CN109001672A - 一种时差频差参数估计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种时差频差参数估计方法及装置，将两路接收装置接收的目标辐射源的信号进行分段处理，将两路信号皆分成多段的分段信号，计算两路信号对应的分段信号的时差和频差，再联立方程组，采用最小二乘法进行求解，便可得到估计的时差或频差。本发明将分段处理应用到时差频差参数估计上来，能够得到高精度的时差和频差参数估计值，将其应用到无源目标辐射源的定位上时，可以提高目标的定位精度。

Description

一种时差频差参数估计方法及装置
技术领域
本发明属于无源定位技术领域，具体涉及一种时差频差参数估计方法及装置。
背景技术
对目标辐射源进行高精度的无源定位是信息保障的重要手段，相比于传统的雷达系统，无源定位具有定位作用距离远、成本低、隐蔽性强的优势，因此具有重要的意义。无源定位通过接收来自目标辐射源的电磁波信号，测量到达角度、到达时间差、到达频率差等参数，实现对目标位置和速度的估计。其中，基于时频差定位的无源定位是一类重要的无源定位技术。
要想提升目标的定位精度，就必须提高对于时差频差的测量精度。根据时差频差估计精度的表达式，最直接的提升时差频差精度的方法就是增加积累时间，但是当积累时间增加时，也容易发生时差和频差的扩展问题。
时差扩展指的是在处理时间内，时差是时变的，且在该时间内，总的时差变化量(扩展量)接近时差的分辨率。频差扩展指的是在处理时间内，频差是时变的，且在该时间内，总的频差变化量(扩展量)接近频差的分辨率。时差和频差的扩展会导致时差和频差估计精度的下降，从而造成在时频差定位系统中定位精度的下降。
当不存在时差和频差的扩展问题时，能够取得较好的定位精度，但是当时差和频差的扩展问题发生时，就会严重影响时差频差的估计精度，使得时差频差的估计不准确，进而影响时频差体制的定位精度，导致其定位精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种时差频差参数估计方法及装置，用以解决现有技术中时差和频差参数估计不准确的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种时差频差参数估计方法，包括如下步骤：
采用两路接收装置对目标辐射源信号进行时频同步接收；将接收的两路信号按照时间划分成至少两段信号，且两路信号的划分方法相同，得到两路信号的分段信号；计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；根据计算出的两路信号的对应分段信号的时差和频差，联立方程组，采用最小二乘法求解所述方程组，得到估计的频差和/或时差。
本发明还提供了一种时差频差参数估计装置，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：
采用两路接收装置对目标辐射源信号进行时频同步接收；将接收的两路信号按照时间划分成至少两段信号，且两路信号的划分方法相同，得到两路信号的分段信号；计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；根据计算出的两路信号的对应分段信号的时差和频差，联立方程组，采用最小二乘法求解所述方程组，得到估计的频差和/或时差。
本发明的有益效果：
本发明的时差频差参数估计方法及装置，将两路接收装置接收的目标辐射源的信号进行分段处理，将两路信号皆分成多段的分段信号，计算两路信号对应的分段信号的时差和频差，再联立方程组，采用最小二乘法进行求解，便可得到估计的时差或频差。本发明将分段处理应用到时差频差参数估计上来，能够得到高精度的时差和频差参数估计值，将其应用到无源目标辐射源的定位上时，可以提高目标的定位精度。
作为方法及装置的进一步改进，为了使每段分段信号内不发生时差和频差扩展，得到的分段信号对应的时间长度满足：
T0Wa1＜0.01且f0T0 2a2＜0.01
其中，T0为分段信号对应的时间长度，W为信号带宽，a1为两路接收装置接收信号的达到时间差的一阶变化率，a2为两路接收装置接收信号的达到时间差的二阶变化率。
作为方法及装置的进一步改进，每段分段信号对应的时间均相等。
作为方法及装置的进一步改进，计算两路信号的对应分段信号的CAF值，根据计算的CAF值来计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；其中，时差、频差分别为CAF值的最大值对应的横、纵坐标。
作为方法及装置的进一步改进，所述CAF值为：
其中，s1(t)、s2(t)分别为接收的两路信号，τ为接收的两路信号的到达信号差，T0为分段信号对应的时间长度，s1i(t),i＝1,...,M，为第一路信号的分段信号，s2i(t),i＝1,...,M，为第二路信号的分段信号。
作为方法及装置的进一步改进，采用最小二乘法求解所述方程组，还包括得到估计的频差变化率的步骤。
作为方法及装置的进一步改进，所述方程组为：
Ax＝b+n
其中，τ0、fd、分别为估计的时差、频差和频差变化率；M为分段个数，为两路信号的第一段信号的时差，为两路信号的第M段信号的时差，为两路信号的第一段信号的频差，为两路信号的第M段信号的频差；n＝[n11,...,n1M),n21,...,n2M]T为分段测量的误差；
附图说明
图1是两路接收信号示意图；
图2是本发明的方法流程图；
图3是信号分段示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种时差频差参数估计装置，该装置包括处理器，处理器用于执行指令实现本发明的时差频差参数估计方法，下面结合图2，对该方法的最佳实施方式加以说明。
如图1所示，采用两路接收机对信号进行时频同步接收，假设接收到的信号分别为s1(t)和s2(t)：
s1(t)＝s(t)exp{j2πf0t}+n1(t)
其中，s(t)为目标辐射源信号，f0(t)为信号带宽，n1(t)、n2(t)分别为接收机的噪声信号，τ(t)＝τ0+a1t+0.5a2t2为两路接收机信号的到达时间差，a1为时差的一阶变化率，a2为时差的二阶变化率，0≤t≤T，T表示信号总时长。
首先，在接收到这两路信号后，对接收的信号进行划分。将时间等间隔划分成M段，每一段是时间长度为T0，如图3所示。第一路信号被划分为：s11(t)，s12(t)，…，s1M(t)；第二路信号被划分为：s21(t)，s22(t)，…，s2M(t)。为了使这M段内不发生时差和频差扩展，需要满足的条件为：
T0Wa1＜0.01且f0T0 2a2＜0.01
其中，T0为分段信号对应的时间长度，W为信号带宽，a1为两路接收装置接收信号的达到时间差的一阶变化率，a2为两路接收装置接收信号的达到时间差的二阶变化率。
然后，利用分段之后的CAF，计算两路信号的对应分段信号的时差和频差。计算的CAF为：
估计的时差和频差
从该公式中可以看出，和是CAFi(τ,f)最大值对应的横纵坐标。
接着，根据计算出的两路信号的对应分段信号的时差和频差，联立方程组，采用最小二乘法求解所述方程组，得到估计的频差、时差和频差变化率。
假设时差、频差、频差变化率估计为：则联立的方程组为：
Ax＝b+n
其中，n＝[n11,...,n1M),n21,...,n2M]T为分段测量的误差，
利用最小二乘法求解最终时差、频差和频差变化率，估计得到的时差、频差、频差变化率为
xe＝(ATQ-1A)-1ATQ-1b
其中，IM为M维矩阵的单位矩阵，σ1、σ2分别为分段时差、频差测量误差，βs为均方根带宽，Bn为噪声带宽，γ为信噪比。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种时差频差参数估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用两路接收装置对目标辐射源信号进行时频同步接收；
将接收的两路信号按照时间划分成至少两段信号，且两路信号的划分方法相同，得到两路信号的分段信号；
计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；
根据计算出的两路信号的对应分段信号的时差和频差，联立方程组，采用最小二乘法求解所述方程组，得到估计的频差和/或时差。
2.根据权利要求1所述的时差频差参数估计方法，其特征在于，得到的分段信号对应的时间长度满足：
T0Wa1＜0.01且f0T0 2a2＜0.01
其中，T0为分段信号对应的时间长度，W为信号带宽，a1为两路接收装置接收信号的达到时间差的一阶变化率，a2为两路接收装置接收信号的达到时间差的二阶变化率。
3.根据权利要求1所述的时差频差参数估计方法，其特征在于，每段分段信号对应的时间均相等。
4.根据权利要求1所述的时差频差参数估计方法，其特征在于，所述计算两路信号的对应分段信号的时差和频差包括：计算两路信号的对应分段信号的CAF值，根据计算的CAF值来计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；其中，时差、频差分别为CAF值的最大值对应的横、纵坐标。
5.根据权利要求4所述的时差频差参数估计方法，其特征在于，所述CAF值为：
其中，s1(t)、s2(t)分别为接收的两路信号，τ为接收的两路信号的到达信号差，T0为分段信号对应的时间长度，s1i(t),i＝1,...,M，为第一路信号的分段信号，s2i(t),i＝1,...,M，为第二路信号的分段信号。
6.根据权利要求1所述的时差频差参数估计方法，其特征在于，采用最小二乘法求解所述方程组，还包括得到估计的频差变化率的步骤。
7.根据权利要求6所述的时差频差参数估计方法，其特征在于，所述方程组为：
Ax＝b+n
其中，τ0、fd、分别为估计的时差、频差和频差变化率；M为分段个数，为两路信号的第一段信号的时差，为两路信号的第M段信号的时差，为两路信号的第一段信号的频差，为两路信号的第M段信号的频差；n＝[n11,...,n1M),n21,...,n2M]T为分段测量的误差；
8.一种时差频差参数估计装置，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：
采用两路接收装置对目标辐射源信号进行时频同步接收；
将接收的两路信号按照时间划分成至少两段信号，且两路信号的划分方法相同，得到两路信号的分段信号；
计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；
根据计算出的两路信号的对应分段信号的时差和频差，联立方程组，采用最小二乘法求解所述方程组，得到估计的频差和/或时差。
9.根据权利要求8所述的时差频差参数估计装置，其特征在于，得到的分段信号对应的时间长度满足：
T0Wa1＜0.01且f0T0 2a2＜0.01
其中，T0为分段信号对应的时间长度，W为信号带宽，a1为两路接收装置接收信号的达到时间差的一阶变化率，a2为两路接收装置接收信号的达到时间差的二阶变化率。
10.根据权利要求8所述的时差频差参数估计装置，其特征在于，每段分段信号对应的时间均相等。
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