CN103163386A - 一种脉冲信号到达时差的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种脉冲信号到达时差的测量方法，包括以下步骤：对接收到的第一路脉冲信号和第二路脉冲信号的包络进行平滑滤波；采用固定门限方法检测脉冲，分别记下第一路脉冲信号和第二路脉冲信号各自的前沿、后沿的高于、低于预设的门限值的采样时刻和相应样点值；通过线性插值算法得到第一路脉冲信号和第二路脉冲信号各自的脉冲到达时间和脉冲结束时间；分别计算第一路脉冲信号和第二路脉冲信号的脉冲中间时刻，并相减得到脉冲信号到达时差。根据本发明实施例的方法，可以有效克服固有偏差，且其估计方差为传统方法的一半，使得时差测量性能明显改善。

Description

一种脉冲信号到达时差的测量方法

技术领域

本发明涉及信号参数估计技术领域，特别涉及一种脉冲信号到达时差的测量方法。

背景技术

无源定位技术是指通过被动接收目标辐射源的辐射信号确定其位置的新兴定位技术，且到达观测点之间的到达时差(TDOA,Time difference of arrival)是确定目标辐射源的空间几何位置的主要参数之一。脉冲信号在通信、导航以及雷达等方面有着广泛应用，其到达时差测量成为对这类辐射源目标进行无源定位的重要决定因素。

脉冲信号到达时差是指其到达两个观测点的到达时间（TOA,Time of arrival）之差。传统方法一般取脉冲视频信号（信号包络）超过检测门限的第一个采样时刻作为其到达时间。然而，实际接收到的辐射源脉冲信号必然受到噪声的干扰，特别是低信噪比条件下，直接包络检波法往往引入较大的TOA测量误差，进而导致观测点之间TDOA的估计误差较大。此外，由于辐射源天线波束的方向特性以及观测点之间相隔一定距离，使得到达各观测点的脉冲幅度存在一定差异，采用固定门限检测方法会导致TDOA估计存在固有偏差。为克服这一问题，现有方法主要采用自适应门限方法，根据脉冲幅度调整门限，但该方法面临双门限检测问题，需要进行初始检测并测量脉冲幅度，实现较为复杂。因此，如何简单、快速、准确地获得脉冲信号到达时差成为无源定位系统工程实现中对脉冲辐射源定位的一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种脉冲信号到达时差的测量方法。根据本发明实施例的方法，可以有效克服固有偏差，且其估计方差为传统方法的一半，使得时差测量性能明显改善。

为了实现上述目的，根据本发明实施例的一种脉冲信号到达时差的测量方法包括以下步骤：S1：对接收到的第一路脉冲信号和第二路脉冲信号的包络进行平滑滤波；S2：采用固定门限方法检测脉冲，分别记下所述第一路脉冲信号和第二路脉冲信号各自的前沿、后沿的高于、低于预设的门限值的采样时刻和相应样点值；S3：通过线性插值算法得到所述第一路脉冲信号和第二路脉冲信号各自的脉冲到达时间和脉冲结束时间；S4：分别计算所述第一路脉冲信号和第二路脉冲信号的脉冲中间时刻，并相减得到脉冲信号到达时差。

根据本发明实施例的一种脉冲信号到达时差的测量方法，充分利用脉冲的前沿后沿信息，通过脉冲中间时刻相减获得到达时差，克服了脉冲幅度差异引起的固有偏差，对信号包络的平滑滤波处理，减小了随机噪声对到达时间测量的影响，通过脉冲中间时刻相减得到到达时差，进一步减小了其估计方差，达到了简单、方便且快速地对脉冲信号到达时差进行高精度估计的目的。

在本发明的一个实施例中，所述门限值是根据接收机噪声功率和系统检测性能设定的。

在本发明的一个实施例中，定义所述门限值为TH，定义所述脉冲信号的前沿低于TH的采样时刻为TOA_a，相应样点值为A_a，后沿高于TH的采样时刻为TOE_a，相应样点值为E_a，前沿高于TH的采样时刻为TOA_b，相应样点值为A_b，后沿低于TH的采样时刻为TOE_b，相应样点值为E_b，所述步骤S3中的通过线性插值算法得到所述脉冲到达时间TOA和所述脉冲结束时间TOE的公式分别为： $\mathrm{TOA}={\mathrm{TOA}}_a+\frac{\mathrm{TH}-A_a}{A_b-A_a}({\mathrm{TOA}}_b-{\mathrm{TOA}}_a)$ 和 $\mathrm{TOE}={\mathrm{TOE}}_a+\frac{\mathrm{TH}-E_a}{E_b-E_a}({\mathrm{TOE}}_b-{\mathrm{TOE}}_a).$

在本发明的一个实施例中，所述步骤S4中，所述脉冲中间时刻TOA_m的计算公式为

，所述脉冲信号到达时差计算公式为TDOA=TOA_m2-TOA_m1，其中TOA_m1和TOA_m2分为所述第一路脉冲信号的脉冲中间时刻和所述第二路脉冲信号的脉冲中间时刻。

根据本发明实施例的一种脉冲信号到达时差的测量方法，充分利用脉冲的前沿后沿信息，通过脉冲中间时刻相减获得到达时差，克服了脉冲幅度差异引起的固有偏差，对信号包络的平滑滤波处理，减小了随机噪声对到达时间测量的影响，通过脉冲中间时刻相减得到到达时差，进一步减小了其估计方差，达到了简单、方便且快速地对脉冲信号到达时差进行高精度估计的目的。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的脉冲信号到达时差的测量方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的脉冲信号到达时差的测量方法的平滑滤波前和平滑滤波后的脉冲信号包络；

图3是根据本发明实施例的脉冲信号到达时差的测量方法的线性插值算法示意图；

图4是根据本发明实施例的脉冲信号到达时差的测量方法的到达时差固有偏差示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明的方法首先对脉冲包络进行平滑滤波，减小随机噪声干扰，得到较为光滑的脉冲前沿和后沿，剔除了噪声尖脉冲，有利于采用线性插值方法的得到脉冲到达时间和脉冲结束时间，并计算脉冲中间时刻，通过相减得到脉冲信号到达时差，克服了第一路脉冲信号和第二路脉冲信号幅度差异引起的固有偏差。如图1所示，根据本发明实施例的一种脉冲信号到达时差的测量方法具体包括以下步骤：

S1：对接收到的第一路脉冲信号和第二路脉冲信号的包络进行平滑滤波。在步骤S1中，信号包络的平滑滤波处理相当于一个低通滤波过程，能够较好地抑制带外噪声，获得更为光滑的脉冲包络前沿和后沿，且可以剔除噪声尖脉冲，消除其对到达时间测量的干扰，并且有利于采用线性差值算法。脉冲信号包络平滑滤波前后效果如图2所示，图中虚线为固定检测门限。

S2：采用固定门限方法检测脉冲，分别记下第一路脉冲信号和第二路脉冲信号各自的前沿、后沿的高于、低于预设的门限值的采样时刻和相应样点值。在步骤S2中，固定门限的门限值TH是根据接收机噪声功率和系统检测性能设定的，相比于自适应门限，固定门限检测方法无需计算脉冲幅度，且不涉及双门限问题，实现简单。如图3所示，脉冲信号的前沿低于TH的采样时刻为TOA_a，相应样点值为A_a，后沿高于TH的采样时刻为TOE_a，相应样点值为E_a，前沿高于TH的采样时刻为TOA_b，相应样点值为A_b，后沿低于TH的采样时刻为TOE_b，相应样点值为E_b。

S3：通过线性插值算法得到第一路脉冲信号和第二路脉冲信号各自的脉冲到达时间TOA和脉冲结束时间TOE，并计算脉冲中间时刻TOA_m。

在步骤S3中，通过线性插值算法得到脉冲到达时间TOA和脉冲结束时间TOE的公式分别为：

$\mathrm{TOA}={\mathrm{TOA}}_a+\frac{\mathrm{TH}-A_a}{A_{\text{b}}-A_a}({\mathrm{TOA}}_b-{\mathrm{TOA}}_a)$        (1)

$\mathrm{TOE}={\mathrm{TOE}}_a+\frac{\mathrm{TH}-E_a}{E_b-E_a}({\mathrm{TOE}}_b-{\mathrm{TOE}}_a)$

在步骤S3中，其最大优势在于采用线性插值算法来补偿了时间离散特性引入的时间测量误差。由于信号采样后在时间上是离散的，无法准确获得脉冲过门限时刻，然而对于采样率较高的情况，如图3所示，例如采样间隔在50ns以下，则可以认为过门限前后相应样点值是直线相连的，则存在以下关系

$\frac{A_b-A_a}{{\mathrm{TOA}}_b-{\mathrm{TOA}}_a}=\frac{\mathrm{TH}-A_a}{\mathrm{TOA}-{\mathrm{TOA}}_a}$       (2)

$\frac{E_b-E_a}{{\mathrm{TOE}}_b-{\mathrm{TOE}}_a}=\frac{\mathrm{TH}-E_a}{\mathrm{TOE}-{\mathrm{TOE}}_a}$

整理可得，脉冲到达时间TOA和脉冲结束时间TOE，如式（1）中所示。

S4：分别计算第一路脉冲信号和第二路脉冲信号的脉冲中间时刻，并相减得到脉冲信号到达时差。在步骤S4中，其优势主要在于通过脉冲中间时刻相减得到脉冲信号到达时差，有效地克服了由于两路脉冲幅度差异所引起的固有偏差，如图4所示，由于目标辐射源天线波束的方向特性，两路接收脉冲幅度必然不一致。采用传统的固定门限时差测量方法存在几十纳秒以上的固有偏差，且幅度差异越大，固有偏差越大。在步骤S4中，另一个优势在于计算脉冲中间时刻时充分利用了脉冲的前沿后沿信息，取平均值的处理方式有效地降低了随机噪声引入的测量误差。假设脉冲前后沿的随机噪声引起的测量方差为σ²，采用前沿或者后沿计算到达时间表达式为

TDOA=TOA₂-TOA₁      (3)

TDOA=TOE₂-TOE₁

其中TOA₁、TOE₁和TOA₂、TOA₂分为第一路和第二路脉冲信号的脉冲到达时间和脉冲结束时间。

则脉冲信号到达时差的方差为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{TDOA}}^2={\mathrm{\σ}}^2+{\mathrm{\σ}}^2={2\mathrm{\σ}}^2---\left(4\right)$

在本发明实施例中脉冲中间时刻计算及其方差如下

${\mathrm{TOA}}_m=\frac{(\mathrm{TOA}+\mathrm{TOE})}{2}---\left(5\right)$

${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{TOA}}_m}^2=\frac{{\mathrm{\σ}}^2+{\mathrm{\σ}}^2}{4}=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{2}---\left(6\right)$

则脉冲信号到达时差及其方差表达式为

TDOA_m=TOA_m2-TOA_m1   (7)

${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{TDOA}}_m}^2=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{2}+\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{2}=-{\mathrm{\σ}}^2--\left(8\right)$

式（7）中TOA_m1和TOA_m2分为第一路和第二路脉冲信号的中间到达时间。

比较(4)和(8)式可知，本发明方法不仅可以有效克服固有偏差，且其估计方差为传统方法的一半，即时差测量性能明显改善。

综上所述，根据本发明实施例的一种脉冲信号到达时差的测量方法，充分利用脉冲的前沿后沿信息，通过脉冲中间时刻相减获得到达时差，克服了脉冲幅度差异引起的固有偏差，对信号包络的平滑滤波处理，减小了随机噪声对到达时间测量的影响，通过脉冲中间时刻相减得到到达时差，进一步减小了其估计方差，达到了简单、方便且快速地对脉冲信号到达时差进行高精度估计的目的。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种脉冲信号到达时差的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对接收到的第一路脉冲信号和第二路脉冲信号的包络进行平滑滤波；

S2：采用固定门限方法检测脉冲，分别记下所述第一路脉冲信号和第二路脉冲信号各自的前沿、后沿的高于、低于预设的门限值的采样时刻和相应样点值；

S3：通过线性插值算法得到所述第一路脉冲信号和第二路脉冲信号各自的脉冲到达时间和脉冲结束时间；

S4：分别计算所述第一路脉冲信号和第二路脉冲信号的脉冲中间时刻，并相减得到脉冲信号到达时差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述门限值是根据接收机噪声功率和系统检测性能设定的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，定义所述门限值为TH，定义所述脉冲信号的前沿低于TH的采样时刻为TOA_a，相应样点值为A_a，后沿高于TH的采样时刻为TOE_a，相应样点值为E_a，前沿高于TH的采样时刻为TOA_b，相应样点值为A_b，后沿低于TH的采样时刻为TOE_b，相应样点值为E_b，所述步骤S3中的通过线性插值算法得到所述脉冲到达时间TOA和所述脉冲结束时间TOE的公式分别为： $\mathrm{TOA}={\mathrm{TOA}}_a+\frac{\mathrm{TH}-A_a}{A_b-A_a}({\mathrm{TOA}}_b-{\mathrm{TOA}}_a)$ 和 $\mathrm{TOE}={\mathrm{TOE}}_a+\frac{\mathrm{TH}-E_a}{E_b-E_a}({\mathrm{TOE}}_b-{\mathrm{TOE}}_a).$

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述脉冲中间时刻TOA_m的计算公式为

，所述脉冲信号到达时差计算公式为TDOA=TOA_m2-TOA_m1，其中TOA_m1和TOA_m2分为所述第一路脉冲信号的脉冲中间时刻和所述第二路脉冲信号的脉冲中间时刻。

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