CN110988836A - 一种脉冲到达时间的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种脉冲到达时间的测量方法，所述方法应用于雷达系统，所述方法包括：获取所述雷达系统的回波信号中的脉冲信号；对所述脉冲信号进行脉冲累积平均，将对所述脉冲信号进行脉冲累积平均后的值设置为所述脉冲信号的阈值；将所述回波信号中的信号值超过所述阈值的点标记为1，将所述回波信号中的信号值低于所述阈值的点标记为0，而获取所述回波信号的信号包络；基于所述信号包络，确定所述脉冲信号的峰值位置，在所述峰值位置处向前截取长度为L的脉冲长度，获取稳定且连续的信号采样点，确定所述脉冲信号的到达时间；其中，L为所述脉冲信号的长度。

Description

一种脉冲到达时间的测量方法及系统

技术领域

本申请实施例涉及雷达领域，尤其涉及一种脉冲到达时间的测量方法及系统。

背景技术

在雷达技术领域，在对雷达信号进行处理时，通常需要采集大量的雷达视频回波数据，以分析和研究雷达系统中的目标回波信号的各种特性，为目标回波信号信息的提取和处理提供依据。随着当代电子战的电磁环境愈加恶劣，雷达发射信号的形式变得多种多样，若要有效分析和采集雷达回波信号的各种特性，就有必要对多种形式的雷达回波信号的到达时间进行精确测量，从而正确截取雷达回波信号中的目标回波信号。通常情况下，当信号的信噪比很高时，直接通过合理的门限检测就可以确定信号的到达时间。然而，在信号的信噪比较低的情况下，由于受到噪声和干扰的影响，信号中脉冲前后沿的抖动误差增大，信号前后沿的采样点容易埋没在噪声或干扰中，导致不能直接通过固定门限检测和估计信号中脉冲的到达时间。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种脉冲到达时间的测量方法及系统。

本申请实施例提供的脉冲到达时间的测量方法，应用于雷达系统，所述方法包括：

获取所述雷达系统的回波信号中的脉冲信号；

对所述脉冲信号进行脉冲累积平均，将对所述脉冲信号进行脉冲累积平均后的值设置为所述脉冲信号的阈值；

将所述回波信号中的信号值超过所述阈值的点标记为1，将所述回波信号中的信号值低于所述阈值的点标记为0，而获取所述回波信号的信号包络；

基于所述信号包络，确定所述脉冲信号的峰值位置，在所述峰值位置处向前截取长度为L的脉冲长度，获取稳定且连续的信号采样点，确定所述脉冲信号的到达时间；其中，L为所述脉冲信号的长度。

在本申请一可选实施方式中，所述确定所述脉冲信号的峰值位置，包括：

针对所述雷达系统所采用的至少一种形式的发射波形，统计所述至少一种形式的发射波形的前后沿的抖动误差，确定所述至少一种形式的发射波形被标记为1的概率P1；

根据所述雷达系统可接受的误差容忍范围P2和所述脉冲信号的长度L，将所述信号包络与ones(N，1)进行卷积运算，确定所述脉冲信号的峰值位置；其中，ones(N，1)表示N行1列的矩阵；N＝P×L，若P1>P2，则设置P为不小于P1的任意小于1的小数，若P1≤P2，则设置P为不小于P2的任意小于1的小数。

在本申请一可选实施方式中，所述发射波形包括：线性调频信号、或相位编码信号、或正交编码信号、或其它波形便捷信号。

在本申请一可选实施方式中，所述脉冲信号为所述雷达系统的回波信号中的任意脉冲信号。

在本申请一可选实施方式中，所述回波信号的信噪比大于设定阈值；其中，所述设定阈值根据所述回波信号及所述回波信号中的噪声的干信比确定。

本申请实施例还提供一种脉冲到达时间的测量系统，所述系统应用于雷达系统，所述系统包括：

获取单元，用于获取所述雷达系统的回波信号中的脉冲信号；

平均单元，用于对所述脉冲信号进行脉冲累积平均，将对所述脉冲信号进行脉冲累积平均后的值设置为所述脉冲信号的阈值；

标记单元，用于将所述回波信号中的信号值超过所述阈值的点标记为1，将所述回波信号中的信号值低于所述阈值的点标记为0，而获取所述回波信号的信号包络；

确定单元，用于基于所述信号包络，确定所述脉冲信号的峰值位置，在所述峰值位置处向前截取长度为L的脉冲长度，获取稳定且连续的信号采样点，确定所述脉冲信号的到达时间；其中，L为所述脉冲信号的长度。

在本申请一可选实施方式中，所述确定单元具体用于：针对所述雷达系统所采用的至少一种形式的发射波形，统计所述至少一种形式的发射波形的前后沿的抖动误差，确定所述至少一种形式的发射波形被标记为1的概率P1；根据所述雷达系统可接受的误差容忍范围P2及所述脉冲信号的长度L，将所述信号包络与ones(N，1)进行卷积运算，确定所述脉冲信号的峰值位置；其中，ones(N，1)表示N行1列的矩阵；N＝P×L，若P1>P2，则设置P为不小于P1的任意小于1的小数，若P1≤P2，则设置P为不小于P2的任意小于1的小数。

在本申请一可选实施方式中，所述发射波形包括：线性调频信号、或相位编码信号、或正交编码信号、或其它波形便捷信号。

在本申请一可选实施方式中，所述脉冲信号为所述雷达系统的回波信号中的任意脉冲信号。

在本申请一可选实施方式中，所述回波信号的信噪比大于设定阈值；其中，所述设定阈值根据所述回波信号及所述回波信号中的噪声的干信比确定。

本申请实施例的技术方案，通过获取雷达系统的回波信号中的脉冲信号；对所述脉冲信号进行脉冲累积平均，将对所述脉冲信号进行脉冲累积平均后的值设置为所述脉冲信号的阈值；将所述回波信号中的信号值超过所述阈值的点标记为1，将所述回波信号中的信号值低于所述阈值的点标记为0，而获取所述回波信号的信号包络；基于所述信号包络，确定所述脉冲信号的峰值位置，在所述峰值位置处向前截取长度为L的脉冲长度，获取稳定且连续的信号采样点，确定所述脉冲信号的到达时间；其中，L为所述脉冲信号的长度。本申请实施例的技术方案，通过采用基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间的测量方法，采用第一级自适应阈值粗标定和第二级自相关两个过程即可确定雷达系统中回波信号的脉冲到达时间，实现方式复杂度低，处理过程效率高，且最终对于脉冲到达时间的准确率高，能够实现对多种形式的雷达回波信号的到达时间进行精确测量，正确截取雷达回波信号中的目标回波信号。

附图说明

图1为本申请实施例提供的脉冲到达时间的测量方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的脉冲到达时间的测量系统的组成部分示意图。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。

在一种实施方式中，采用基于匹配自相关算法的雷达信号脉冲到达时间(TOA，Time Of Arrival)估计方法，通过粗估计雷达信号的起止时间、估计发射雷达信号模型、计算匹配滤波的响应以及匹配滤波得到匹配后的雷达信号的峰值点等四个步骤估计雷达信号的TOA，但是此实施方式中的方法较复杂，实现难度较大，不适用于雷达系统中的数据采集分析系统。

在另一种实施方式中，依据以往对待测电磁波的统计规律确定电磁波到达时刻，减小因为脉冲电磁波在传播过程中波形变化而对时间标定带来的误差，此实施方式主要应用于电磁波测量定位系统，定位误差较小，但采用此实施方式时需要依赖待测电磁波的大量统计规律。

在一种实施方式中，通过设置固定比例生成自适应门限、根据自适应门限确定脉冲初始到达时间、获得脉冲到达时间偏差、求平均等四个步骤测量脉冲到达时间，该实施方式主要用于机场区对飞机的精确定位和识别，从而提高机场的安全性。

在一种实施方式中，通过改进的对雷达脉冲重复频率检测与初始脉冲到达时间的估计方法，该方法处理效率较高、资源占用较少，但对初始脉冲到达时间估计准确率不高。

在一种方案中，对用于TOA估计的自相关算法在低信噪比的门限设置问题进行研究，通过对门限设置的改进，减少了因信噪比过低引起的TOA误判问题；该方案虽然一定程度上降低了误判问题，但准确度仍然不是很高。

在一种方案中，通过对多种形式信号的TOA估计方法进行研究，提出了一种倒数相关累加算法，使得对TOA的估计精度有一定提高，但该方案依赖于信号参数估计精度，一旦信号参数估计精度变低，信号到达时间的估计精度会变差。

基于对上述几种实施方案的分析，提出本申请的各个实施例。

图1为本申请实施例提供的脉冲到达时间的测量方法的流程示意图。如图1所示，所述脉冲到达时间的测量方法包括以下步骤：

S101：获取所述雷达系统的回波信号中的脉冲信号。

本申请一可选实施方式中，所述脉冲信号为所述雷达系统的回波信号中的任意脉冲信号。

具体的，本申请实施例中，雷达系统中的数据采集系统已知雷达系统的当前发射波形的参数和脉冲重复时间间隔，通过数据采集系统能够获取雷达系统的回波数据，该回波数据中包括多种不同形式的雷达回波信号，可以从多种雷达回波信号中任意选择一个脉冲信号进行后续的处理。

需要说明的是，回波信号中包含的噪声和干扰信号是随机性很强的序列，干扰的干信比相对较低，目标回波信号的信干燥比相对较低，作为一种可选的实施方式，所述回波信号的信噪比大于设定阈值；其中，所述设定阈值根据所述回波信号及所述回波信号中的噪声和干扰信号的干信比综合确定。

S102：对所述脉冲信号进行脉冲累积平均，将对所述脉冲信号进行脉冲累积平均后的值设置为所述脉冲信号的阈值。

具体的，本申请实施例中，选取雷达系统的回波信号中的任意一个脉冲信号，对该脉冲信号进行累积平均，根据脉冲信号能量的不同自适应得到所述脉冲信号的阈值，该阈值可以称为第一级阈值。

S103：将所述回波信号中的信号值超过所述阈值的点标记为1，将所述回波信号中的信号值低于所述阈值的点标记为0，而获取所述回波信号的信号包络。

这里，根据脉冲信号的第一级阈值，对雷达系统的回波信号中的每个点进行标定。具体的，即将回波信号中超过第一级阈值的点标记为1，低于第一级阈值的点标记为0，从而获得对脉冲信号进行第一级粗标定后的信号包络。

S104：基于所述信号包络，确定所述脉冲信号的峰值位置，在所述峰值位置处向前截取长度为L的脉冲长度，获取稳定且连续的信号采样点，确定所述脉冲信号的到达时间；其中，L为所述脉冲信号的长度。

需要说明的是，本申请实施例对于脉冲到达时间的测量包括第一级自适应阈值粗标定过程，包括上述S101～S103三个步骤。在对回波信号进行第一级自适应阈值粗标定过程后，还要进行第二级自相关过程，从而获得稳定且连续的信号采样点，确定回波信号中的脉冲信号的到达时间。

具体的，第二级自相关过程中，将第一级自适应阈值粗标定过程最终获得的信号包络作为第二级自相关过程的输入，基于所述信号包络，确定所述脉冲信号的峰值位置，在所述峰值位置处向前截取长度为L的脉冲长度，获取稳定且连续的信号采样点，确定所述脉冲信号的到达时间；其中，L为所述脉冲信号的长度。

本申请一可选实施方式中，所述确定所述脉冲信号的峰值位置，包括：

针对所述雷达系统所采用的至少一种形式的发射波形，统计所述至少一种形式的发射波形的前后沿的抖动误差，确定所述至少一种形式的发射波形被标记为1的概率P1；

根据所述雷达系统可接受的误差容忍范围P2和所述脉冲信号的长度L，将所述信号包络与ones(N，1)进行卷积运算，确定所述脉冲信号的峰值位置；其中，ones(N，1)表示N行1列的矩阵；N＝P×L，若P1>P2，则设置P为不小于P1的任意小于1的小数，若P1≤P2，则设置P为不小于P2的任意小于1的小数。

这里，将P的取值为小数，在设置P的值时，将其所取的小数保留到百分位即可。

具体的，雷达系统的发射波形包括：线性调频信号、或相位编码信号、或正交编码信号、或其它波形便捷信号。第二级自相关过程中，对于该信号包络的处理包括以下两个部分：

(1)针对雷达系统采用的不同形式的雷达发射波形，统计不同形式的雷达发射波形的前后沿的抖动误差，确定不同形式的雷达发射波形在第一级自适应阈值粗标定过程后被标记为1的概率P1。

(2)考虑采集雷达系统的回波信号时，回波信号中会包含噪声和干扰信号，为了排除因噪声和干扰的存在引起的回波信号中波形的抖动，可以根据雷达系统可接受的误差容忍范围P2和已知的脉冲长度L，将第一级自适应阈值粗标定过程形成的信号包络与一个N行1列的矩阵ones(N，1)进行卷积运算，从而提取回波信号的峰值位置，从该峰值位置处向前截取脉冲长度为L的信号，获得稳定且连续的信号采样点，从而得到回波信号的单一的脉冲到达时间。

这里，通过对信号包络进行卷积运算能够得到回波信号的峰值，保证获得稳定且连续的信号采样点；如果通过对信号包络进行卷积运算后并未得到回波信号的峰值，则认定与该信号包络对应的脉冲信号为无用信号，剔除该脉冲信号即可。因此，在选取回波信号中的脉冲信号时，可以选取回波信号中任意一个脉冲信号，在第二级自相关过程后，可以将回波信号中无用的脉冲信号排除。

本申请实施例的技术方案，通过采用基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间的测量方法，采用第一级自适应阈值粗标定和第二级自相关两个过程即可确定雷达系统中回波信号的脉冲到达时间，在第二级自相关过程中，通过对误差容忍范围的设置能够提高对回波信号的处理速度及脉冲到达时间的测量的准确性。本申请实施例的技术方案实现方式复杂度低，处理过程效率高，且最终对于脉冲到达时间的准确率高，能够实现对多种形式的雷达回波信号的到达时间进行精确测量，正确截取雷达回波信号中的目标回波信号。

下面结合一具体实施例说明本申请实施例所提供的脉冲到达时间的测量方法。

已知雷达系统的发射波形是线性调频信号，对回波信号的脉冲采样宽度为2000，脉冲重复周期为400微秒，预先统计该发射波形的前后沿的抖动误差为97.7％，设置雷达系统的可接受的误差容忍范围为98％。

对于数据采集系统采集到的雷达系统的回波信号，选择该回波信号中的第一个脉冲信号进行累加求平均值，并将所求得的平均值作为第一级自适应阈值粗标定过程的第一级阈值K1。

根据第一级阈值K1，对回波信号中的每个点进行标定，将超过第一级阈值K1的点标记为1，将低于第一级阈值K1的点标记为0，从而获得第一级自适应阈值粗标定过程的信号包络，该信号包络是一个信号向量。

将第一级自适应阈值粗标定过程的信号包络作为第二级自相关过程的输入，将该信号包络与ones(1960，1)进行卷积运算，得到所选定的脉冲信号的峰值位置。

所选定的脉冲信号的峰值位置在信号向量的第1960个采样点，该采样点即为所选定的脉冲信号的下降沿的位置，从该下降沿的位置向前截取2000个采样点，获得稳定且连续的信号采样点，该稳定且连续的信号采样点即为脉冲序列，从而得到脉冲信号中单一脉冲的到达时间。

图2为本申请实施例提供的脉冲到达时间的测量系统的组成部分示意图。如图2所示，所述系统应用于雷达系统，所述系统包括：

获取单元21，用于获取所述雷达系统的回波信号中的脉冲信号；

平均单元22，用于对所述脉冲信号进行脉冲累积平均，将对所述脉冲信号进行脉冲累积平均后的值设置为所述脉冲信号的阈值；

标记单元23，用于将所述回波信号中的信号值超过所述阈值的点标记为1，将所述回波信号中的信号值低于所述阈值的点标记为0，而获取所述回波信号的信号包络；

确定单元24，用于基于所述信号包络，确定所述脉冲信号的峰值位置，在所述峰值位置处向前截取长度为L的脉冲长度，获取稳定且连续的信号采样点，确定所述脉冲信号的到达时间；其中，L为所述脉冲信号的长度。

本申请一可选实施方式中，所述确定单元24具体用于：针对所述雷达系统所采用的至少一种形式的发射波形，统计所述至少一种形式的发射波形的前后沿的抖动误差，确定所述至少一种形式的发射波形被标记为1的概率P1；根据所述雷达系统可接受的误差容忍范围P2及所述脉冲信号的长度L，将所述信号包络与ones(N，1)进行卷积运算，确定所述脉冲信号的峰值位置；其中，ones(N，1)表示N行1列的矩阵；N＝P×L，若P1>P2，则设置P为不小于P1的任意小于1的小数，若P1≤P2，则设置P为不小于P2的任意小于1的小数。

本申请一可选实施方式中，所述发射波形包括：线性调频信号、或相位编码信号、或正交编码信号、或其它波形便捷信号。

本申请一可选实施方式中，所述脉冲信号为所述雷达系统的回波信号中的任意脉冲信号。

本申请一可选实施方式中，所述回波信号的信噪比大于设定阈值；其中，所述设定阈值根据所述回波信号及所述回波信号中的噪声的干信比确定。

本领域技术人员应当理解，图2所示的脉冲到达时间的测量系统中的各单元的实现功能可参照前述脉冲到达时间的测量方法的相关描述而理解。图2所示的脉冲到达时间的测量系统中的各单元的功能可通过运行于处理器上的程序而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。

本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和智能设备，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个第二处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲到达时间的测量方法，其特征在于，所述方法应用于雷达系统，所述方法包括：

获取所述雷达系统的回波信号中的脉冲信号；

对所述脉冲信号进行脉冲累积平均，将对所述脉冲信号进行脉冲累积平均后的值设置为所述脉冲信号的阈值；

将所述回波信号中的信号值超过所述阈值的点标记为1，将所述回波信号中的信号值低于所述阈值的点标记为0，而获取所述回波信号的信号包络；

基于所述信号包络，确定所述脉冲信号的峰值位置，在所述峰值位置处向前截取长度为L的脉冲长度，获取稳定且连续的信号采样点，确定所述脉冲信号的到达时间；其中，L为所述脉冲信号的长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述脉冲信号的峰值位置，包括：

针对所述雷达系统所采用的至少一种形式的发射波形，统计所述至少一种形式的发射波形的前后沿的抖动误差，确定所述至少一种形式的发射波形被标记为1的概率P1；

根据所述雷达系统可接受的误差容忍范围P2和所述脉冲信号的长度L，将所述信号包络与ones(N，1)进行卷积运算，确定所述脉冲信号的峰值位置；其中，ones(N，1)表示N行1列的矩阵；N＝P×L，若P1>P2，则设置P为不小于P1的任意小于1的小数，若P1≤P2，则设置P为不小于P2的任意小于1的小数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发射波形包括：线性调频信号、或相位编码信号、或正交编码信号、或其它波形便捷信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲信号为所述雷达系统的回波信号中的任意脉冲信号。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述回波信号的信噪比大于设定阈值；其中，所述设定阈值根据所述回波信号及所述回波信号中的噪声的干信比确定。

6.一种脉冲到达时间的测量系统，其特征在于，所述系统应用于雷达系统，所述系统包括：

获取单元，用于获取所述雷达系统的回波信号中的脉冲信号；

平均单元，用于对所述脉冲信号进行脉冲累积平均，将对所述脉冲信号进行脉冲累积平均后的值设置为所述脉冲信号的阈值；

标记单元，用于将所述回波信号中的信号值超过所述阈值的点标记为1，将所述回波信号中的信号值低于所述阈值的点标记为0，而获取所述回波信号的信号包络；

确定单元，用于基于所述信号包络，确定所述脉冲信号的峰值位置，在所述峰值位置处向前截取长度为L的脉冲长度，获取稳定且连续的信号采样点，确定所述脉冲信号的到达时间；其中，L为所述脉冲信号的长度。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述确定单元具体用于：针对所述雷达系统所采用的至少一种形式的发射波形，统计所述至少一种形式的发射波形的前后沿的抖动误差，确定所述至少一种形式的发射波形被标记为1的概率P1；根据所述雷达系统可接受的误差容忍范围P2及所述脉冲信号的长度L，将所述信号包络与ones(N，1)进行卷积运算，确定所述脉冲信号的峰值位置；其中，ones(N，1)表示N行1列的矩阵；N＝P×L，若P1>P2，则设置P为不小于P1的任意小于1的小数，若P1≤P2，则设置P为不小于P2的任意小于1的小数。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述发射波形包括：线性调频信号、或相位编码信号、或正交编码信号、或其它波形便捷信号。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述脉冲信号为所述雷达系统的回波信号中的任意脉冲信号。

10.根据权利要求6至9任一项所述的系统，其特征在于，所述回波信号的信噪比大于设定阈值；其中，所述设定阈值根据所述回波信号及所述回波信号中的噪声的干信比确定。

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