CN116736680B - 一种带通信号的高精度时间信息提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种带通信号的高精度时间信息提取方法，属高精度时间测量领域。方法包括：步骤1，对起始数字信号与终止数字信号分别进行加窗，记录起始信号粗时间与终止信号粗时间，做第一步插值；步骤2，对起始与终止数字信号互相关运算，得互相关信号；步骤3，数字寻峰找到互相关信号初始峰值位置，截取前后一定量数据点，加偏置使第一数据点值为0；步骤4，对互相关信号多级第二步插值，在每级插值中数字寻峰找到峰值位置，截取前后一定量数据点，加偏置使第一数据点值为0，送入下一级插值；步骤5，计算时间间隔的细时间，与起始信号粗时间和终止信号粗时间计算出时间间隔测量值。该方法能达到高时间精度且易于硬件集成，实现较高测量速率。
Description
技术领域
本发明涉及高精度时间测量领域，尤其涉及一种针对带通滤波器输出的带通信号的高精度时间信息提取。
背景技术
高精度时间测量在核物理与粒子物理实验、核医学成像等领域有着广泛的应用。例如：在飞行时间（Time-of-flight,ToF）正电子发射断层成像（Positron EmissionTomography, PET）中，为实现高空间成像分辨率，需要实现极高的脉冲到达时间测量精度。目前已有一种高精度时间测量方法，通过模拟带通滤波和放大，将输入脉冲信号中所携带的时间信息转换到时域上振荡衰减的带通信号中，再通过数字信号处理的方法实现时间的提取和量化。该方法能够达到亚皮秒量级的时间精度，显著高于传统的时间数字变换（Time-to-digital Conversion, TDC）技术。
在从经过模拟电路处理后产生的带通信号中提取时间信息时，需要采用适当的方法。由于信号具有振荡的特征，常见的数字过阈甄别等方法在该场景下并不适用。互相关定时算法可用于测量两个信号之间的时间间隔，且适用于带通信号。然而，该方法的最小时间分辨单位是相邻数据点之间的时间间隔。为达到足够高的时间精度，需要对采样点进行插值。互相关运算可通过快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）算法实现。为使得时间分辨达到亚皮秒量级，插值倍数需要达到万量级以上。这会使得互相关函数的计算过程涉及到百万量级点数的FFT计算，需要消耗极高的资源，并且无法在现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）中完成对信号的实时处理，或是难以实现较高的测量速率。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种带通信号的高精度时间信息提取方法，能达到高时间精度，且易于硬件实现和多通道集成，能够达到较高的测量速率，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种带通信号的高精度时间信息提取方法，包括：
步骤1，对标志带通信号待测时间间隔的起始信号和终止信号分别经过模拟前端电路和模数转换器处理后，得到对应的起始数字信号与终止数字信号，分别对起始数字信号与终止数字信号进行加窗,截取N0个数据点，并记录起始数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间与终止数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间，分别作为起始信号粗时间与终止信号粗时间，分别对加窗后的起始数字信号与终止数字信号进行第一步插值处理，得到初步处理后的起始数字信号与终止数字信号；
步骤2，对初步处理后的起始数字信号与终止数字信号进行互相关运算，得到互相关信号；
步骤3，通过数字寻峰找到所述互相关信号的初始峰值位置，截取初始峰值位置前后共N1个数据点，向截取的每个数据点都加上一个偏置使第一个数据点的值为0；
步骤4，对所述互相关信号进行多级实现的第二步插值，在每级插值后通过数字寻峰找到所述互相关信号的峰值位置，并截取该峰值位置前后共N1个数据点，向截取的每个数据点都加上一个偏置使第一个数据点的值为0，然后送入下一级的插值过程，按上述处理依次完成第二步插值的各级插值后，得到各级峰值位置；
步骤5，利用步骤3中得到的初始峰值位置与步骤4中得到的各级峰值位置，组合得到时间间隔的细时间，利用起始信号粗时间、终止信号粗时间和时间间隔的细时间计算得出时间间隔测量值。
与现有技术相比，本发明所提供的带通信号的高精度时间信息提取方法，其有益效果包括：
通过将插值过程分为两步来进行，其中第一步插值对起始数字信号和终止数字信号进行插值，插值后的两个数字信号用于计算互相关信号，这样能进一步降低互相关信号相邻数据点间的时间间隔，更准确地定位互相关信号峰值的位置；再进行第二步插值，采用多级插值实现，在每一级插值后都对数据点进行长度截断，从而减小计算资源消耗。在基于FPGA的硬件实现过程中，插值和互相关过程可采用流水线的实现结构，提高数据吞吐率，从而提高算法能够接受的最高事例率。该方法能够达到高时间精度，易于硬件集成，能在目前主流的FPGA器件中实现多个高精度时间测量通道，并可达到较高测量速率，具有很好的有效性、广泛性和实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的带通信号的高精度时间信息提取方法的流程图。
图2为本发明实施例中所使用的带通信号及其采样点的时域波形图，其中，带通信号中心频率为390MHz，采样率为122.88MSps。
图3为本发明实施例提供的高精度时间信息提取方法实现的整体结构框图。
图4为本发明实施例提供的高精度时间信息提取方法中对互相关信号进行多级插值、寻峰及细时间打包部分的结构框图。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
下面对本发明所提供的结直肠内窥镜视频的实时息肉检测系统及方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，本发明实施例提供一种带通信号的高精度时间信息提取方法，包括如下步骤：
步骤1，对标志带通信号待测时间间隔的起始信号和终止信号分别经过模拟前端电路和模数转换器处理后，得到对应的起始数字信号与终止数字信号，分别对起始数字信号与终止数字信号进行加窗,截取N0个数据点，并记录起始数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间与终止数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间，分别作为起始信号粗时间与终止信号粗时间，分别对加窗后的起始数字信号与终止数字信号进行第一步插值处理，得到初步处理后的起始数字信号与终止数字信号；
步骤2，对初步处理后的起始数字信号与终止数字信号进行互相关运算，得到互相关信号；
步骤3，通过数字寻峰找到所述互相关信号的初始峰值位置，截取初始峰值位置前后共N1个数据点，向截取的每个数据点都加上一个偏置使第一个数据点的值为0；
步骤4，对所述互相关信号进行多级实现的第二步插值，在每级插值后通过数字寻峰找到所述互相关信号的峰值位置，并截取该峰值位置前后共N1个数据点，向截取的每个数据点都加上一个偏置使第一个数据点的值为0，然后送入下一级的插值过程，按上述处理依次完成第二步插值的各级插值后，得到各级峰值位置；
步骤5，利用步骤3中得到的初始峰值位置与步骤4中得到的各级峰值位置，组合得到时间间隔的细时间，利用起始信号粗时间、终止信号粗时间和时间间隔的细时间计算得出时间间隔测量值。
优选的，上述方法的步骤1中，按以下方式对起始数字信号进行加窗，并记录起始数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间作为起始信号粗时间，对加窗后的起始数字信号进行第一步插值处理，包括：
对起始数字信号对应的采样数据流进行加窗，从采样数据流中的带通信号出现位置处开始截取N0个采样点，并记录窗口内第一个采样点对应的时间，作为起始信号粗时间，对加窗后的起始数字信号对应的采样数据流进行第一步插值处理；
按以下方式对终止数字信号进行加窗，并记录终止数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间作为终止信号粗时间，对加窗后的终止数字信号进行第一步插值处理，包括：
对终止数字信号对应的采样数据流进行加窗，从采样数据流中的带通信号出现位置处截取N0个采样点，并记录窗口内第一个采样点对应的时间作为终止信号粗时间，对加窗后的终止数字信号对应的采样数据流进行第一步插值处理。
优选的，上述方法的步骤1中，按以下方式对从起始数字信号的采样数据流进行加窗，包括：
通过设置固定阈值确定窗口的起始位置，阈值设置为0.15倍的模数转换器（即ADC）的满幅度量程；
当采样点幅度的绝对值超过阈值时，设置窗口起始位置为过阈点前的第7个采样点，窗口的长度设置为32个采样点；
按以下方式对从终止数字信号的采样数据流进行加窗，包括：
通过设置固定阈值确定窗口的起始位置，阈值设置为0.15倍的模数转换器（即ADC）的满幅度量程；
当采样点幅度的绝对值超过阈值时，设置窗口起始位置为过阈点前的第7个采样点，窗口的长度设置为32个采样点。
优选的，上述方法的步骤1中，按以下方式对起始数字信号对应的加窗后的采样数据流进行第一步插值处理，包括：
按内插零与数字带通滤波两步来进行：
内插零过程是在每两个采样点之间插入数量为M1–1个值为0的数据点，插值倍数M1设置为16；
通过数字带通滤波器恢复出采样前的信号频率成分，数字带通滤波器采用有限脉冲响应结构（即Finite impulse response, FIR），该数字带通滤波器采用Kaiser窗函数法设计，阶数选择112阶，形状参数β取5。
通过上述的加窗和第一步插值处理，能进一步降低互相关信号相邻数据点间的时间间隔，便于更准确地定位互相关信号峰值的位置。
优选的，上述方法的步骤4中，第二步插值共分为K级，K取大于1的正整数。优选的，K取值为12。
优选的，上述方法的步骤5中，按以下公式利用步骤3中得到的初始峰值位置与步骤4中得到的各级峰值位置，组合得到时间间隔的细时间，公式为：
（1）；
式(1)中，表示步骤3中通过寻峰找到所述互相关信号的初始峰值位置；K表示第二步插值的总级数，K取值为12；i表示第二步插值中的第i级插值处理；/>表示步骤4中插值后通过寻峰找到所述互相关信号的第i级峰值位置；j为累乘运算下标，计算出从第1级到第i级插值总的插值倍数；M2,j表示第j级的插值倍数；M1表示第一步插值的插值倍数。
优选的，上述方法的步骤5中，按以下公式利用起始信号粗时间、终止信号粗时间和时间间隔的细时间计算得出时间间隔测量值，公式为：
（2）；
式(2)中，表示终止信号粗时间；/>表示起始信号粗时间；/>表示时间间隔的细时间。
优选的，上述方法的步骤2中，按以下方式对初步处理后的起始数字信号与终止数字信号进行互相关运算得到互相关信号，包括：
步骤21，对初步处理后的起始数字信号与终止数字信号分别进行以下处理得出起始数字信号的频谱Xstart[f]与终止数字信号的频谱Xend[f]，包括：
通过第一步插值后起始数字信号对应数据的长度为N0M1，先对该数据进行补0，将长度延长至两倍，然后对长度延长至两倍的该数据进行快速傅里叶变换得到2N0M1个频谱数据点，由2N0M1个频谱数据点组成起始数字信号的频谱Xstart[f]；
通过第一步插值后终止数字信号对应数据的长度为N0M1，先对该数据进行补0，将长度延长至两倍，然后对长度延长至两倍的该数据进行快速傅里叶变换得到2N0M1个频谱数据点，由2N0M1个频谱数据点组成终止数字信号的频谱Xend[f]；
步骤22，对起始数字信号的频谱Xstart[f]求复共轭后，与终止数字信号的频谱Xend[f]按元素依次相乘，再进行快速傅里叶逆变换得到序列：
(3)；
式(3)中，表示快速傅里叶逆变换；/>表示对起始数字信号的频谱Xstart[f]求复共轭；
步骤23，对快速傅里叶逆变换输出的序列进行重组，得到互相关信号为：
(4)。
优选的，上述方法的步骤3中，N1取值为201。
优选的，上述第二步插值的每级过程分为内插零和数字低通滤波两步来实现：
内插零过程是在每两个采样点之间插入数量为M2,j–1个值为0的数据点，各级插值倍数M2,j均设置为2；j表示第二步插值中的第j级插值处理；
通过数字低通滤波恢复出采样前的信号频率成分，低通滤波器采用FIR结构，采用Kaiser窗函数法设计，低通滤波器的阶数取为22，形状参数β设为16.1。
综上可见，本发明实施例的方法由于对带通信号及其互相关函数进行插值，显著提高了时间分辨能力，并且将插值过程划分为多级实现，配合数据长度截断，有效降低计算资源使用量。在基于FPGA的硬件实现过程中，多级插值可采用流水线的实现结构，提高数据吞吐率，从而提高算法实时实现的测量速率；该方法能够达到高时间精度，易于硬件集成，能在目前主流的FPGA器件中实现多个高精度时间测量通道，具有很好的有效性、广泛性和实用性。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的带通信号的高精度时间信息提取方法进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种基于插值和互相关运算的时间信息提取方法，该方法适用于经过模拟带通滤波器和模拟放大电路调理后的带通信号，通过采样电路进行数字化，输入激励信号为前沿约1ns左右的窄脉冲，带通滤波器的中心频率为390 MHz，带宽约20MHz，放大倍数为100倍。采样电路的采样率为122.88 MSps，通过欠采样将带通信号转换为数字信号。对信号的幅度进行归一化，时域波形如图2所示。
该方法包括以下步骤：
步骤1：对采样数据流进行加窗，截取带通信号出现位置处长度为N0的采样点，并记录窗口内第一个采样点对应的时间t0，即信号的粗时间，由于是分别处理的是：标志带通信号待测时间间隔的起始信号和终止信号，且分别经过模拟前端电路和模拟数字转化电路处理后得到对应的起始数字信号与终止数字信号，得出的信号的粗时间包括：起始数字信号粗时间与终止数字信号粗时间；其中，N0取值为32；
其中，每种数字信号的窗口的起始位置通过设置固定阈值来确定。阈值设置为0.15倍ADC的满幅度量程，当采样点幅度的绝对值超过阈值时，设置窗口起始位置为过阈点前的第7个采样点。窗口的长度设置为32个采样点；
对加窗后的数据进行第一步插值；
插值过程分为内插零和数字带通滤波两步来实现：
内插零过程即在每两个采样点之间插入数量为M1–1个值为0的数据点，插值倍数M1设置为16；通过数字带通滤波器用于恢复出采样前的信号频率成分，数字带通滤波器采用有限脉冲响应结构，数字带通滤波器采用Kaiser窗函数法设计，阶数选择112阶，形状参数β取5；
步骤2：对于标志待测时间间隔的起始数字信号和终止数字信号，分别经过加窗和第一步插值后，进行互相关运算，得到互相关信号；
互相关运算采用快速傅里叶变换算法实现，具体为：对于经过第一步插值后的数据，长度为N0M1.先对其进行补0，将长度延长至两倍；然后进行FFT变换，得到2N0M1个频谱数据点，分别作为起始数字信号的频谱为Xstart[f]和终止数字信号的频谱为Xend[f]，对于起始数字信号的频谱为Xstart[f]和终止数字信号的频谱为Xend[f]，对起始数字信号的频谱Xstart[f]求复共轭后，与终止数字信号的频谱Xend[f]按元素依次相乘，然后进行IFFT变换，得到：
（3）；
对IFFT输出的序列进行重组，得到互相关信号：
（4）；
步骤3：对互相关信号进行数字寻峰，截取初始峰值位置D0前后共N1个数据点；对截取的所有数据点加上一个整体的偏置，使第一个数据点的值为0；
其中，N1取值为201；
步骤4：对互相关信号进行多级实现的第二步插值，第二步插值共分为K级，每一级的插值倍数记为M2,i；
在每一级插值后，均进行数字寻峰，记录峰值所在位置Di，并截取峰值前后共N1个数据点，对截取的所有数据点加上一个整体的偏置，使第一个点的值为0，后再送入下一级插值，完成第二级插值的各级插值后，得到各级峰值位置Di；
步骤5：利用步骤3中得到的初始峰值位置D0与步骤4中得到的各级峰值位置Di，组合得到时间间隔的细时间，利用起始信号粗时间、终止信号粗时间和时间间隔的细时间计算得出时间间隔测量值，具体为：
时间间隔的细时间Δtfine表示为：
（5）；
时间间隔测量值ΔT表示为：
（6）；
其中，K取为12，每一级均采用2倍插值。
优选的，上述第二步插值的每级过程分为内插零和数字低通滤波两步来实现：
内插零过程是在每两个采样点之间插入数量为M2,j–1个值为0的数据点，各级插值倍数M2,j均设置为2；j表示第二步插值中的第j级插值处理；
通过数字低通滤波恢复出采样前的信号频率成分，低通滤波器采用FIR结构，采用Kaiser窗函数法设计，低通滤波器的阶数取为22，形状参数β设为16.1。
图3所示为本实施例硬件实现的整体结构框图；图4为对互相关信号进行插值和寻峰等过程的结构框图。从图3和图4中可以看出，本实施例所提供的方法易于在硬件中集成，适合采用流水线的实现结构，具有很好的实用性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，包括：
步骤1，对标志待测时间间隔的起始信号和终止信号分别经过模拟前端电路和模数转换器处理后，得到对应的起始数字信号与终止数字信号，分别对起始数字信号与终止数字信号进行加窗，截取N0个数据点，并记录起始数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间与终止数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间，分别作为起始信号粗时间与终止信号粗时间，分别对加窗后的起始数字信号与终止数字信号进行第一步插值处理，得到初步处理后的起始数字信号与终止数字信号；
步骤2，对初步处理后的起始数字信号与终止数字信号进行互相关运算，得到互相关信号；
步骤3，通过数字寻峰找到所述互相关信号的初始峰值位置，截取初始峰值位置前后共N1个数据点，向截取的每个数据点都加上一个偏置使第一个数据点的值为0；
步骤4，对所述互相关信号进行多级实现的第二步插值，在每级插值后通过数字寻峰找到所述互相关信号的峰值位置，并截取该峰值位置前后共N1个数据点，向截取的每个数据点都加上一个偏置使第一个数据点的值为0，然后送入下一级的插值过程，按上述处理依次完成第二步插值的各级插值后，得到各级峰值位置；
步骤5，利用步骤3中得到的初始峰值位置与步骤4中得到的各级峰值位置，组合得到时间间隔的细时间，利用起始信号粗时间、终止信号粗时间和时间间隔的细时间计算得出时间间隔测量值。
2.根据权利要求1所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤1中，按以下方式对起始数字信号进行加窗，并记录起始数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间作为起始信号粗时间，对加窗后的起始数字信号进行第一步插值处理，包括：
对起始数字信号对应的采样数据流进行加窗，从采样数据流中的带通信号出现位置处截取N0个采样点，并记录窗口内第一个采样点对应的时间，作为起始信号粗时间，对加窗后的起始数字信号对应的采样数据流进行第一步插值处理；
按以下方式对终止数字信号进行加窗，并记录终止数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间作为终止信号粗时间，对加窗后的终止数字信号进行第一步插值处理，包括：
对终止数字信号对应的采样数据流进行加窗，从采样数据流中的带通信号出现位置处截取N0个采样点，并记录窗口内第一个采样点对应的时间作为终止信号粗时间，对加窗后的终止数字信号对应的采样数据流进行第一步插值处理。
3.根据权利要求2所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤1中，按以下方式对起始数字信号对应的采样数据流进行加窗，包括：
通过设置固定阈值确定窗口的起始位置，阈值设置为0.15倍的模数转换器的满幅度量程；
当采样点幅度的绝对值超过阈值时，设置窗口起始位置为过阈点前的第7个采样点，窗口的长度设置为32个采样点；
按以下方式对终止数字信号对应的采样数据流进行加窗，包括：
通过设置固定阈值确定窗口的起始位置，阈值设置为0.15倍的模数转换器的满幅度量程；
当采样点幅度的绝对值超过阈值时，设置窗口起始位置为过阈点前的第7个采样点，窗口的长度设置为32个采样点。
4.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，按以下方式对加窗后的起始数字信号对应的采样数据流进行第一步插值处理，包括：
按内插零与数字带通滤波两步来进行：
内插零过程是在每两个采样点之间插入数量为M1–1个值为0的数据点，插值倍数M1设置为16；
通过数字带通滤波器恢复出采样前的信号频率成分，数字带通滤波器采用有限脉冲响应结构，该数字带通滤波器采用Kaiser窗函数法设计，阶数选择112阶，形状参数β取5；
按以下方式对加窗后的终止数字信号对应的采样数据流进行第一步插值处理，包括：
按内插零与数字带通滤波两步来进行：
内插零过程是在每两个采样点之间插入数量为M1–1个值为0的数据点，插值倍数M1设置为16；
通过数字带通滤波恢复出采样前的信号频率成分，数字带通滤波过程所用的数字带通滤波器采用有限脉冲响应结构，该数字带通滤波器采用Kaiser窗函数法设计，阶数选择112阶，形状参数β取5。
5.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤4中，第二步插值共分为K级，K取大于1的正整数。
6.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤4中，按以下方式进行第二步插值的每级插值，包括：
插值过程分为内插零和数字低通滤波两步进行：
内插零过程是在每两个采样点之间插入数量为M2,j–1个值为0的数据点，各级插值倍数M2,j均设置为2；j表示第二步插值中的第j级插值处理；
通过数字低通滤波恢复出采样前的信号频率成分，数字低通滤波过程所用的低通滤波器采用有限脉冲响应结构，用Kaiser窗函数法设计，低通滤波器的阶数取为22，形状参数β设为16.1。
7.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤5中，按以下公式利用步骤3与步骤4截取的所有数据点计算时间间隔的细时间，公式为：
（1）；
式(1)中，D0表示步骤3中通过寻峰找到所述互相关信号的初始峰值位置；K表示第二步插值的总级数，K取值为12；i表示第二步插值中的第i级插值处理；Di表示步骤4中插值后通过寻峰找到所述互相关信号的第i级峰值位置；j为累乘运算下标，计算出从第1级到第i级插值总的插值倍数；M2,j表示第j级的插值倍数；M1表示第一步插值的插值倍数。
8.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤5中，按以下公式利用起始信号粗时间、终止信号粗时间和时间间隔的细时间计算得出时间间隔测量值，公式为：
（2）；
式(2)中，表示终止信号粗时间；/>表示起始信号粗时间；/>表示时间间隔的细时间。
9.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤2中，按以下方式对初步处理后的起始信号与终止信号进行互相关运算得到互相关信号，包括：
步骤21，对初步处理后的起始数字信号与终止数字信号分别进行以下处理得出起始数字信号的频谱Xstart[f]与终止数字信号的频谱Xend[f]，包括：
通过第一步插值后起始数字信号对应数据的长度为N0M1，先对该数据进行补0，将长度延长至两倍，然后对长度延长至两倍的该数据进行快速傅里叶变换得到2N0M1个频谱数据点，由2N0M1个频谱数据点组成起始数字信号的频谱Xstart[f]；
通过第一步插值后终止数字信号对应数据的长度为N0M1，先对该数据进行补0，将长度延长至两倍，然后对长度延长至两倍的该数据进行快速傅里叶变换得到2N0M1个频谱数据点，由2N0M1个频谱数据点组成终止数字信号的频谱Xend[f]；
步骤22，对起始数字信号的频谱Xstart[f]求复共轭后，与终止数字信号的频谱Xend[f]按元素依次相乘，再进行快速傅里叶逆变换得到序列：
(3)；
式(3)中，表示快速傅里叶逆变换；/>表示对起始数字信号的频谱Xstart[f]求复共轭；
步骤23，对快速傅里叶逆变换输出的序列进行重组，得到互相关信号为：
(4)。
10.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，
所述步骤1中，N0取值为32；
所述步骤3中，N1取值为201。
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| CN109407501A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-03-01 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法 |
| CN111308198A (zh) * | 2020-03-10 | 2020-06-19 | 国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司 | 一种基于Hanning窗的加窗插值DFT的谐波测量装置及测量方法 |
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