窄帶通信信號(hào)時(shí)差定位系統(tǒng)中時(shí)延估計(jì)算法比較

摘要：時(shí)延估計(jì)是時(shí)差定位系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是影響定位精度的主要因素，對(duì)窄帶通信信號(hào)的時(shí)延估計(jì)精度不高，一直是其中的難點(diǎn)。本文介紹了時(shí)延估計(jì)的原理，比較了時(shí)延估計(jì)的幾種典型算法，并重點(diǎn)分析了其中針對(duì)窄帶通信信號(hào)的算法，最后對(duì)各種算法進(jìn)行了總結(jié)，指出了時(shí)延估計(jì)算法的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：無源定位；時(shí)差定位；時(shí)延估計(jì)1時(shí)延估計(jì)模型及算法圖1.時(shí)差定位模型圖1給出了通信信號(hào)時(shí)差定位模型，其中S為輻射源，目標(biāo)輻射信號(hào)位于偵察站法線方向，輻射源到各偵察站距離分別為r1，r2，r3。假設(shè)輻射源與偵察站處于同一水平面。由圖1及時(shí)差定位法可得輻射源相對(duì)偵察站的方位和距離估計(jì)為：2常用時(shí)延估計(jì)算法比較2.1基于二階統(tǒng)計(jì)量的時(shí)延估計(jì)算法廣義互相關(guān)算法[1]是最經(jīng)典的時(shí)延估計(jì)算法。算法在信號(hào)做互相關(guān)之前通過增加窗函數(shù)的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以提高信號(hào)在噪聲中的比重，進(jìn)而提高估計(jì)精度。由于相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)是一對(duì)Fourier變換，故時(shí)延信息也可以等價(jià)的通過功率譜密度函數(shù)在頻域提取，這種方法稱為廣義相位譜法[2]。頻域提取的優(yōu)勢(shì)在于克服了時(shí)域中噪聲造成的互相關(guān)函數(shù)主峰不明顯的現(xiàn)象，并且有利于站間的數(shù)據(jù)傳輸和處理。以上兩種算法都依賴信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)信息，理論上二者估計(jì)精度相當(dāng)。2.2基于高階統(tǒng)計(jì)量的時(shí)延估計(jì)算法廣義相關(guān)法與廣義相位譜法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單易懂，運(yùn)算量小，缺點(diǎn)是需要接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，抗噪聲性能不好，且要求信號(hào)模型中的噪聲為相互獨(dú)立的高斯白噪聲。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)中混有相關(guān)噪聲或非高斯的脈沖噪聲時(shí)，基于二階統(tǒng)計(jì)量的時(shí)延估計(jì)算法會(huì)發(fā)生退化甚至失效。針對(duì)此問題，學(xué)者們提出了利用三階統(tǒng)計(jì)量和四階統(tǒng)計(jì)量的時(shí)延估計(jì)算法。同二階統(tǒng)計(jì)量一樣，高階統(tǒng)計(jì)量法也可在頻域?qū)崿F(xiàn)，稱為雙譜法或三譜法，頻域處理時(shí)也可通過對(duì)信號(hào)加窗進(jìn)行預(yù)處理。理論上，基于高階統(tǒng)計(jì)量的算法在處理非高斯噪聲中的信號(hào)、高斯有色噪聲中的信號(hào)、非線性信號(hào)、非最小相位信號(hào)時(shí)會(huì)有很好的效果，但高階統(tǒng)計(jì)量法的局限性在于其計(jì)算量較大，需要的數(shù)據(jù)積累時(shí)間較長(zhǎng)，受到信號(hào)相干性的制約，難以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，此外，運(yùn)用高階統(tǒng)計(jì)量算法前還需預(yù)先對(duì)樣本信號(hào)進(jìn)行分段平滑處理[3]。2.4窄帶通信信號(hào)時(shí)延估計(jì)算法窄帶通信信號(hào)由于帶寬窄，時(shí)域信號(hào)連續(xù)，一直是時(shí)延估計(jì)中的難點(diǎn)問題。為解決窄帶通信信號(hào)的時(shí)延估計(jì)問題，相關(guān)領(lǐng)域的科研和工程人員進(jìn)行了深入的研究，提出了一些針對(duì)性的算法。希爾伯特變換可以將信號(hào)相關(guān)函數(shù)的峰值點(diǎn)變?yōu)榱泓c(diǎn)，利用這個(gè)性質(zhì)，可以通過零點(diǎn)檢測(cè)確定時(shí)延，避免窄帶信號(hào)時(shí)延估計(jì)時(shí)相關(guān)峰展寬導(dǎo)致的精確度降低問題[4]。但受到噪聲的影響，希爾伯特變換后的相關(guān)函數(shù)的零點(diǎn)可能不止一個(gè)，容易造成誤判。為此，胡正偉等提出了廣義相關(guān)希爾伯特變換差值法[5]。該方法將希爾伯特變換與原相關(guān)函數(shù)相減。由于原相關(guān)函數(shù)的相關(guān)峰是其希爾伯特變換的零點(diǎn)，故相減后相關(guān)峰不變，其它部分減小，使得峰值更加突出明顯，提高了窄帶信號(hào)源的時(shí)延估計(jì)精度。3結(jié)束語時(shí)延估計(jì)是現(xiàn)代信號(hào)處理中的一個(gè)重要問題,對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。隨著現(xiàn)代信號(hào)處理理論的不斷發(fā)展,采用新的信號(hào)分析和處理工具,實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度、穩(wěn)定可靠的時(shí)延估計(jì)，盡可能滿足不同場(chǎng)合的需要，仍將是時(shí)延估計(jì)的研究方向。Reference[1]KnappC，CarterG.Thegeneralizedcorrelationmethodforestimationoftimedelay[J].IEEETrans.onAcoustics，SpeechandSignalProcessing，1976，24(4):320-327.[2]行鴻彥,唐娟.時(shí)延估計(jì)方法的分析[J].聲學(xué)技術(shù),2008,01:110-114.[3]李雪梅,陶然,王越.時(shí)延估計(jì)技術(shù)研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2010,04:362-371.[4]CabotR.ANoteOnTheApplicationOfTheHilbertTransform.ToTimeDelayEstimation[J].IEEETransactionsonAcousticsSpeech