评估。

本发明的技术方案，从接收到的多传感器信号处理系统中选择信号质量最好的多路信号作为参考信号，并利用两路时差估计方法估计时延差，与现有技术中的信号联合处理方式相比，有效的减少了时延差估计的计算量，提升了时差估计的性能。该尤其方法适用于在大规模阵且各路信号存在较大差异的情况下的信号时差估计。同时，对两次估计得到的时延差进行综合，计算最佳时延差估计值，进一步提高了信号时延差估计的性能。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多传感器信号的时差估计方法，其特征在于，包括：

对接收到的多传感器信号处理系统的多路信号进行质量评估；

从所述信号中选取信号质量最好的多路信号作为参考信号；

依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差并根据所述依次估计的时延差确定出待估计信号的时延差的误差，直到所述误差不大于预设值；

其中，所述根据所述依次估计的时延差确定出待估计信号的时延差的误差包括：

对首次估计的所述参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量进行线性变换，得到待估计信号的第一时延差值；

对所述第一时延差的估计性能进行评估，得到所述第一时延差的误差；

判断所述第一时延差值的误差是否大于预设值；

如果否，则确定所述第一时延差值为所述待估计信号的时延差估计值；

如果是，则继续估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量，对该向量进行线性变换，得到待估计信号的第二时延差值；

将所述第一时延差值与所述第二时延差值进行综合，得到所述待估计信号的综合时延差值；

对所述综合时延差值的估计性能进行评估，得到所述综合时延差的误差；

判断所述综合时延差的误差是否大于所述预设值；

如果所述综合时延差值的误差不大于所述预设值，则确定所述综合时延差值为所述待估计信号的时延差估计值；

如果所述综合时延差值的误差大于所述预设值，则返回依次估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差值的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一时延差值与所述第二时延差值进行综合，得到所述待估计信号的综合时延差值包括：

按照两次时延差估计所使用的两路参考信号的质量确定所述第一时延差以及所述第二时延差的权重值；

根据所述第一时延差以及所述第二时延差的权重值将所述第一时延差以及上述第二时延差进行加权计算，将加权计算得到的值确定为所述待估计信号的综合时延差值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所述信号中选取信号质量最好的多路信号作为参考信号包括：

按照所述信号的质量从高到低对所述信号进行排序；

选取排序靠前的多路信号作为所述参考信号；

所述依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差包括：

根据所述参考信号的排序依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对接收到的多传感器信号处理系统的多路信号进行质量评估包括：

根据所述信号的信噪比对所述信号进行质量评估。

5.一种多传感器信号的时差估计装置，其特征在于，包括：

评估模块，用于对接收到的多传感器信号处理系统的多路信号进行质量评估；

选取模块，用于从所述信号中选取信号质量最好的多路信号作为参考信号；

估计模块，用于依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差并根据所述依次估计的时延差确定出待估计信号的时延差的误差，直到所述误差不大于预设值；

其中，所述估计模块包括：

第一变换单元，用于对首次估计的所述参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量进行线性变换，得到待估计信号的第一时延差值；

第一评估单元，用于对所述第一时延差的估计性能进行评估，得到所述第一时延差的误差；

第一判断单元，用于判断所述第一时延差值的误差是否大于预设限值；

第一确定单元，用于当所述第一判断单元的判断结果为否时，确定所述第一时延差值为所述待估计信号的时延差估计值；

第二变换单元，用于当所述第一判断单元的判断结果为是时，继续估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差向量，对该向量进行线性变换，得到待估计信号的第二时延差值；

综合单元，用于将所述第一时延差值与所述第二时延差值进行综合，得到所述待估计信号的综合时延差值；

第二评估单元，用于对所述综合时延差值的估计性能进行评估，得到所述综合时延差的误差；

第二判断单元，用于判断所述综合时延差值的误差是否大于所述预设值；

第二确定单元，用于当所述第二判断单元的判断结果为否时，确定所述综合时延差值为所述待估计信号的时延差估计值；

返回单元，用于当所述第二判断单元的判断结果为是时，返回依次估计下一路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差值的步骤。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述综合单元包括：

确定子单元，用于按照两次时延差估计所使用的两路参考信号的质量确定所述第一时延差以及所述第二时延差的权重值；

计算子单元，用于根据所述第一时延差以及所述第二时延差的权重值将所述第一时延差以及所述第二时延差进行加权计算；

确定子单元，用于将加权计算得到的值确定为所述待估计信号的综合时延差值。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述选取模块包括：

排序单元，用于按照所述信号的质量从高到低对所述信号进行排序；

选取单元，用于选取排序靠前的多路信号作为所述参考信号；

所述估计模块包括：

估计单元，用于根据所述参考信号的排序依次估计每路参考信号与除自身之外的其它路信号的时延差。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述评估模块包括：评估单元，用于根据所述信号的信噪比对所述信号进行质量评估。