CN112630756A - 一种扫描延时极小化的主动系统时序设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种扫描延时极小化的主动系统时序设计方法，属于主动声纳或雷达的信号处理机领域。即时响应发射触发信号且以最小扫描间隔可循环响应发射触发信号，前置环节的输出缓冲区由输入数据累积且输出起止时刻可控、节拍可控，序贯处理环节唯一由前置环节的输出数据驱动。本发明可实现主动系统以最小扫描间隔连续探测并且保留输入帧长、输出帧长及发射信号脉宽在设计上的自由度，具备时间效率高、灵活性好，通用性强等优势。

Description

一种扫描延时极小化的主动系统时序设计方法

技术领域

本发明涉及主动声纳或雷达的信号处理机技术领域，特别涉及一种扫描延时极小化的主动系统时序设计方法。

背景技术

对于以匹配滤波或相关处理为基础的脉冲式主动声纳或雷达的实时数据流处理系统(简称主动系统)，时序设计指主动系统与时间相关的操作设计。数据流是有起始时刻和结束时刻且更新节拍固定的数据包序列。主动系统的数据流起止时刻控制、节拍控制属于时序设计范畴，而复杂多样化的信号处理算法以及信号处理对象(如数据结构)属于算法设计范畴而非时序设计范畴。

时序设计是主动系统设计的关键内容，应遵循量程之间时序行为一致的原则。时序设计需要满足主动系统与时间相关的需求：1)为提高时间效率，主动系统相邻扫描间的延时应尽可能小；2)为得到指定时长的输出，在相关处理或匹配滤波所在环节之前需要对输入在时间上进行与副本信号脉宽及输出节拍相适应的必要累积；3)输出帧长(通常也是序贯处理环节的处理节拍，是考虑硬件资源、算法复杂度、系统延时以及显示需求等因素的综合设计结果)与输入帧长(出于即时响应触发且减小同步误差的考虑，来自信号处理机外部的输入帧长往往较小)不一致；4)主动系统的触发时刻既是大功率发射信号的起始时刻，也是距离与时间的同步0时刻，该时刻主动系统应即时响应触发；5)触发时刻起，主动系统实时接收并处理输入信号，经必要的延时，应实时输出由近及远的全量程探测结果。

传统的主动系统一方面在前一量程完成所有处理后才允许响应新的发射触发，扫描延时长、时间利用效率低；另一方面未能充分解耦合输入帧长、输出帧长与信号脉宽三者间的关系(如约束发射信号脉宽是输出帧长的整数倍且输入帧长等于输出帧长)，致使触发同步误差较大，难以灵活适应硬件资源、算法复杂度、信号脉宽等因素的变化，通用性差，难以推广应用于其它脉冲式主动声纳或雷达系统的时序设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扫描延时极小化的主动系统时序设计方法，以解决背景技术中的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种扫描延时极小化的主动系统时序设计方法，包括：

即时响应发射触发信号，且以最小扫描间隔sT可循环响应发射触发信号，具体为：

触发时刻开始计时，sT-T_in时刻解除触发屏蔽，使sT时刻能够再次响应发射触发信号；其中，最小扫描间隔sT是覆盖理论量程时间的最小整数倍输出帧长所对应的时间长度，

R为量程，c为波速，2R/c为理论量程时间，T为输出帧长，也即更新节拍；ceil表示向上取整运算，T_in为输入数据帧长；

前置环节的输出缓冲区由输入数据累积，且输出起止时刻可控、节拍可控，具体为：

前置环节的输出开启时刻为触发时刻起，计时满相关累积时间T_c的时刻；前置环节输出更新节拍为T，输出更新时刻为触发时刻起计时满T_c+(i-1)×T的时刻，其中i＝1,2,...,s、

前置环节输出关闭时刻为完成第s次输出更新后的时刻，忽略通信时间，该时刻为T_c+(s-1)×T时刻，上述参数T_c、T、s均可控；

所述前置环节是主动系统中位于外部数据输入端之后，且位于序贯处理环节之前的环节；所述序贯处理环节是主动系统中的实时处理流水线环节，唯一由前置环节的输出数据驱动。

可选的，所述触发时刻为：检测到发射触发信号之后的首个输入帧的前沿时刻；

触发时刻即时响应发射触发信号，具体为：触发时刻开始计时，触发时刻屏蔽触发信号直至解除触发屏蔽，触发时刻记录或计算该次触发对应的参数量程R、波速c与s。

可选的，触发时刻开始计时，具体为：计时方式按照输入帧计数的方式进行，触发时刻为首个输入帧的前沿时刻，记为0时刻，则第n输入帧的前沿时刻为(n-1)×T_in时刻。

可选的，相关累积时间T_c由下述约束条件唯一确定：T_c≥T₀+T&T_c＜T₀+T+T_in&mod(T_c/T_in)＝0；其中T₀为相关处理所用副本信号的最长脉宽，mod为求余数运算。

可选的，前置环节的输出缓冲区由输入数据累积，具体为：输出缓冲区存放信号时长等于相关累积时间T_c，输入数据经算法设计所要求的处理后，以先入先出的方式，实时进入并更新输出缓冲区。

可选的，所述序贯处理环节唯一由前置环节的输出数据驱动，具体为：前置环节的输出数据更新事件唯一驱动序贯处理环节运行；前置环节的输出更新时刻依次延时其输出更新节拍就是序贯处理环节的输出更新时刻，序贯处理环节的处理节拍就是前置环节输出的更新节拍。

可选的，所述序贯处理环节包括信号处理环节以及后置数据输出环节；其中所述信号处理环节包括波束形成、时频转换、匹配滤波中的一种或多种。

本发明具有以下有益效果：

(1)时间效率高，可实现以最小扫描间隔循环进行主动探测；

(2)灵活性好，破除了输入帧长、输出帧长与发射信号脉宽三者间的耦合关系，且上述参数各有设计自由度，能够灵活适应硬件资源、算法复杂度、信号脉宽等因素的变化；

(3)通用性强，同时满足主动系统即时触发响应、实时处理、相关累积等与时间相关的需求，严格遵循量程之间时序行为一致的原则，可推广应用于任意脉冲式主动声纳或雷达系统的时序设计。

附图说明

图1为本发明提供的主动系统结构模型示意图；

图2为主动系统在一个量程内的时序示意图；

图3为主动系统以最小扫描间隔连续探测时的时序示意图；

图4为主动系统以非最小扫描间隔连续探测时的时序示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种扫描延时极小化的主动系统时序设计方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

为实现所述发明目的，本发明首先明确相关名词的含义，以便该领域内的普通专业人员能无歧义的理解并实施该专利。

触发时刻：允许发射触发前提下，检测到发射触发信号之后的首个输入帧的前沿时刻，也称发射同步时刻，是新量程时间与距离的同步0时刻。

输出帧长：主动系统每帧输出信号对应的时间长度，也是输出数据帧的更新节拍。

最小扫描间隔：覆盖理论量程时间的最小整数倍输出帧长所对应的时间长度。

扫描延时：实际扫描间隔减去最小扫描间隔的时间差值，实际扫描间隔是指两次相邻触发时刻间的时间间隔。

相关累积时间：给出时长为输出帧长的输出数据时，相关处理算法所需要的累积输入信号时长。

图1示出了主动系统的结构模型示意图。所述主动系统包括前置环节、信号处理环节、后置环节。前置环节是主动系统中位于外部数据输入端之后，且位于序贯处理环节之前的环节，序贯处理环节是主动系统中的实时处理流水线环节，包括信号处理环节(例如但不限于波束形成、时频转换、匹配滤波等中的一种或多种)以及后置数据输出环节(即后置环节)。前置环节接收外部输入数据且其输出起止时刻可控、节拍可控。序贯处理环节唯一由前置环节的输出数据驱动，前置环节的输出更新时刻依次延时其输出更新节拍，就是序贯处理环节的输出更新时刻，前置环节输出的更新节拍就是序贯处理环节的处理节拍。所述主动系统模型下，由前置环节输出端的时序行为可直接演绎序贯处理环节的时序行为，时序设计上将所有序贯处理环节简化，只需考虑前置环节与序贯处理环节的时序设计。

图2示出了包含前置环节与序贯处理环节的主动系统在一个量程内的时序示意图。主动系统初始状态默认为前置环节输出关闭且允许发射触发。下面给出主动系统在一个量程内的时序设计具体实施例。

触发时刻，即[0时刻]，该时刻立即响应触发，具体为：允许发射触发前提下检测到发射触发信号之后的首个输入帧的前沿时刻为触发时刻，触发时刻记为0时刻并开始计时，触发时刻立即屏蔽响应发射触发信号直至解除触发屏蔽，触发时刻立即更新参数、计算并记录该次触发所对应的参数

其中R为量程、c为波速、2R/c表示理论量程时间、T为主动系统的输出帧长，也即更新节拍、ceil表示向上取整运算。为了避免主动系统与外部输入数据产生系统间的时钟不同步致使的误差，触发时刻开始计时的计时方式按照输入帧计数的方式进行，触发时刻的首个输入帧记为第1帧并记其前沿时刻为0时刻，第n帧输入帧的前沿时刻等于(n-1)×T_in，T_in为输入数据帧长。

前置环节输出开启时刻，即[T_c]时刻，该时刻为触发时刻起计时满相关累积时间的时刻，允许前置环节向后接序贯处理环节输出。T_c同时满足下述三个约束条件：(1)不小于相关处理所用副本信号的最长脉宽与主动系统的输出帧长之和，(2)小于相关处理所用副本信号的最长脉宽与主动系统的输出帧长及主动系统的输入帧长三者之和，(3)是外部输入数据帧长的整数倍。用数学表达式表示，由下式唯一确定T_c的取值：T_c∈[T₀+T，T₀+T+T_in)&mod(T_c/T_in)＝0，其中T₀为相关处理副本信号的最长脉宽、T为主动系统的输出帧长、T_in为主动系统的输入数据帧长、mod为求余数运算。

前置环节输出更新时刻，即[T_c+(i-1)×T，i＝1,2,...,s]时刻，该时刻前置环节向后接序贯处理环节更新输出。更新节拍等于主动系统的输出帧长T且为主动系统的输入帧长T_in的整数倍，T可调且与T₀、T_in各有设计自由度。前置环节的输出缓冲区由外部输入数据累积，具体地，外部输入数据经必要的算法设计所要求的处理(例如但不限于降采样、滤波、数据结构调整等处理)后，以先入先出的方式实时按照输入帧节拍累积进入并更新输出缓冲区。

解除触发屏蔽时刻，即[sT-T_in]时刻，该时刻解除触发屏蔽，允许响应新的发射触发，若再次检测到发射触发信号，将在紧挨着的下一个输入帧的前沿时刻再次响应触发。

前置环节输出关闭时刻，即[T_c+(s-1)×T]时刻，该时刻前置环节完成第s次输出更新后立即关闭输出，只允许输入数据更新前置环节的输出缓冲区而不允许输出。忽略输出更新时间，输出关闭时刻为T_c+(s-1)×T时刻，前置环节在该脉冲周期内连续输出更新s次，在前置环节输出的驱动下主动系统产生s个帧长为T的输出结果，sT恰好覆盖量程，该时刻也称前置环节的满量程时刻。

处理环节m的满量程时刻，即[T_c+(s-1)×T+mT]时刻，该时刻处理环节m的输出量程内第s次更新，该环节完成探测周期内的所有信号处理，m＝1,2,...为处理环节的序号。

实施例二

本实施例二为扫描延时极小化情形的实施例。该情形下扫描延时取极小值0，当前量程(A量程)在sT-T_in时刻刚刚允许响应新的发射触发，时间区间[sT-T_in,sT)立即检测到新触发信号并在sT时刻响应新触发，从而启动新量程(B量程)。两次触发时刻的时间间隔为最小扫描间隔sT。图3示出了实施例二提供的主动系统以最小扫描间隔连续探测时的时序示意图。各时刻的操作与实施例一完全一致，A量程与B量程的各个环节在时间及时序操作上均完全不重叠。

(1)B量程0时刻对应A量程sT时刻，B量程进行[0时刻]的操作而A量程无操作，两量程操作不重叠，时间不重叠；

(2)B量程的T_c时刻对应A量程的T_c+sT时刻，前置环节该时刻已经完成A量程所有操作而仅需执行B量程[T_c时刻]操作，该时刻执行A量程[T_c+sT时刻]操作而B量程尚无操作，两量程操作不重叠，时间不重叠；

(3)B量程的(0,T_c)时段无操作，对应A量程时段(sT,T_c+sT)按照时刻操作，两量程操作不重叠，时间不重叠。

前置环节输出端在T_c+(s-1)×T进行A量程的最后一次输出更新，T_c+sT时刻立即紧凑衔接为B量程的首次输出，时间间隔T，实现了前置环节输出的时效最优无缝衔接。后续处理环节类比前置环节也实现了时效最优无缝衔接。本发明的时序设计方法可以在最小扫描间隔情形下正常工作，是时效最优化的设计。

实施例三

本实施例为扫描延时大于零情形的实施例。该实施例中当前量程(A量程)在sT-T_in时刻允许发射触发，在[sT-T_in+ΔT,sT+ΔT)期间检测到新的触发并且在sT+ΔT时刻启动新量程(B量程)，其中ΔT≥T_in&mod(ΔT/T_in)＝0。两次发射触发的时间间隔sT+ΔT大于最小扫描间隔sT。图4示出了实施例三提供的主动系统以非最小扫描间隔连续探测时的时序示意图。各时刻的操作与实施例一完全一致，A量程与B量程的各个环节在时间及时序操作上均完全不重叠。

(1)B量程0时刻对应A量程sT+ΔT时刻，B量程进行[0时刻]的操作而无数据流控制操作，A量程只可能存在数据流控制操作，两量程的操作不相关自然不重叠，时间不重叠；

(2)B量程的T_c时刻对应A量程的T_c+sT+ΔT时刻，任意处理环节在该时刻要么执行A量程操作，要么执行B量程操作，两量程操作不重叠，时间不重叠；

(3)B量程的(0,T_c)时段无操作，对应A量程时段(sT,T_c+sT)按照时刻操作，两量程操作不重叠，时间不重叠。

前置环节输出端在T_c+(s-1)×T时刻进行A量程的最后一次输出更新，T_c+sT+ΔT时刻才进行B量程的首次输出更新，时间间隔T+ΔT大于帧长T。后续处理环节类比前置环节，A量程的最后一次输出与B量程的首次输出时间间隔T+ΔT大于帧长T。两量程之间的扫描间隔相较最小扫描间隔延时ΔT，是时效最优化的循环主动探测。

本发明的实施例是以本发明技术方案为前提下的具体的主动系统时序设计实例，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和规则的情况下，所做的任何对上述实施例的变化、修改、替换或变形，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种扫描延时极小化的主动系统时序设计方法，其特征在于，包括：

即时响应发射触发信号，且以最小扫描间隔sT可循环响应发射触发信号，具体为：

触发时刻开始计时，sT-T_in时刻解除触发屏蔽，使sT时刻能够再次响应发射触发信号；其中，最小扫描间隔sT是覆盖理论量程时间的最小整数倍输出帧长所对应的时间长度，

R为量程，c为波速，2R/c为理论量程时间；T为输出帧长，也即更新节拍；ceil表示向上取整运算，T_in为输入数据帧长；

前置环节的输出缓冲区由输入数据累积，且输出起止时刻可控、节拍可控，具体为：

前置环节的输出开启时刻为触发时刻起，计时满相关累积时间T_c的时刻；前置环节输出更新节拍为T，输出更新时刻为触发时刻起计时满T_c+(i-1)×T的时刻，其中i＝1,2,...,s、

前置环节输出关闭时刻为完成第s次输出更新后的时刻，忽略通信时间，该时刻为T_c+(s-1)×T时刻，上述参数T_c、T、s均可控；

所述前置环节是主动系统中位于外部数据输入端之后，且位于序贯处理环节之前的环节；所述序贯处理环节是主动系统中的实时处理流水线环节，唯一由前置环节的输出数据驱动。

2.如权利要求1所述的扫描延时极小化的主动系统时序设计方法，其特征在于，所述触发时刻为：检测到发射触发信号之后的首个输入帧的前沿时刻；

触发时刻即时响应发射触发信号，具体为：触发时刻开始计时，触发时刻屏蔽触发信号直至解除触发屏蔽，触发时刻记录或计算该次触发对应的参数量程R、波速c与s。

3.如权利要求1所述的扫描延时极小化的主动系统时序设计方法，其特征在于，触发时刻开始计时，具体为：计时方式按照输入帧计数的方式进行，触发时刻为首个输入帧的前沿时刻，记为0时刻，则第n输入帧的前沿时刻为(n-1)×T_in时刻。

4.如权利要求1所述的扫描延时极小化的主动系统时序设计方法，其特征在于，相关累积时间T_c由下述约束条件唯一确定：T_c≥T₀+T&T_c＜T₀+T+T_in&mod(T_c/T_in)＝0；其中T₀为相关处理所用副本信号的最长脉宽，mod为求余数运算。

5.如权利要求1所述的扫描延时极小化的主动系统时序设计方法，其特征在于，前置环节的输出缓冲区由输入数据累积，具体为：输出缓冲区存放信号时长等于相关累积时间T_c，输入数据经算法设计所要求的处理后，以先入先出的方式，实时进入并更新输出缓冲区。

6.如权利要求1所述的扫描延时极小化的主动系统时序设计方法，其特征在于，所述序贯处理环节唯一由前置环节的输出数据驱动，具体为：前置环节的输出数据更新事件唯一驱动序贯处理环节运行；前置环节的输出更新时刻依次延时其输出更新节拍就是序贯处理环节的输出更新时刻，序贯处理环节的处理节拍就是前置环节输出的更新节拍。

7.如权利要求1所述的扫描延时极小化的主动系统时序设计方法，其特征在于，所述序贯处理环节包括信号处理环节以及后置数据输出环节；其中所述信号处理环节包括波束形成、时频转换、匹配滤波中的一种或多种。

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