CN109001672B - 一种时差频差参数估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时差频差参数估计方法及装置，将两路接收装置接收的目标辐射源的信号进行分段处理，将两路信号皆分成多段的分段信号，计算两路信号对应的分段信号的时差和频差，再联立方程组，采用最小二乘法进行求解，便可得到估计的时差或频差。本发明将分段处理应用到时差频差参数估计上来，能够得到高精度的时差和频差参数估计值，将其应用到无源目标辐射源的定位上时，可以提高目标的定位精度。

Description

一种时差频差参数估计方法及装置

技术领域

本发明属于无源定位技术领域，具体涉及一种时差频差参数估计方法及装置。

背景技术

对目标辐射源进行高精度的无源定位是信息保障的重要手段，相比于传统的雷达***，无源定位具有定位作用距离远、成本低、隐蔽性强的优势，因此具有重要的意义。无源定位通过接收来自目标辐射源的电磁波信号，测量到达角度、到达时间差、到达频率差等参数，实现对目标位置和速度的估计。其中，基于时频差定位的无源定位是一类重要的无源定位技术。

要想提升目标的定位精度，就必须提高对于时差频差的测量精度。根据时差频差估计精度的表达式，最直接的提升时差频差精度的方法就是增加积累时间，但是当积累时间增加时，也容易发生时差和频差的扩展问题。

时差扩展指的是在处理时间内，时差是时变的，且在该时间内，总的时差变化量(扩展量)接近时差的分辨率。频差扩展指的是在处理时间内，频差是时变的，且在该时间内，总的频差变化量(扩展量)接近频差的分辨率。时差和频差的扩展会导致时差和频差估计精度的下降，从而造成在时频差定位***中定位精度的下降。

当不存在时差和频差的扩展问题时，能够取得较好的定位精度，但是当时差和频差的扩展问题发生时，就会严重影响时差频差的估计精度，使得时差频差的估计不准确，进而影响时频差体制的定位精度，导致其定位精度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种时差频差参数估计方法及装置，用以解决现有技术中时差和频差参数估计不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种时差频差参数估计方法，包括如下步骤：

采用两路接收装置对目标辐射源信号进行时频同步接收；将接收的两路信号按照时间划分成至少两段信号，且两路信号的划分方法相同，得到两路信号的分段信号；计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；根据计算出的两路信号的对应分段信号的时差和频差，联立方程组，采用最小二乘法求解所述方程组，得到估计的频差和/或时差。

本发明还提供了一种时差频差参数估计装置，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：

采用两路接收装置对目标辐射源信号进行时频同步接收；将接收的两路信号按照时间划分成至少两段信号，且两路信号的划分方法相同，得到两路信号的分段信号；计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；根据计算出的两路信号的对应分段信号的时差和频差，联立方程组，采用最小二乘法求解所述方程组，得到估计的频差和/或时差。

本发明的有益效果：

本发明的时差频差参数估计方法及装置，将两路接收装置接收的目标辐射源的信号进行分段处理，将两路信号皆分成多段的分段信号，计算两路信号对应的分段信号的时差和频差，再联立方程组，采用最小二乘法进行求解，便可得到估计的时差或频差。本发明将分段处理应用到时差频差参数估计上来，能够得到高精度的时差和频差参数估计值，将其应用到无源目标辐射源的定位上时，可以提高目标的定位精度。

作为方法及装置的进一步改进，为了使每段分段信号内不发生时差和频差扩展，得到的分段信号对应的时间长度满足：

T₀Wa₁＜0.01且f₀T₀ ²a₂＜0.01

其中，T₀为分段信号对应的时间长度，W为信号带宽，a₁为两路接收装置接收信号的达到时间差的一阶变化率，a₂为两路接收装置接收信号的达到时间差的二阶变化率。

作为方法及装置的进一步改进，每段分段信号对应的时间均相等。

作为方法及装置的进一步改进，计算两路信号的对应分段信号的CAF值，根据计算的CAF值来计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；其中，时差、频差分别为CAF值的最大值对应的横、纵坐标。

作为方法及装置的进一步改进，所述CAF值为：

其中，s₁(t)、s₂(t)分别为接收的两路信号，τ为接收的两路信号的到达信号差，T₀为分段信号对应的时间长度，s_1i(t),i＝1,...,M，为第一路信号的分段信号，s_2i(t),i＝1,...,M，为第二路信号的分段信号。

作为方法及装置的进一步改进，采用最小二乘法求解所述方程组，还包括得到估计的频差变化率的步骤。

作为方法及装置的进一步改进，所述方程组为：

Ax＝b+n

其中，

τ₀、f_d、

分别为估计的时差、频差和频差变化率；

M为分段个数，

为两路信号的第一段信号的时差，

为两路信号的第M段信号的时差，

为两路信号的第一段信号的频差，

为两路信号的第M段信号的频差；n＝[n₁₁,...,n_1M),n₂₁,...,n_2M]^T为分段测量的误差；

附图说明

图1是两路接收信号示意图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是信号分段示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种时差频差参数估计装置，该装置包括处理器，处理器用于执行指令实现本发明的时差频差参数估计方法，下面结合图2，对该方法的最佳实施方式加以说明。

如图1所示，采用两路接收机对信号进行时频同步接收，假设接收到的信号分别为s₁(t)和s₂(t)：

s₁(t)＝s(t)exp{j2πf₀t}+n₁(t)

其中，s(t)为目标辐射源信号，f₀(t)为信号带宽，n₁(t)、n₂(t)分别为接收机的噪声信号，τ(t)＝τ₀+a₁t+0.5a₂t²为两路接收机信号的到达时间差，a₁为时差的一阶变化率，a₂为时差的二阶变化率，0≤t≤T，T表示信号总时长。

首先，在接收到这两路信号后，对接收的信号进行划分。将时间等间隔划分成M段，每一段是时间长度为T₀，如图3所示。第一路信号被划分为：s₁₁(t)，s₁₂(t)，…，s_1M(t)；第二路信号被划分为：s₂₁(t)，s₂₂(t)，…，s_2M(t)。为了使这M段内不发生时差和频差扩展，需要满足的条件为：

T₀Wa₁＜0.01且f₀T₀ ²a₂＜0.01

其中，T₀为分段信号对应的时间长度，W为信号带宽，a₁为两路接收装置接收信号的达到时间差的一阶变化率，a₂为两路接收装置接收信号的达到时间差的二阶变化率。

然后，利用分段之后的CAF，计算两路信号的对应分段信号的时差和频差。计算的CAF为：

估计的时差

和频差

从该公式中可以看出，

和

是CAF_i(τ,f)最大值对应的横纵坐标。

接着，根据计算出的两路信号的对应分段信号的时差和频差，联立方程组，采用最小二乘法求解所述方程组，得到估计的频差、时差和频差变化率。

假设时差、频差、频差变化率估计为：

则联立的方程组为：

Ax＝b+n

其中，

n＝[n₁₁,...,n_1M),n₂₁,...,n_2M]^T为分段测量的误差，

利用最小二乘法求解最终时差、频差和频差变化率，估计得到的时差、频差、频差变化率为

x_e＝(A^TQ^-1A)^-1A^TQ^-1b

其中，

I_M为M维矩阵的单位矩阵，σ₁、σ₂分别为分段时差、频差测量误差，

β_s为均方根带宽，B_n为噪声带宽，γ为信噪比。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种时差频差参数估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用两路接收装置对目标辐射源信号进行时频同步接收；

将接收的两路信号按照时间划分成至少两段信号，且两路信号的划分方法相同，得到两路信号的分段信号；

计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；

根据计算出的两路信号的对应分段信号的时差和频差，联立方程组，采用最小二乘法求解所述方程组，得到估计的频差和/或时差；

采用最小二乘法求解所述方程组，还包括得到估计的频差变化率的步骤；

所述方程组为：

Ax＝b+n

其中，

τ₀、f_d、

分别为估计的时差、频差和频差变化率；

M为分段个数，

为两路信号的第一段信号的时差，

为两路信号的第M段信号的时差，

为两路信号的第一段信号的频差，

为两路信号的第M段信号的频差；n＝[n₁₁,...,n_1M),n₂₁,...,n_2M]^T为分段测量的误差；

2.根据权利要求1所述的时差频差参数估计方法，其特征在于，得到的分段信号对应的时间长度满足：

T₀Wa₁＜0.01且f₀T₀ ²a₂＜0.01

其中，T₀为分段信号对应的时间长度，W为信号带宽，a₁为两路接收装置接收信号的达到时间差的一阶变化率，a₂为两路接收装置接收信号的达到时间差的二阶变化率。

3.根据权利要求1所述的时差频差参数估计方法，其特征在于，每段分段信号对应的时间均相等。

4.根据权利要求1所述的时差频差参数估计方法，其特征在于，所述计算两路信号的对应分段信号的时差和频差包括：计算两路信号的对应分段信号的CAF值，根据计算的CAF值来计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；其中，时差、频差分别为CAF值的最大值对应的横、纵坐标。

5.根据权利要求4所述的时差频差参数估计方法，其特征在于，所述CAF值为：

其中，s₁(t)、s₂(t)分别为接收的两路信号，τ为接收的两路信号的到达信号差，T₀为分段信号对应的时间长度，s_1i(t),i＝1,...,M，为第一路信号的分段信号，s_2i(t),i＝1,...,M，为第二路信号的分段信号。

6.一种时差频差参数估计装置，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：

采用两路接收装置对目标辐射源信号进行时频同步接收；

将接收的两路信号按照时间划分成至少两段信号，且两路信号的划分方法相同，得到两路信号的分段信号；

计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；

根据计算出的两路信号的对应分段信号的时差和频差，联立方程组，采用最小二乘法求解所述方程组，得到估计的频差和/或时差；

采用最小二乘法求解所述方程组，还包括得到估计的频差变化率的步骤；

所述方程组为：

Ax＝b+n

其中，

τ₀、f_d、

分别为估计的时差、频差和频差变化率；

M为分段个数，

为两路信号的第一段信号的时差，

为两路信号的第M段信号的时差，

为两路信号的第一段信号的频差，

为两路信号的第M段信号的频差；n＝[n₁₁,...,n_1M),n₂₁,...,n_2M]^T为分段测量的误差；

7.根据权利要求6所述的时差频差参数估计装置，其特征在于，得到的分段信号对应的时间长度满足：

T₀Wa₁＜0.01且f₀T₀ ²a₂＜0.01

其中，T₀为分段信号对应的时间长度，W为信号带宽，a₁为两路接收装置接收信号的达到时间差的一阶变化率，a₂为两路接收装置接收信号的达到时间差的二阶变化率。

8.根据权利要求6所述的时差频差参数估计装置，其特征在于，每段分段信号对应的时间均相等。

9.根据权利要求6所述的时差频差参数估计装置，其特征在于，所述计算两路信号的对应分段信号的时差和频差包括：计算两路信号的对应分段信号的CAF值，根据计算的CAF值来计算两路信号的对应分段信号的时差和频差；其中，时差、频差分别为CAF值的最大值对应的横、纵坐标。

10.根据权利要求9所述的时差频差参数估计装置，其特征在于，所述CAF值为：

其中，s₁(t)、s₂(t)分别为接收的两路信号，τ为接收的两路信号的到达信号差，T₀为分段信号对应的时间长度，s_1i(t),i＝1,...,M，为第一路信号的分段信号，s_2i(t),i＝1,...,M，为第二路信号的分段信号。

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