CN109031261B - 一种时差估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时差估计方法及装置，属于时差无源定位技术领域。本发明首先通过两路接收机对目标辐射源信号进行时间同步采集；然后计算两路信号之间的互相关函数，得到时差的互相关函数，并得到最大值位置和次大值位置，以及相对应的相关峰函数值，并由此得到时差的初始估计；最后利用带通采样定理对所采集的任一路辐射源信号进行插值，对时差进行迭代估计。本发明避免了升采样和对互相关函数拟合或插值，提高了时差的估计精度。

Description

一种时差估计方法及装置

技术领域

本发明涉及一种时差估计方法及装置，属于时差无源定位技术领域。

背景技术

无源定位通过接收目标平台辐射的电磁波信号，通过测量信号的参数，如到达角度、到达时间差、到达频率差等，实现对目标的定位与跟踪。由于无源定位系统本身不辐射电磁波，因此具有较强的隐蔽性，受到了广泛的重视。其中，到达时间差参数的测量关系有无源定位的精度，是无源定位中的核心问题之一。要想提升目标的定位精度，就必须提高对于时差的测量精度。

已有的时差估计方法大都利用两路接收信号之间的相关性，通过相关峰的位置来估计信号之间的到达时间差。由于在现代信号处理中，处理的信号一般都是数字信号，这就导致在实际的时差估计中，估计精度受限于信号的时间采样间隔，也即估计精度不会超过信号的时间采样间隔。在此条件下，为了提高参数的估计精度，一种方法是需要对接收信号升采样。当采样率提高信号点数增多时，不仅加重了各观测点尤其是参考节点的数据传输和运算负担，而且估计精度仍然受限；另一种方法是对互相关函数拟合或插值，提高真值采样概率，但是这种方法偏差大，精度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种时差估计方法，以解决目前时差估计精度低的问题；同时，本发明还提供了一种时差估计装置。

本发明为解决上述技术问题而提供一种时差估计方法，该估计方法包括以下步骤：

1)对目标辐射源信号进行两路时间同步采集；

2)计算所采集的两路辐射源信号的互相关函数，确定互相关函数的最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值，并根据互相关函数的最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值计算初始估计时差；

3)利用带通采样定理对所采集的任一路辐射源信号进行插值，对时差进行迭代估计，处理结果即为最终的估计时差。

本发明采用带通采样定理对采集的任一路辐射源信号进行插值处理，利用互相关函数计算插值处理后信号的估计时差，并将其作为最终的估计时差。克服了现有时差估计方法中需要对接收信号进行升采样或者需要对互相关函数进行插值导致对辐射源到达时间差估计精度低的问题，通过对于辐射源信号进行插值处理，提升了对辐射源到达时间差的估计精度。

进一步地，本发明给出了具体迭代处理过程，提高了时差估计精度。

所述步骤3)中的迭代处理过程如下：

A.计算初始估计时差与最大值位置对应时差的偏差；

B.根据偏差利用带通采样原理对采集的任一路辐射源信号进行插值处理，得到该路信号的插值信号；

C.计算插值信号在初始估计时差处的相关函数值；

D.根据插值信号在初始估计时差处的相关函数值与步骤2)中最大值位置对应的相关峰函数值的大小关系，更新最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值，并根据更新后的结果重新计算估计时差。

进一步地，为了使时差估计结果与真实时差更加接近，该方法还包括将重新计算的估计时差作为新的初始估计时差带入步骤A中，重复步骤A-D至设定的次数，得到估计时差即为最终的估计时差。

进一步地，本发明还给出了具体的更新规则，所述步骤D中采用的更新规则为：

若

则：

τ₂＝τ₁，C₂＝C₁，

若

则：

τ₁＝τ₁，C₁＝C₁

其中

为插值信号在初始估计时差处的相关函数值，τ₁和τ₂分别为最大值位置和次大值位置，

为初始估计时差，C₁和C₂分别为最大值位置τ₁和次大值位置τ₂对应的相关峰函数值。

进一步地，为了计算初始估计时差，本发明还给出了具体的计算公式，所述步骤2)中的初始估计时差

为：

其中k₁T_s为最大值位置，k₂T_s为次大值位置，C₁和C₂分别为最大值位置和次大值位置对应的相关峰函数值。

进一步地，为了实现对辐射源信号的插值处理，本发明还给出了插值信号的计算公式，所述步骤B中得到的插值信号为：

其中d_τ为初始估计时差与最大值位置对应时差的偏差，l表示插值长度，f₀表示接收信号的中心频率，r₁(n)表示同步采集的一路信号，T_s表示信号的采样频率，B表示采样信号的带宽。

本发明还提供了一种时差估计装置，该估计装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

1)对目标辐射源信号进行两路时间同步采集；

2)计算所采集的两路辐射源信号的互相关函数，确定互相关函数的最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值，并根据互相关函数的最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值计算初始估计时差；

3)利用带通采样定理对所采集的任一路辐射源信号进行插值，对时差进行迭代估计，处理结果即为最终的估计时差。

进一步地，所述步骤3)中的迭代处理过程如下：

A.计算初始估计时差与最大值位置对应时差的偏差；

B.根据偏差利用带通采样原理对采集的任一路辐射源信号进行插值处理，得到该路信号的插值信号；

C.计算插值信号在初始估计时差处的相关函数值；

D.根据插值信号在初始估计时差处的相关函数值与步骤2)中最大值位置对应的相关峰函数值的大小关系，更新最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值，并根据更新后的结果重新计算估计时差。

进一步地，该装置还包括将重新计算的估计时差作为新的初始估计时差带入步骤A中，重复步骤A-D至设定的次数，得到估计时差即为最终的估计时差。

进一步地，所述步骤D中采用的更新规则为：

若

则：

τ₂＝τ₁，C₂＝C₁，

若

则：

τ₁＝τ₁，C₁＝C₁

其中

为插值信号在初始估计时差处的相关函数值，τ₁和τ₂分别为最大值位置和次大值位置，

为初始估计时差，C₁和C₂分别为最大值位置τ₁和次大值位置τ₂对应的相关峰函数值。

进一步地，所述步骤2)中的初始估计时差

为：

其中k₁T_s为最大值位置，k₂T_s为次大值位置，C₁和C₂分别为最大值位置和次大值位置对应的相关峰函数值。

进一步地，所述步骤B中得到的插值信号为：

其中d_τ为初始估计时差与最大值位置对应时差的偏差，l表示插值长度，f₀表示接收信号的中心频率，r₁(n)表示同步采集的一路信号，T_s表示信号的采样频率，B表示采样信号的带宽。

附图说明

图1是本发明时差估计方法的流程图；

图2是相关函数计算结果示意图；

图3是迭代过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明针对目前时差估计方法精度低的问题，提供了一种新的时差估计方法，该方法首先通过两路接收机对目标辐射源信号进行时间同步采集，采集的数字信号分别为r₁(n)和r₂(n)；然后计算两路信号之间的互相关函数R(x)，得到时差的互相关函数，并得到最大值位置和次大值位置τ₁和τ₂，以及相对应的相关峰函数值C₁＝R(k₁)，C₂＝R(k₂)，并由此得到时差的初始估计；最后利用带通采样定理对所采集的任一路辐射源信号进行插值，对时差进行迭代估计。该方法的流程如图1所示，具体实施过程如下。

1.同步采集两路辐射源信号。

利用两路接收机对辐射源信号进行同步采集，假设信号的采样率为T_s，采集的数字信号分别为r₁(n)和r₂(n)。

r₁(n)＝s(n)+n₁(n)

r₂(n)＝s(n-τ)+n₂(n)

其中s(n)表示目标辐射源信号，n₁(n)和n₂(n)分别表示接收机噪声信号，τ表示两路接收机采集到信号的到达时间差，-N/2≤τ≤N/2，N表示信号采样长度。

2.计算两路信号之间的互相关函数R(x)，得到时差的互相关函数，并得到最大值位置和次大值位置τ₁和τ₂，以及相对应的相关峰函数值。

两路信号r₁(n)和r₂(n)之间的互相关函数R(x)为：

k取从-N/2到N/2的整数，本实施例中的得到的相关函数结果如图2所示，根据该相关函数结果，得到最大值位置τ₁＝k₁T_s和次大值位置τ₂＝k₂T_s，以及相对应的相关峰函数值C₁＝R(k₁)，C₂＝R(k₂)。

根据得到的上述结果计算初始估计时差

为：

3.利用带通采样定理，对初始的时差进行迭代估计。

3.1)计算估计时差与

与最大时差的偏差：

3.2)利用带通采样定理，得到第1路信号的插值信号：

其中，L表示差值长度，一般可以将L取为5，f₀表示接收信号的中心频率，β(lT_s-d_τ)表示：

其中，B表示采样信号的带宽。

3.3)利用插值得到的信号

计算

处的相关函数值，计算方式为：

3.4)更新最大值位置和次大值位置τ₁、τ₂，以及相对应的相关峰函数值C₁、C₂，更新的规则为：

若

则：

τ₂＝τ₁，C₂＝C₁，

若

则：

τ₁＝τ₁，C₁＝C₁

3.5)利用更新后τ₁、τ₂、C₁和C₂的重新计算时差估计值：

3.6)迭代更新

将重新计算的估计时差

作为新的初始估计时差，将更新后的最大值位置τ₁均带入步骤3.1)中，重复步骤3.1)-3.5)至设定的次数，得到估计时差即为最终的估计时差。

整个迭代过程如图3所示，随着迭代次数的增加，最大值位置和次大值位置越来越逼近真实值位置，但是一味的增加迭代次数会增加运算量，导致计算效率低，且精度并不会随着迭代次数的增加而有大的提高，因此，迭代次数一般选取3-5次。

上述方法可以作为一种计算机程序，存储在时差估计装置中的存储器中并可在时差估计装置中的处理器上运行。该装置中的处理器可以采用单片机、DSP、PLC或MCU等实现，存储器可以采用RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域已知的任何其他形式的存储介质，可以将该存储介质耦接至处理器，使处理器能够从该存储介质读取信息，或者该存储介质可以是处理器的组成部分。该系统中所执行的步骤方法已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

本发明能够突破采样率限制，使得数字信号的时差估计精度超过时间采样间隔，从而大幅度提升参数的测量精度，显著提升后续的目标定位精度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种时差估计方法，其特征在于，该估计方法包括以下步骤：

1)对目标辐射源信号进行两路时间同步采集；

2)计算所采集的两路辐射源信号的互相关函数，确定互相关函数的最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值，并根据互相关函数的最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值计算初始估计时差；

3)利用带通采样定理对所采集的任一路辐射源信号进行插值，对时差进行迭代估计，处理结果即为最终的估计时差；

所述步骤2)中的初始估计时差

为：

其中k₁T_s为最大值位置，k₂T_s为次大值位置，C₁和C₂分别为最大值位置和次大值位置对应的相关峰函数值，T_s为信号的采样率。

2.根据权利要求1所述的时差估计方法，其特征在于，所述步骤3)中的迭代处理过程如下：

A.计算初始估计时差与最大值位置对应时差的偏差；

B.根据偏差利用带通采样原理对采集的任一路辐射源信号进行插值处理，得到该路信号的插值信号；

C.计算插值信号在初始估计时差处的相关函数值；

D.根据插值信号在初始估计时差处的相关函数值与步骤2)中最大值位置对应的相关峰函数值的大小关系，更新最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值，并根据更新后的结果重新计算估计时差。

3.根据权利要求2所述的时差估计方法，其特征在于，该方法还包括将重新计算的估计时差作为新的初始估计时差带入步骤A中，重复步骤A-D至设定的次数，得到估计时差即为最终的估计时差。

4.根据权利要求2或3所述的时差估计方法，其特征在于，所述步骤D中采用的更新规则为：

若

则：

τ₂＝τ₁，C₂＝C₁，

若

则：

τ₁＝τ₁，C₁＝C₁

其中

为插值信号在初始估计时差处的相关函数值，τ₁和τ₂分别为最大值位置和次大值位置，

为初始估计时差，C₁和C₂分别为最大值位置τ₁和次大值位置τ₂对应的相关峰函数值。

5.根据权利要求2或3所述的时差估计方法，其特征在于，所述步骤B中得到的插值信号为：

其中d_τ为初始估计时差与最大值位置对应时差的偏差，l表示插值长度，f₀表示接收信号的中心频率，r₁(n)表示同步采集的一路信号，T_s表示信号的采样频率，B表示采样信号的带宽。

6.一种时差估计装置，其特征在于，该估计装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

1)对目标辐射源信号进行两路时间同步采集；

2)计算所采集的两路辐射源信号的互相关函数，确定互相关函数的最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值，并根据互相关函数的最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值计算初始估计时差；

3)利用带通采样定理对所采集的任一路辐射源信号进行插值，对时差进行迭代估计，处理结果即为最终的估计时差；

所述步骤2)中的初始估计时差

为：

其中k₁T_s为最大值位置，k₂T_s为次大值位置，C₁和C₂分别为最大值位置和次大值位置对应的相关峰函数值，T_s为信号的采样率。

7.根据权利要求6所述的时差估计装置，其特征在于，所述步骤3)中的迭代处理过程如下：

A.计算初始估计时差与最大值位置对应时差的偏差；

B.根据偏差利用带通采样原理对采集的任一路辐射源信号进行插值处理，得到该路信号的插值信号；

C.计算插值信号在初始估计时差处的相关函数值；

D.根据插值信号在初始估计时差处的相关函数值与步骤2)中最大值位置对应的相关峰函数值的大小关系，更新最大值位置、次大值位置以及相对应的相关峰函数值，并根据更新后的结果重新计算估计时差。

8.根据权利要求7所述的时差估计装置，其特征在于，该装置还包括将重新计算的估计时差作为新的初始估计时差带入步骤A中，重复步骤A-D至设定的次数，得到估计时差即为最终的估计时差。

9.根据权利要求7或8所述的时差估计装置，其特征在于，所述步骤D中采用的更新规则为：

若

则：

τ₂＝τ₁，C₂＝C₁，

若

则：

τ₁＝τ₁，C₁＝C₁

其中

为插值信号在初始估计时差处的相关函数值，τ₁和τ₂分别为最大值位置和次大值位置，

为初始估计时差，C₁和C₂分别为最大值位置τ₁和次大值位置τ₂对应的相关峰函数值。

10.根据权利要求7或8所述的时差估计装置，其特征在于，所述步骤B中得到的插值信号为：

其中d_τ为初始估计时差与最大值位置对应时差的偏差，l表示插值长度，f₀表示接收信号的中心频率，r₁(n)表示同步采集的一路信号，T_s表示信号的采样频率，B表示采样信号的带宽。

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