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CN114637184B - 一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法 - Google Patents

一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法 Download PDF

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CN114637184B CN202210245748.2A CN202210245748A CN114637184B CN 114637184 B CN114637184 B CN 114637184B CN 202210245748 A CN202210245748 A CN 202210245748A CN 114637184 B CN114637184 B CN 114637184B
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庄锋杰
夏玉
许施杰
郑海锋
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Abstract

本发明公开了一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法，步骤一：对第一、二待测电信号处理得到第一、第二信号；步骤二：对第一、第二信号进行数学采样处理得到第一、第二采样信号；步骤三：对第一、第二采样信号进行重构处理，得到第一、第二重构信号；步骤四：对第一、第二重构信号之间进行第一数学相关运算获取粗时间间隔；步骤五：对第一、第二重构信号截取后做进一步插值，获得重建信号：第一重建信号和第二重建信号；步骤六：对第一、第二重建信号之间进行第二数学相关运算获取细时间间隔，将上述粗时间间隔与细时间间隔处理得到时间间隔估计值。本发明不仅保证时间间隔测量的高分辨力和精度，而且更加提高了计算时间间隔的运算速度。

Description

一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法
技术领域
本发明涉及时间间隔测量技术领域，尤其涉及一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法。
背景技术
已知时间间隔是用来描述一个事件相对于另外一个事件发生超前或者滞后的程度。时间以及时间间隔测量无论是在生活中，还是在科学研究中，都扮演着十分重要的角色。时间间隔测量技术，又称为时间数字转换技术，通常用于将物理事件之间的时间间隔转换成数字形式的值。时间间隔测量技术对国防建设意义重大，精确的时间间隔测量技术，尤其是皮秒量级的测量技术。时间间隔测量技术在现代天文观测、高能物理实验、卫星导航、第五代移动网络通信技术、量子通信、大地测量、激光测距等众多领域涉及时间测量和时间同步等方面的应用中有着十分重要的作用。
现有的授权公告号为CN109407501B的中国发明专利公开了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构处理，分别得到第一重构信号和第二重构信号；对第一重构信号和第二重构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。虽然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，但是现有的该方法在需要实现高分辨力的时间间隔测量时，SINC时域插值和互相关算法的计算量较大，需要耗费较长的运算时间，因此还是无法满足现代快速测量的需求，亟需要作出改进。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法，不仅保证时间间隔测量的高分辨力和精度，而且更加提高了计算时间间隔的运算速度，更加能够满足使用需求。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法，包括以下步骤：
步骤一：对第一待测电信号和第二待测电信号进行处理，分别得到第一信号和第二信号；
步骤二：对所述第一信号和第二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；
步骤三：对所述第一采样信号和第二采样信号进行重构处理，分别得到第一重构信号和第二重构信号；
步骤四：对所述第一重构信号和第二重构信号之间进行第一数学相关运算获取第一重构信号和第二重构信号之间的粗时间间隔T1，并且对其中一组信号做移位处理，移位的大小为T1；
步骤五：对所述第一重构信号和第二重构信号截取后做进一步插值，分别获得重建信号：第一重建信号和第二重建信号；
步骤六：对所述第一重建信号和第二重建信号之间进行第二数学相关运算获取第一重建信号和第二重建信号之间的细时间间隔T2，将上述步骤四中粗时间间隔T1与细时间间隔T2处理后得到时间间隔估计值。
进一步说，步骤一中所述第一待测电信号和第二待测电信号采用的是具有一定时延的两个窄脉冲信号。
进一步说，所述第一信号和第二信号进行数学采样处理是通过ADC采样处理。
进一步说，所述第一待测电信号和第二待测电信号通过声表面波滤波器进行处理。
进一步说，步骤二中所述第一信号和第二信号进行数学采样处理需满足带通信号采样定理。
进一步说，步骤三中所述第一采样信号和第二采样信号利用SINC时域插值算法对采样序列进行插值重构获得重建信号第一重构信号和第二重构信号。
进一步说，步骤四和步骤六中所述第一数学相关运算和第二数学相关运算均采用的是互相关算法。
进一步说，步骤五中所述第一重构信号和第二重构信号截取后做进一步插值采用的是FFT频域补零的时域插值算法。
进一步说，步骤六中的将上述步骤四中粗时间间隔T1与细时间间隔T2二者求和后的值作为两个窄脉冲之间的时间间隔估计值。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
其一，本发明通过步骤五中对第一重构信号和第二重构信号截取后做进一步插值，分别获得重建信号：第一重建信号和第二重建信号，此种更加有利于降低计算量，从而提高计算运算速度，提高了运行效率。尤其是步骤五中第一重构信号和第二重构信号截取后做进一步插值采用的是FFT频域补零的时域插值算法，由于FFT频域补零的时域插值相对于SINC时域插值具有更小的计算量，并且本发明中先后通过SINC插值算法和FFT频域补零的时域插值算法，重建低频率采样的带通信号序列，实现了快速的高密度插值，不仅保证时间间隔测量的高分辨力和精度，而且更加提高了计算时间间隔的运算速度，更加能够满足使用需求。
其二，本发明不仅对第一重构信号和第二重构信号之间进行第一数学相关运算获取第一重构信号和第二重构信号之间的粗时间间隔T1，并且对其中一组信号做移位处理，移位的大小为T1，而且对所述第一重建信号和第二重建信号之间进行第二数学相关运算获取第一重建信号和第二重建信号之间的细时间间隔T2，此种第一数学相关运算和第二数学相关运算均采用的是互相关算法，利用二次互相关运算将时间间隔测量分成粗和细的方法，进一步提升了系统的运算速度，同时保证了时间间隔测量的高分辨力和高精度，更加能够满足使用需求。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2是本发明实施例中提供的SAW带通信号两个采样信号示意图。
图3是本发明实施例中提供的SINC插值后的信号示意图。
图4是本发明实施例中提供的第一互相关运算图像。
图5是本发明实施例中提供的SINC插值并截取后的信号示意图。
图 6是本发明实施例中提供的FFT频域补零的时域插值后的信号示意图。
图7是本发明实施例中提供的第二互相关运算图像。
图8为本发明实施例中流程示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图1，一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法，包括以下步骤：
步骤一：对第一待测电信号和第二待测电信号进行处理，分别得到第一信号和第二信号；
步骤二：对第一信号和第二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；
步骤三：对第一采样信号和第二采样信号进行重构处理，分别得到第一重构信号和第二重构信号；
步骤四：如图4所示，对第一重构信号和第二重构信号之间进行第一数学相关运算获取第一重构信号和第二重构信号之间的粗时间间隔T1，并且对其中一组信号做移位处理，移位的大小为T1；
步骤五：对第一重构信号和第二重构信号截取后做进一步插值，分别获得重建信号：第一重建信号和第二重建信号；
步骤六：如图7所示，对第一重建信号和第二重建信号之间进行第二数学相关运算获取第一重建信号和第二重建信号之间的细时间间隔T2，将上述步骤四中粗时间间隔T1与细时间间隔T2处理后得到时间间隔估计值。
实施例一：进一步说，步骤一中第一待测电信号和第二待测电信号采用的是具有一定时延的两个窄脉冲信号，其中第一待测电信号和第二待测电信号通过声表面波滤波器进行处理，在本实施中，具有一定时延的两个窄脉冲分别激励两个中心频率为
的声表面波滤波器(Surface Acoustic Wave Filter)产生第一信号和第二信号，即第一信号和第二信号即为SAW（声表面波）带通信号和/>。
实施例二：进一步说，可在实施例一的基础上，进一步说，第一信号和第二信号进行数学采样处理是通过采样频率为200MHz的ADC采样处理，此种满足带通信号采样定理，更加有利于信号的传输，而不会发生频谱混叠，获得采样序列和/>。如图2所示，横坐标为采样间隔，图2中为每5ns获取一个采样值，在实际应用中，步骤二中采样频率满足/>，其中 />为滤波器中心频率， />为滤波器带宽，m为正整数。更想说明的是频率 />小于2倍信号频率，在低采样频率的条件下实现了高精度时间间隔的测量，有利于重建低频率采样的带通信号序列，实现了快速的高密度插值，也就是保证了时间间隔测量的高分辨力和高精度。
实施例三：在实施例一或实施例二的基础上，进一步说，图3为图2经1：100插值后的采样信号，此时采样周期减小至50ps，步骤三中第一采样信号和第二采样信号利用SINC时域插值算法对采样序列进行插值重构获得重建信号第一重构信号和第二重构信号，第一重构信号和第二重构信号相对应的为和/>。想说明的是，对于在实际应用中，SINC时域重建公式为：
其中W为滤波器带宽，T是采样间隔，为滤波器中心频率，/>是离散采样信号，/>。
实施例四：在实施例一或实施例二或实施例三的基础上，进一步说，步骤四和步骤六中第一数学相关运算和第二数学相关运算均采用的是互相关算法，也就是步骤四中第一数学相关运算采用的是第一次互相关运算，步骤六中第二数学相关运算采用的是第二次互相关运算，此种更加有利于实现快速获得相应的粗时间间隔T1和细时间间隔T2。
实施例五：在实施例一或实施例二或实施例三或实施例四的基础上，进一步说，图5为从图3截取了大约200ns至800ns段的信号，步骤五中对第一重构信号和第二重构信号截取后做进一步插值采用的是FFT（一种DFT的高效算法，称为快速傅立叶变换）频域补零的时域插值算法。如图6所示，横坐标为第二次插值后的采样间隔，图6为图5经1：50插值后的采样信号，此时采样周期减小至1ps，在实际应用中，首先对第一重构信号和第二重构信号进行截取，随后对截取后的第一重构信号和第二重构信号分别经过FFT变换后，在频域中间补零，最后通过IFFT（快速逆傅立叶变换）完成对时域的插值，具体来说，随着插值数量的增多，本发明的运算速度对比现有技术的运算速度可以提升至数十数百倍，结合实例，在插值到采样周期为1ps后，本发明运算一次耗时1秒钟左右，而已有算法运算一次需耗时55分钟左右看，因此其在保证时间间隔测量的高分辨力和高精度，极大提高了系统的运算速度。
实施例六：在实施例一或实施例二或实施例三或实施例四或实施例五的基础上，进一步说，步骤六中的将上述步骤四中粗时间间隔T1与细时间间隔T2二者求和后的值作为两个窄脉冲之间的时间间隔估计值。
实施例中
如图8所示，具体详细说明，一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法，包括以下步骤：
步骤一：对具有一定时延窄脉冲的第一待测电信号和第二待测电信号分别激励两个中心频率为 的声表面波滤波器（声表面波滤波器1和声表面波滤波器2）分别经过对应的ADC通道1和ADC通道2产生第一信号和第二信号，即第一信号和第二信号即为SAW（声表面波）带通信号/>和/>。
步骤二：横坐标为采样间隔，图2中为每5ns获取一个采样值，对第一信号和第二信号以满足带通信号采样定理的采样频率 进行数学采样得到第一采样信号和第二采样信号，第一采样信号和第二采样信号即相对应为采样序列/>和/>，如图2所示；
步骤三：对第一采样信号和第二采样信号进行重构处理，分别得到第一重构信号和第二重构信号，具体来说，如图3所示，横坐标为第一次插值后的采样间隔，图3为图2经1：100插值后的采样信号，此时采样周期减小至50ps，利用SINC时域插值算法对第一采样信号和第二采样信号进行插值重构，获得第一重构信号和第二重构信号，即为和/>，其中对于在实际应用中，SINC时域重建公式为：
其中W为滤波器带宽，T是采样间隔，为滤波器中心频率，/>是离散采样信号，，
其中经过步骤三的SINC时域插值后，抽样频率已经大于重构信号的2倍频率，为了保证之后的FFT频域补零插值不产生混叠，此种也保证了时间间隔测量的高分辨力和高精度，当可以利用FFT频域补零的时域插值算法进行进一步的高密度快速插值，也有利于为了减少运算量，具体来说，随着插值数量的增多，本发明的运算速度对比现有技术的运算速度可以提升至数十数百倍，结合实例，在插值到采样周期为1ps后，本发明运算一次耗时1秒钟左右，而已有算法运算一次需耗时55分钟左右看，因此其在保证时间间隔测量的高分辨力和高精度，极大提高了系统的运算速度；
步骤四：如图4所示，横坐标为第一次互相关函数的单位，图4中为50ps，对第一重构信号和第二重构信号/>之间进行第一数学相关（第一次互相）运算（第一次互相关函数）获取第一重构信号和第二重构信号之间的粗时间间隔T1，并且对其中一组信号做移位处理，移位的大小为T1，此时两个信号的时延控制在第一次插值后的采样周期（ />50ps）内，所以之后的第二次互相关运算只需要在 />50ps做即可，减少运算时间；
步骤五：如图5所示，横坐标为第一次插值后的采样间隔，图5为从图3截取了大约200ns至800ns段的信号，对第一重构信号和第二重构信号截取后做进一步插值，分别获得：重建信号的第一重建信号和第二重建信号/>。具体来说，如图5和图6所示，首先对/>和/>进行截取，随后对截取后的/>、/>分别经过FFT变换后，在频域中间补零，最后通过IFFT完成对时域的插值，此时可以利用FFT频域补零的时域插值算法进行进一步的高密度快速插值，为了减少运算量，本发明中可从图6中看出第二次插值后的采样间隔，图6为图5经1：50插值后的采样信号，此时采样周期减小至1ps，这样不仅保证时间间隔测量的高分辨力和精度，而且更加提高了计算时间间隔的运算速度，更加能够满足使用需求；
步骤六：如图7所示，对第一重建信号和第二重建信号之间进行第二数学相关（第二次互相）运算（第二次互相关函数）获取第一重建信号和第二重建信号之间的细时间间隔T2，将上述步骤四中粗时间间隔T1与细时间间隔T2二者求和后（处理后）得到时间间隔估计值，此种时间间隔估计值是通过两次互相关运算获得的，分别计算出粗时间间隔T1和细时间间隔T2，二者经过求和后的值作为两个窄脉冲之间的时间间隔估计值，不仅保证时间间隔测量的高分辨力和精度，而且更加提高了计算时间间隔的运算速度，更加能够满足使用需求。图7的横坐标为第二次互相关函数的单位，1ps。因为经过第一次插值和第一次互相关运算并移位后，此时两个信号的时延控制在第一次插值后的采样周期（ 50ps）内，在图4中为±50ps，所以第二次互相关运算只需要在±50ps内做即可。
本发明在使用相对较低的采样频率的情况下，依然保证时间间隔测量的高分辨力和高精度，并且SINC时域插值和FFT频域补零的时域插值的有效结合极大提高了系统的运算速度，利用二次互相关运算将时间间隔测量分成粗和细的方法，进一步提升了系统的运算速度，具体来说，在插值到采样周期为1ps后，本发明运算速度比已有技术的运算速度提升了数十倍，因此其在保证时间间隔测量的高分辨力和高精度，极大提高了系统的运算速度。
本申请文件中声表面波滤波器内部部件均采用现有技术中常规的型号，且其内部构造属于现有技术结构，工人根据现有技术手册就可完成对其进行正常操作，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再作出具体叙述。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：对第一待测电信号和第二待测电信号进行处理，分别得到第一信号和第二信号；
步骤一中所述第一待测电信号和第二待测电信号采用的是具有一定时延的两个窄脉冲信号；所述第一待测电信号和第二待测电信号通过声表面波滤波器进行处理；
具有一定时延的两个窄脉冲分别激励两个中心频率为fc=1400MHZ的声表面波滤波器产生第一信号和第二信号，即第一信号和第二信号即为SAW（声表面波）带通信号S1（t）和S2（t）；
步骤二：对所述第一信号和第二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；
步骤二中所述第一信号和第二信号进行数学采样处理需满足带通信号采样定理；
第一信号和第二信号进行数学采样处理是通过采样频率为200MHz的ADC采样处理，获得采样序列s1（nTs）和s2（nTs）；
步骤二中采样频率fs满足，其中fC为滤波器中心频率，W为滤波器带宽，m为正整数；
步骤三：对所述第一采样信号和第二采样信号进行重构处理，分别得到第一重构信号和第二重构信号；
步骤三中所述第一采样信号和第二采样信号利用SINC时域插值算法对采样序列进行插值重构获得重建信号：第一重构信号和第二重构信号，第一重构信号和第二重构信号相对应的为s1（k1）和s2（k1）；SINC时域重建公式为：
；
其中W为滤波器带宽,T是采样间隔,fC为滤波器中心频率,s（nT）是离散采样信号，sinc（x）= sin（πx） /（πx）；
步骤四：对所述第一重构信号和第二重构信号之间进行第一数学相关运算获取第一重构信号和第二重构信号之间的粗时间间隔T1，并且对其中一组信号做移位处理，移位的大小为T1；此时两个信号的时延控制在第一次插值后的采样周期±50ps内；
步骤五：对所述第一重构信号和第二重构信号截取后做进一步插值，分别获得重建信号：第一重建信号和第二重建信号；
首先对s1（k1）和s2（k1）进行截取，随后对截取后的s1（k1）和s2（k1）分别经过FFT变换后，在频域中间补零，最后通过IFFT完成对时域的插值；
步骤六：对所述第一重建信号和第二重建信号之间进行第二数学相关运算获取第一重建信号和第二重建信号之间的细时间间隔T2，将上述步骤四中粗时间间隔T1与细时间间隔T2处理后得到时间间隔估计值；
分别计算出粗时间间隔T1和细时间间隔T2，二者经过求和后的值作为两个窄脉冲之间的时间间隔估计值。
2.如权利要求1所述一种基于相关信号处理的时间间隔快速测量方法，其特征在于：所述第一数学相关运算和第二数学相关运算均采用的是互相关算法。
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