一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法发明专利

专利名称：一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202011266345.3

专利申请（专利权）人：清源智翔(重庆)科技有限公司,北京寰宇源测电子科技有限公司
权利人地址：重庆市沙坪坝区西永大道36号附4号A1008

专利发明（设计）人：姚兰,黄嘉

专利摘要：本发明涉及一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对接收机接收到的相邻时刻的脉冲信号包络值进行差分；2)对步骤1)中得到的包络值差分值进行比较大小，并基于得到的差分最大值所在位置处确定脉冲到达时间。本发明方法对脉冲到达时间测量时，通过对脉冲包络进行差分，使得到达时间的测量不受幅度的影响，进而在较高的动态范围情形下，幅度差分的到达时间测量具有更高的测量精度。因此，本发明可以广泛应用于信号处理技术领域。

主权利要求：
1.一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对接收机接收到的相邻时刻的脉冲信号包络值进行差分；
其中，对接收机接收到的相邻时刻的脉冲信号包络值进行差分时，采用常规差分方法或多点差分方法；
采用常规差分方法对接收机接收到的脉冲信号进行平滑处理时，计算公式为：式中， 为脉冲到达时间， 和 分别为 时刻和 时刻的脉冲包络值，n为脉冲包络检测时间序号；
采用多点差分方法对接收机接收到的脉冲信号进行平滑处理时，计算公式为：式中， 为M点差分信号；M为差分点数； 为脉冲包络，为脉冲包络检测时间序号；
2）对步骤1）中得到的包络值差分值进行比较大小，并基于得到的差分最大值所在位置处确定脉冲到达时间。
2.如权利要求1所述的一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法，其特征在于，采用多点差分值方法对脉冲信号进行处理时，差分点数M取24。
3.如权利要求1所述的一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法，其特征在于，所述步骤2）中，脉冲到达时间的计算公式为：式中， 为脉冲到达时间， 为脉冲上升沿时间。 说明书 : 一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法技术领域[0001] 本发明涉及信号处理技术领域，特别是关于一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法。背景技术[0002] 随着无线电电子技术和电子对抗技术的迅速发展，各种辐射源的功能不断加强，电磁环境变得越来越复杂，如何高效获取雷达信息，并对多个同时到达、复杂未知调制的雷达信号进行分选和信号识别处理，已经成为雷达探测领域面临的一个重大难题。其中，雷达信号的脉冲到达时间是重要的雷达脉冲描述参数，提高脉冲到达时间的测量精度具有重要的意义。[0003] 目前，常用的脉冲到达时间测量方法主要基于固定门限，然而在感知雷达信号时，由于雷达波束的扫描特性以及距离的变化等原因，接收机依次感知到雷达主瓣不同位置的脉冲信号，即由雷达主瓣发射功率最低，接收的脉冲幅度最小处动态变化到发射功率最高，接收的脉冲幅度最大处，接收雷达脉冲功率动态范围很大，严重影响雷达信号到达时间测量的精度。与此同时，脉冲到达时间的测量精度还会受到随机噪声的干扰，因此需要一种硬件上实现简单的算法消除上述问题带来的影响。发明内容[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法，通过对脉冲包络进行差分，使得对脉冲到达时间的测量更加精确。[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法，其包括以下步骤：[0006] 1)对接收机接收到的相邻时刻的脉冲信号包络值进行差分；[0007] 2)对步骤1)中得到的包络值差分值进行比较大小，并基于得到的差分最大值所在位置处确定脉冲到达时间。[0008] 进一步地，所述步骤1)中，对接收机接收到的相邻时刻的脉冲信号包络值进行差分时，采用常规差分方法或多点差分方法。[0009] 进一步地，所述步骤1)中，采用常规差分方法对接收机接收到的脉冲信号进行平滑处理时，计算公式为：[0010][0011] 式中，k(n)为脉冲到达时间，p(n)和p(n‑1)分别为n时刻和n‑1时刻的脉冲包络值，n为脉冲包络检测时间序号。[0012] 进一步地，所述步骤1)中，采用多点差分方法对接收机接收到的脉冲信号进行平滑处理时，计算公式为：[0013][0014] 式中，kM(n)为M点差分信号；M为差分点数；p(n)为脉冲包络，n为脉冲包络检测时间序号。[0015] 进一步地，采用多点差分值方法对脉冲信号进行处理时，差分点数M取24。[0016] 进一步地，所述步骤2)中，脉冲到达时间的计算公式为：[0017] ta＝tr/2[0018] 式中，ta为脉冲到达时间，tr为脉冲上升沿时间。[0019] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明对脉冲到达时间测量时，通过对脉冲包络进行差分，使得到达时间的测量不受幅度的影响，在较高的动态范围情形下，幅度差分的到达时间测量具有更高的测量精度。2、本发明在对脉冲包络进行差分之前，首先采用多点差分值平滑的方法，对接收到的脉冲信号进行平滑处理，解决了差分带来的随机误差增大的问题，使得对到达时间的测量更加精确。本发明可以广泛应用于信号处理技术领域。附图说明[0020] 图1是现有的固定门限脉冲到达时间测量示意图；[0021] 图2是本发明实施方式中脉冲到达时间测量误差和差分点数的关系曲线；[0022] 图3是本发明实施方式中动态范围两种到达时间测量方法的测量误差曲线；[0023] 图4是本发明实施方式中动态范围、随机噪声同时存在两种到达时间测量方法的测量误差曲线。具体实施方式[0024] 以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。[0025] 首先对常规的固定门限到达时间测量方法进行介绍。常规测量方法中，通常在低仰角接收条件下，采用固定的检测门限，因而脉冲到达时间的测量值tn会引入两种误差：脉冲幅度变化带来的误差Δt1和随机误差Δt2。随机误差是指环境中噪声等随机因素给到达时间测量带来的误差。[0026] 设脉冲幅度达到固定检测门限的时刻为ta，则脉冲幅度的变化给到达时间的测量带来的误差如图1所示。图1中，tr为脉冲上升沿时间，tf为脉冲下降时间，td表示幅度保持时间。p1(t)和p2(t)具有相同的包络形状和不同的幅度A1、A2，因此采用固定门限ATH，将得到两个不同的到达时间测量值ta1和ta2。令脉冲幅度为A，可将脉冲包络p(t)表示为：[0027][0028] 由式(1)可知，当0≤t＜tr时，p(t)的切线斜率为：[0029][0030] 考虑到脉冲幅度在实际接收过程中动态范围很大，因此固定门限到达时间测量方法中，脉冲幅度带来的误差Δt1对辐射源定位精度的影响十分显著。[0031] 脉冲到达门限时刻ta的表达式为：[0032][0033] 由以上公式可知，脉冲到达门限时刻ta随脉冲包络幅度A变化而变化，即脉冲幅度变化会带来到达时间的测量误差Δt1。[0034] 实施例一[0035] 为了减小这方面的影响，本发明提供一种基于幅度差分信息的到达时间测量方法，基于幅度差分的方法来确定脉冲到达时间，具体的，包括以下步骤：[0036] 1)采用幅度差分方法对接收机接收到的相邻时刻脉冲信号的包络值进行差分。[0037] 考虑到脉冲幅度在实际接收过程中动态范围很大，因此对到达时间测量精度的影响十分显著。为了减小这方面的影响，可以考虑采用差分的方法确定脉冲到达时间。对相邻时刻脉冲的包络值进行差分并比较大小，将最大值所在位置确定为脉冲的到达时间。[0038][0039] 式中，k(n)为脉冲到达时间，p(n)和p(n‑1)分别为n时刻和n‑1时刻的脉冲包络值，n为脉冲包络检测时间序号。[0040] 2)对得到的各差分值进行比较，并基于得到的差分最大值所在位置得到脉冲到达时间，其中，本发明中将脉冲到达时间定义为脉冲上升沿斜率最大处。[0041] 对公式(4)进行求导，得到其切线斜率方程，也就是脉冲到达时间为：[0042] ta＝tr/2(5)[0043] 可以看出，差分方法下的脉冲到达时间出现在上升沿的斜率最大处，根据公式(5)可知，差分方法下的脉冲到达时间与脉冲幅度无关，可以大幅减小脉冲幅度变化对到达时间测量带来的影响。[0044] 实施例二[0045] 由于差分方法会放大随机噪声对到达时间测量的影响，因此，本实施例提供的一种基于幅度差分信息的脉冲到达时间测量方法，其包括以下步骤：[0046] 1)采用多点差分值平滑的方法，对接收机接收到的相邻时刻脉冲信号的包络值进行差分。[0047] 采用多点差分值平滑的方法对脉冲信号进行平滑处理时，表达式如下所示：[0048][0049] 式中，kM(n)为M点差分信号；M为差分点数；p(n)为脉冲包络，n为脉冲包络检测时间序号。[0050] 2)对得到的各多点差分值进行比较，并基于得到的多点差分最大值所在位置得到脉冲到达时间。[0051] 上述步骤1)中，类似的，如果M的值取得很小时，噪声平滑效果不明显；如果M的值取得很大，脉冲上升沿的信息将被平滑处理，反而导致测量误差增大。因此平滑长度的上限应当由实际应用中最窄脉冲的上升沿宽度确定。需要结合具体问题进行分析，确定最优的差分点数。[0052] 实施例三[0053] 本实施例针对128MHz采样率下脉宽为1μs的窄脉冲进行仿真，得到到达时间测量误差和差分点数的关系曲线如图3所示。可以看出随着差分点数的增加，到达时间测量误差先减小后增大，与前面的理论分析相符。为了更准确的获得最优差分点数，针对16～32点差分进行了步长更小的仿真。可以看出当差分点数取24时，到达时间测量误差最小，因此本发明采用24点差分实现到达时间测量。[0054] 实施例四[0055] 本实施例中，设定脉冲宽度为6μs，通过数字信道化后采样频率为128MHz，脉冲最大动态范围40dB。在没有随机噪声影响的条件下，分别采用固定门限方法和本发明基于幅度差分信息的方法对不同功率的脉冲到达时间进行测量，结果如图4所示。可以看出，本发明方法在高动态范围下测量精度几乎不发生变化，而固定门限的测量误差显著增大，说明基于固定门限的到达时间测量方法受脉冲幅度的影响远大于本发明提出的基于幅度差分信息的到达时间测量方法。[0056] 在脉冲最大动态范围40dB的基础上添加随机噪声，即最大信噪比变化范围为15dB～55dB的条件下，分别采用固定门限方法和包络差分方法对不同功率的脉冲进行到达时间测量，结果如图4所示。可以看出，在动态范围较低的条件下，固定门限的到达时间测量具有更高的精度。而随着动态范围增大，包络差分的到达时间测量精度提高，而固定门限精度下降，因此本发明基于包络差分的方法具有更高的测量精度。[0057] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺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外。

专利地区：重庆

专利申请日期：2020-11-13

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN112379335B