CN109407501A - 一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法 - Google Patents

一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法，该方法包括：对第一待测电信号和第二待测电信号进行整形处理，分别得到第一整形信号和第二整形信号；对第一整形信号和第二整形信号进行数学采样处理，分别得到第一采样信号和第二采样信号；对第一采样信号和第二采样信号进行重建处理，分别得到第一重建信号和第二重建信号；对第一重建信号和第二重建信号进行数学相关运算，得到相关函数；对相关函数进行相位密度估计计算，获得相位估计值，其中相位估计值为使得相关函数的值最大的相位值；及基于相位估计值获得时间间隔测量值。本发明的时间间隔测量方法通过时间拉伸与数字信号处理，以实现皮秒及的时间间隔测量精度。

Description

一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法
技术领域
本发明涉及时间间隔测量方法。更具体地，涉及一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法。
背景技术
时间间隔测量主要用于精确表征两个发生事件之间的时间间隔，是时间计量、测试领域的重要研究问题之一，已广泛应用于现代科学技术等多个领域，包括精密时间频率传递、雷达、无线电导航定位、通信、激光测距、光子物理等。
时间间隔测量一般将两个事件转换为方便处理的两个电脉冲信号，通过逻辑门或者模拟电路等对两个电脉冲信号进行特定处理后得到两个电脉冲之间的时间差。常见的时间间隔测量方法包括：电子计数法、扩展法，模拟内插法、延迟线内插法、抽头延迟线法、查分延迟线法、游标法、时间-幅度转化法和时间数字转换法等，其都是通过电路对输入的电脉冲信号进行直接延迟、锁存和转换等纯硬件处理方法，***测量精度有限，不能满足高精度的要求。
目前，普通的时间间隔测量仪器采用脉冲填充法，成本较低，但测量误差还在纳秒量级，不能满足激光测距、卫星导航定位、粒子飞行探测、频率基准等方面的要求。而高精度的测量方法中，如基于模拟时间扩展的计数法、基于AD变换器的模拟时间-幅度转换法、基于延迟线的时间-数字变换器(TDC)法和基于冲击振荡器的频率游标法等，测量分辨率都已达到了皮秒良机，但其复杂的电路设计和昂贵的造价却限制了其应用。
因此，需要提供一种既能满足时间间隔测量精度要求又能降低电路设计复杂度和造价的时间间隔测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法，通过时间拉伸与数字信号处理，以实现皮秒及的时间间隔测量精度，该时间间隔测量方法既能满足时间间隔测量精度要求又能降低电路设计复杂度和造价。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法，该方法包括：
对第一待测电信号和第二待测电信号进行整形处理，分别得到第一整形信号和第二整形信号；
对第一整形信号和第二整形信号进行数学采样处理，分别得到第一采样信号和第二采样信号；
对第一采样信号和第二采样信号进行重建处理，分别得到第一重建信号和第二重建信号；
对第一重建信号和第二重建信号进行数学相关运算，得到相关函数；
对相关函数进行相位密度估计计算，获得相位估计值，其中相位估计值为使得相关函数的值最大的相位值；及
基于相位估计值获得时间间隔测量值。
优选地，对第一待测电信号和第二待测电信号进行整形处理包括：
基于公式s1(t)＝s(t)对第一待测信号s(t)进行整形处理，得到第一整形信号s1(t)；
基于公式s2(t)＝s(t-Θ)对第二待测信号s(t-Θ)进行整形处理，得到第二整形信号s2(t)；
其中，第一整形信号和第二整形信号具有相同的幅度和持续时间，Θ为第一待测信号和第二待测信号之间的实际时间间隔。
进一步优选地，对第一整形信号和第二整形信号进行数学采样处理包括：
基于公式x1(nTs)＝s1(nTs)+w1(nTs)对第一整形信号s1(t)进行采样处理，得到第一采样信号x1(nTs)；
基于公式x2(nTs)＝s2(nTs)+w2(nTs)对第二整形信号s2(t)进行采样处理，得到第二采样信号x2(nTs)；
其中，采样处理的采样频率为fs，Ts为采样间隔，w1(nTs)为第一白噪声信号，w2(nTs)为第二白噪声信号。
进一步优选地，对第一采样信号和第二采样信号进行重建处理包括：
基于公式对第一采样信号x1(nTs)进行重建，得到第一重建信号
基于公式对第二采样信号x2(nTs)进行重建，得到第二重建信号
其中，W为第一待测电信号s(t)和第二待测电信号s(t-Θ)的信号带宽，sinc(x)＝sin(x)/x，f0为第一待测电信号s1(t)和第二待测电信号s2(t)的中心频率。
进一步优选地，对第一重建信号和第二重建信号进行数学相关运算包括：
基于公式对第一重建信号和第二重建信号进行数学相关运算，其中，为相关函数。
进一步优选地，对相关函数进行相位密度估计计算包括：
基于公式对相关函数进行相位密度估计，其中为相位估计值，相位估计值使得相关函数的值最大。
进一步优选地，基于相位估计值获得时间间隔测量值包括：
确定相位估计值为***的时间间隔测量值。
进一步优选地，相位估计值为第一待测信号s(t)和第二待测信号s(t-Θ)之间的实际时间间隔Θ。
进一步优选地，基于公式对第一待测电信号s(t)和第二待测电信号s(t-Θ)的频率响应的频率区域进行限制，其中M为非负整数，fs为采样频率，第一待测电信号s(t)和第二待测电信号s(t-Θ)的带宽小于fs/2且其中心频率在f(2M+1)s/4附近。
本发明的有益效果如下：
本发明中一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法，通过时间拉伸与数字信号处理，能够实现皮秒及的时间间隔测量精度，既能满足时间间隔测量精度要求又能降低电路设计复杂度和造价，同时避免了***固有时间间隔测量偏移和分辨力下降的隐患。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法的方法流程图。
图2示出基于相关信号处理的时间间隔测量方法原理图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明中提供一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法，通过巧妙的时间拉伸与数字信号处理，能够实现皮秒级的时间间隔测量精度。基于相关信号处理的理论的时间间隔测量方法主要是利用两个待测电脉冲信号(或其转换形式)之间独有的互相关特性，通过数学算法进行相关信号处理运算，得到两个待测电脉冲信号之间的相位差，此相位差即为两脉冲信号之间的精确时间间隔。
如图1所述，该方法包括：
对第一待测电信号和第二待测电信号进行整形处理，分别得到第一整形信号和第二整形信号；
对第一整形信号和第二整形信号进行数学采样处理，分别得到第一采样信号和第二采样信号；
对第一采样信号和第二采样信号进行重建处理，分别得到第一重建信号和第二重建信号；
对第一重建信号和第二重建信号进行数学相关运算，得到相关函数；
对相关函数进行相位密度估计计算，获得相位估计值，其中相位估计值为使得相关函数的值最大的相位值；及
基于相位估计值获得时间间隔测量值。
下面结合图2对该方法进行详细说明。
第一步两待测电脉冲信号整形模型
本方法基于***通过特定电路已对两待测电信号整形拉伸为幅度和持续时间完全相同的待处理信号，分别用s1(t)和s2(t)表示如下，其中s(t)等同于为第一路整形后的信号，Θ表示两个时间之间的真实时间间隔。
s1(t)＝s(t) (1)
s2(t)＝s(t-Θ) (2)
第二步信号采样
对第一步输出的两路信号s1(t)和s2(t)进行数学采样，通过频率fs采样后的信号为x1(nTs)和x2(nTs)：
x1(nTs)＝s1(nTs)+w1(nTs) (3)
x2(nTs)＝s2(nTs)+w2(nTs) (4)
式中Ts为采样间隔，w1(nTs)和w2(nTs)为白噪声信号。
第三步信号重构
对第二步的采样后信号数据进行原始采样前信号精确重建，根据shannon采样定理能从采样后的信号x1(nTs)和x2(nTs)中实现原信号s1(t)和s2(t)的重建，重建后的信号为和
其中W为s1(t)和s2(t)信号带宽，sinc(x)＝sin(x)/x；f0为s1(t)和s2(t)信号中心频率。
第四步重建信号的相关信号运算
对第三步重建的原始信号和进行数学相关运算，如下。
第五步相位精密估计计算
对第四步相关计算后的数据进行相位提取，其估计值为使得相关函数值最大的相位值：
第六步时间间隔测量值获取
即为真实时间间隔Θ的无偏估计，即为***最终得到的时间间隔测量值。
另外，在一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法中，为保证被采样信号的频谱不混叠，需要整形信号进行带宽限制，s1(t)和s2(t)频率响应特性应该限制在式(9)所示的频率区域。其中M是一个非负整数，fs为采样频率，s1(t)和s2(t)信号的带宽应小于fs/2，并且中心频率应当在f(2M+1)s/4附近。
如此才能保证完全正确的恢复原始输入信号。
同时，针对***设计的不同中心频率和带宽的整形信号，***采样率需要通过调整实验最终才能确定，并且采样频率优选具有小数频率的特殊数字，避免由于整数倍采样造成采样信号相位不能遍历原始信号相位的问题，造成***固有时间间隔测量偏移和分辨力下降的隐患。
应注意的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种基于相关信号处理的时间间隔测量方法，其特征在于，所述方法包括：
对第一待测电信号和第二待测电信号进行整形处理，分别得到第一整形信号和第二整形信号；
对所述第一整形信号和所述第二整形信号进行数学采样处理，分别得到第一采样信号和第二采样信号；
对所述第一采样信号和所述第二采样信号进行重建处理，分别得到第一重建信号和第二重建信号；
对所述第一重建信号和所述第二重建信号进行数学相关运算，得到相关函数；
对所述相关函数进行相位密度估计计算，获得相位估计值，其中所述相位估计值为使得所述相关函数的值最大的相位值；及
基于所述相位估计值获得时间间隔测量值。
2.根据权利要求1所述的时间间隔测量方法，其特征在于，所述对第一待测电信号和第二待测电信号进行整形处理包括：
基于公式s1(t)＝s(t)对所述第一待测信号s(t)进行整形处理，得到所述第一整形信号s1(t)；
基于公式s2(t)＝s(t-Θ)对所述第二待测信号s(t-Θ)进行整形处理，得到所述第二整形信号s2(t)；
其中，所述第一整形信号和所述第二整形信号具有相同的幅度和持续时间，Θ为所述第一待测信号和所述第二待测信号之间的实际时间间隔。
3.根据权利要求2所述的时间间隔测量方法，其特征在于，所述对所述第一整形信号和所述第二整形信号进行数学采样处理包括：
基于公式x1(nTs)＝s1(nTs)+w1(nTs)对所述第一整形信号s1(t)进行采样处理，得到所述第一采样信号x1(nTs)；
基于公式x2(nTs)＝s2(nTs)+w2(nTs)对所述第二整形信号s2(t)进行采样处理，得到所述第二采样信号x2(nTs)；
其中，所述采样处理的采样频率为fs，Ts为采样间隔，w1(nTs)为第一白噪声信号，w2(nTs)为第二白噪声信号。
4.根据权利要求3所述的时间间隔测量方法，其特征在于，所述对所述第一采样信号和所述第二采样信号进行重建处理包括：
基于公式对所述第一采样信号x1(nTs)进行重建，得到所述第一重建信号
基于公式对所述第二采样信号x2(nTs)进行重建，得到所述第二重建信号
其中，W为所述第一待测电信号s(t)和所述第二待测电信号s(t-Θ)的信号带宽，sinc(x)＝sin(x)/x，f0为所述第一待测电信号s1(t)和所述第二待测电信号s2(t)的中心频率。
5.根据权利要求4所述的时间间隔测量方法，其特征在于，所述对所述第一重建信号和所述第二重建信号进行数学相关运算包括：
基于公式对所述第一重建信号和所述第二重建信号进行数学相关运算，其中，为相关函数。
6.根据权利要求5所述的时间间隔测量方法，其特征在于，所述对所述相关函数进行相位密度估计计算包括：
基于公式对所述相关函数进行相位密度估计，其中为所述相位估计值，所述相位估计值使得所述相关函数的值最大。
7.根据权利要求6所述的时间间隔测量方法，其特征在于，所述基于所述相位估计值获得时间间隔测量值包括：
确定所述相位估计值为***的时间间隔测量值。
8.根据权利要求7所述的时间间隔测量方法，其特征在于，所述相位估计值为所述第一待测信号s(t)和所述第二待测信号s(t-Θ)之间的实际时间间隔Θ。
9.根据权利要求8所述的时间间隔测量方法，其特征在于，基于公式对所述第一待测电信号s(t)和所述第二待测电信号s(t-Θ)的频率响应的频率区域进行限制，其中M为非负整数，fs为采样频率，所述第一待测电信号s(t)和所述第二待测电信号s(t-Θ)的带宽小于fs/2且其中心频率在f(2M+1)s/4附近。
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