两级动态门限幅度加权平均回波时延估计方法

1.本发明涉及一种两级动态门限幅度加权平均回波时延估计方法，属数字信号处理领域。


背景技术：

2.在数字信号处理领域中，回波信号时延估计是一项常用的信号处理技术，如基于回声探测原理的声呐技术中，回波时延估计是实现目标探测、定位和导航功能的前提；在生物医学领域，回波时延估计又为超声检查设备的有效工作提供必要的技术支撑；在雷达、语音信号处理等领域也有广泛的应用。传统的包络检波法、广义相关法、相位互普法、高阶统计量方法、时频分析法以及各自适应算法，在实际工程应用过程中存在着估计稳健性差、计算量大和估计准确性不高等这样或那样的问题，不利于实时工程实现。
3.本发明的提出，在简洁的实现过程中充分利用信号自身特征信息，采用两级信息反馈，可有效解决回波时延估计技术存在的上述问题，以小的计算量、实时的处理能力、高的可靠性、稳健性以及准确性实现不同信号形式下回波信号的实时时延估计。


技术实现要素：

4.本发明的目的是以简洁的处理过程实现回波时延的实时、稳健、准确估计，为时延估计信号处理技术提供一种新的技术途径。
5.本发明采用的技术实施方案是：两级动态门限幅度加权平均回波时延估计方法，包括如下步骤：
6.(1)通过中心频率混频联合低通滤波实时获取回波包络值a
n
；
7.(2)计算历史包络值的算术平均得到实时动态门限η
n
并判别更新包络幅度最大值a
max
；
8.(3)依据系统噪声水平设定权值w1，计算1级动态门限η1，并实时计算η1的算术平均值η
a_n
；
9.(4)判断并获取过1级门限的包络值a
n
及对应时延n(样本点数)；
10.(5)上述逐点计算结束后(n＝n，n为信号总样本点数)，计算2级动态门限η2；
11.(6)对过1级门限的包络值进行过2级门限判断，确定过2级门限的包络值及相应时延值；
12.(7)利用过2级门限的包络值及相应时延值进行幅度加权平均计算，估计得到时延值对应的样本点数最终得到回波时延估值
13.步骤(1)所述的中心频率混频联合低通滤波包络求解是按下面过程实现的：
14.an＝lpf[s
n
*cos(2πf0n/f
s
)]
[0015]
其中，a
n
为回波信号的第n点包络值，s
n
为第n点回波信号，f0为信号中心频率，f
s
为回波信号采样率，lpf[]表示低通滤波。
[0016]
步骤(2)所述的计算历史包络值的算术平均得到实时动态门限η
n
，是按下面的过
程实现的：
[0017][0018]
步骤(3)所述的依据系统噪声水平设定权值w1，计算1级动态门限η1，是按下面的过程实现的：
[0019]
η1＝w1η
n
[0020]
步骤(5)所述的2级动态门限η2，是按下面的过程实现的：
[0021]
η2＝[floor(a
max
/η
a_n
)
‑
1]
·
η
a_n
[0022]
其中，a
max
为n点信号包络的最大值；当前四个步骤逐点处理完后(此时n＝n)，1级动态门限的均值为η
a_n
；floor()为向下取整。
[0023]
步骤(7)所述的利用过2级门限的包络值及相应时延值进行幅度加权平均计算，估计得到时延值对应的样本点数及最终得到回波时延估值是按下面的过程实现的：
[0024][0025][0026]
其中，n为样本点数，n
min
为过2级门限的包络值对应的最小时延样本点数，n
max
为过2级门限的包络值对应的最大时延样本点数。
[0027]
本发明涉及的两级动态门限幅度加权平均回波时延估计方法，通过中心频率混频联合低通滤波处理，实现了回波信号包络的实时求解，直接获得了回波信号的慢变包络波形，避免了基于正交变换的信号包络求解过程中两路混频和低通滤波处理以及平方和即开方运算带来的计算量大、占用更多处理资源的问题，有避免了希尔伯特变换等方法不宜工程实施实现的问题；通过实时动态门限的计算，充分利用了信号自身的统计特征信息，提高了算法过门限判决过程中判决准则选取的可靠性和稳健性；1级门限的求解基于系统噪声水平设定权值w1，充分考虑了系统自身的特性，降低系统干扰因素的影响，确保了算法实现过程中系统整体工作的有效性和稳定性；2级门限的确定充分利用动态门限均值特征以及包络信号极值信息(最大值)，消除了1级门限检测时由于门限起伏而引起的过门限能量中心偏移导致回波时延估计不准确的问题，包络信号极值信息的反馈提高了2级门限确定的可靠性和稳健性；在两级门限有效判决的基础上，采用幅度加权平均处理，准确估计过门限能量中心，获得了回波时延的准确估计结果。算法各处理步骤简单易行，过门限判决处理不占用处理器宝贵的乘法器、加法器资源，具有良好的工程实时实现特性。
附图说明
[0028]
图1是本发明两级动态门限幅度加权平均回波时延估计流程；
[0029]
图2是实施例的各级动态门限及过门限包络信号；
[0030]
图3是实施例的不同信噪比条件下1级和2级动态门限幅度加权平均时延估计误差。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步地详细描述。
[0032]
如图1所示，本发明所述的两级动态门限幅度加权平均回波时延估计方法，包括如下步骤：
[0033]
(1)通过中心频率混频联合低通滤波实时获取回波包络值a
n
。中心频率混频联合低通滤波包络求解是按下面过程实现的：
[0034]
an＝lpf[s
n
*cos(2πf0n/f
s
)]
[0035]
其中，a
n
为回波信号的第n点包络值，s
n
为第n点回波信号，f0为信号中心频率，f
s
为回波信号采样率，lpf[]表示低通滤波。
[0036]
(2)计算历史包络值的算术平均得到实时动态门限η
n
并判别更新包络幅度最大值a
max
。实时动态门限η
n
按下面的公式进行计算，包络幅度最大值a
max
逐点判断，如果当前包络值大于a
max
，则a
max
更新为当前包络值，以此类推。
[0037][0038]
(3)依据系统噪声水平设定权值w1，计算1级动态门限η1，并实时计算η1的算术平均值η
a_n
。1级动态门限η1按下面的公式计算得到。设定权值w1使动态门限处于高于系统噪声水平的高位，减小系统噪声对过门限检测的影响，也同时降低算法实现过程中的计算量。
[0039]
η1＝w1η
n
[0040]
(4)判断并获取过1级门限的包络值a
n
及对应时延n(样本点数)；
[0041]
(5)上述逐点计算结束后(n＝n)，计算2级动态门限η2。2级动态门限η2，是按下面的过程实现的：
[0042]
η2＝[floor(a
max
/η
a_n
)
‑
1]
·
η
a_n
[0043]
其中，a
max
为n点信号包络的最大值；当前四个步骤逐点处理完后(此时n＝n)，1级动态门限的均值为η
a_n
；floor()为向下取整。
[0044]
(6)对过1级门限的包络值进行过2级门限判断，确定过2级门限的包络值及相应时延值；
[0045]
(7)利用过2级门限的包络值及相应时延值依据下面两式进行幅度加权平均计算，估计得到时延值对应的样本点数并最终得到回波时延估值
[0046][0047][0048]
其中，n为样本点数，n
min
为过2级门限的包络值对应的最小时延样本点数，n
max
为过2级门限的包络值对应的最大时延样本点数。
[0049]
图2以实际回波信号波形的形式直观展示了回波信号、各级门限以及过门限信号包络的情况。实时动态门限直接由信号包络计算得到，经系统噪声水平设定权值w1修正得到1级动态门限，实时检测过1级动态门限的信号包络由于1级动态门限的起伏出现两侧不
对称的情况，直接导致过门限信号能量中心发生偏移；经过信号包络最大值反馈修正，基于1级动态门限均值计算得到2级动态门限，从过1级动态门限的包络值中判决过2级动态门限的包络值，如图2所示，过门限包络值左右对称，能量中心稳定，在此基础上进行幅度加权平均时延估计，可更准确地估计出回波时延。在2级动态门限确定过程中，采用回波包络最大值反馈的手段，也避免了2级动态门限出现溢出的情况(大于信号包络最大值，导致无过门限包络值)，提高了算法的稳健性。为了进一步说明采用两级动态门限的有益效果，采用蒙特卡洛法对1级、2级动态门限条件下的幅度加权平均时延估计误差进行了2000次的统计对比，分析得出采用两级动态门限可明显降低估计误差，保证估计准确性，如图3所示，也验证了本发明方法的有效性和稳健性。
[0050]
除上述实例具体实施外，凡采用同等替换或等效变型而形成的相关技术方案均落在本发明专利要求的保护范围内。