CN110988834B - 一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，通过双门限检测快速获得更准确的脉冲到达时间起始位置。包括：选择雷达采样回波中的其中一个脉冲，统计均值，自适应设置检测阈值，通过该阈值标定回波信号每个点；统计不同形式发射波形前后沿抖动误差，根据误差容忍范围，采用自相关方法获得稳定且连续的信号采样点，从而得到单一脉冲到达时间。本发明降低了传统脉冲到达时间测量方法的复杂性，同时提高了脉冲到达时间测量的准确度。

Description

一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法

技术领域

本发明一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，属于雷达技术领域，能够应用于雷达技术领域数据采集分析系统，具体地，涉及基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法。

背景技术

对于雷达技术领域，现代雷达信号处理需要现场采集大量的雷达视频回波数据，以分析和研究目标回波信号的各种特性，为目标的信息提取和处理提供依据。而随着当代电子战的电磁环境愈加恶劣，雷达发射信号的形式变得多种多样，若要有效分析采集回波的特性，就有必要对多种形式的雷达信号的到达时间进行精确测量，以正确截取目标回波信号。

通常情况下，当信号的信噪比很高时，直接通过合理的门限检测就可以确定信号的到达时间。然而，在较低信噪比的情况下，由于脉冲前后沿受到噪声和干扰的影响抖动误差增大，信号前后沿的采样点容易埋没在噪声或干扰中，不能直接通过固定门限检测估计信号脉冲到达时间。

为了解决以上问题，通常采用以下方法：。

这些方法存在复杂度较高，实时性较差的问题，采用自适应阈值双门限测量方法能够快速准确的定位脉冲前沿，并且复杂度低。通过文献检索，多篇专利文献和非专利文献中对脉冲到达时间测量方法进行了描述。

专利文献《一种基于匹配自相关算法的雷达信号TOA估计方法》申请号CN201710034262.3提出了一种基于匹配自相关算法的雷达信号TOA估计方法，它通过粗估计雷达信号起止时间、估计发射雷达信号模型、计算匹配滤波的响应、匹配滤波得到匹配后雷达信号的峰值点四个步骤估计雷达信号TOA，该方法较复杂，实现难度较大，不适用于数据采集分析系统。专利文献《一种脉冲电磁波到达时刻的探测方法》申请号CN97109239.7提出了一种依据对以往的该种待测电磁波的统计规律确定电磁波到达时刻的探测方法，用于减小脉冲电磁波传播过程中因为波形变化对其时间标定带来的误差，该发明主要应用于电磁波测量定位系统，其定位误差很小，但太过依赖于对以往的该种待测电磁波的大量统计规律。专利文献《高精度测量脉冲到达时间的方法和装置》申请号CN201110398017.3提出了一种高精度测量脉冲到达时间的方法和装置。它通过设置固定比例生成自适应门限、根据自适应门限确定脉冲初始到达时间、获得脉冲到达时间偏差、求平均四个步骤测量脉冲到达时间，主要用于机场区对飞机的精确定位和识别，提高机场的安全性。专利文献《雷达脉冲重复频率检测与初始脉冲到达时间的估计方法》申请号CN201610184489.1提出了一种改进的对雷达脉冲重复频率检测与初始脉冲到达时间的估计方法，该方法处理效率较高、资源占用较少，但对初始脉冲到达时间估计准确率不高。

非专利文献“基于自相关算法的TOA估计方法研究”，作者孙超等对用于TOA估计的自相关算法在低信噪比的门限设置问题进行研究，通过对门限设置的改进，减少了因信噪比过低引起的TOA误判问题；该方法虽然一定程度上降低了误判问题，但准确度仍然不是很高。非专利文献(脉冲信号TOA估计方法研究，马淑歌)对多种形式信号的TOA估计方法进行了研究，提出一种倒数相关累加算法，精度有一定提高，但该方法依赖于信号参数估计精度，一旦其精度变低，信号到达时间的估计精度会变差；另外该文献还提出Haar小波变换算法，性能更优，但该方法实现复杂度高，且对较复杂形式的信号估计精确度低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，解决了传统测量方法的估计准确度与实现复杂度相冲突的问题，在保证测量准确度的同时，降低实现复杂度。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括：

一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，包括步骤如下：

1)接收雷达探测到的目标回波信号，对所述目标回波信号进行采样处理，获得所有脉冲序列的采样数据；所述目标回波信号为线性调频信号、相位编码信号和正交编码信号中的任意一种；

2)从所述目标回波信号中任意选取一个脉冲位置作为截取起点，依次截取两个时间连续的脉冲序列；

3)根据所述两个时间连续的脉冲序列，确定第一级自适应阈值；

4)根据步骤3)确定的所述第一级自适应阈值，对截取的两个脉冲序列中所有的采样数据，一一进行标定处理，获得标定结果，由标定结果组成目标回波信号对应的粗标定序列S’；

5)根据所述目标回波信号中第一个脉冲到达雷达的时间TA0，生成基准回波信号；然后根据基准回波信号确定波形前沿抖动误差概率P1；

6)根据步骤5)所述的波形前沿抖动误差系数P1和系统设计出的误差容忍系数P2，确定误差容忍系数P；所述系统设计出的误差容忍系数P2的取值范围不低于0.95。

7)根据步骤6)所述误差容忍系数P，以及目标回波信号的发射脉冲宽度Tp、脉冲重复周期PRT和采样率fs，生成一个长度为N的全1向量ones(N,1)；

8)将步骤4)所述目标回波信号对应的粗标定序列S’和步骤7)所述全1向量ones(N,1)进行卷积运算，获得长度为2L+N-1的卷积结果，根据所述卷积结果，确定位于步骤2)所述截取起点的脉冲到达雷达的时间，进而确定回波信号中每个脉冲到达雷达的时间。

本发明所述的一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，具有处理效率高、测量准确度高的特点。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明采用了自适应阈值确定的方法，对雷达回波信号进行粗标定，去除无效脉冲，减少处理运算量；

2)本发明基于发射波形前后沿抖动误差不同的特征设置误差概率，能适应对不同形式波形的脉冲到达时间测量；

3)本发明采用卷积运算，获得稳定且连续的信号采样点，保证脉冲到达时间的准确度。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明脉冲宽度、脉冲重复周期关系图。

具体实施方式

一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，是通过双门限检测快速获得更准确的脉冲到达时间起始位置。包括第一级自适应阈值粗标定，第二级自相关获得稳定且连续的信号采样点。

数据采集系统已知当前发射波形参数和脉冲重复时间间隔，对于采集到的回波数据，选择其中一个脉冲累积平均，根据脉冲不同自适应得到第一级的阈值。

可以选择任何一个脉冲累积平均，经过第二级处理后无用脉冲会被剔除。

根据自适应阈值，对雷达回波信号的每个点进行标定，超过阈值的点标记为1，低于阈值的点标记为0，得到第一级粗标定后的信号包络。

第二级的输入是第一级粗标定后的信号包络，处理分两部分：第一，针对该雷达系统采用的不同形式的雷达发射波形，统计它们的波形前后沿抖动误差，得到其在第一级处理中被标定为1的概率P1。

雷达发射波形可以是线性调频信号、相位编码信号、正交编码信号，或者其它波形捷变信号。

第二，考虑雷达采样回波背景包含噪声和干扰信号，为了排除噪声和干扰引起的抖动，根据系统可以接受的误差容忍范围P2和已知的脉冲长度L，对第一级粗标定后的信号包络，与ones(N,1)进行卷积运算，提取峰值位置，向前截取该脉冲长度的信号，获得稳定且连续的信号采样点，从而得到单一脉冲到达时间。

背景噪声是随机性很强的序列，干扰的干信比相对较低，目标的信干噪比相对较低。

误差容忍范围的设置可以提高处理速率和测量准确性。

卷积运算可以得到信号峰值，保证获得稳定且连续的信号采样点；若卷积后未得到信号峰值，该脉冲被认为无用信号，则剔除。

本发明一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，如图1所述，包括步骤：

1)接收雷达探测到的目标回波信号，对所述目标回波信号进行采样处理，获得所有脉冲序列的采样数据；所述目标回波信号为线性调频信号、相位编码信号和正交编码信号中的任意一种；

2)从所述目标回波信号中任意选取一个脉冲位置作为截取起点，依次截取两个时间连续的脉冲序列；

3)根据所述两个时间连续的脉冲序列，确定第一级自适应阈值；

4)根据步骤3)确定的所述第一级自适应阈值，对截取的两个脉冲序列中所有的采样数据，一一进行标定处理，获得标定结果，由标定结果组成目标回波信号对应的粗标定序列S’；

5)根据所述目标回波信号中第一个脉冲到达雷达的时间TA0，生成基准回波信号；然后根据基准回波信号确定目标回波信号的波形前沿抖动误差概率P1；

6)根据步骤5)所述的波形前沿抖动误差系数P1和系统设计出的误差容忍系数P2，确定误差容忍系数P；所述系统设计出的误差容忍系数P2的取值范围不低于0.95。

7)根据步骤6)所述误差容忍系数P，以及目标回波信号的发射脉冲宽度Tp、脉冲重复周期PRT和采样率fs，生成一个长度为N的全1向量ones(N,1)；

8)将步骤4)所述目标回波信号对应的粗标定序列S’和步骤7)所述全1向量ones(N,1)进行卷积运算，获得长度为2L+N-1的卷积结果，根据所述卷积结果，确定位于步骤2)所述截取起点的脉冲到达雷达的时间，进而确定回波信号中每个脉冲到达雷达的时间。

步骤2)所述截取的两个时间连续的脉冲序列的长度L相同，L的确定方法，具体为：

L＝PRT×fs；

其中，如图2所示，PRT为目标回波信号的脉冲重复周期，fs为目标回波信号的采样率。

步骤3)所述确定第一级自适应阈值的方法，具体为：

根据两个脉冲序列中所有的采样数据，获得采样数据的平均值，将所述采样数据的平均值作为第一级自适应阈值。

步骤5)所述基准回波信号中第一个脉冲到达雷达的时间等于TA0；所述基准回波信号的脉冲波形、发射脉冲宽度、脉冲序列个数、脉冲重复周期、采样率为设计值。

步骤5)所述确定波形前沿抖动误差概率P1的方法，具体为：

51)向所述基准回波信号中添加白噪声，获得添加有白噪声的基准回波信号；从所述添加有白噪声的基准回波信号中截取两个时间连续的脉冲序列,所述从添加有白噪声的基准回波信号中截取的两个脉冲序列总长度为2L，根据步骤3)确定的所述第一级自适应阈值，对从添加有白噪声的基准回波信号中截取到的两个脉冲序列中的所有采样数据，一一进行标定处理，获得的标定结果，由标定结果组成基准回波信号对应的粗标定序列S’；

52)重新向所述基准回波信号中添加不同的白噪声，重复步骤51)m次，获得与不同白噪声对应的m个粗标定序列S’；m为不小于500的正整数；

53)获得目标回波信号对应的粗标定序列S’中，标定结果首次为1对应的位置，作为标定位置；

54)查找获得m个粗标定序列S’中标定位置为1的数量t，令t/m作为波形前沿抖动误差系数P1；P1＝t/m小于1。

所述标定处理的方法，具体为：将每个采样数据分别与第一级自适应阈值比较大小，若采样数据的幅值大于第一级自适应阈值，则标定该采样数据的标定结果为1，反之，则标定该采样数据的标定结果为0。

步骤6)所述确定误差容忍系数P的方法，具体为：

若P1>P2，则P∈[P2，P1]，所述P的小数精确度取到小数点后的百分位；若P1≤P2，P等于P2向下四舍五入后小数精确度取到小数点后百分位的值。例如P1＝0.5，P2＝0.749的话，P＝0.75；P1＝0.5，P2＝0.75的话，P＝0.75。

步骤7)所述长度N，具体为：

N＝L'×P；

L'＝(PRT-Tp)×fs。

步骤8)所述确定位于截取起点的脉冲到达雷达的时间的方法，具体为：

对所述卷积结果依次编号处理，在所述卷积结果中查找到最大值，获得最大值的编号w，将步骤2)所述从目标回波信号中截取的两个脉冲序列中第w-L'个采样数据对应的采样时间作为所述截取起点的脉冲到达雷达的时间。其中，L'＜L＜2L+N-1；w小于2L。

下面将结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，是通过双门限检测快速获得更准确的脉冲到达时间起始位置。包括第一级自适应阈值粗标定，第二级自相关获得稳定且连续的信号采样点。

已知发射波形是线性调频信号，发射脉冲宽度为40微秒(对应的采样点是400)，脉冲重复周期为400微秒(对应的采样点是4000)，则采样回波对应的脉冲宽度是360微秒(对应的采样点是3600个)；预先通过添加白噪声模拟产生1000个上述条件的采样回波信号，进行1000次蒙特卡罗仿真，从而统计该发射波形的前后沿抖动误差为98.7％，设置系统可接受的误差容忍范围为98％。

对采集到的雷达回波信号，选择第一个脉冲进行累加求平均值，以该值为

第一级阈值K1。

根据第一级阈值K1，对雷达回波信号的每个点进行标定，超过阈值的点标记为1，低于阈值的点标记为0，得到第一级粗标定后的信号包络。

第二级的输入是第一级粗标定后的信号包络，将该信号向量与ones(3528,1)进行卷积运算，提取到最大值位置在信号向量的第3550个采样点，则该点即为脉冲采样回波下降沿位置，向前截取3600个采样点获得稳定且连续的信号采样点，即为脉冲序列对应的接收回波上升沿位置，从而得到单一脉冲到达时间。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)接收雷达探测到的目标回波信号，对所述目标回波信号进行采样处理，获得所有脉冲序列的采样数据；所述目标回波信号为线性调频信号、相位编码信号和正交编码信号中的任意一种；

2)从所述目标回波信号中任意选取一个脉冲位置作为截取起点，依次截取两个时间连续的脉冲序列；

3)根据所述两个时间连续的脉冲序列，确定第一级自适应阈值；

4)根据步骤3)确定的所述第一级自适应阈值，对截取的两个脉冲序列中所有的采样数据，一一进行标定处理，获得标定结果，由标定结果组成目标回波信号对应的粗标定序列S’；

5)根据所述目标回波信号中第一个脉冲到达雷达的时间TA0，生成基准回波信号；然后根据基准回波信号确定波形前沿抖动误差概率P1；

6)根据步骤5)所述的波形前沿抖动误差概率P1和系统设计出的误差容忍系数P2，确定误差容忍系数P；所述系统设计出的误差容忍系数P2的取值范围不低于0.95；

7)根据步骤6)所述误差容忍系数P，以及目标回波信号的发射脉冲宽度Tp、脉冲重复周期PRT和采样率fs，生成一个长度为N的全1向量ones(N,1)；

8)将步骤4)所述目标回波信号对应的粗标定序列S’和步骤7)所述全1向量ones(N,1)进行卷积运算，获得长度为2L+N-1的卷积结果，根据所述卷积结果，确定位于步骤2)所述截取起点的脉冲到达雷达的时间，进而确定回波信号中每个脉冲到达雷达的时间。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，其特征在于，步骤2)所述截取的两个时间连续的脉冲序列的长度L相同，L的确定方法，具体为：

L＝PRT×fs；

其中，PRT为目标回波信号的脉冲重复周期，fs为目标回波信号的采样率。

3.根据权利要求2所述的一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，其特征在于，步骤3)所述确定第一级自适应阈值的方法，具体为：

根据两个脉冲序列中所有的采样数据，获得采样数据的平均值，将所述采样数据的平均值作为第一级自适应阈值。

4.根据权利要求3所述的一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，其特征在于，步骤5)所述基准回波信号中第一个脉冲到达雷达的时间等于TA0；

步骤5)所述确定波形前沿抖动误差概率P1的方法，具体为：

51)向所述基准回波信号中添加白噪声，获得添加有白噪声的基准回波信号；从所述添加有白噪声的基准回波信号中截取两个时间连续的脉冲序列,所述从添加有白噪声的基准回波信号中截取的两个脉冲序列总长度为2L，根据步骤3)确定的所述第一级自适应阈值，对从添加有白噪声的基准回波信号中截取到的两个脉冲序列中的所有采样数据，一一进行标定处理，获得的标定结果，由标定结果组成基准回波信号对应的粗标定序列S’；

52)重新向所述基准回波信号中添加不同的白噪声，重复步骤51)m次，获得与不同白噪声对应的m个粗标定序列S’；m为不小于500的正整数；

53)获得目标回波信号对应的粗标定序列S’中，标定结果首次为1对应的位置，作为标定位置；

54)查找获得m个粗标定序列S’中标定位置为1的数量t，令t/m作为波形前沿抖动误差系数P1。

5.根据权利要求4所述的一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，其特征在于，所述标定处理的方法，具体为：将每个采样数据分别与第一级自适应阈值比较大小，若采样数据大于第一级自适应阈值，则标定该采样数据的标定结果为1，反之，则标定该采样数据的标定结果为0。

6.根据权利要求4所述的一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，其特征在于，步骤6)所述确定误差容忍系数P的方法，具体为：

若P1>P2，则P∈[P2，P1]，所述P的小数精确度取到小数点后的百分位；

若P1≤P2，P等于P2向下四舍五入后小数精确度取到小数点后百分位的值。

7.根据权利要求2～6任意之一所述的一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，其特征在于，步骤7)所述长度N，具体为：

N＝L'×P；

L'＝(PRT-Tp)×fs。

8.根据权利要求7所述的一种基于自适应阈值双门限的脉冲到达时间测量方法，其特征在于，步骤8)所述确定位于截取起点的脉冲到达雷达的时间的方法，具体为：

对所述卷积结果依次编号处理，在所述卷积结果中查找到最大值，获得最大值的编号w，将步骤2)所述从目标回波信号中截取的两个脉冲序列中第w-L'个采样数据对应的采样时间作为所述截取起点的脉冲到达雷达的时间。

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