CN109633586A - 一种消除相位模糊度的时延估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除相位模糊度的时延估计方法,包括以下步骤：S1.对接收到的两个信号做N点DFT，变换到频域；S2.计算包含时延信息的相位函数；S3.对相位函数进行去模糊处理；S4.针对去模糊处理后的相位函数，对时延进行估计；本发明消除相位模糊度的时延估计方法，解决了传统时延估计引入相位模糊的问题。本发明提供了一种消除相位模糊度的时延估计方法，对包含时延信息的相位函数进行去模糊处理，解决了传统时延估计方法遭受到相位模糊的问题，并进行时延估计，利用有限的数据量和资源，给出了具有较高分辨率的时延估计值。

Description

一种消除相位模糊度的时延估计方法

技术领域

本发明涉及时延估计技术，特别涉及一种消除相位模糊度的时延估计方法。

背景技术

时间延迟是表征一个信号的重要参量，准确、迅速地估计和测定接收器或接收阵列所接收到的同源信号之间的时间延迟，可以进一步确定其他相关参量，如信源的距离、方位、速度和移动方向等。因此，时延估计成为近年来信号处理领域一个十分活跃的研究课题，在雷达、声纳、生物医学、地球物理、通信、石油地震勘探，语言信号增强和水声学、地震学等科学领域都有广泛的应用。

根据目标信源和检测系统的不同，时延估计可分为两大类型：主动时延估计和被动时延估计。主动时延估计是雷达或声纳发出电磁波或声波搜寻目标，发射信号已知。当这些信号遇到目标后，其中一部分信号反射回雷达或声纳的接收系统。利用匹配滤波技术就能够估计出时延参数，进而确定目标的距离等信息。被动时延估计系统通过接收来自目标信号和噪声的混合信号去搜索目标。这种方法不能控制接收信号能量的大小，但是其主要优点是隐蔽性强，不易被发现。只要获得时延估计值，就可以确定目标的方位。另外，对三个接收器两两之间时间延迟的估计，还可以同时确定目标的方位和距离。

根据处理域的不同，主要有时域时延估计和频域时延估计。在时域通常采用互相关方案，该种方案不能获得较高精度的时延估计值。而在频域，时延可以体现在相位上，通过对相位函数进行拟合，能够得到较高分辨率的时延估计值，然而取出相位时会受到的模糊度影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种消除相位模糊度的时延估计方法，对包含时延信息的相位函数进行去模糊处理，解决了传统时延估计方法遭受到相位模糊的问题，并进行时延估计，利用有限的数据量和资源，给出了具有较高分辨率的时延估计值。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种消除相位模糊度的时延估计方法，包括以下步骤：

S1.对接收到的两个信号做N点DFT，变换到频域；

S2.计算包含时延信息的相位函数；

S3.对相位函数进行去模糊处理；

S4.针对去模糊处理后的相位函数，对时延进行估计。

优选地，所述步骤S1包括以下子步骤：

S101.设接收信号到的两个信号分别为：

其中，s(n)为发送信号，A₁、θ₁、D₁和g₁(n)分别为第一路接收信号的幅度衰减、初始相位、传播时延和接收机噪声；A₂、θ₂、D₂和g₂(n)分别为第二路接收信号的幅度衰减、初始相位、传播时延和接收机噪声；τ＝D₁-D₂即为所需估计的时延；

对r₁(n)和r₂(n)做N点DFT，变换到频域，得到R₁(k)和R₂(k)：

其中，w_N＝e^-j2π/N；

S102.设s(n)的N点DFT为S(k)，即：

将R₁(k)和R₂(k)用S(k)表示为：

其中，G₁(k)和G₂(k)分别代表g₁(n)和g₂(n)的N点DFT变换。

优选地，所述步骤S2包括以下子步骤：

S201.计算r₁(n)和r₂(n)的互频谱R₁₂(k)：

R₁₂(k)＝R₁ ^*(k)R₂(k)；

其中，(·)^*表示共轭，将R₁₂(k)表示为：

其中，G(k)为G₁(k)和G₂(k)带来的联合影响；

S202.计算相位函数：

φ₁₂(k)＝∠R₁₂(k)；

其中，∠(·)表示取相位；对R₁₂(k)取相位会带来±π的相位模糊，即相位大于π或者小于-π时，相位会被强制收缩在[-π,π]这个区间内，于是，将φ₁₂(k)表示为：

其中，p(k)为G(k)引入的相位，m(k)为任意整数，其作用是将φ₁₂(k)强制收缩在[-π,π]内；当m(k+1)≠m(k)时，说明出现相位模糊。

优选地，所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.计算相位差函数Δφ₁₂(k)：

Δφ₁₂(k)＝φ₁₂(k+1)-φ₁₂(k)；

将Δφ₁₂(k)表示如下：

因为|p(k+1)-p(k)|<<2π，而相位模糊时，|2π[m(k+1)-m(k)]|≥2π，所以p(k)相较于m(k)可忽略；

S302.寻找相位模糊位置：

(1)计算Δφ₁₂(k)的期望和标准差：

其中，E{·}和σ{·}分别表示期望和标准差；

(2)计算Δφ₁₂(k)的残差：

v₁₂(k)＝Δφ₁₂(k)-E{Δφ₁₂(k)}；

(3)相位模糊判决：

利用莱特准则进行相位模糊判决，若某一个|v₁₂(i)|＞3σ{Δφ₁₂(i)}，则认为出现相位模糊，模糊位置为Δφ₁₂(i)；

S303.相位模糊消除：

找到模糊位置Δφ₁₂(i)后，若v₁₂(i)＞0，则令若v₁₂(i)＜0，则令其他位置，令

S304.计算消除相位模糊后的相位函数：

(1)令

(2)

将新得到的相位函数表示为：

优选地，所述步骤S4包括：

针对去模糊处理后的相位函数，利用线性最小二乘对时延进行估计，得到估计结果为：

本发明的有益效果是：本发明通过对包含时延信息的相位函数进行去模糊处理，解决了传统时延估计方法遭受到相位模糊的问题，并进行时延估计，利用有限的数据量和资源，给出了具有较高分辨率的时延估计值。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为计算相位函数的流程图；

图3为利用莱特准则消除相位模糊的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种消除相位模糊度的时延估计方法，包括以下步骤：

S1.对接收到的两个信号做N点DFT，变换到频域；

在本申请的实施例中，所述步骤S1包括以下子步骤：

S101.设接收信号到的两个信号分别为：

其中，s(n)为发送信号，A₁、θ₁、D₁和g₁(n)分别为第一路接收信号的幅度衰减、初始相位、传播时延和接收机噪声；A₂、θ₂、D₂和g₂(n)分别为第二路接收信号的幅度衰减、初始相位、传播时延和接收机噪声；τ＝D₁-D₂即为所需估计的时延；

对r₁(n)和r₂(n)做N点DFT，变换到频域，得到R₁(k)和R₂(k)：

其中，w_N＝e^-j2π/N；

S102.设s(n)的N点DFT为S(k)，即：

将R₁(k)和R₂(k)用S(k)表示为：

其中，G₁(k)和G₂(k)分别代表g₁(n)和g₂(n)的N点DFT变换。

S2.计算包含时延信息的相位函数；

如图2所示，在本申请的实施例中，所述步骤S2包括以下子步骤：

S201.计算r₁(n)和r₂(n)的互频谱R₁₂(k)：

R₁₂(k)＝R₁ ^*(k)R₂(k)；

其中，(·)^*表示共轭，将R₁₂(k)表示为：

其中，G(k)为G₁(k)和G₂(k)带来的联合影响；

S202.计算相位函数：

φ₁₂(k)＝∠R₁₂(k)；

其中，∠(·)表示取相位；对R₁₂(k)取相位会带来±π的相位模糊，即相位大于π或者小于-π时，相位会被强制收缩在[-π,π]这个区间内，于是，将φ₁₂(k)表示为：

其中，p(k)为G(k)引入的相位，m(k)为任意整数，其作用是将φ₁₂(k)强制收缩在[-π,π]内；当m(k+1)≠m(k)时，说明出现相位模糊。

S3.对相位函数进行去模糊处理；

如图3所示，在本申请的实施例中，所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.计算相位差函数Δφ₁₂(k)：

Δφ₁₂(k)＝φ₁₂(k+1)-φ₁₂(k)；

将Δφ₁₂(k)表示如下：

因为|p(k+1)-p(k)|<<2π，而相位模糊时，|2π[m(k+1)-m(k)]|≥2π，所以p(k)相较于m(k)可忽略；

S302.寻找相位模糊位置：

(1)计算Δφ₁₂(k)的期望和标准差：

其中，E{·}和σ{·}分别表示期望和标准差；

(2)计算Δφ₁₂(k)的残差：

v₁₂(k)＝Δφ₁₂(k)-E{Δφ₁₂(k)}；

(3)相位模糊判决：

利用莱特准则进行相位模糊判决，若某一个|v₁₂(i)|＞3σ{Δφ₁₂(i)}，则认为出现相位模糊，模糊位置为Δφ₁₂(i)；

S303.相位模糊消除：

找到模糊位置Δφ₁₂(i)后，若v₁₂(i)＞0，则令若v₁₂(i)＜0，则令其他位置，令

S304.计算消除相位模糊后的相位函数：

(1)令

(2)

将新得到的相位函数表示为：

S4.针对去模糊处理后的相位函数，对时延进行估计。

在本申请的实施例中，所述步骤S4包括：针对去模糊处理后的相位函数，利用线性最小二乘对时延进行估计，得到估计结果为：

综上，本发明通过对包含时延信息的相位函数进行去模糊处理，解决了传统时延估计方法遭受到相位模糊的问题，并进行时延估计，利用有限的数据量和资源，给出了具有较高分辨率的时延估计值。

这里已经通过具体的实施例子对本发明进行了详细描述，提供上述实施例的描述为了使本领域的技术人员制造或适用本发明，这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是容易理解的。本发明并不限于这些例子，或其中的某些方面。本发明的范围通过附加的权利要求进行详细说明。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种消除相位模糊度的时延估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.对接收到的两个信号做N点DFT，变换到频域；

S2.计算包含时延信息的相位函数；

S3.对相位函数进行去模糊处理；

S4.针对去模糊处理后的相位函数，对时延进行估计。

2.根据权利要求1所述的一种消除相位模糊度的时延估计方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：

S101.设接收信号到的两个信号分别为：

其中，s(n)为发送信号，A₁、θ₁、D₁和g₁(n)分别为第一路接收信号的幅度衰减、初始相位、传播时延和接收机噪声；A₂、θ₂、D₂和g₂(n)分别为第二路接收信号的幅度衰减、初始相位、传播时延和接收机噪声；τ＝D₁-D₂即为所需估计的时延；

对r₁(n)和r₂(n)做N点DFT，变换到频域，得到R₁(k)和R₂(k)：

其中，w_N＝e^-j2π/N；

S102.设s(n)的N点DFT为S(k)，即：

将R₁(k)和R₂(k)用S(k)表示为：

其中，G₁(k)和G₂(k)分别代表g₁(n)和g₂(n)的N点DFT变换。

3.根据权利要求1所述的一种消除相位模糊度的时延估计方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下子步骤：

S201.计算r₁(n)和r₂(n)的互频谱R₁₂(k)：

R₁₂(k)＝R₁ ^*(k)R₂(k)；

其中，(·)^*表示共轭，将R₁₂(k)表示为：

其中，G(k)为G₁(k)和G₂(k)带来的联合影响；

S202.计算相位函数：

φ₁₂(k)＝∠R₁₂(k)；

其中，∠(·)表示取相位；对R₁₂(k)取相位会带来±π的相位模糊，即相位大于π或者小于-π时，相位会被强制收缩在[-π,π]这个区间内，于是，将φ₁₂(k)表示为：

其中，p(k)为G(k)引入的相位，m(k)为任意整数，其作用是将φ₁₂(k)强制收缩在[-π,π]内；当m(k+1)≠m(k)时，说明出现相位模糊。

4.根据权利要求1所述的一种消除相位模糊度的时延估计方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.计算相位差函数Δφ₁₂(k)：

Δφ₁₂(k)＝φ₁₂(k+1)-φ₁₂(k)；

将Δφ₁₂(k)表示如下：

因为|p(k+1)-p(k)|＜＜2π，而相位模糊时，|2π[m(k+1)-m(k)]|≥2π，所以p(k)相较于m(k)可忽略；

S302.寻找相位模糊位置：

(1)计算Δφ₁₂(k)的期望和标准差：

其中，E{·}和σ{·}分别表示期望和标准差；

(2)计算Δφ₁₂(k)的残差：

v₁₂(k)＝Δφ₁₂(k)-E{Δφ₁₂(k)}；

(3)相位模糊判决：

利用莱特准则进行相位模糊判决，若某一个|v₁₂(i)|＞3σ{Δφ₁₂(i)}，则认为出现相位模糊，模糊位置为Δφ₁₂(i)；

S303.相位模糊消除：

找到模糊位置Δφ₁₂(i)后，若v₁₂(i)＞0，则令若v₁₂(i)＜0，则令其他位置，令

S304.计算消除相位模糊后的相位函数：

(1)令

(2)

将新得到的相位函数表示为：

5.根据权利要求1所述的一种消除相位模糊度的时延估计方法，其特征在于：所述步骤S4包括：

针对去模糊处理后的相位函数，利用线性最小二乘对时延进行估计，得到估计结果为：