一種測定信號直達波到達時差的分段互相關方法
2023-05-15 01:51:51
一種測定信號直達波到達時差的分段互相關方法
【專利摘要】一種測定信號直達波到達時差的分段互相關方法。位於兩個不同位置處的接收裝置同時接收同一目標反射或發射的信號，分別進行數模轉換確定兩個信號接收裝置的接收信號時域採樣並進行快速傅立葉變換，確定兩個信號接收裝置的接收信號頻域採樣；對一個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個搜索時差進行時差移動後，與另一個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個分段模式進行分段互相關處理，確定所有分段互相關值之和；改變搜索時差和分段模式，確定對應的所有分段互相關值之和；在所有搜索時差和分段模式對應的互相關值之和中搜索最大值，最大值對應的搜索時差即是測定的信號直達波到達時差。存在非直達波信號時，本方法測定的信號直達波到達時差的平均偏差和均方根誤差都小於廣義互相關方法。
【專利說明】一種測定信號直達波到達時差的分段互相關方法
【技術領域】
[0001]本發明屬電子信息【技術領域】，涉及電子信息【技術領域】測定信號到達時差的方法。
【背景技術】
[0002]測定兩個接收裝置的接收信號之間的時差是無線電定位、通信信號同步等領域的關鍵技術之一，已有廣泛而深入的研究與應用。測定信號時差的方法可以分為主動和被動兩類。例如，在主動雷達和聲納系統中，可通過測定已知的發射信號和目標反射信號之間的時差來確定目標距離；在現代通信系統中，可通過測定接收信號與已知的同步碼序列之間的時差實現通信信號同步。在主動時差測定問題中，一個信號是精確已知的，另一個信號是被噪聲汙染的信號，當噪聲是平穩的高斯白噪聲時，測定這兩個信號之間的時差的最優方法是最大似然測定方法，又稱為互相關方法或匹配濾波器方法。
[0003]由於目標反射信號到達接收裝置的直達波傳播時間等於目標信號的到達時刻減去目標信號的發射時刻，對被動雷達和聲納系統而言，目標反射信號的反射時刻是未知的，因此，不能直接測定目標反射信號的直達波傳播時間。在被動雷達和聲納系統中，可利用位於兩個不同位置處的接收裝置同時接收同一目標反射或發射的信號，通過測定這兩個接收裝置的接收信號中的直達波到達時差來確定目標與這兩個接收裝置之間的距離差，從而獲得目標位置信息。在現代通信系統中，也可利用位於兩個不同位置處的接收裝置同時接收同一通信信號，通過測定兩個接收信號中的直達波到達時差實現通信信號同步，進而實現通信信號的對齊分集接收、定位等。在被動信號時差測定問題中，兩個接收信號都是被噪聲汙染的信號，當噪聲都是平穩的高斯白噪聲時，測定兩個接收信號中的直達波到達時差的最優方法為廣義互相關方法。
[0004]隨著兩個接收信號中的直達波到達時差測定技術的推廣應用越來越多，人們在實際應用中經常遇到多徑傳播問題，即接收信號中不僅包含直達波，還包含到達時間不同的非直達波。在測定兩個接收信號中的直達波到達時差的問題中，多徑傳播的影響包括:一方面，非直達波的到達時間與目標位置之間的關係十分複雜，與未知的、千變萬化的不同傳播環境有關，難以從中獲得可靠的目標位置信息；另一方面，若直接採用互相關方法或廣義互相關方法，而不採取有效的處理方法抑制接收信號中非直達波對測定信號直達波到達時差的影響，則在非直達波相對於直達波信號的到達時差大於信號帶寬的倒數時，多徑非直達波引起的頻率選擇性衰落將導致互相關方法或廣義互相關方法測定的信號時差偏離真實的直達波到達時差。因此，抑制接收信號中的非直達波對測定信號直達波到達時差的影響在時差測定技術走向實用化的發展過程中具有重要意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對【背景技術】中存在的非直達波引起互相關方法或廣義互相關方法測定的兩個接收信號中的直達波到達時差偏離真實的直達波到達時差的問題，開發研究一種測定信號直達波到達時差的分段互相關方法。提供一種在多徑傳播環境中信號到達接收裝置的路徑不止一個的情況下，利用分段互相關方法對兩部接收裝置的接收信號進行處理，使接收信號中的多徑非直達波信號對測定信號中的直達波到達時差的影響受到抑制，測定的直達波到達時差的精度優於廣義互相關方法。
[0006]本發明的基本思路是:在頻域對兩個信號接收裝置的接收信號頻域採樣進行分段，再在頻域對接收信號頻域採樣的分段數據進行互相關。只要頻域採樣的分段數據對應的信號帶寬小於多徑時差的倒數，就可以有效抑制多徑傳播導致的頻率選擇性衰落對測定接收信號中的直達波到達時差的影響，從而抑制接收信號中非直達波對測定信號直達波到達時差的影響。因為多徑時差是未知的，所以本申請採用搜索不同分段模式的方法，頻域採樣的分段數據對應的信號帶寬小於多徑時差的倒數時可忽略多徑信號對測定信號直達波到達時差的影響，從而實現多徑傳播環境中準確測定信號直達波到達時差的目的。
[0007]本發明的目的是這樣達到的:在頻域對兩個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個分段模式進行分段，分段前先對一個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個搜索時差進行時差移動，再在頻域對接收信號頻域採樣的分段數據進行互相關處理。
[0008]首先，位於兩個不同位置處的接收裝置同時接收同一目標反射或發射的信號，並分別進行數模轉換，從而分別確定兩個信號接收裝置的接收信號時域採樣；接著，對兩個信號接收裝置的接收信號時域採樣分別進行快速傅立葉變換，確定兩個信號接收裝置的接收信號頻域採樣；其次，對一個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個搜索時差進行時差移動後，與另一個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個分段模式進行分段互相關處理，確定所有分段互相關值之和；然後，改變搜索時差和分段模式，相應的確定對應的所有分段互相關值之和；最後，在所有搜索時差和分段模式對應的所有分段互相關值之和中搜索最大值，最大值對應的搜索時差即是測定的信號直達波到達時差。
[0009]本發明方法包括的步驟是:
[0010]步驟1.初始化處理:將接收信號時域採樣周期T和時域採樣個數M，搜索的時差間隔α和時差個數2Q+1，搜索的時差值、=904 = -0，-0+1^"，0-1，0，快速傅立葉變換長度J，信號帶寬B，信號最小頻點ω 0,搜索的分段模式的個數K，每個分段模式對應的頻域分段的個數Nk和每段的採樣頻點的個數Lk，k = 1，2，…，K，信號傳播速度C，以及位於兩個不同位置處的接收裝置之間的距離D初始化存入內存；
[0011]步驟2.分別確定兩個接收裝置的接收信號時域採樣:位於兩個不同位置處的接收裝置同時接收同一目標反射或發射的信號，並分別進行數模轉換，從而分別確定兩個接收裝置的接收信號時域採樣X1 (t)和x2(t)，其中，t = Τ, 2T, -,MT, T是數模轉換的周期，即接收信號的時域採樣周期，M是接收信號的時域採樣個數；
[0012]步驟3.分別確定兩個接收裝置的接收信號頻域採樣:對兩個接收裝置的接收信號時域採樣X1 (t)和&(0分別進行長度為J的快速傅立葉變換，確定兩個接收裝置的接收信號頻域採樣yi(j)和y2(j)，j = 0，1，2，…，J-1，T是數模轉換的周期，即接收信號的時域採樣周期，J是快速傅立葉變換長度；
[0013]步驟4.確定兩個接收裝置的接收信號的分段互相關值之和:首先，對步驟3所得的一個接收裝置的接收信號頻域採樣71(」)按照一個搜索時差T_Q = -Qa進行時差移動，α為搜索的時差間隔,確定時差移動後的結果為z_Q(j)，J = co0,ca0+Ιω0+2,...,ω0+{BxJxT^i然後，按照分段模式#1對z_Q(j)與另一個接收裝置的接收信號頻域採樣y2(j)進行分段互相關處理，確定分段互相關值之和f_Q (I);接著，改變搜索時差為τ q = q α，分段模式為#k，相應的確定對應的時差移動後的結果為Ztl (j), 7=ω0,ω0+1,--0+2,...,?0+[5χ,/χ],以及所有分段互相關值之和為fq(k)，其中q = -Q, -Q+l, - ,Q-1,Q, k = 2，…，K，K是搜索的分段模式的個數，Qci是信號最小頻點，表示小於BXJXT的最大整數；
[0014]步驟5.確定兩個接收裝置的接收信號直達波時差:在步驟4確定的每個搜索時差xq = qa和分段模式#1^的組合對應的所有分段互相關值之和fq(k)中搜索最大值，α為搜索的時差間隔，k = 1，2，…，K，q = -Q, -Q+l, - ,Q-l, Q，所有分段互相關值之和fq(k)的最大值對應的那個搜索時差，即是測定的信號直達波到達時差，從而實現其發明目的。
[0015]在步驟I中所述每個分段模式對應的頻域分段的個數Nk和每段的頻點個數Lk，是指將頻點從Qci到GVNkLk-1的信號頻域採樣連續的分成Nk段，每段的頻點個數為Lk，不同的分段模式對應的頻域分段的個數Nk和每段的頻點個數Lk不完全相同，滿足:
[0016]Nk > I 和At =「方表不小於 BX JXT/Nk 的最大整數，
[0017]其中，Coci是信號最小頻點，k= 1，2，...，!(，K是搜索的分段模式的個數，B是信號帶寬，J是快速傅立葉變換長度，T是接收信號時域採樣周期；
[0018]所述在步驟I中搜索的時差間隔α和時差個數2Q+1，應滿足Qa〈D/c，其中c是信號傳播速度，對電磁波而言，c即光速，D是兩個接收裝置之間的距離；
[0019]所述在步驟4中對步驟3所得的一個接收裝置的接收信號頻域採樣yi(j)按照一個搜索時差τ _Q = -Q α進行時差移動，時差移動通過下式進行:
[0_ z_gU) = V1(J)^-0
[0021]其中，α為搜索的時差間隔，z_Q(j)為時差移動後的結果，i是純虛數，即i =
7 = ω0,ω0+1,ω0+2 u +[BxJxT], ω。是信號最小頻點，「?χ/χ")表示小於BXJXT的最大整數，B是信號帶寬，J是快速傅立葉變換長度，T是接收信號時域採樣周期；
[0022]所述在步驟4中按照分段模式#1對z_Q(j)與另一個接收裝置的接收信號頻域採樣72(」)進行分段互相關處理，分段互相關處理通過下式進行:
【權利要求】
1.一種測定信號直達波到達時差的分段互相關方法，其特徵在於:在頻域對兩個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個分段模式進行分段，分段前先對一個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個搜索時差進行時差移動，再在頻域對接收信號頻域採樣的分段數據進行互相關處理: 首先，位於兩個不同位置處的接收裝置同時接收同一目標反射或發射的信號，並分別進行數模轉換，從而分別確定兩個信號接收裝置的接收信號時域採樣；接著，對兩個信號接收裝置的接收信號時域採樣分別進行快速傅立葉變換，確定兩個信號接收裝置的接收信號頻域採樣；其次，對一個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個搜索時差進行時差移動後，與另一個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個分段模式進行分段互相關處理，確定所有分段互相關值之和；然後，改變搜索時差和分段模式，相應的確定對應的所有分段互相關值之和；最後，在所有搜索時差和分段模式對應的所有分段互相關值之和中搜索最大值，最大值對應的搜索時差即是測定的信號直達波到達時差。
2.如權利要求1所述的測定信號直達波到達時差的分段互相關方法，其特徵在於:在頻域對兩個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個分段模式進行分段，分段前先對一個信號接收裝置的接收信號頻域採樣按照一個搜索時差進行時差移動，再在頻域對接收信號頻域採樣的分段數據進行互相關處理的具體步驟是: 步驟1.初始化處理:將接收信號時域採樣周期T和時域採樣個數M，搜索的時差間隔α和時差個數2Q+1，搜索的時差值Tq = qa，q = -Q，-Q+1，快速傅立葉變換長度J，信號帶寬B，信號最小頻點ω 0,搜索的分段模式的個數K，每個分段模式對應的頻域分段的個數Nk和每段的採樣頻點的個數Lk，k = 1，2，…，K，信號傳播速度C，以及位於兩個不同位置處的接收裝置之間的距離D初始化存入內存； 步驟2.分別確定兩個接收裝置的接收信號時域採樣:位於兩個不同位置處的接收裝置同時接收同一目標反射或發射的信號，並分別進行數模轉換，從而分別確定兩個接收裝置的接收信號時域採樣X1 (t)和&(0，其中，七=1'，2Τ，...，ΜΤ，T是數模轉換的周期，即接收信號的時域採樣周期，M是接收信號的時域採樣個數； 步驟3.分別確定兩個接收裝置的接收信號頻域採樣:對兩個接收裝置的接收信號時域採樣X1 (t)和&(0分別進行長度為J的快速傅立葉變換，確定兩個接收裝置的接收信號頻域採樣Y1 (j)和y2(j)，j = O，1，2，…，J-1，J是快速傅立葉變換長度； 步驟4.確定兩個接收裝置的接收信號的分段互相關值之和:首先，對步驟3所得的一個接收裝置的接收信號頻域採樣yi(j)按照一個搜索時差T_Q = -Qa進行時差移動，α為搜索的時差間隔，確定時差移動後的結果為z_Q(j)，/?,ρω,,+Ι,ω,,+--+Ρχ/χΓ?;然後，按照分段模式#1對z_Q(j)與另一個接收裝置的接收信號頻域採樣y2(j)進行分段互相關處理，確定分段互相關值之和fjl);接著，改變搜索時差為Tq = qa，分段模式為#k，相應的確定對應的時差移動後的結果為zq(j)，j = u⑴+1，6>η+2，...，ωη+「.Βχ/χ2η，以及所有分段互相關值之和為fq(k)，其中q = -Q, -Q+l, - ,Q-1,Q, k = 2，…，K，K是搜索的分段模式的個數，Qci是信號最小頻點，「Sx/xrl表示小於BXJXT的最大整數，B是信號帶寬，J是快速傅立葉變換長度，T是接收信號時域採樣周期，q = -Q, -Q+1,…，Q-l, Q，α為搜索的時差間隔，k = 2，…，K，K是搜索的分段模式的個數。 步驟5.確定兩個接收裝置的接收信號直達波時差:在步驟4確定的每個搜索時差、=qa和分段模式#1^的組合對應的所有分段互相關值之和fq(k)中搜索最大值，α為搜索的時差間隔，k = 1，2，…，K，q = -Q, -Q+1,…，Q_l，Q，所有分段互相關值之和fq(k)的最大值對應的那個搜索時差，即是測定的信號直達波到達時差。
3.如權利要求2所述的測定信號直達波到達時差的分段互相關方法，其特徵在於:所述在步驟I中每個分段模式對應的頻域分段的個數Nk和每段的頻點個數Lk，是指將頻點從ω。到《Q+NkLk-l的信號頻域採樣連續的分成Nk段，每段的頻點個數為Lk，不同的分段模式對應的頻域分段的個數Nk和每段的頻點個數Lk不完全相同，滿足: 隊彡1和4=「仏/><?7?」，「βχ/χΓ/Λ/」表示小於BXJXT/Nk的最大整數，其中，ω。是信號最小頻點，k = 1，2，…，K，K是搜索的分段模式的個數，B是信號帶寬，J是快速傅立葉變換長度，T是接收信號時域採樣周期； 所述在步驟I中搜索的時差間隔α和時差個數2Q+1，應滿足Qa〈D/c，其中c是信號傳播速度，對電磁波而言，c即光速，D是兩個接收裝置之間的距離。
4.如權利要求2所述的測定信號直達波到達時差的分段互相關方法，其特徵在於:所述在步驟4中對步驟3所得的一個接收裝置的接收信號頻域採樣yi (j)按照一個搜索時差τ _Q = -Q α進行時差移動，時差移動通過下式進行:
Z-QU) = yiU)e^TJ^Q 其中，α為搜索的時差間隔，z_Q(j)為時差移動後的結果，i是純虛數，即;' =^，j = ω0,ω0+1,ω0+2,■■■,ω0+\BxJxT], ω。是信號最小頻點，「Βχ/χΓ■!表示小於 BXJXT 的最大整數，B是信號帶寬，J是快速傅立葉變換長度，T是接收信號時域採樣周期； 所述在步驟4中按照分段模式#1對z_Q(j)與另一個接收裝置的接收信號頻域採樣Y2 (j)進行分段互相關處理，分段互相關處理通過下式進行:./' ,；；(') = X X.r;((Oli + (" -1)/-, + m - 1)Ζ {){ω{) + (/卜 I)L丨 + m -1)
n=\ m=\ 其中，f-Q(l)為搜索的時差值t_q和分段模式#1對應的分段互相關值之和，分段模式#1是指將頻點從Otl到COfN1L1-1的信號頻域採樣連續的分成N1段，每段的頻點個數為L1, ω。是信號最小頻點，N1彡1，A=「Ud/M]，RxJxmiI表示小於BXJXT/N1的最大整數，B是信號帶寬，J是快速傅立葉變換長度，T是接收信號時域採樣周期，).2(ω。+0-1)L,+,"-1)表不 y2 (ω Q+(n_l) Ι^+m-l)的共輒； 所述在步驟4中改變搜索時差為τ , = qa，分段模式為#k，即每個分段模式對應的頻域分段的個數為Nk，每段的採樣頻點的個數為Lk，且Nk > 1，Lk =IbxJxTZA I 「Uxr/iV^表示小於BXJXT/Nk的最大整數時，相應的確定對應的時差移動後的結果為Zq (j)，以及所有分段互相關值之和為fq(k)，其中j = ω0,ω0 + 1,ω0 + 2,■■■,(￡>?+[ Bx JxT]，ω。是信號最小頻點，\BxJxT]表示小於 BXJXT 的最大整數，B是信號帶寬，J是快速傅立葉變換長度，T是接收信號時域採樣周期，q = -Q, -Q+1,…，Q_1，Q，α為搜索的時差間隔，k = 2，...，!(，K是搜索的分段模式的個數。
5.如權利要求2所述的測定信號直達波到達時差的分段互相關方法，其特徵在於:所述在步驟5中對在步驟4確定的每個搜索時差τ q = qa和分段模式#k的組合對應的所有分段互相關值之和fq(k)中搜索最大值，通過下式進行:
其中α為搜索的時差間隔沽=1，2，"、1(^ = -0，-0+1，"％0-1，0，即在20+1個搜索時差和K個分段模式模式對應的分段互相關值之和fq(k)中搜索最大值，最大值對應的是第S個搜索時差； 所述在步驟5中所有分段互相關值之和fq(k)的最大值對應的那個搜索時差，為: τ;ι = qa 即測定的信號直達波到達時差，其中，α為搜索的時差間隔。
6.如權利要求2所述的測定信號直達波到達時差的分段互相關方法，其特徵在於: 在步驟I中，確定接收信號時域採樣周期T = 1/3584000秒和時域採樣個數M = 7859，搜索的時差間隔α = 0.1/3584000和時差個數2Q+1 = 301，搜索的時差值τ q = q α，q=-150，-149，...，149，150，快速傅立葉變換長度J = 7859，信號帶寬B = 274.1kHz，信號最小頻點= 2200，搜索的分段模式的個數K = 12，每個分段模式對應的頻域分段的個數Nk= 1k和每段的採樣頻點的個數4=「υχ/Λ/^，表示小於BXJXT/Nk的最大整數，k = 1，2，…，12，信號傳播速度c = 3X 18米/秒，以及兩個接收裝置之間的距離D = 2km初始化存入內存； 在步驟2中，兩個接收裝置同時接收同一目標反射或發射的信號，並分別進行數模轉換，從而分別確定兩個接收裝置的接收信號時域採樣X1 (t)和&(0，^(0的前3個和最後3個值分別為:
-0.4839，-0.3249，0.7711，…，0.1631，0.3154，-0.4645
x2 (t)的前3個和最後3個值分別為: . 1.4173，-0.5524，-0.9547，...，-0.5971，-0.9303，1.2902 其中，t = T，2T,…，7859T，T是數模轉換的周期，即接收信號的時域採樣周期； 在步驟3中，對兩個接收裝置的接收信號時域採樣X1 (t)和x2 (t)分別進行長度為J =7859的快速傅立葉變換，確定兩個信號接收裝置的接收信號頻域採樣yi(j)和y2(j)，其中，j = O, I, 2，…，7858，T是數模轉換的周期，即接收信號的時域採樣周期，J是快速傅立葉變換長度，yi(j)和720_)的前3個和最後3個值分別為:
-0.0177+0.0225?,-0.4979-0.8745?, -0.3823-0.3445?,..., -0.4947+0.9211?, -0.3807+0.3929?, 1.1883-0.2638?和
. 0.3505-0.0327?, -1.3985-0.5291?, 0.4141-1.1957?,...，-1.4022+0.4613?, 0.4137+1.1252?, -0.2501+0.0299? ； 在步驟4中，首先，對步驟3所得的一個接收裝置的接收信號頻域採樣yi(j)按照一個搜索時差τ_15(ι = (-150-1) α進行時差移動，時差移動通過下式進行:
其中，α為搜索的時差間隔，z_15CI(j)為時差移動後的結果,i是純虛數,即Z = Vl，j =2200，2201,…，2799，2800 ； 然後，按照分段模式#1，即N1 = 10，1^ = 60，對2_15(|(」)與另一個接收裝置的接收信號頻域採樣y2 (j)進行分段互相關處理，確定分段互相關值之和⑴，分段互相關處理通過下式進行:
其中，f-15CI(l)為搜索的時差值τ-15(1和分段模式#1對應的分段互相關值之和，分段模式#1是指將頻點從Otl = 2200到GJc^N1L1-1 = 2799的信號頻域採樣連續的分成N1 = 10段，Α =「5χ/χT/Λ^=60，「υχ/甽表示小於BXjXT/N1的最大整數，B是信號帶寬，J是快速傅立葉變換長度，T是接收信號時域採樣周期，COtl是信號最小頻點，><(2200 + (n-l)60 + m-l)表不 y2 (2200+(n_l) 60+m-l)的共輒； 接著，改變搜索時差為τ q = qa，分段模式為#k，相應的確定對應的時差移動得到的結果為Zq(j)，j = 2200，2201，...，2799，2800，以及所有分段互相關值之和為fq(k)，其中q=-149，-148，…，149，150，k = 2，…，12 ； 在步驟5中，對在步驟4確定的每個搜索時差τ q = qa和分段模式#k的組合對應的所有分段互相關值之和f<!(k)中搜索最大值，α為搜索的時差間隔，k = 1，2，…，12，q=-150,-149, - ,149, 150,12x301 = 3612個所有分段互相關值之和fq(k)的最大值等於589.0882，對應的是第#=52個搜索時差，即測定的信號直達波到達時差為τ 52 = 52 a =1451納秒。
【文檔編號】H04W64/00GK104135767SQ201410410087
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】萬群, 鄒繼鋒, 韓偉, 李曉, 張珂, 海寧, 李桂亮 申請人:電子科技大學