[发明专利]一种利用载波自相关特性提高信号时差测量精度的方法

说明书

技术领域：

本发明属于信号处理、数字信号处理领域。测量同源的两个信号之间的时差，是测向、定位等设备的基础技术之一，本发明的直接目的是大幅度提高两个信号时差的测量精度，可以使上述系统的性能有质的提高。

背景技术：

测向、定位、雷达、孔径合成雷达、被动雷达、GPS、声呐等系统的技术基础之一就是测量两个协作信号的时间差。目前，国内外在时差测量方面主要采用两种基本技术：

一种“干涉仪方式”，即测量两个信号的载波相位差。该方法的绝对误差较小(例如对于无线电信号，其测量误差可达ps(10^-12秒)级)，但由于测量基线短而导致测量范围较小，即误差与测量范围的比值相应较大，因此该方法的精度低。

另一种是“时差测量方式”，即测量基带脉冲到达时间差。该方法的绝对误差大(测量误差很难小于10ns(10^-9秒))，但其测量基线可以很长，可达几十千米，即误差与测量范围的比值相应较小，因此该方法的测量精度较“干涉仪方式”有所提高。此外，采用该方法的系统复杂、所需场地大、成本高，例如，满足千分之一精度的平面定位系统，需要3个相距10千米以上的接收点，构成两条基线，才能完成定位功能。

为了在提高时差测量精度的同时，减小系统的复杂程度、降低成本，本发明提出利用高频调制信号在自相关运算中的载波特性获得高精度时差值，进而大幅度提高定位系统的精度。

发明内容：

术语解释：

载波自相关：同源的两个含有载波的信号进行相关运算，其函数图形的外包络类似基带自相关的图形而内含载波特性。

载波特性：本发明中的专有名词，为载波自相关函数图形中呈现的余弦曲线。需要强调的是，组成曲线的每一个点是计算值，不同于常规信号中的载波函数图形所表征的对象(其表征的是电信号)。

τ₁：两个信号的真实延时差，只取正值。在相关处理中将其分成两段，余数段和整数段。

余数段τ_yf：在函数图形中从τ₁起向右到第一个峰顶的这个时间段。它与信号载波相位差对应。

整数段τ_yz：τ_yz＝τ₁-τ_yf，该值为载波周期的整倍数。

测量基线：接收测量信号两点的虚拟连接线。通常重视基线长度和波长之比(比值越大精度越高)和它的方向。

R(τ)：两个信号之间时差为τ的相关值。为了简化运算这里要求其积分值经过归一化处理，最大值为1。

T_Z：载波周期。

理论说明：

两个高频脉冲信号f₀(t)、f₁(t)；其脉宽为T；幅度为1；且f₀(t)的中心在y轴上；高频波形为cosωt；T_Z为载波周期。则相关函数R(τ)可以表示为：

R(τ)＝∫f₁(t)×f₀(t)dt＝∫cosω(t+τ)×cosωtdt  (1)

上式中有效积分段是脉冲重叠部分，由此推导经简化得出下式，其图形见附图2

R(τ)≈cosωτ×(T-|τ|)/T  (2)

其中：

cosωτ与载波相位差对应，相位差为零时其值极大，相位差为180度时其值极小。

(T-|τ|)/T表示图形的外包络，它的形状是基带脉冲自相关图形(见图1)的扩展。其图形是以纵轴为中心的菱形。菱形的顶点在y轴上，高度为1(-1)。

式(2)与信号的对应关系是：

(1)当两个脉冲完全重合(载波相位重合)，即τ＝0，式(2)的值最大，下式成立：

R(τ)_max＝R(0)＝1

这是关键因素，两个脉冲时差是否为零，可以用相关值最大为判定标准。

(2)当τ的绝对值逐步增大时，cosωτ的值随相角ωτ起伏，而其顶点幅度和基带自相关值一样线性减小。

t＝τ₁-τ_y  (3)

式中τ_y为处理中算法移动f₁(t)的等效时间位移。