專利名稱：信號(hào)分析的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)多個(gè)分量隨機(jī)信號(hào)來(lái)分解和表示寬帶不規(guī)則信號(hào)的方法和裝置，各個(gè)分量信號(hào)占用比主信號(hào)窄的頻帶。本發(fā)明對(duì)于通過(guò)利用涉及諸如零交叉的電平交叉檢測(cè)的技術(shù)來(lái)提高對(duì)于信號(hào)的分析、表示和/或處理能力特別有用。
背景技術(shù)：
存在涉及檢測(cè)電平交叉(特別是零交叉)的多種信號(hào)分析技術(shù)。例如，極性一致相關(guān)(polarity coincidence correlation)是一種已知很長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)(例如，參見(jiàn)Helmut Berndt，“Correlation FunctionEstimation by a Polarity Method Using Stochastic ReferenceSignals”.IEEE Transactions on Information Theory，vol.14，No.6，Novemeber 1968，pp.796-801)。
在WO-A-00/39643(在此通過(guò)引用并入)中公開(kāi)了一個(gè)比較新近的示例。該文獻(xiàn)描述了一種通過(guò)檢測(cè)在第一信號(hào)中的不均勻間隔的零交叉并且使用這些零交叉來(lái)觸發(fā)對(duì)第二信號(hào)的抽樣以檢測(cè)兩個(gè)不規(guī)則信號(hào)(這兩個(gè)信號(hào)中一個(gè)信號(hào)是另一個(gè)信號(hào)的副本)之間的偏移(shift)的方法。該系統(tǒng)在零交叉和抽樣時(shí)間之間引入不同的延遲。對(duì)于各個(gè)延遲值，將這些樣本求和。對(duì)于大多數(shù)的延遲，求和樣本表示平均信號(hào)值。然而，當(dāng)延遲接近與兩個(gè)信號(hào)之間的偏移相匹配的值時(shí)，求和樣本變得相干，同時(shí)在系統(tǒng)輸出中產(chǎn)生區(qū)別特征。圖1表示一種典型輸出，橫軸表示在所檢測(cè)的零交叉和第二信號(hào)的抽樣之間引入的延遲。圖中清晰顯示的S形奇函數(shù)位于與兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間偏移相對(duì)應(yīng)的位置處。
將該方法稱為“交聯(lián)(crosslation)”，并且實(shí)施該方法的系統(tǒng)被稱為“交聯(lián)器(crosslator)”。例如，可以通過(guò)發(fā)送寬帶、類噪聲的不規(guī)則信號(hào)并且測(cè)量該信號(hào)和來(lái)自目標(biāo)的反射信號(hào)之間的延遲來(lái)將這種技術(shù)用于目標(biāo)檢測(cè)。
如WO-A-00/39643中所述，所檢測(cè)的零交叉可以是在信號(hào)電平以正斜率與零相交時(shí)產(chǎn)生的交叉(上升交叉)，或者可以是在電平以負(fù)斜率與零相交時(shí)產(chǎn)生的交叉(下降交叉)，或者是二者。如果使用上升交叉和下降交叉，則從由下降交叉定義的求和樣本中減去由上升交叉所定義的求和樣本。
在WO-A-00/39643中，移位寄存器產(chǎn)生第二信號(hào)的多個(gè)版本，將這些版本延遲不同的量。各個(gè)零交叉同時(shí)觸發(fā)這些不同版本的抽樣。圖2是表示在目標(biāo)檢測(cè)和測(cè)距(ranging)系統(tǒng)中用于測(cè)量時(shí)間延遲的另一種形式的交聯(lián)器。在圖2的系統(tǒng)中，對(duì)各個(gè)不同的延遲連續(xù)地而不是同時(shí)地獲得通過(guò)將第二信號(hào)的抽樣進(jìn)行組合而得到的值。在圖2中，通過(guò)硬限幅器HY將第二信號(hào)y(t)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二元雙極波形(binary bipolarwaveform)。通過(guò)一開(kāi)關(guān)將該波形及其極性反轉(zhuǎn)的副本提供給取平均或者積分單元AVG。該開(kāi)關(guān)通常是斷開(kāi)的，但是當(dāng)零交叉檢測(cè)器ZCD分別檢測(cè)第一信號(hào)x(t)中的上升交叉或者下降交叉時(shí)該開(kāi)關(guān)將輸出或者其極性反轉(zhuǎn)的副本提供給單元AVG。信號(hào)x(t)已由硬限幅器HX進(jìn)行了處理，然后由可變延遲線VD進(jìn)行延遲。在經(jīng)過(guò)預(yù)定的時(shí)間間隔后(或者當(dāng)滿足預(yù)定條件(例如，零交叉的數(shù)量達(dá)到預(yù)定值)時(shí))，將單元AVG的輸出傳送給數(shù)據(jù)處理器DPR。該輸出表示圖1中所示函數(shù)上的一個(gè)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理器DPR將由可變延遲線VD引入的延遲設(shè)置為不同的值，然后重復(fù)該操作以導(dǎo)出該函數(shù)上的其它點(diǎn)。通過(guò)將從單元AVG對(duì)于不同延遲而獲得的不同值進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)處理器DPR可以確定信號(hào)x(t)和y(t)之間的延遲。也可以將可變延遲線VD設(shè)置在信號(hào)y(t)的路徑中，而對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮愣ㄑ舆t。在另一改進(jìn)中，省略了硬限幅器HY，并且單元AVG對(duì)信號(hào)y(t)的模擬值直接進(jìn)行運(yùn)算。另外，通過(guò)使用固定延遲來(lái)代替可變延遲線VD可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而可以使用該系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的范圍是否偏離了與固定延遲的值對(duì)應(yīng)的特定距離。
如在上述目標(biāo)檢測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)中一樣，兩個(gè)信號(hào)之間的偏移可以表示時(shí)間，或者可以表示諸如線性偏移或者角偏移的另一參數(shù)。在一個(gè)具體示例中，第一信號(hào)可以表示圖像，例如穿過(guò)二維視頻圖像的直線。第二信號(hào)可以表示該圖像的第二版本，該第二信號(hào)相對(duì)于第一信號(hào)發(fā)生了線性偏移(平移(translated))。每一個(gè)信號(hào)例如可以為表示穿過(guò)屏幕的直線的灰度級(jí)?？梢詫?duì)這兩個(gè)信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行處理以獲得連續(xù)的多個(gè)點(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)表示具有特定基準(zhǔn)電平的灰度級(jí)波形的交點(diǎn)。然后可以將這些點(diǎn)用于對(duì)第二信號(hào)的不同版本進(jìn)行抽樣，每一個(gè)版本與不同的線性偏移相關(guān)聯(lián)。由此可以通過(guò)使用上述交聯(lián)技術(shù)來(lái)確定圖像的移動(dòng)量。
在EP-A-1378854(在此通過(guò)引用并入)中示出了涉及使用零交叉檢測(cè)的信號(hào)分析的另一示例。其中，使用了交聯(lián)技術(shù)來(lái)導(dǎo)出有關(guān)信號(hào)的信息，例如，對(duì)由該信號(hào)表示的圖像、聲音或者其它物理現(xiàn)象進(jìn)行分類。在這種情況下，使用在該信號(hào)中檢測(cè)的零交叉來(lái)觸發(fā)對(duì)相同信號(hào)的抽樣。在各個(gè)零交叉的出現(xiàn)和該信號(hào)的抽樣之間引入延遲。將這些抽樣進(jìn)行組合以得到第一值。以不同的延遲重復(fù)該操作以產(chǎn)生其它值。使用不同延遲而導(dǎo)出的多個(gè)值形成原始信號(hào)的表達(dá)(representation)，并且該表達(dá)的形狀表示信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性。
在WO-A-03/036564(在此通過(guò)引用并入)中公開(kāi)了涉及電平交叉檢測(cè)的另一技術(shù)。通過(guò)使用映射函數(shù)來(lái)導(dǎo)出圖像的一維表達(dá)(該表達(dá)具有變化的電平)，以及確定以下的值來(lái)對(duì)該圖像進(jìn)行分析(a)電平與一個(gè)或者更多個(gè)閾值交叉的比率；(b)當(dāng)信號(hào)與一個(gè)或者更多個(gè)閾值電平交叉時(shí)信號(hào)的平均斜率；和/或(c)信號(hào)保持在一個(gè)或者多個(gè)閾值電平之上的平均持續(xù)時(shí)間。
噪聲和其它干涉信號(hào)會(huì)降低上述系統(tǒng)的性能。由于有害信號(hào)與正在進(jìn)行處理的不規(guī)則信號(hào)在功能上或者統(tǒng)計(jì)學(xué)上不相關(guān)，所以干涉抑制的效率將隨信號(hào)中電平交叉的數(shù)量而增加。以WO-A-00/39643的交聯(lián)技術(shù)為例，所接收的信號(hào)y(t)的平均分段數(shù)量由從所發(fā)送的隨機(jī)信號(hào)x(t)提取的重要事件(零交叉)的數(shù)量來(lái)確定。因此，理想的是，確定需要在時(shí)間T內(nèi)進(jìn)行平均的y(t)的信號(hào)段的最佳數(shù)量，以提供最大的干涉抑制。
已知的是，通過(guò)抽樣定理(sampling theorem)，在由間隔1/(2W)分離的時(shí)間瞬間均勻地取得的信號(hào)抽樣來(lái)完全確定寬帶隨機(jī)信號(hào)，其中W是信號(hào)功率譜的最高頻率分量。該結(jié)果通常表明持續(xù)時(shí)間T的噪聲波形包含有Λ＝2WT個(gè)自由度。
在信號(hào)處理應(yīng)用中，還可以將乘積Λ稱為處理增益，這是因?yàn)槠浔硎就ㄟ^(guò)對(duì)各個(gè)噪聲波形的非相關(guān)抽樣進(jìn)行平均而可獲得的噪聲功率降低的界限。還已知的是，將上述結(jié)果應(yīng)用于以非均勻方式對(duì)噪聲波形進(jìn)行抽樣的情況，仍然具有每秒2W樣本的平均抽樣速率。
根據(jù)上述討論可以得出，當(dāng)從所發(fā)送的寬帶信號(hào)x(t)中提取的零交叉的數(shù)量小于Λ時(shí)，可以使為抑制有害干涉而對(duì)零交叉進(jìn)行操作的處理器的能力降低。通過(guò)以下示例對(duì)這一結(jié)論進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
示例1假設(shè)所接收的信號(hào)y(t)包括具有均勻功率譜密度的干涉信號(hào)n(t)，帶限為頻率范圍(O，W)；由此，在時(shí)間T內(nèi)的自由度數(shù)為Λ＝2WT。結(jié)果，通過(guò)取平均可以由因子Λ使干涉信號(hào)功率降低。
還假設(shè)用于監(jiān)視目的的零平均高斯隨機(jī)信號(hào)x(t)具有帶限為(O，W)的均勻功率譜密度。根據(jù)Rice公式可以得出，在時(shí)間T內(nèi)包含在x(t)中的所有零交叉的預(yù)期數(shù)量等于N0(T)＝2TBx，其中Bx=W/3]]>是x(t)的均方根(rms)帶寬；由此，N0(T)=2WT/3<Λ.]]>由于各個(gè)零交叉精確地確定了要進(jìn)行平均的所接收信號(hào)y(t)的一段，所以干涉信號(hào)n(t)的功率將減小，其減小量為可達(dá)到的最大值Λ的一部分，1/3≈0.58.]]>因此，在WO-A-00/39643中公開(kāi)的基于交聯(lián)的技術(shù)不能提供干涉的最佳效率的抑制，因?yàn)閺乃l(fā)送的隨機(jī)信號(hào)x(t)中提取的零交叉的數(shù)量通常小于包含在有害干涉信號(hào)n(t)中的自由度數(shù)。
因此，理想的是，提供一種使得能夠提高距離分辨率(rangeresolution)和干涉抑制的技術(shù)。所得到的改進(jìn)技術(shù)例如可以應(yīng)用于工作在無(wú)線電或者微波頻率范圍內(nèi)并且使用寬帶隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)和定位的監(jiān)視系統(tǒng)。
以此類推，取決于電平交叉的上述其它信號(hào)處理應(yīng)用的性能不是最優(yōu)的，并且期待著進(jìn)一步提高其性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各個(gè)方面在所附權(quán)利要求中進(jìn)行了陳述。
根據(jù)本發(fā)明的另一獨(dú)立方面，以下述方式將寬帶不規(guī)則模擬信號(hào)分解為占用不同頻帶的多個(gè)通道(優(yōu)選地，具有至少基本上相等的相應(yīng)帶寬)，該方式使得這些通道中的信號(hào)比原始寬帶信號(hào)集中地表現(xiàn)出明顯更多的給定電平(例如，零電平)的交叉。
如在文獻(xiàn)I.J.Good，The Loss of Information due to Clippinga Waveform，Information and Control.10，220-222(1967)(在此通過(guò)引用并入其內(nèi)容)中所示，當(dāng)噪聲的功率譜密度在頻帶(W1，W2)中均勻，而在該頻率的外部變?yōu)榱銜r(shí)，噪聲波形的零交叉可以提供足夠數(shù)量的自由度，并且W1不小于W1min=4W27+33≈0.3139W2---(1)]]>因此，當(dāng)W1＜W1min時(shí)，在所接收的信號(hào)y(t)中出現(xiàn)的干涉分量n(t)的功率將減小，其減小量小于處理增益可達(dá)到的最大值Λ＝2(W2-W1)T。
因此，理想的是，在各個(gè)頻帶中最高頻率與最低頻率之比大約為1/0.3139∶1，即大約為3.19∶1。盡管該數(shù)值對(duì)于非均勻(例如，高斯)譜密度是變化的，但是對(duì)于實(shí)際值的信號(hào)仍然大約為3∶1或者稍大。在本發(fā)明中，通常優(yōu)選地使該比率位于2.5∶1至3.5∶1的范圍內(nèi)，以使得能夠獲得最佳效率或者接近最佳的效率。比率越小，對(duì)通道數(shù)量的需求越大，從而導(dǎo)致冗余和低效率(盡管在特定情況下冗余可能是期望的)。比率越大，零交叉越少，從而顯著降低效率。
這些頻帶優(yōu)選地至少是近似連續(xù)的。因此，上述比率范圍還適用于例如各個(gè)頻帶的最高頻率與下一較低頻帶的最高頻率之比。可以通過(guò)任何已知的帶寬定義(例如rms帶寬或者3db帶寬)來(lái)限定各個(gè)頻帶的最高和最低頻率；事實(shí)上，由于這僅僅是度量(scaling)問(wèn)題，所以當(dāng)考慮該頻率比時(shí)，該精確定義通常是不相關(guān)的。
優(yōu)選地，該頻帶集中地覆蓋了基本上該寬帶信號(hào)的整個(gè)譜；然而，本發(fā)明并不排除省略該譜內(nèi)的小頻率范圍的可能性。本發(fā)明特別適用于其功率譜延伸到d.c.(頻率為0Hz)的低通寬帶信號(hào)。在這種情況下，可以通過(guò)低通濾波器來(lái)限定最低頻帶。因此，可以不將最高/最低頻率比的上述上限應(yīng)用于最低頻帶。
根據(jù)本發(fā)明的另一獨(dú)立方面，以下述方式將主寬帶不規(guī)則信號(hào)x(t)分解為M個(gè)分量不規(guī)則信號(hào)，x1(t)，x2(t)，…，xM(t)，該方式使得—各個(gè)分量信號(hào)將占用比主信號(hào)的頻帶窄的頻帶，—多個(gè)分量信號(hào)共同提供在數(shù)量上有很大增加的零交叉，其數(shù)量?jī)?yōu)選地不少于包含在主寬帶不規(guī)則信號(hào)x(t)中的自由度數(shù)；—多個(gè)分量信號(hào)共同地提供其數(shù)量不少于包含在要進(jìn)行抑制的有害干涉信號(hào)中的自由度數(shù)的零交叉；—可以將分量信號(hào)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行組合以重構(gòu)主寬帶不規(guī)則信號(hào)x(t)。
本發(fā)明涉及用于分解寬帶信號(hào)的方法和裝置，涉及使用該分解技術(shù)進(jìn)行信號(hào)或者信號(hào)對(duì)研究的方法和裝置，并且涉及使用這種研究技術(shù)來(lái)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)和/或測(cè)距的方法和裝置。


將參照附圖以示例的方式對(duì)實(shí)施本發(fā)明的方案進(jìn)行說(shuō)明。
圖1表示通過(guò)處理寬帶噪聲信號(hào)而試驗(yàn)性地獲得的S形函數(shù)的示例。
圖2是使用串行交聯(lián)技術(shù)的時(shí)延確定系統(tǒng)的方框圖。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的用于執(zhí)行主寬帶隨機(jī)信號(hào)的分解的濾波器組(bank)的方框圖。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的主寬帶信號(hào)的矩形譜和用于信號(hào)分解的三個(gè)帶通濾波器的矩形功率傳遞函數(shù)之間的關(guān)系。
圖5表示被設(shè)置為根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行工作的M通道二元分量分解器。
圖6是被設(shè)置為根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行工作的目標(biāo)檢測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)的方框圖。
圖7是被設(shè)置為根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行工作的另一目標(biāo)檢測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)的方框圖。
圖8表示通過(guò)從主高斯譜(虛線)減去經(jīng)頻率換算的(frequency-scaled)高斯譜而得到的所需功率譜密度(實(shí)線)。
圖9表示所需脈沖響應(yīng)(實(shí)線)及其近似(虛線)。
圖10是被設(shè)置為根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行工作的濾波器組的基本帶通單元的方框圖。
圖11表示主寬帶隨機(jī)信號(hào)和通過(guò)將寬帶噪聲信號(hào)施加給根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的基本帶通單元而試驗(yàn)性地獲得的結(jié)果帶通分量隨機(jī)信號(hào)的示例。
圖12表示被設(shè)置為根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行工作的包括多個(gè)基本帶通單元的濾波器組的方框圖。
圖13表示被設(shè)置為根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行工作的包括多個(gè)基本帶通單元和單個(gè)低通濾波器的改進(jìn)濾波器組的方框圖。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的另一時(shí)延確定系統(tǒng)的方框圖。
具體實(shí)施例方式
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的用于對(duì)主寬帶模擬信號(hào)x(t)進(jìn)行分解的濾波器組BOF的方框圖。濾波器組BOF包括多個(gè)帶通濾波器F1、F2、…、FM，它們共享由要進(jìn)行分解的主帶寬信號(hào)x(t)驅(qū)動(dòng)的公共輸入。濾波器組BOF的各個(gè)濾波器Fm(m＝1，2，…，M)具有矩形功率傳遞函數(shù)|Hm(f)|2，并且這些濾波器共同并連續(xù)地覆蓋由輸入信號(hào)x(t)占用的頻帶(W1，W2)。通過(guò)該構(gòu)造，當(dāng)已指定濾波器組BOF的各個(gè)濾波器的傳遞函數(shù)Hm(f)(或者等效地為脈沖響應(yīng))時(shí)，所得到的分量隨機(jī)信號(hào)x1(t)，x2(t)，…，xM(t)將以唯一的方式共同地表示輸入寬帶隨機(jī)信號(hào)x(t)。還應(yīng)該注意，分量隨機(jī)信號(hào)是相互獨(dú)立的，因?yàn)樗鼈兊墓β首V不重疊。
當(dāng)分量隨機(jī)信號(hào)xm(t)的功率譜密度均勻時(shí)，如果濾波器Fm的上截止頻率與下截止頻率之比等于(或者小于)1/0.3139≈3.19，則在該信號(hào)(在濾波器Fm的輸出觀測(cè)到的)中出現(xiàn)的零交叉的數(shù)量將等于(或大于)包含在該信號(hào)中的自由度數(shù)(如示例1所示)。
當(dāng)要進(jìn)行分解的主寬帶隨機(jī)信號(hào)x(t)的功率譜密度在頻帶(W1，W2)內(nèi)是均勻的并且在該頻帶的外部變?yōu)榱銜r(shí)，則由濾波器組BOF使用的濾波器的所需數(shù)量M將取決于比率RUL＝W2/W1，如以下表1所示。
表1RULMRUL≤3.19 13.19＜RUL≤10.15 210.15＜RUL≤32.33 3在實(shí)際應(yīng)用中，比率RUL的值很少超過(guò)32。例如，為了檢測(cè)各種復(fù)雜目標(biāo)，詢問(wèn)信號(hào)必須包含30MHz至960MHz范圍的頻率分量(因此，RUL＝32)，如在文獻(xiàn)Guo-sui Liu等人.，Random Signal Radar，IEEE Transactionson Aerospace and Electronic Systems.39，489-498(April 2003)中所述。
為了進(jìn)行說(shuō)明，圖4示意性地表示主寬帶信號(hào)x(t)的矩形譜Sx(f)和用于信號(hào)分解的三個(gè)帶通濾波器F1、F2和F3的功率傳遞函數(shù)之間的關(guān)系。應(yīng)該注意，第一分量信號(hào)x3(t)包括主信號(hào)x(t)的總功率的大約67％。
當(dāng)主寬帶隨機(jī)信號(hào)x(t)嚴(yán)格為低通信號(hào)(即，其功率譜密度延伸到0，由此W1＝0)，則所需帶通濾波器的數(shù)量M將在理論上趨向于無(wú)窮大，并且濾波器組BOF將采用“分形”結(jié)構(gòu)。但是，在實(shí)踐中，可以通過(guò)一低通濾波器來(lái)替代濾波器組BOF的第M個(gè)濾波器。在這種情況下，當(dāng)僅使用三個(gè)濾波器(M＝3)時(shí)，自由度數(shù)的損失將小于4.2％，并且對(duì)于四個(gè)濾波器(M＝4)的情況，該損失進(jìn)一步減小為大約1.3％。因此，在大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，將由用于信號(hào)分解的濾波器組BOF采用的帶通濾波器的數(shù)量M限制為3或4個(gè)，而不考慮要進(jìn)行分解的寬帶隨機(jī)信號(hào)x(t)的譜寬。存在其中有兩個(gè)濾波器即足夠的一些結(jié)構(gòu)，例如使用50MHz至600MHz的可以穿過(guò)枝葉遮蔽的頻帶(foliage penetration band)的監(jiān)視系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，在濾波器組BOF的各個(gè)帶通濾波器Fm之后設(shè)置相應(yīng)的硬限幅器HLm，以形成M通道二元分量分解器BCR(圖5示出了其方框圖)。結(jié)果，將各個(gè)分量隨機(jī)信號(hào)xm(t)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的隨機(jī)二元波形bm(t)，并且由M個(gè)隨機(jī)二元波形b1(t)、b2(t)、…、bM(t)來(lái)共同表示主寬帶隨機(jī)信號(hào)x(t)。根據(jù)多個(gè)分量隨機(jī)信號(hào)的相互獨(dú)立性，可以得出，所得到的隨機(jī)二元波形也是相互獨(dú)立的。應(yīng)該注意，硬限幅器不必產(chǎn)生相等并且恒定電平的輸出；各個(gè)輸出可以具有例如取決于各個(gè)信號(hào)分量的功率的振幅。
可以使用根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的M通道二元分量分解器和濾波器組來(lái)構(gòu)造改進(jìn)的交聯(lián)器XL，以將其用作目標(biāo)感測(cè)裝置的信號(hào)處理器SP。圖6中示出了所得到的系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)包括具有平坦譜的寬帶噪聲源NS、功率放大器PA、發(fā)射無(wú)線TA、接收天線RA、輸入放大器IA、具有圖5所示結(jié)構(gòu)的M通道二元分量分解器BCRX、具有圖3所示結(jié)構(gòu)的一組M個(gè)濾波器BOFY、M個(gè)信號(hào)處理器XL1、XL2、…、XLM、以及波形組合器WFC。各個(gè)信號(hào)處理器或者交聯(lián)器XL1、XL2、…、XLM可以具有與WO-A-00/39643的圖9、11和13中的任何一個(gè)所示結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
通過(guò)二元分量分解器BCRX將具有平坦譜的寬帶隨機(jī)發(fā)送信號(hào)x(t)的副本分解成M個(gè)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)二元波形b1(t)、b2(t)、…、bM(t)。各個(gè)處理器XLm(m＝1，2，…，M)執(zhí)行以下處理(i)從各個(gè)二元波形bm(t)中提取零交叉，(ii)使用這些零交叉來(lái)限定由濾波器組BOFY的濾波器Fm提供的對(duì)應(yīng)接收分量信號(hào)ym(t)的各段，以及(iii)對(duì)這些限定分段進(jìn)行平均。結(jié)果，各個(gè)處理器XLm產(chǎn)生包含關(guān)于在由感測(cè)系統(tǒng)檢查的區(qū)域中出現(xiàn)的各個(gè)散射點(diǎn)的反射性和位置信息的部分響應(yīng)zm(τ)。當(dāng)在該區(qū)域中僅出現(xiàn)單個(gè)反射目標(biāo)時(shí)，各個(gè)部分響應(yīng)zm(τ)將呈現(xiàn)與圖1所示相同的S形曲線。
然后在波形組合器WFC中將所有的部分響應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)亟M合以提供全局響應(yīng)z(τ)，該全局響應(yīng)z(τ)與部分響應(yīng)zm(τ)類似，但是將明顯更少地受到噪聲的影響。如果希望，可以以加權(quán)的方式組合這些部分響應(yīng)，該權(quán)值取決于例如在各個(gè)頻帶中的信號(hào)的功率。
在一些具體應(yīng)用中，可以通過(guò)由適當(dāng)?shù)腗通道二元分量分解器來(lái)替代濾波器組BOFY以改進(jìn)該系統(tǒng)。
圖6中所示的系統(tǒng)涉及將所發(fā)送的信號(hào)復(fù)制到二元分量分解器BCRX。在圖7中所示的另選系統(tǒng)中，將噪聲信號(hào)s(t)傳送給二元分量分解器BCRX，該二元分解器BCRX不僅將信號(hào)分解為占用不同頻帶的多個(gè)分量，而且產(chǎn)生與這些分量的組合相對(duì)應(yīng)的詢問(wèn)信號(hào)x(t)。(以下將參照?qǐng)D12和圖13說(shuō)明用于實(shí)現(xiàn)該處理的技術(shù))。因此，所分解的接收信號(hào)將更加精確地匹配發(fā)送信號(hào)的分解版本。
圖6和圖7的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生詢問(wèn)信號(hào)x(t)，然后通過(guò)單個(gè)通道(包括發(fā)射天線TA和接收天線RA)發(fā)送該信號(hào)。作為另選方案，可以通過(guò)各個(gè)不同的通道(例如，一個(gè)通道用于一個(gè)分量)來(lái)發(fā)送各個(gè)分量x1(t)、x2(t)、…。因此，可以通過(guò)由各個(gè)獨(dú)立的發(fā)射天線發(fā)送的多個(gè)分量的同時(shí)出現(xiàn)來(lái)產(chǎn)生單個(gè)詢問(wèn)信號(hào)x(t)。另外地或者另選地，可以通過(guò)用于接收不同頻帶的多個(gè)天線來(lái)替代單個(gè)接收天線。在使寬帶天線具有適當(dāng)?shù)奶匦员容^困難或者昂貴的情況下這些另選方案特別有用，但是在其它情況(例如，當(dāng)通過(guò)諸如光纖的其它介質(zhì)進(jìn)行發(fā)送時(shí))下也是有用的。
由于以下兩個(gè)原因而使具有矩形響應(yīng)的基本濾波器組的實(shí)際應(yīng)用受到限制—適用于測(cè)距的寬帶隨機(jī)信號(hào)x(t)的頻譜具有與矩形頻譜實(shí)質(zhì)上不同的形狀；該頻譜單調(diào)遞減并且在較高頻率處非常平緩(不陡峭)。在將所發(fā)送的信號(hào)的副本提供給該濾波器組情況下，理想的是，這些濾波器的共同響應(yīng)特性至少基本上與所發(fā)送信號(hào)的譜相對(duì)應(yīng)，以提高信噪比并滿足其它因素。在通過(guò)對(duì)這些濾波器的輸出進(jìn)行求和來(lái)獲得所發(fā)送的信號(hào)的情況下，理想的是，這些濾波器的共同響應(yīng)特性與所期望的譜匹配，以使所發(fā)送的信號(hào)具有適當(dāng)?shù)男螤?；—難以構(gòu)造具有矩形功率傳遞函數(shù)|H(f)|2的濾波器。
因此，本發(fā)明致力于研究在其功率譜密度Sx(f)被形成為適用于測(cè)距目的的寬帶隨機(jī)信號(hào)x(t)中觀測(cè)的自由度數(shù)和零交叉的數(shù)量之間的關(guān)系。
示例2假設(shè)用于詢問(wèn)監(jiān)視區(qū)域的寬帶零平均隨機(jī)信號(hào)x(t)具有高斯分布，并且x(t)的功率譜密度Sx(f)具有高斯形狀sx(f)=exp(-f22Bx2)---(2)]]>
其中Bx是隨機(jī)信號(hào)x(t)的均方根(rms)帶寬。對(duì)于具有高斯譜的信號(hào)，可以根據(jù)如下的rms帶寬Bx來(lái)確定通常使用的3dB帶寬B3dB，B3dB=Bx2ln2≈1.177Bx---(3)]]>根據(jù)Rice公式可以得出，平均起來(lái)，在時(shí)間間隔T內(nèi)可以從隨機(jī)信號(hào)x(t)中提取N0(T)＝2BxT個(gè)零交叉。
假設(shè)在接收器中，所接收的信號(hào)y(t)包含表示要進(jìn)行抑制的有害噪聲和其他干涉的信號(hào)n(t)，則n(t)的功率譜密度Sn(f)將具有與詢問(wèn)隨機(jī)信號(hào)x(t)相同的高斯形狀。由此可以根據(jù)以下公式確定自由度數(shù)Λ，進(jìn)而可以確定可達(dá)到的最大處理增益Λ=T∫-∞∞Rn2(τ)dτ---(4)]]>其中Rn(τ)是n(t)的歸一化的自相關(guān)函數(shù)，即Rn(0)＝1。因此，可達(dá)到的最大處理增益為Λ=2πBxT=2πln2B3dBT---(5)]]>因此，Λ＞N0(T)＝2BxT。由于各個(gè)零交叉精確地確定了要進(jìn)行平均的接收信號(hào)y(t)的一段，所以不能達(dá)到最大處理增益。
事實(shí)上，由于N0(T)≈0.56Λ，因此基于零交叉的抽樣方案通過(guò)進(jìn)行平均僅確定了最佳干涉抑制所需分段的大約56％。因此，結(jié)合基本交聯(lián)方法使用詢問(wèn)隨機(jī)信號(hào)x(t)將導(dǎo)致次于最佳的檢測(cè)性能。
為了便于理解根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)成的濾波器組的工作原理，首先進(jìn)行以下假設(shè)(盡管不是必要的)要進(jìn)行分解的主隨機(jī)信號(hào)x(t)的譜密度Sx(f)具有高斯形狀，如上述示例2中所述。
為了使自由度數(shù)等于在第一分量隨機(jī)信號(hào)x1(t)中觀測(cè)的零交叉的數(shù)量，可以通過(guò)形成x(t)的主密度Sx(f)及其經(jīng)頻率換算的版本Sxα(f)之間的差異來(lái)獲得x1(t)的所需功率譜密度Sx1(f)，其中sxα(f)=exp(-f22α2Bx2)---(6)]]>并且α≈0.325(在下面說(shuō)明值α的偏差)。
Sxl(f)=exp(-f22Bx2)-exp(-f22α2Bx2)---(7)]]>在這種情況下，主高斯譜密度Sx(f)的帶寬與高斯密度Sxα(f)的帶寬之比等于1/α≈3.08。應(yīng)該注意，在所考慮的矩形頻率譜的示例1中，類似的比率大約等于3.19。
對(duì)于頻帶(W1，W2)中的高斯譜密度，所需濾波器的數(shù)量M為表2RULMRUL≤3.08 13.08＜RUL≤9.47 29.47＜RUL≤29.133其中，同樣地，RUL＝W2/W1。
圖8表示從主高斯譜Sx(f)中減去經(jīng)頻率換算的高斯譜Sxα(f)(兩者均以虛線示出)而得到的所需功率譜密度Sx1(f)(以實(shí)線示出)。
理論上，可以通過(guò)使寬帶隨機(jī)信號(hào)通過(guò)利用以下傳遞函數(shù)的帶通濾波器來(lái)獲得具有所需譜Sx1(f)的分量隨機(jī)信號(hào)x1(t)H1(f)=Sxl(f)exp[-jθ(f)]---(8)]]>其中θ(f)是可任意實(shí)現(xiàn)的相位特性。在線性相位特性的情況下(或者當(dāng)θ(f)＝0時(shí))，濾波器F1的脈沖響應(yīng)h1(τ)將呈現(xiàn)出圖9中的實(shí)線所示的形狀。然而，由所需傳遞函數(shù)H1(f)或者等效地由脈沖響應(yīng)h1(τ)指定的濾波器可能難以在實(shí)際中實(shí)施。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，通過(guò)使用僅包括具有基本上恒定的群延遲(group delay)和重疊傳遞函數(shù)的多個(gè)低通濾波器的濾波器組，將其譜Sx(f)具有適當(dāng)形狀(不必是高斯形狀)的主寬帶隨機(jī)信號(hào)x(t)分解成多個(gè)分量隨機(jī)信號(hào)。
圖10表示被設(shè)置為根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行工作的濾波器組的基本帶通單元的方框圖。該單元包括兩個(gè)低通濾波器FL1和FL2，每一個(gè)低通濾波器具有適當(dāng)選擇的帶寬(濾波器FL1的帶寬大于FL2的帶寬)和基本恒定的群延遲、恒定延遲DL1以及寬帶微分放大器DA。
這兩個(gè)低通濾波器FL1和FL2可以是用于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用(例如，SONET(同步光纖網(wǎng))或者SDH(同步數(shù)字系列)系統(tǒng))的商用型(例如，貝塞耳(Bessel)型、貝塞耳-湯姆森(Bessel-Thomson)型或者準(zhǔn)高斯(Gaussian)型)。通常，具有較窄帶寬的濾波器FL2的群延遲要比具有較寬帶寬的濾波器FL1大。因此，通過(guò)將適當(dāng)選擇的延遲DL1引入包含濾波器FL1的通道可以使由兩個(gè)通道中的輸入信號(hào)s(t)所經(jīng)歷的延遲相等。該延遲的值等于各個(gè)群延遲之差。因此，所得到的脈沖響應(yīng)(圖9中的虛線所示)可以近似于所需的脈沖響應(yīng)(如實(shí)線所示)。
圖11表示通過(guò)將寬帶噪聲信號(hào)s(t)施加給圖10的基本帶通單元而試驗(yàn)性地獲得的主寬帶隨機(jī)信號(hào)x(t)和所產(chǎn)生的帶通分量隨機(jī)信號(hào)x1(t)的示例。該單元包括分別具有基本恒定的群延遲以及117MHz和39MHz的3dB帶寬的兩個(gè)低通濾波器。輔助恒定延遲DL1的值等于5ns。如圖可見(jiàn)，所產(chǎn)生的帶通分量信號(hào)x1(t)比主寬帶信號(hào)x(t)表現(xiàn)出更多的零交叉。
對(duì)于具有恒定群延遲的任何類型的低通濾波器FL1和FL2，可以使用以下過(guò)程來(lái)確定濾波器FL2的所需帶寬以及選擇DL1的所需延遲1.對(duì)于所選擇的濾波器FL1，使用由制造商提供的其頻率特性在數(shù)值上確定與該特性相關(guān)的自由度數(shù)Λ1(在時(shí)間T內(nèi))(例如，通過(guò)采用示例2中所述的方法)；2.試驗(yàn)性地確定FL1的群延遲(例如，通過(guò)檢查其對(duì)單位步長(zhǎng)函數(shù)的響應(yīng))；3.選擇3dB帶寬大致等于FL1的1/3的濾波器FL2(不必為與FL1相同的類型)；4.為濾波器FL2在數(shù)值上確定自由度數(shù)Λ2(在時(shí)間T內(nèi))；5.試驗(yàn)性地確定FL2的群延遲并且根據(jù)FL1和FL2的群延遲之差來(lái)計(jì)算DL1的所需延遲值；6.試驗(yàn)性地確定在所產(chǎn)生的帶通分量信號(hào)x1(t)中在時(shí)間T內(nèi)所觀測(cè)到的零交叉的數(shù)量N0x1(T)；7.如果N0x1(T)≈(Λ1-Λ2)，則終止該過(guò)程；8.如果N0x1(T)＞(Λ1-Λ2)，則減小FL2的帶寬，而如果N0x1(T)＜(Λ1-Λ2)，則增大FL2的帶寬(通過(guò)改變FL2的特性或者選擇不同的濾波器用作為FL2)；9.轉(zhuǎn)到步驟4。
當(dāng)濾波器FL2與濾波器FL1為相同的類型時(shí)，步驟4將利用已在步驟1中建立的帶寬和自由度數(shù)之間的關(guān)系來(lái)確定Λ2的值。當(dāng)重復(fù)步驟4以求得Λ2的新值時(shí)也可以使用該關(guān)系。
當(dāng)濾波器FL2與濾波器FL1為不同的類型時(shí)，步驟4將為所選擇的濾波器FL2的類型建立帶寬和自由度數(shù)之間的所需關(guān)系；然后將確定Λ2的值。當(dāng)重復(fù)步驟4時(shí)，將使用相同的關(guān)系來(lái)確定Λ2的新值。
可以將經(jīng)適當(dāng)修改的形式的上述過(guò)程用于通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和模擬來(lái)確定基本帶通單元的所需參數(shù)。在這種情況下，省略了步驟2和步驟5，并且可以根據(jù)所產(chǎn)生的譜的rms帶寬的值來(lái)在數(shù)值上獲得要在步驟6中確定的零交叉的數(shù)量。
將用于設(shè)計(jì)濾波器組的這種技術(shù)和采用這種技術(shù)的裝置(例如，計(jì)算機(jī)程序)認(rèn)為是具有獨(dú)立創(chuàng)造性的。
圖12表示被設(shè)置為根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行工作的包括多個(gè)基本帶通單元的濾波器組BOF的方框圖。該系統(tǒng)具有迭代結(jié)構(gòu)，包括具有適當(dāng)選擇的帶寬的(M+1)個(gè)低通濾波器FL1，F(xiàn)L2，…，F(xiàn)L(M+1)；M個(gè)恒定延遲DL1，DL2，…，DLM；M個(gè)相同的微分放大器DA；以及求和放大器SAM。除了濾波器FL(M+1)以外，在各個(gè)低通濾波器FLm之前選擇恒定延遲DLm的值，從而獲得所有產(chǎn)生的(M+1)個(gè)通道的脈沖響應(yīng)的最大值，以在相同的瞬時(shí)一致。在所示的應(yīng)用中，通過(guò)寬帶信號(hào)s(t)來(lái)驅(qū)動(dòng)濾波器組，并通過(guò)在適當(dāng)?shù)那蠛头糯笃鱏AM中對(duì)這些分量信號(hào)x1(t)，x2(t)，…，xM(t)進(jìn)行求和來(lái)獲得具有所需帶通譜的主寬帶信號(hào)x(t)，并且在此之后，將該信號(hào)x(t)作為詢問(wèn)信號(hào)發(fā)送。
如上所述，可以通過(guò)多個(gè)天線來(lái)發(fā)送這些分量信號(hào)，在這種情況下，塊SAM表示天線，通過(guò)同時(shí)發(fā)送各個(gè)分量來(lái)產(chǎn)生信號(hào)x(t)。另選地，可以將一些分量組合在一起以形成隨后由獨(dú)立的天線發(fā)送的分量集合。
圖13表示被設(shè)置為根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行工作的包括多個(gè)基本帶通單元的改進(jìn)濾波器組的方框圖。在該應(yīng)用中，還通過(guò)寬帶信號(hào)s(t)來(lái)驅(qū)動(dòng)濾波器組，但是在用于通道1中的低通濾波器FL1的輸出端獲得具有所需低通譜的主寬帶信號(hào)x(t)。應(yīng)該注意，通過(guò)設(shè)計(jì)，分量信號(hào)x1(t)，x2(t)，…，xM(t)之和形成通過(guò)由微分放大器DA引入的值所延遲的信號(hào)x(t)的副本。該系統(tǒng)構(gòu)造與圖12中所示的系統(tǒng)構(gòu)造的不同之處在于—不需要求和放大器；—僅使用了M個(gè)低通濾波器；—僅需要(M-1)個(gè)恒定延遲。
可以采用上述兩組濾波器的中的任何一組來(lái)構(gòu)造適當(dāng)?shù)亩至糠纸馄鰾CRX，以與下面的濾波器組BOFY相結(jié)合用于由圖6或圖7中所示的目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)采用的改進(jìn)交聯(lián)器XL中。
本發(fā)明還可應(yīng)用于圖2中所示類型的時(shí)延確定系統(tǒng)。而且，可以連續(xù)地而不是同時(shí)地處理不同的頻帶，以減少所需分量的數(shù)量。
圖14表示采用這種技術(shù)的實(shí)施例。與圖2中的那些組件相對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)表示相同的組件。
將信號(hào)x(t)傳送到包括開(kāi)關(guān)SWX的濾波器組BOFX，該開(kāi)關(guān)SWX選擇濾波器F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)M中的任何一個(gè)的輸出。類似地，將信號(hào)y(t)傳送到濾波器組BOFY，該濾波器組BOFY包括用于選擇這些濾波器之一的輸出的開(kāi)關(guān)SWY。數(shù)據(jù)處理器DPR同時(shí)操作兩個(gè)開(kāi)關(guān)SWX和SWY，以選擇對(duì)應(yīng)的濾波器。通過(guò)硬限幅器HX將開(kāi)關(guān)SWX的輸出傳送給由數(shù)據(jù)處理器DPR控制的可變延遲電路VD，然后傳送給零交叉檢測(cè)器ZCD。開(kāi)關(guān)SWY的輸出被傳送給硬限幅器HY。如圖2所示，只要在信號(hào)x(t)中檢測(cè)到上升交叉，零交叉檢測(cè)器ZCD就將硬限幅器HY的輸出傳送給平均器或者積分單元AVG，并且只要檢測(cè)到下降交叉，就將硬限幅器HY的輸出的反向版本傳送給平均器AVG。
在工作中，數(shù)據(jù)處理器DPR將開(kāi)關(guān)SWX和SWY設(shè)置為用來(lái)選擇兩個(gè)濾波器組BOFX和BOFY的第一濾波器F1。該系統(tǒng)工作預(yù)定時(shí)間，或者直到滿足預(yù)定條件，在該過(guò)程中平均器AVG對(duì)取決于在零交叉檢測(cè)器ZCD檢測(cè)到上升交叉和下降交叉時(shí)的信號(hào)y(t)的值進(jìn)行累加。然后數(shù)據(jù)處理器DPR操作開(kāi)關(guān)SWX和SWY以選擇下一濾波器F2，由此重復(fù)該操作，這樣將從各個(gè)頻帶獲得的輸出進(jìn)行組合(可能以加權(quán)的方式)。連續(xù)進(jìn)行該過(guò)程直到依次選擇了所有的濾波器為止。然后，數(shù)據(jù)處理器DPR讀取平均器AVG的輸出，使平均器復(fù)位，改變由可變延遲VD導(dǎo)致的延遲并且重復(fù)該過(guò)程。
因此，數(shù)據(jù)處理器DPR將從平均器AVG獲得用于可變延遲VD的各次設(shè)置的一個(gè)值，然后能夠選擇使信號(hào)x(t)與信號(hào)y(t)基本上一致的延遲值。對(duì)于各個(gè)延遲值，通過(guò)在濾波器F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)M的各個(gè)頻帶中的信號(hào)x(t)和y(t)的分量來(lái)連續(xù)地影響平均器。
在上述交聯(lián)技術(shù)中，使用一個(gè)信號(hào)中的有效事件(significantevent)對(duì)另一信號(hào)進(jìn)行抽樣并且將這些樣本進(jìn)行組合。當(dāng)在各個(gè)信號(hào)之間引入不同延遲的同時(shí)重復(fù)該過(guò)程。對(duì)于各個(gè)延遲獲得一值，并且分析這些值以確定哪一個(gè)值表示在第一信號(hào)中的有效事件和第二信號(hào)的對(duì)應(yīng)部分之間的最大一致。另外，還可以使用第二信號(hào)中的多個(gè)有效事件以對(duì)第一信號(hào)進(jìn)行抽樣。如果各個(gè)延遲的值是通過(guò)將來(lái)自第一信號(hào)的抽樣與來(lái)自第二信號(hào)的抽樣進(jìn)行組合而獲得的，則可以獲得更好的信噪比。
盡管在使用交聯(lián)技術(shù)的目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的情況下說(shuō)明了本發(fā)明的分解技術(shù)，但是還可以存在其它的應(yīng)用。這些技術(shù)對(duì)于促進(jìn)信號(hào)分析有特殊的價(jià)值，例如通過(guò)從中獲得諸如零交叉的有效事件，并且用于對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較，這兩個(gè)信號(hào)中的一個(gè)信號(hào)可以是另一信號(hào)的時(shí)延版本。在后一情況下，不一定要使用交聯(lián)技術(shù)；相反地，可以使用本身已知的其它技術(shù)，例如，諸如極性一致相關(guān)的相關(guān)技術(shù)。
本發(fā)明的這些技術(shù)還可以用于對(duì)寬帶不規(guī)則信號(hào)的其它類型的分析。例如，如上所述，WO-A-03/036564描述了一種技術(shù)，該技術(shù)用于通過(guò)參照一個(gè)或者更多個(gè)閾值對(duì)信號(hào)(該信號(hào)可以表示諸如圖像的實(shí)體)的特性進(jìn)行分析來(lái)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分類。通過(guò)使用本發(fā)明的技術(shù)，可以將原始信號(hào)分成占用不同頻帶的各個(gè)不同的分量，由此，與原始信號(hào)相比，實(shí)質(zhì)上增大了各個(gè)分量與給定閾值交叉的組合次數(shù)。通過(guò)使用該技術(shù)來(lái)應(yīng)用本發(fā)明，從而減少所考慮的不同閾值的數(shù)量(如果信號(hào)為雙極信號(hào)，則可以僅使用一個(gè)為零的電平閾值)，并且/或者導(dǎo)出具有與多個(gè)獨(dú)立頻帶相對(duì)應(yīng)的多個(gè)獨(dú)立分量的特征向量。
一些系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)設(shè)置在信號(hào)的中心頻段的電平交叉(特別是雙極信號(hào)中的零交叉)，因?yàn)樵摻Y(jié)果與數(shù)值范圍無(wú)關(guān)，因此較少受到例如信號(hào)強(qiáng)度的影響。如果為了提高性能而額外地使用了非零電平交叉，則會(huì)失去該優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明在這種系統(tǒng)中具有特別的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)產(chǎn)生附加的零交叉，所以可以提高性能，而不需要使非電平交叉。
本發(fā)明特別適用于對(duì)上升交叉和下降交叉都進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)(例如上述系統(tǒng))，但是該系統(tǒng)對(duì)上升交叉和下降交叉進(jìn)行區(qū)分，以使得可以對(duì)它們進(jìn)行不同的處理。
當(dāng)應(yīng)用于無(wú)序隨機(jī)信號(hào)時(shí)，本發(fā)明具有特殊價(jià)值。然而，還可以將本發(fā)明應(yīng)用于其它信號(hào)，例如類噪聲信號(hào)、或者確定性信號(hào)(優(yōu)選地，該信號(hào)至少在所關(guān)注的時(shí)間段內(nèi)基本上是非周期的)，并且術(shù)語(yǔ)“隨機(jī)”旨在涵蓋這種不規(guī)則信號(hào)。
為了解釋和說(shuō)明的目的，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了上述說(shuō)明。其目的并不在于進(jìn)行窮舉或者將本發(fā)明限制為所公開(kāi)的具體形式。鑒于上述說(shuō)明，很明顯，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進(jìn)行各種改變、改進(jìn)以及變形，以在適合于所構(gòu)想的特定應(yīng)用的各種實(shí)施例中應(yīng)用本發(fā)明。
以下是表示頻率換算的α(參見(jiàn)公式6)的適當(dāng)值的推導(dǎo)過(guò)程。
假設(shè)x(t)是具有高斯形狀的功率譜密度(psd)Sx(f)的靜態(tài)零平均隨機(jī)高斯信號(hào)。
Sx(f)=exp(-f22Bx2)---(A)]]>其中Bx是由以下公式定義的均方根(rms)帶寬，Bx=Δ∫-∞∞f2Sx(f)df∫-∞∞Sx(f)df---(B)]]>在隨機(jī)高斯信號(hào)x(t)的情況下，通過(guò)Rice公式給出在時(shí)間間隔T內(nèi)出現(xiàn)的所有零交叉(即上升交叉和下降交叉)的數(shù)量N0(T)。
N0(T)＝2BxT(C)
其中Bx是該信號(hào)的rms帶寬。
根據(jù)以下公式可以確定表征一段隨機(jī)高斯信號(hào)x(t)的自由度數(shù)Λ，Λ=T∫-∞∞Rx2(τ)dr---(D)]]>其中T是該段的持續(xù)時(shí)間，而Rx(τ)是x(t)的歸一化自相關(guān)函數(shù)，即Rx(0)＝1。
具有psd(A)的信號(hào)x(t)的歸一化自相關(guān)函數(shù)Rx(τ)的形式如下，Rx(τ)=exp(-2π2Bx2τ2)---(E)]]>因此，通過(guò)下式給出包含在x(t)的分段T中的自由度數(shù)Λ，Λ=2πBxT---(F)]]>由公式(C)和公式(F)可見(jiàn)，由于N0(T)＜Λ，所以在時(shí)間間隔T內(nèi)所觀測(cè)到的具有psd(A)的隨機(jī)高斯信號(hào)x(t)的零交叉不能完全表示該信號(hào)段。
考慮具有以下psd的隨機(jī)高斯信號(hào)x1(t)，Sx1(f)＝Sx(f)-Sxα(f) (G)其中，Sxα=exp[-f22(αBx)2],0<α<1---(H)]]>通過(guò)從(A)中減去其頻率換算版本(H)來(lái)得到(G)的具體形式。因此，所得到的psd(G)具有獨(dú)特的通帶特性。圖8示出了上述psd的形狀。
由于(G)的兩個(gè)譜分量都具有高斯形狀，所以可以將與具有psd(G)的信號(hào)x1(t)的分段T相關(guān)的自由度數(shù)Λ1表示為Λ1=2πBxT(1-α)---(I)]]>可以根據(jù)(B)來(lái)確定具有psd(G)的信號(hào)x1(t)的rms帶寬Bx1；由此得到Bx1=Bx1+α+α2---(J)]]>因此，由下式給出在x1(t)的分段T中出現(xiàn)的零交叉的數(shù)量N01，
N01(T)=2BxT1+α+α2---(K)]]>由(I)和(K)可見(jiàn)，比率N01(T)Λ1=1+α+α2π(1-α)---(L)]]>從 (α＝0時(shí))開(kāi)始增大，在α接近于1時(shí)趨近于無(wú)窮大。
當(dāng)N01(T)＞Λ1時(shí)，將信號(hào)稱為零交叉超定；類似地，當(dāng)N01(T)＜Λ1時(shí)，將信號(hào)稱為零交叉欠定。因此，計(jì)算N01(T)＝Λ1的α的特定值α*在理論上和實(shí)際中都是有意義的。
值α*是以下方程的解，α2-α(2π+1π-1)+1=0---(M)]]>該方程滿足條件0＜α*＜1；由此得出α*=2π+12(π-1)-[2π+12(π-1)]2-1---(N)]]>并且α*≈0.325。
因此，具有以下帶通psd的隨機(jī)高斯信號(hào)x1(t)Sx1(f)=Sx(f)-exp[-f22(α*Bx)2]---(O)]]>具有所需數(shù)量的零交叉，以用于任何指定的時(shí)間間隔T的表示，在時(shí)間間隔T內(nèi)所觀測(cè)到的零交叉數(shù)量將等于與該時(shí)間間隔相關(guān)聯(lián)的自由度數(shù)。
該分析可應(yīng)用于具有高斯概率密度函數(shù)和高斯功率譜密度(psd)的隨機(jī)信號(hào)，并且可以進(jìn)行改進(jìn)以包括形狀與高斯形狀不同的psd的隨機(jī)高斯信號(hào)?？梢哉J(rèn)為，對(duì)于具有實(shí)際意義的其它類型的信號(hào)，值α(對(duì)于均勻psd為0.3139，而對(duì)于高斯psd為0.325)不會(huì)有顯著的不同，因此大約為3∶1的高/低頻率比可能會(huì)對(duì)所有這種信號(hào)產(chǎn)生有效的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種用于分析寬帶不規(guī)則信號(hào)的裝置，該裝置包括用于將所述信號(hào)分離成占用多個(gè)不同頻帶的多個(gè)分量的裝置，所述多個(gè)不同頻帶基本上是連續(xù)的；以及用于在各個(gè)頻帶內(nèi)檢測(cè)所述各個(gè)分量中的電平交叉的裝置；其中各個(gè)頻帶的最高頻率與下一較低頻帶的最高頻率的比率為2.5∶1至3.5∶1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述比率大于或者等于3.0∶1。
3.一種用于分析寬帶不規(guī)則信號(hào)的裝置，該裝置包括用于將所述信號(hào)分離成占用基本上不重疊的N個(gè)不同頻帶的多個(gè)分量的裝置，所述不同頻帶具有基本上相同的相對(duì)帶寬并且基本上共同涵蓋下述帶寬，在該帶寬中最高頻率與最低頻率之比至少為2.5的N次方；以及用于在各個(gè)頻帶內(nèi)檢測(cè)所述各個(gè)分量中的電平交叉的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中N小于5。
5.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中用于檢測(cè)電平交叉的所述裝置被設(shè)置用來(lái)檢測(cè)零交叉。
6.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的裝置，該裝置包括多個(gè)通道，每一個(gè)通道都用于接收所述帶寬不規(guī)則信號(hào)，并且每一個(gè)通道都可操作用來(lái)對(duì)所述信號(hào)引入延遲，以對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行低通濾波并提供一通道輸出，該通道輸出從所述低通延遲信號(hào)中減去來(lái)自具有下一較低濾波器截止頻率特性的通道的對(duì)應(yīng)信號(hào)，所述延遲電路的特征在于，所述各個(gè)通道使得在每一個(gè)通道中所述延遲和低通濾波有效地提供基本相同的總延遲。
7.一種用于分解和表達(dá)寬帶信號(hào)的裝置，該裝置包括上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的分析裝置，用于分解所述信號(hào)；以及用于將多個(gè)信號(hào)分量進(jìn)行組合，以提供所述寬帶信號(hào)的表達(dá)的裝置。
8.一種用于確定兩個(gè)寬帶不規(guī)則信號(hào)之間的偏移的裝置，該裝置包括(a)權(quán)利要求1至6中的任意一項(xiàng)所述的分析裝置，用于檢測(cè)第一信號(hào)的各個(gè)分量中的多個(gè)電平交叉；(b)用于在由對(duì)應(yīng)的第一信號(hào)分量中檢測(cè)到的所述多個(gè)電平交叉和一預(yù)定延遲所確定的時(shí)刻對(duì)第二信號(hào)的各個(gè)分量進(jìn)行抽樣的裝置；(c)用于對(duì)于所有頻帶將在步驟(b)中獲得的多個(gè)樣本進(jìn)行組合以獲得與所述預(yù)定延遲相關(guān)聯(lián)的值的裝置；(d)對(duì)于不同的預(yù)定延遲重復(fù)步驟(b)和(c)，以獲得分別與各個(gè)延遲相關(guān)聯(lián)的多個(gè)值的裝置；(e)用于分析所述多個(gè)值以確定與所述第一信號(hào)和第二信號(hào)之間的偏移相對(duì)應(yīng)的延遲的裝置。
9.一種目標(biāo)檢測(cè)裝置，其包括權(quán)利要求8所述的裝置，用于測(cè)量所發(fā)送的信號(hào)及其反射信號(hào)之間的偏移；以及用于根據(jù)所述偏移來(lái)導(dǎo)出到下述目標(biāo)的距離的指示的裝置，其中該目標(biāo)反射所發(fā)送的信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的目標(biāo)檢測(cè)裝置，包括用于通過(guò)組合所述第一信號(hào)的多個(gè)分量來(lái)導(dǎo)出所發(fā)送信號(hào)的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的目標(biāo)檢測(cè)裝置，包括用于在各個(gè)通道中獨(dú)立地發(fā)送所發(fā)送信號(hào)的多個(gè)分量的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的目標(biāo)檢測(cè)裝置，包括多個(gè)天線，用于發(fā)送所述各個(gè)分量。
13.一種目標(biāo)檢測(cè)裝置，其包括權(quán)利要求7所述的裝置；用于發(fā)送所述表達(dá)的裝置；用于檢測(cè)和分解所發(fā)送表達(dá)的反射信號(hào)的裝置；以及用于通過(guò)組合各個(gè)所述信號(hào)分量與所檢測(cè)的反射信號(hào)的各個(gè)分解分量來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中的任意一項(xiàng)所述的目標(biāo)檢測(cè)裝置，包括多個(gè)天線，該多個(gè)天線被設(shè)置用來(lái)接收占用各個(gè)頻帶的反射信號(hào)的多個(gè)分量。
15.一種用于產(chǎn)生根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任意一項(xiàng)所述的分析裝置的分離裝置的方法，所述方法包括(1)對(duì)于第一通道中的第一濾波器，確定與所述第一濾波器的頻率特性相關(guān)的預(yù)定時(shí)間內(nèi)的自由度數(shù)；(2)確定所述第一濾波器的群延遲；(3)選擇用于第二通道的第二濾波器，與所述第一通道相比，所述第二通道具有下一較低的濾波器截止頻率特性，并且所述第二濾波器的帶寬基本上小于所述第一濾波器的帶寬；(4)確定與所述第二濾波器的頻率特性相關(guān)的預(yù)定時(shí)間內(nèi)的自由度數(shù)；(5)確定所述第二濾波器的群延遲并且根據(jù)所述第一濾波器和所述第二濾波器的群延遲的差異計(jì)算對(duì)于所述第二通道的所需延遲值；(6)確定在預(yù)定時(shí)間內(nèi)在從所述第一濾波器輸出的帶通分量信號(hào)中觀測(cè)到的零交叉的數(shù)量；以及(7)調(diào)節(jié)所述第二濾波器的帶寬，或者使用具有不同帶寬的濾波器來(lái)替代所述第二濾波器，直到所確定的零交叉的數(shù)量基本上等于所確定的自由度數(shù)之差為止。
全文摘要
信號(hào)分析。將寬帶不規(guī)則信號(hào)分解為各個(gè)頻帶，在各個(gè)頻帶內(nèi)，最高頻率與最低頻率的比率大致為3∶1，并且頻帶的總數(shù)為3或4。將該寬帶信號(hào)或者通過(guò)組合所分解的多個(gè)分量而形成的重構(gòu)寬帶信號(hào)作為詢問(wèn)信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。將該詢問(wèn)信號(hào)的反射信號(hào)分解為各個(gè)頻帶，并且在各個(gè)頻帶內(nèi)對(duì)不同的分量進(jìn)行比較。將比較結(jié)果進(jìn)行組合以確定是否檢測(cè)到目標(biāo)，如果檢測(cè)到目標(biāo)，則對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距。可以通過(guò)在各個(gè)頻帶內(nèi)使用低通濾波器組來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶信號(hào)的分解，從各個(gè)低通濾波器的輸出中減去來(lái)自具有下一較低頻率截止特性的濾波器的輸出。在各個(gè)通道中使用延遲電路，以使在各個(gè)獨(dú)立通道中的總延遲相等。
文檔編號(hào)G01S13/00GK1611963SQ20041008988
公開(kāi)日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者維斯瓦夫·耶日·紹納斯克 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社