CN105486934A - 一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法和系统,属于波形前沿检测技术领域。本发明所述方法包括以下步骤：步骤一，一个模拟脉冲信号经过采样量化后变为一组数字信号序列；步骤二，假设脉冲波形包括n个采样点，则以m为窗口大小对数字信号序列进行逐点滑动窗口运算处理，在每点上对窗口内数据进行直线拟合运算，求出拟合直线的斜率,3≤m﹤n；步骤三，逐点比较各采样点所得到的斜率，斜率最大的那一组标记为波形的前沿的数据，并使用波形最高点的一半作为门限，拟合的直线与门限的交点所对应的位置为波形的前沿时刻。采用本发明所述的方法和系统,精度高、计算量小、计算速度快、且便于实施。

Description

一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法和系统

技术领域

本发明属于脉冲波形ADC采样后的波形前沿检测技术领域，具体涉及一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法和系统。

背景技术

波形前沿检测主要是用来计算波形前沿时刻。通过改进现有的波形前沿检测技术，可以提高回波测距的精度。

现有的脉冲波形ADC(Analog-to-digitalconverter的简称，模拟数字转换器)采样后波形前沿检测，通常为基于固定门限的处理方法。脉冲波形经过放大整形处理后，与固定门限值比较，从而确定波形前沿位置。此种方法有两个缺点，一是仅适用于脉冲幅度变化较缓慢的应用场景而不适用于脉冲幅度变化大而且很快的应用场景；二是在放大整形处理过程中引入其他干扰，波形前沿检测的精度较低。以上两方面因素，导致基于固定门限的波形前沿检测方法无法适用于脉冲幅度快速变化且对检测精度要求高的应用。

FPGA(Field－ProgrammableGateArray)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高精度、计算量小、计算速度快、便于实施的基于直线拟合的脉冲波形前沿检测方法和系统。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法，包括以下步骤：

步骤一，一个模拟脉冲信号经过采样量化后变为一组数字信号序列；

步骤二，假设脉冲波形包括n个采样点，则以m为窗口大小对数字信号序列进行逐点滑动窗口运算处理，在每点上对窗口内数据进行直线拟合运算，求出拟合直线的斜率,3≤m﹤n；

步骤三，逐点比较各采样点所得到的斜率，斜率最大的那一组标记为波形的前沿的数据，并使用波形最高点的一半作为门限，拟合的直线与门限的交点所对应的位置为波形的前沿时刻。

进一步，所述的步骤二包括以下步骤：

1)对窗口内m个波形采样点进行求平均运算，对n个采样点取最大值；

2)对得到的窗口内波形采样点最大值进行算数右移一位运算，相当于除以2，然后延迟，等待平均值计算结果；

3)对波形采样点进行延迟处理，等待平均值计算结果，进行L_XY计算。

进一步，所述的步骤三包括以下步骤：

4)连续搜索L_XY的最大值L_{XY_MAX}；

5)计算然后延迟计算结果，等待L_XY最大值结果；

6)将步骤5)的结果乘以L_XX；

7)将步骤6)的计算结果除以L_{XY_MAX}，整个过程中只有这一个除法运算；

8)将步骤7)的计算结果加上得到波形前沿时刻t_R。

进一步，步骤1)中，计算窗口内采样点的平均值的方法是采样点样

值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果。

进一步，步骤3)中，计算窗口内采样点的L_XY的的方法是采样点样值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果。

进一步，步骤4)中，搜索L_XY最大值的方法包括以下步骤：

(1)启动时，将第一个计算结果赋给最大值；

(2)新一个计算结果来时，与当前最大值进行比较，如果大于或等于则到步骤(3)，如果小于则到步骤(4)；

(3)将新一个计算结果赋给最大值，然后到步骤(2)；

(4)当前最大值与门限值比较，如果小于或等于则到步骤(2)，如果大于则到步骤(5)；

(5)输出最大值L_{XY_MAX}。

本发明还提供了一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的系统，该系统包括以下模块

转换模块，用于将一个模拟脉冲信号经过采样量化后变为一组数字信号序列；

直线拟合运算模块，用于以m为窗口大小对数字信号序列进行逐点滑动窗口运算处理，在每点上对窗口内数据进行直线拟合运算，求出拟合直线的斜率，n为脉冲波形采样点的数量,3≤m﹤n-1；

波形的前沿时刻计算模块，用于逐点比较各采样点所得到的斜率，斜率最大的那一组标记为波形的前沿的数据，并使用波形最高点的一半作为门限，拟合的直线与门限的交点所对应的位置为波形的前沿时刻。

进一步，所述的直线拟合运算模块包括以下单元：

最大值处理单元，用于对窗口内m个波形采样点进行n个采样点取最大值，得到待检测波形的采样最大值为y_max；

平均值计算单元，用于对窗口内m个波形采样点进行求平均运算,得到平均值

L_XY计算单元，用于计算L_XY；

$L_{XY}=\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})$

其中，x_i为采样点标号，y_i为x_i点的波形采样值

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{x}_i$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{y}_i.$

进一步，所述的波形的前沿时刻计算模块包括以下单元：

最大值搜索单元，用于连续搜索L_XY的最大值，得到L_{XY_MAX}；

波形前沿时刻计算单元，用于计算波形前沿时刻t_R；

$t_R=(y_{\max }/2-\stackrel{\‾}{y})L_{XX}/L_{XY\_MAX}+\stackrel{\‾}{x}$

其中，

$L_{XX}=\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2.$

进一步，平均值计算单元计算窗口内采样点的平均值的方法是采样点样值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果；

L_XY计算单元计算窗口内采样点的L_XY的的方法是采样点样值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果。

本发明的效果在于：本发明提供了一种高精度、计算量小、计算速度快、便于实施的基于直线拟合的脉冲波形前沿检测方法和系统。采用本发明所述的方法，简化了前沿检测中的数据计步骤和除法运算量，减小了计算量和计算延迟，因而减小了FGPA实现过程中的资源开销，从而有可能减小实现此方法的硬件成本。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测方法的流程图；

图2是本发明所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测方法的一种具体实施方式的流程图；

图3是本发明具体实施方式中计算窗口内采样点的均值的原理图；

图4是本发明具体实施方式中计算窗口内采样点的L_XY的原理图；

图5本发明具体实施方式中搜索L_XY最大值的流程图；

图6是本发明所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

本发明使用FPGA进行对脉冲波形进行前沿检测，首先推导出一套适合FPGA实施的算法，然后采用流水线结构进行运算和数据处理。

如图1所示，一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法，包括以下步骤：

步骤S1，一个模拟脉冲信号经过采样量化后变为一组数字信号序列；

步骤S2，假设脉冲波形包括n个采样点，则以m为窗口大小对数字信号序列进行逐点滑动窗口运算处理，在每点上对窗口内数据进行直线拟合运算，求出拟合直线的斜率,3≤m﹤n；

步骤S3，逐点比较各点所得到的斜率，斜率最大的那一组标记为波形的前沿的数据，并使用波形最高点的一半作为门限，拟合的直线与门限的交点所对应的位置为波形的前沿时刻。

本实施例中，设所拟合直线为

y＝a+bx1)

其中

$a=\stackrel{\‾}{y}-\frac{L_{XY}}{L_{XX}}\stackrel{\‾}{x}---2)$

$b=\frac{L_{XY}}{L_{XX}}---3)$

其中

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{x}_i---4)$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{y}_i---5)$

$L_{XX}=\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2---6)$

$L_{XY}=\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})---7)$

其中，x_i为采样点标号，为简化计算取x_i＝i，因为不同窗口间，x_i的取值相差一个可知的整数。y_i为x_i点的波形采样值，L_XY为一中间变量。

于是，和L_XX为一个与窗口大小m有关的常数。

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}i=(m+1)/2,L_{XX}=\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{(i-\stackrel{\‾}{x})}^2---8)$

因此，由3)式可知，对于确定窗口大小进行直线拟合计算时，其斜率b的计算等同于L_XY的计算，求b的最大值等同于L_XY的最大值。

设待检测波形的L_XY的最大值为L_XY—MAX，待检测波形的采样最大值为y_max，则波形前沿时刻t_R为

y_max/2＝bt_R+a9)

将2)、3)式带入9)式，整理得

$t_R=(y_{max}/2-\stackrel{\‾}{y})L_{XX}/L_{XY\_MAX}+\stackrel{\‾}{x}---10)$

从上面的推导过程来看，主要的计算工作为计算窗口内采样点的均值和L_XY的计算，以及在得到L_XY—MAX后，对波形前沿时刻t_R的计算。

如图2所示，一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法的一种具体实施方式，包括以下步骤：

1)对窗口内m个波形采样点进行求平均运算，对n个采样点取最大值；

2)对得到的窗口内波形采样点最大值进行算数右移一位运算，相当于除以2，然后延迟，等待平均值计算结果；

3)对波形采样点进行延迟处理，等待平均值计算结果，以便进行L_XY计算；

4)计算L_XY，然后连续搜索L_XY的最大值L_{XY_MAX}；

5)计算然后延迟计算结果，等待L_XY最大值结果；

6)将步骤5)的结果乘以L_XX；

7)将步骤6)的计算结果除以L_{XY_MAX}，整个过程中只有这一个除法运算；

8)将步骤7)的计算结果加上得到波形前沿时刻t_R。

本实施例中，窗口大小m通常为前沿采样点个数n减一，也可以优化选择，通常小于“前沿采样点个数减一”。

计算窗口内采样点的均值的流水线结构如图3所示，计算窗口内采样点的L_XY的流水线结构如图4所示。两个计算的方法流程类似，都是采样点样值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果。由于窗口大小m是经过优化后确定的，所以各系数都是确定的常数。

本实施例中，步骤4)中，搜索L_XY最大值算法流程如图5所示，

(1)启动时，将第一个计算结果赋给最大值；

(2)新一个计算结果来时，与当前最大值进行比较，如果大于或等于则到步骤(3)，如果小于则到步骤(4)；

(3)将新一个计算结果赋给最大值，然后到步骤(2)；

(4)当前最大值与门限值比较，如果小于或等于则到步骤(2)，如果大于则到步骤(5)；

(5)输出最大值L_{XY_MAX}。

本发明技术方案带来的有益效果：

本发明所述的方法简化了波形前沿检测中的数据计步骤和除法运算量，减小了计算量和计算延迟，因而减小了FGPA实现过程中的资源开销，从而减小了实现此方法的硬件成本。

如图6所示，本发明还提供了一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的系统，该系统包括以下模块：

转换模块11，用于将一个模拟脉冲信号经过采样量化后变为一组数字信号序列；

直线拟合运算模块12，用于以m为窗口大小对数字信号序列进行逐点滑动窗口运算处理，在每点上对窗口内数据进行直线拟合运算，求出拟合直线的斜率，n为脉冲波形前沿采样点的数量,3≤m﹤n-1；

波形的前沿时刻计算模块13，用于逐点比较各采样点所得到的斜率，斜率最大的那一组标记为波形的前沿的数据，并使用波形最高点的一半作为门限，拟合的直线与门限的交点所对应的位置为波形的前沿时刻。

本实施例中，所述的直线拟合运算模块包括以下单元：

最大值处理单元，用于对n个采样点进行取最大值处理，得到待检测波形的采样最大值为y_max；

平均值计算单元，用于对窗口内m个波形采样点进行求平均运算,得到平均值

L_XY计算单元，用于计算L_XY；

$L_{XY}=\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})$

其中，x_i为采样点标号，为简化计算取x_i＝i，y_i为x_i点的波形采样值

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{x}_i$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{y}_i.$

所述的波形的前沿时刻计算模块包括以下单元：

最大值搜索单元，用于连续搜索L_XY的最大值，得到L_{XY_MAX}；

波形前沿时刻计算单元，用于计算波形前沿时刻t_R；

$t_R=(y_{\max }/2-\stackrel{\‾}{y})L_{XX}/L_{XY\_MAX}+\stackrel{\‾}{x}$

其中，

$L_{XX}=\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2.$

平均值计算单元计算窗口内采样点的平均值的方法是采样点样值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果；

L_XY计算单元计算窗口内采样点的L_XY的的方法是采样点样值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果。

本领域技术人员应该明白，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法，包括以下步骤：

步骤一，一个模拟脉冲信号经过采样量化后变为一组数字信号序列；

步骤二，假设脉冲波形包括n个采样点，则以m为窗口大小对数字信号序列进行逐点滑动窗口运算处理，在每点上对窗口内数据进行直线拟合运算，求出拟合直线的斜率，3≤m＜n；

步骤三，逐点比较各采样点所得到的斜率，斜率最大的那一组标记为波形的前沿的数据，并使用波形最高点的一半作为门限，拟合的直线与门限的交点所对应的位置为波形的前沿时刻。

2.如权利要求1所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法，其特征是，所述的步骤二包括以下步骤：

1)对窗口内m个波形采样点进行求平均运算，对n个采样点取最大值；

2)对得到的波形采样点最大值进行算数右移一位运算，相当于除以2，然后延迟，等待平均值计算结果；

3)对波形采样点进行延迟处理，等待平均值计算结果，进行L_XY计算。

3.如权利要求2所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法，其特征是，所述的步骤三包括以下步骤：

4)连续搜索L_XY的最大值L_{XY_MAX}；

5)计算然后延迟计算结果，等待L_XY最大值结果；

6)将步骤5)的结果乘以L_XX；

7)将步骤6)的计算结果除以L_{XY_MAX}，整个过程中只有这一个除法运算；

8)将步骤7)的计算结果加上得到波形前沿时刻t_R。

4.如权利要求2所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法，其特征是：步骤1)中，计算窗口内采样点的平均值的方法是采样点样值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果。

5.如权利要求2所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法，其特征是：步骤3)中，计算窗口内采样点的L_XY的的方法是采样点样值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果。

6.如权利要求3所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的方法，其特征是，步骤4)中，搜索L_XY最大值的方法包括以下步骤：

(1)启动时，将第一个计算结果赋给最大值；

(2)新一个计算结果来时，与当前最大值进行比较，如果大于或等于则到步骤(3)，如果小于则到步骤(4)；

(3)将新一个计算结果赋给最大值，然后到步骤(2)；

(4)当前最大值与门限值比较，如果小于或等于则到步骤(2)，如果大于则到步骤(5)；

(5)输出最大值L_{XY_MAX}。

7.一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的系统，其特征在于，该系统包括以下模块：

转换模块，用于将一个模拟脉冲信号经过采样量化后变为一组数字信号序列；

直线拟合运算模块，用于以m为窗口大小对数字信号序列进行逐点滑动窗口运算处理，在每点上对窗口内数据进行直线拟合运算，求出拟合直线的斜率，n为脉冲波形采样点的数量，3≤m＜n；

波形的前沿时刻计算模块，用于逐点比较各采样点所得到的斜率，斜率最大的那一组标记为波形的前沿的数据，并使用波形最高点的一半作为门限，拟合的直线与门限的交点所对应的位置为波形的前沿时刻。

8.如权利要求7所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的系统，其特征在于，所述的直线拟合运算模块包括以下单元：

最大值处理单元，用于对n个波形采样点进行取最大值，得到待检测波形的采样最大值为y_max；

平均值计算单元，用于对窗口内m个波形采样点进行求平均运算，得到平均值

L_XY计算单元，用于计算L_XY；

$L_{XY}=\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})$

其中，x_i为采样点标号，y_i为x_i点的波形采样值

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{x}_i$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{y}_i.$

9.如权利要求8所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的系统，其特征在于，所述的波形的前沿时刻计算模块包括以下单元：

最大值搜索单元，用于连续搜索L_XY的最大值，得到L_{XY_MAX}；

波形前沿时刻计算单元，用于计算波形前沿时刻t_R；

$t_R=(y_{\max }/2-\stackrel{\‾}{y})L_{XX}/L_{XY\_MAX}+\stackrel{\‾}{x}$

其中，

$L_{XX}=\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2.$

10.如权利要求9所述的一种基于直线拟合的脉冲波形前沿检测的系统，其特征在于：平均值计算单元计算窗口内采样点的平均值的方法是采样点样值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果；

L_XY计算单元计算窗口内采样点的L_XY的的方法是采样点样值乘以对应的系数，然后采用逐级并项相加，直到得到结果。