專利名稱：高精度測量脈沖到達時間的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及分布式雷達領域測量飛機或機場地面汽車等目標中應答器發(fā)出的脈沖串信號到達各接收站到達時間的一種新型自適應高精度測量方法和實現(xiàn)裝置。
背景技術(shù)：
|/lJ|)J|)ilill5|l^^MDS(Multi-static Dependent Surveillance of the Airport Surface,多基站相關(guān)監(jiān)視的機場場面)就是通過多點定位技術(shù)探測目標的空間位置，提供機場地面及附近空域中各目標的位置，為機場管理提供保障。通過布置在機場附近的各傳感器(遠端單元)捕獲飛機(車輛)的應答信號，測量到達時間，并在中心站利用多站TOA (Time Of Arrive，到達時間)時差定位目標。MDS系統(tǒng)在機場場面監(jiān)視中有廣闊的應用前景，MDS系統(tǒng)的機場能得到廣泛應用主要取決于它的定位精度，作為影響多點定位精度的多站脈沖到達時間測量方法尤為重要。目前采用的脈沖到達時間測量通過測量框架脈沖中第一個脈沖前沿初始到達時間加脈沖偏差時間獲得(以下所有實現(xiàn)均以IOOMHz采樣率，20MHz抽樣為準則)。具體實現(xiàn)為第一門限、第二門限檢測處理采用20MHz的抽樣率，即經(jīng)過門限處理后，框架第一個脈沖的過門限采樣點時間定為初始到達時間(最小單位為50ns)，可以采用逐次臨近法進行優(yōu)化測得脈沖偏差時間，使得脈沖到達時間精度到達10ns。如圖1所示，求得框架脈沖第一
個脈沖過門限脈沖幅度均值云后，
以IOOMHz采樣率取過門限第一個數(shù)值X左右各四個采樣點幅度值與過門限幅度均值云逐個進行比較。當幅度均值落在某兩個采樣點幅度之間，且與某個幅度值更為接近時，則以此采樣點時間與初始采樣點時間T之間的偏差作為脈沖偏差時間。以圖1為例，當云幅度落于采樣點X3與X4之間，且云幅度與X3幅度更為接近，脈沖到達時間為T+ Δ t ；假如云幅度與X4幅度更為接近，則脈沖到達時間為T+2 At。從上所述，目前脈沖到達時間通過測量脈沖前沿初始到達時間加脈沖偏差時間方法獲得，脈沖偏差時間采用逐個采樣點幅度臨近比較法，取與其幅度均值較為接近采樣點時間作為脈沖偏差時間，最大精度為10ns。由圖2可以看出，當應答信號首個過門限脈沖幅度均值云落于與幅度Xl與X2之
間，且與X2幅度更為接近，則X2距離初始到達時間采樣點的偏差時間，即為脈沖偏差時間。
采用此方法獲得脈沖偏差時間Δ t，由于存在量化誤差(12-fl)/ M ,且當t2-tl=10ns時，
脈沖到達時間量化誤差達到2. 89ns，對目標定位精度影響很大，因此根據(jù)上述存在的問題， 需要需求適合的脈沖到達時間測量方法獲取更精確的到達時間。以民航飛機為例其應答脈沖上升沿的寬度為50niTl00nS ；不同強度的目標應答脈沖的測時需要自適應的測時方法，否則帶來的誤差是致命的。脈沖信號的多種混疊加重了高精度測時的難度，脈沖進入系統(tǒng)后會出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，影響測時?？紤]上述多種因素的影響，如何精確測量應答信號的到達時間以滿足多點定位系統(tǒng)高精度定位的需要是分布式場監(jiān)雷達需要攻克的技術(shù)難點之一。若采用傳統(tǒng)的測時方法要達到Ins的單站測時精度必須采樣率達到IOOOMhz以上，這會大大增加設備量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是提供一種高精度測量脈沖到達時間的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)較少的設備量，較低的采樣率情況下實現(xiàn)高精度的目標定位并具有較強的抗干擾能力，在使用本方法研制的多點定位機場場面監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了優(yōu)于Ins的測時精度及優(yōu)于 Im的場面定位精度。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之二是提供一種上述高精度測量脈沖到達時間的方法中使用的裝置。本發(fā)明采用以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題之一一種高精度測量脈沖到達時間的方法，包括以下步驟
第一步測量單一有效脈沖幅度的固定比例為固定門限，此門限為根據(jù)脈沖輸入幅度不同而自適應的生成不同的門限；
第二步根據(jù)自適應門限來確定脈沖初始到達時間；
第三步采用差值測時的方法獲得脈沖到達時間偏差，從而得到單一脈沖到達時間； 第四步將同一框架內(nèi)所有有效單一脈沖的到達時間的平均作為該框架的最終到達時間。進一步的
所述第一步適用于輸入IQ信號時的門限檢測。所述第一步中，當輸入信號為求模取對數(shù)的幅度信號時，采用脈沖幅度均值減固定門限的方法進行門限檢測。假設過門限脈沖頂端幅度均值減去固定門限所獲得的脈沖前沿時刻幅度為云，設云對應的時間為t，脈沖前沿時刻t落于采樣點時刻tl、t2之間，Al、A2為tl、t2時刻的 100M采樣幅度值，Al< S < A2，
t2-t\ t-t\ 由式(1)得脈沖前沿時刻t:
=*-($2-iX)+i\(2)。
J2-J1本發(fā)明采用以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題之二
一種所述的高精度測量脈沖到達時間的方法使用的裝置，包括DSP1、DSP2、DSP3、 DSP4、flash、SDRAM、PMC 背卡，所述 DSP1、DSP2、DSP3、DSP4 均相互聯(lián)系，且 DSP1、 DSP2、DSP3、DSP4均連接到系統(tǒng)總線，其中DSPl連接到CPCI接口，DSP2、DSP3同時連接至Ij stratix II FPGA, DSP4 通過 PMC 背卡連接到 stratix II FPGA, flash、SDRAM、 stratix II FPGA均連接到系統(tǒng)總線，stratix II FPGA同時連接到D/A轉(zhuǎn)換器及CPCI接口。進一步的
所述 DSP1、DSP2、DSP3、DSP4 均為 TigerSharc201。
DSPl主要完成脈沖檢測，主要運算量在于脈沖檢測的第一門限處理及自適應到達脈沖固定比例門限產(chǎn)生；
DSP2為完成脈沖檢測第二門限處理及采用差值測時法計算脈沖偏差時間； DSP3為進行應答碼編碼檢測應答信號解碼處理，提取脈沖沿的時間信息； DSP4為完成多站所匹配的應答碼進行到達時間多脈沖平均生成高精度脈沖到達時間和數(shù)據(jù)包處理，滿足數(shù)據(jù)格式要求，把數(shù)據(jù)傳送到下一級。本發(fā)明的優(yōu)點在于提供機場地面及附近空域中目標應答信號到達各接收站精確的到達時間且單站測時精度優(yōu)于1ns，實現(xiàn)機場區(qū)對飛機的精確定位和識別，改善繁忙機場的場面監(jiān)視能力，提高機場的安全性，具體為
'I I在同樣采樣率、同樣設備量的條件下，原檢測方法測量精度約10ns，而采用本發(fā)明
所采用測量方法測量精度可以在Ins以內(nèi)。12丨在框架內(nèi)第一個脈沖信號噪比下降后或者干擾信號比較強的情況下，本發(fā)明表現(xiàn)出里很高的抗干擾性能。該脈沖到達時間測量方法的實現(xiàn)裝置是基于通用DSP，具有很高的運算能力，
使系統(tǒng)設計軟件化，為系統(tǒng)設計的不確定性提供了可修改的環(huán)境。32bit浮點處理，可以滿足系統(tǒng)對處理精度和數(shù)據(jù)動態(tài)范圍的要求，定點硬件處理難以做到這一點。


圖1為現(xiàn)有逐次臨近法脈沖到達時間測量示意圖； 圖2為現(xiàn)有脈沖偏差時間測量示意圖3為輸入IQ信號的自適應門限檢測示意圖； 圖4為輸入求模取對數(shù)值的自適應門限檢測示意圖； 圖5為差值測時法示意圖； 圖6為脈沖包絡的視頻信號； 圖7為脈沖到達時間測量方法比較示意圖； 圖8為四片TS201數(shù)據(jù)流程示意圖； 圖9為四片TS201板硬件結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式本發(fā)明公開了一種高精度測量脈沖到達時間的方法和裝置，具體的說為了解決各遠端站因接收到脈沖幅度不同，而引起固定門限帶來的脈沖到達時間測量誤差，采用自適應門限的方法提高測時精度，即采用脈沖幅度的固定比例為門限，確定脈沖到達時間。由圖3可以看出，即使脈沖幅度不同，脈沖幅度的固定比例時間仍在同一時間點t上，脈沖到達時間測量不受脈沖幅度影響。以上方法適用于輸入IQ信號時的門限檢測。由于本系統(tǒng)輸入信號為求模取對數(shù)后的幅度信號，脈沖幅度的固定比例為門限的檢測方法即轉(zhuǎn)化為脈沖幅度降固定數(shù)值為門限。如圖4所示，當輸入信號為求模取對數(shù)的幅度信號時，采用脈沖幅度均值減固定門限的方法進行門限檢測，隨著脈沖信號幅度不同，門限的選取隨脈沖幅度變化而變化，由圖4可以看出輸入不同的脈沖幅度脈沖前沿到達時間相同為t。當脈沖沿線性時是無偏的，相當于是補償了一次變化的固定門限的測時方法，提高了測時精度。對于多站分布式接收信號處理，自適應門限的檢測方法尤為適用。差值法到達時間測量由脈沖到達時間測量分析可知，采用逐次臨近法選取與幅度均值接近的幅度時間偏差來獲得脈沖到達時間偏差，所得到達時間測量精度為10ns，且會引起2. 89ns的量化誤差。為了避免量化誤差對本系統(tǒng)定位精度上的影響，滿足到達時間測量精度為Ins的系統(tǒng)精度要求，考慮采用差值測時法計算脈沖偏差時間。脈沖上升沿差值測時方法可以近似于梯形進行運算。如圖5所示，假設過門限脈沖頂端幅度均值減去固定
差值所獲得的脈沖前沿時刻幅度為f，設云對應的時間為t，脈沖前沿時刻t落于采樣點時刻tl、t2之間，A1、A2為tl、t2時刻的100M采樣幅度值，Al〈云< A2。
r一 ι J2-J1 S-Al…-=- (1)
t-2-il I-Il
由式(1)可得脈沖前沿時刻t: ill
I=(2)
A2-AI
采用差值測時的方法，解決了逐次臨近法帶來的量化誤差，進一步提高單站到達時間測時精度。在同一個框架內(nèi)所有的有效脈沖的到達時間都用以上的方法測得，根據(jù)在同一框架內(nèi)有效脈沖的均值作為到達時間，保證了到達時間測量精度在Ins以內(nèi)。產(chǎn)生典型脈沖包絡的視頻信號如圖6所示。采樣間隔為10ns，上升沿100ns，脈沖頂部450ns，下降沿200ns，脈沖頂端幅度為1。設置幅度為0. 64的固定門限，脈沖到達時間幅度選取脈沖頂端幅度均值一 3dB。分別利用差值測時法、臨近比較法測量100組加不同噪聲脈沖到達時間，測量結(jié)果如圖7所示。圖7中象限中的水平線代表脈沖真實到達時間；象限中的圈代表差值測時測得時間；星形代表臨近比較測得時間。從圖7測量結(jié)果看，采用差值測時法測量脈沖到達時間，較臨近比較法測得到達時間更為接近脈沖真實到達時間。通過計算估計方差得到差值測時法的估計方差為1.51ns，臨近測時法的估計方差為3. 38ns，從而驗證差值測時法很好的解決了臨近法帶來的量化誤差，對目標的精確定位有著重要的意義。通過對實際脈沖到達信號觀測，以及以往脈沖門限檢測方法、脈沖到達時間測量方法的分析，針對本系統(tǒng)對時間測量精度上的需求，提出了更符合該系統(tǒng)工程化的自適應門限檢測方法、差值測時法和多脈沖平均法的解決方案。由差值測時法和多脈沖平均法仿真驗證結(jié)果可以看出，采用差值測時法測算脈沖到達時間更優(yōu)于以往的時間測量方法，避免了臨近估計帶來的量化誤差。使測時精度更好的滿足系統(tǒng)對目標精確定位的要求。所述測量脈沖到達時間的方法所需的裝置包含在裝有4片TigeramrdOlDSP (Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理)處理器的插件中。4片DSP完成的功能流程如圖8所示。圖8中DSPl主要完成脈沖檢測，主要運算量在于脈沖檢測的第一門限處理及自適應到達脈沖固定比例門限產(chǎn)生。因為數(shù)據(jù)率為20MHz，則一片TS201，工作于480MHz可
6以完成。因為是以1毫秒為處理周期，因此存儲容量20k*32bit即可；
DSP2為完成脈沖檢測第二門限處理及采用差值測時法計算脈沖偏差時間。DSP3為進行應答碼編碼檢測應答信號解碼處理，包括解混疊等，提取脈沖沿的時間信息。DSP4為完成多站所匹配的應答碼進行到達時間多脈沖平均生成高精度脈沖到達時間和數(shù)據(jù)包處理等，滿足數(shù)據(jù)格式要求，把數(shù)據(jù)傳送到下一級。請參閱圖9所示，所述測量脈沖到達時間的方法所需的裝置具體包括DSP1、 DSP2、DSP3、DSP4、flash (閃存)、SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動態(tài)隨機存取存儲器)、PMC背卡(PCI Mezzanine card，pci夾層卡)、D/A轉(zhuǎn)換器(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)。所述DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均相互聯(lián)系，且DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均連接到系統(tǒng)總線，其中DSPl連接到CPCI (緊湊型PCI)接口，DSP2、DSP3同時連接到stratix II FPGA (Field-Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)，DSP4通過PMC背卡連接到 stratix II FPGA, flash、SDRAM、stratix II FPGA 均連接到系統(tǒng)總線，stratix II FPGA 同時連接到D/A轉(zhuǎn)換器及CPCI接口。以上是為了使本領域普通技術(shù)人員理解本發(fā)明，而對本發(fā)明所進行的詳細描述， 但可以想到，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋的范圍內(nèi)還可以做出其它的變化和修改， 這些變化和修改均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高精度測量脈沖到達時間的方法，其特征在于，包括以下步驟第一步測量單一有效脈沖幅度的固定比例為固定門限，此門限為根據(jù)脈沖輸入幅度不同而自適應的生成不同的門限；第二步根據(jù)自適應門限來確定脈沖初始到達時間；第三步采用差值測時的方法獲得脈沖到達時間偏差，從而得到單一脈沖到達時間； 第四步將同一框架內(nèi)所有有效單一脈沖的到達時間的平均作為該框架的最終到達時間。
2.如權(quán)利要求1所述高精度測量脈沖到達時間的方法，其特征在于，所述第一步適用于輸入IQ信號時的門限檢測。
3.如權(quán)利要求1所述高精度測量脈沖到達時間的方法，其特征在于，所述第一步中， 當輸入信號為求模取對數(shù)的幅度信號時，采用脈沖幅度均值減固定門限的方法進行門限檢測。
4.如權(quán)利要求3所述高精度測量脈沖到達時間的方法，其特征在于， 假設過門限脈沖頂端幅度均值減去固定門限所獲得的脈沖前沿時刻幅度為云，設云對應的時間為t，脈沖前沿時刻t落于采樣點時刻tl、t2之間，Al、A2為tl、t2時
5.一種如權(quán)利要求1至4任一項所述的高精度測量脈沖到達時間的方法使用的裝置， 其特征在于，包括DSP1、DSP2、DSP3、DSP4、flash、SDRAM、PMC 背卡，所述 DSPl、DSP2、DSP3、 DSP4均相互聯(lián)系，且DSP1、DSP2、DSP3、DSP4均連接到系統(tǒng)總線，其中DSPl連接到CPCI接口，DSP2、DSP3 同時連接至Ij stratix II FPGA, DSP4 通過 PMC 背卡連接到 stratix II FPGA, flash、SDRAM、stratix II FPGA均連接到系統(tǒng)總線，stratix II FPGA同時連接到D/A轉(zhuǎn)換器及CPCI接口。
6.如權(quán)利要求5所述的高精度測量脈沖到達時間的方法使用的裝置，其特征在于，所述 DSP1、DSP2、DSP3、DSP4 均為 TigerSharc201。
7.如權(quán)利要求5所述的高精度測量脈沖到達時間的方法使用的裝置，其特征在于， DSPl主要完成脈沖檢測，主要運算量在于脈沖檢測的第一門限處理及自適應到達脈沖固定比例門限產(chǎn)生；DSP2為完成脈沖檢測第二門限處理及采用差值測時法計算脈沖偏差時間；DSP3為進行應答碼編碼檢測應答信號解碼處理，提取脈沖沿的時間信息；DSP4為完成多站所匹配的應答碼進行到達時間多脈沖平均生成高精度脈沖到達時間和數(shù)據(jù)包處理，滿足數(shù)據(jù)格式要求，把數(shù)據(jù)傳送到下一級。(1) (2)。
全文摘要
一種高精度測量脈沖到達時間的方法，包括測量單一有效脈沖幅度的固定比例為固定門限；根據(jù)自適應門限來確定脈沖初始到達時間；采用差值測時的方法獲得脈沖到達時間偏差，從而得到單一脈沖到達時間；將同一框架內(nèi)所有有效單一脈沖的到達時間的平均作為該框架的最終到達時間。本發(fā)明還公開了一種該方法中使用的裝置，包含在裝有4片TigerSharc201DSP(DigitalSignalProcessing，數(shù)字信號處理)處理器的插件中。本發(fā)明的優(yōu)點在于提供機場地面及附近空域中目標應答信號到達各接收站精確的到達時間且單站測時精度優(yōu)于1ns，實現(xiàn)機場區(qū)對飛機的精確定位和識別，改善繁忙機場的場面監(jiān)視能力，提高機場的安全性。
文檔編號G01S5/06GK102495392SQ20111039801
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者周喃, 趙洪立, 顏波濤 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所