CN107621638A - 一种基于平移信号峰值求两个脉冲信号间的时间差的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平移信号峰值求两个脉冲信号间的时间差的方法，属于信号处理领域。本发明针对信号源到传感器的距离差很小的情况下，即时间差较小的情况，提出了一种更精密的时间差计算方法，能对故障做出更精细的定位分析。通过控制移动峰值的时间范围和控制移动时间的单位大小，来提高所求时差的准确性和准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于平移信号峰值求两个脉冲信号间的时间差的方法，属于信号处理领域。
背景技术
时差定位利用信号源传播到各传感器的时差对信号源的二维或三维位置进行定位。时差定位技术在民用航空监视、移动车辆及其他目标定位、嵌入声呐或雷达阵列构成定位系统等方面都具有重要应用。时差定位的基础是精确获得信号源附近不同传感器上的信号，进而计算出信号间时差，目前所用求时差方法主要有互相关函数、谱熵能量积、阈值分析法等，但求时差方法尚需进一步研究和完善。
互相关函数是一种计算两信号相关性的常用方法，如：文献《基于时间互相关的超声测距信获取方法》(《仪表技术与传感器》2014年第6期，P126,127,130)在超声测距中，利用互相关函数得到超声发射与接收信号间的时差；文献《数字式时差超声流量计的设计与实现》(《自动化仪表》2014年第9期，P80-83)在超声流量计的设计与实现中，利用互相关函数计算顺逆流传播时间差。这种方法得到的两信号时差的准确度与信号采样率有关，采样率越高，所得时差的准确度就越高，然而过高的采样率会增加系统的开销。基于谱熵能量积的到达时间求时差方法通常用来计算声发射信号的时差，如文献《一种新的声发射定位方法》(《化工自动化及仪表》2015年第42期)分析声发射信号时，使用谱熵能量积计算输入声发射信号，以确定声发射信号的到达时，进而求出两信号之间的时差。这种算法目前只在声发射信号的时差定位上具有较好的效果，局限性太强。
发明内容
针对现有方法的不足，本发明提供了一种基于平移信号峰值求两个脉冲信号间的时间差的方法，以用于实现两个脉冲信号间的时间差的求取。
本发明的技术方案是：一种基于平移信号峰值求两个脉冲信号间的时间差的方法，所述方法具体步骤如下：
步骤1、对两个传声器上同时采集到的一组脉冲信号：脉冲信号A1和脉冲信号B1，信号的采样点数均为L，根据阈值，找出两个脉冲信号中超过阈值的所有峰值；
步骤2、对于脉冲信号A1中N个超过阈值的峰值，逐个在对应脉冲信号B1中M个超过阈值的峰值中找到对应峰，即每次把脉冲信号A1中的一个峰值对应时间和脉冲信号B1中每个峰值的对应时间作差，会得到M个差值，找到M个差值中绝对值最小的时间差值，作为差值绝对值；对N个峰值对应的差值绝对值求均值，作为两个脉冲A1和B1的偏移量；或者步骤2为：对于脉冲信号B1中M个超过阈值的峰值，逐个在对应脉冲信号A1中N个超过阈值的峰值中找到对应峰，即每次把脉冲信号B1中的一个峰值对应时间和脉冲信号A1中每个峰值的对应时间作差，会得到N个差值，找到N个差值中绝对值最小的时间差值，作为差值绝对值；对M个峰值对应的差值绝对值求均值，作为两个脉冲A1和B1的偏移量。
步骤3、对于一组脉冲信号A1和脉冲信号B1，移动A1，从移动-L/2个采样点开始，每次向正方向平移一个采样点，信号A1每平移一次变成新的信号A1'，信号A1'和信号B1形成一组新的对应脉冲信号，重复步骤2，得到两个信号间的偏移量，直到平移时间量覆盖信号长度的正、负1/2范围，共平移L+1次，得到L+1个偏移量；
步骤4：对于每组数据中的L+1个偏移量，以平移时间量为横坐标，以对应的偏移量为纵坐标，运用插值法拟合出一条较为平滑的曲线，将曲线纵坐标最低点所对应的横坐标数值作为两信号之间的时间差。
若存在多组脉冲信号，则重复步骤1～步骤4，将所有曲线中纵坐标最小的点对应的平移时间量的分布直方图中数据最集中的点作为信号的最佳时间差。
本发明的有益效果是：针对信号源到传感器的距离差很小的情况下，即时间差较小的情况，提出了一种更精密的时间差计算方法，能对故障做出更精细的定位分析。通过控制移动峰值的时间范围和控制移动时间的单位大小，来提高所求时差的准确性和准确度。
附图说明
图1是本发明方法步骤流程图；
图2为一组对应脉冲信号超过阈值的所有峰值；
图3为信号A1超出阈值峰值信号图平移一个时间量后与信号B1原始超出阈值峰值信号对比图；
图4为一组偏移量的插值曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-4所示，一种基于平移信号峰值求两个脉冲信号间的时间差的方法，所述方法具体步骤如下：
以两传感器同时采集到的脉冲信号为例，采用本发明来求两个传感器信号之间的时差，过程如下：
步骤1：以其中一组时间对应的两个脉冲信号A1、B1为例，信号采样率为2M/s，脉冲信号长度均为800us，共1600个采样点，且信号始末时间相同。背景平稳信号的幅值大小在0.05左右，选取背景平稳信号幅值的4～5倍大小作为阈值，因此，选取0.2作为阈值。结合阈值进行分析，各自找出内部超过阈值的峰值，如图2所示(横坐标表示时间，单位为秒；纵坐标为峰值)，图中横线代表的为阈值，顶上为“°”的竖线为信号A1超过阈值的峰值，顶上为“*”的竖线为信号B1超过阈值的峰值，其中信号A1中超过阈值的峰值有48个，得到的峰值大小和峰值对应时间如下表1所示(由于数据量较大，省略号处数据未显示)：
表1
| 序号 | 1 | 2 | 3 | …… | 46 | 47 | 48 |
| 峰值 | 0.3934 | 0.2976 | 0.8512 | 0.4904 | 0.2097 | 0.7184 | |
| 对应时间(us) | 305 | 337 | 376 | 950.0 | 977.0 | 988.0 |
求出信号B1中超过阈值的峰值有51个，得到峰值大小和时间如下表2所示(由于数据量较大，省略号处数据未显示)：
表2
| 序号 | 1 | 2 | 3 | …… | 49 | 50 | 51 |
| 峰值 | 0.2518 | 0.3568 | 0.8124 | 0.4822 | 0.7840 | 0.7392 | |
| 对应时间(us) | 323.5 | 335.5 | 362.0 | 901.0 | 936.5 | 997.0 |
步骤2：在信号B1中逐个找信号A1中48个波峰的对应峰，即每次用信号A1中的一个峰值时间和信号B1中的51个峰值时间作差，得到51个差值，比较这51个差值的绝对值，绝对值最小的差值对应的信号B1中的峰即为其对应峰。最终我们可以找到A1中全部48个波峰的对应峰，48组对应峰时间差值的绝对值和均值如下表3所示(由于数据量较大，省略号处数据未显示)。得到的均值7.65就是A1和B1之间的时间偏差。
表3
| 序号 | 1 | 2 | …… | 47 | 48 | 均值 |
| 差值绝对值(us) | 8.5 | 16.5 | …… | 11.5 | 9.5 | 7.65 |
步骤3：根据脉冲信号A1和B1对比，我们移动信号A1，根据采样率为2M/s可知，每次移动时间量为0.5us，从向负方向平移800个采样点，即负方向平移400us开始向正方向平移，每次平移1个采样点，即0.5us，一直到向正方向平移800个采样点，即到向正方向平移400us后停止，共平移1601次，平移量覆盖信号长度的正、负1/2范围。
信号A1每次平移后变成新的信号A1，和信号B1组成一组新的对应脉冲信号，重复步骤2，得到一个时间偏差。平移结束后将会得到1601个时间偏差，如下表4所示(由于数据量较大，省略号处数据未显示)：
表4
| 平移时间量(us) | -400 | -399.5 | …… | -1 | -0.5 |
| 均值(us) | 8.69 | 8.71 | …… | 7.76 | 7.73 |
| 平移时间量(us) | 0 | 0.5 | …… | 399.5 | 400 |
| 均值(us) | 7.65 | 7.64 | 7.61 | 8.69 |
图3为信号A1向正方向(即时间延后)平移10us形成的新的对应峰值图，其中顶上为“°”的竖线为信号A1原始峰值，顶上为“△”的竖线为信号A1平移10us后的峰值图，顶上为“*”的竖线为信号B1原始峰值。
步骤4：如图4，对于平移A1得到的1601个时间偏差，以平移时间量为横坐标，以每个平移时间量对应的时间偏差为纵坐标，运用插值法拟合出一条平滑的曲线。图中标出坐标的点，为纵坐标数值最小的点，即时间偏差最小的点，此点对应的横坐标为186.5us，即把信号A1时间量向后平移186.5us时信号A1和信号B1的契合度最好，因此，我们认为186.5us即为信号A1和信号B1的时差。最后对比50组脉冲对，画出所有曲线中纵坐标最小的点对应的平移时间(横坐标数值)的分布直方图，发现大部分数据集中分布在186.0us附近，因此，得出两信号时差为：(T1-T2)＝186.0us。
测量出信号源位置与两传感器的相对距离差为710mm，运用断铅实验求出波速为3750m/s，计算得出真实时差为189.0us，误差为3.0us，该误差优于运用传统的求时差方法时的误差。
实施例2：如图1所示，一种基于平移信号峰值求两个脉冲信号间的时间差的方法，所述方法具体步骤如下：
步骤1、对两个传声器上同时采集到的一组脉冲信号：脉冲信号A1和脉冲信号B1，信号的采样点数均为L，根据阈值，找出两个脉冲信号中超过阈值的所有峰值；
步骤2：对于脉冲信号B1中M个超过阈值的峰值，逐个在对应脉冲信号A1中N个超过阈值的峰值中找到对应峰，即每次把脉冲信号B1中的一个峰值对应时间和脉冲信号A1中每个峰值的对应时间作差，会得到N个差值，找到N个差值中绝对值最小的时间差值，作为差值绝对值；对M个峰值对应的差值绝对值求均值，作为两个脉冲A1和B1的偏移量。
步骤3、对于一组脉冲信号A1和脉冲信号B1，移动A1，从移动-L/2个采样点开始，每次向正方向平移一个采样点，信号A1每平移一次变成新的信号A1'，信号A1'和信号B1形成一组新的对应脉冲信号，重复步骤2，得到两个信号间的偏移量，直到平移时间量覆盖信号长度的正、负1/2范围，共平移L+1次，得到L+1个偏移量；
步骤4：对于每组数据中的L+1个偏移量，以平移时间量为横坐标，以对应的偏移量为纵坐标，运用插值法拟合出一条较为平滑的曲线，将曲线纵坐标最低点所对应的横坐标数值作为两信号之间的时间差。
进一步地，若存在多组脉冲信号，则重复步骤1～步骤4，将所有曲线中纵坐标最小的点对应的平移时间量的分布直方图中数据最集中的点作为信号的最佳时间差。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种基于平移信号峰值求两个脉冲信号间的时间差的方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
步骤1、对两个传声器上同时采集到的一组脉冲信号：脉冲信号A1和脉冲信号B1，信号的采样点数均为L，根据阈值，找出两个脉冲信号中超过阈值的所有峰值；
步骤2、对于脉冲信号A1中N个超过阈值的峰值，逐个在对应脉冲信号B1中M个超过阈值的峰值中找到对应峰，即每次把脉冲信号A1中的一个峰值对应时间和脉冲信号B1中每个峰值的对应时间作差，会得到M个差值，找到M个差值中绝对值最小的时间差值，作为差值绝对值；对N个峰值对应的差值绝对值求均值，作为两个脉冲A1和B1的偏移量；
步骤3、对于一组脉冲信号A1和脉冲信号B1，移动A1，从移动-L/2个采样点开始，每次向正方向平移一个采样点，信号A1每平移一次变成新的信号A1'，信号A1'和信号B1形成一组新的对应脉冲信号，重复步骤2，得到两个信号间的偏移量，直到平移时间量覆盖信号长度的正、负1/2范围，共平移L+1次，得到L+1个偏移量；
步骤4：对于每组数据中的L+1个偏移量，以平移时间量为横坐标，以对应的偏移量为纵坐标，运用插值法拟合出一条较为平滑的曲线，将曲线纵坐标最低点所对应的横坐标数值作为两信号之间的时间差。
2.根据权利要求1所述的基于平移信号峰值求两个脉冲信号间的时间差的方法，其特征在于：所述步骤2，替换为：
对于脉冲信号B1中M个超过阈值的峰值，逐个在对应脉冲信号A1中N个超过阈值的峰值中找到对应峰，即每次把脉冲信号B1中的一个峰值对应时间和脉冲信号A1中每个峰值的对应时间作差，会得到N个差值，找到N个差值中绝对值最小的时间差值，作为差值绝对值；对M个峰值对应的差值绝对值求均值，作为两个脉冲A1和B1的偏移量。
3.根据权利要求1或2所述的基于平移信号峰值求两个脉冲信号间的时间差的方法，其特征在于：若存在多组脉冲信号，则重复步骤1～步骤4，将所有曲线中纵坐标最小的点对应的平移时间量的分布直方图中数据最集中的点作为信号的最佳时间差。
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