专利名称：延时测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定多个信号之间的相对延时的方法和设备，尤其是宽带声学信号但不排除其它信号。
背景技术：
延时确定的一个显而易见的应用是使在复杂的工程系统中执行的不同处理或者功能同步，尤其是在通信系统中。存在延时确定的许多其它的实际应用；例如，雷达和声纳系统。同样，在某些工业和生物医学应用中，距离是已知的，但是需要与某些现象或者过程相关联的波形的速率，这能够通过确定这种现象或者过程通过已知距离所需的时间来估计。
一种确定两个信号x(t)和y(t)之间延时Δt的常规方法是估计标准的互相关函数Rxy(τ)＝(1/T)∫x(t).y(t+τ)dt＝(1/T)∫x(t-τ).y(t)dt其中，对于假设的延时范围τmin＜τ＜τmax，在持续时间为T的观测时间间隔上求出该积分的值。自变量τ的值假定是τ0，它使互相关函数Rxy(τ)最大化的值提供了对未知延时Δt的一个估计。
一般来说，互相关的运算包括下面三个步骤1.延迟基准信号x(t)一个τ；2.将已接收信号y(t)的值和被延迟基准x(t)的值相乘；3.求出步骤2中得到的乘积在规定的观测时间间隔T上的积分。
一个标准的互相关器系统的框图在图1中被示出。该系统包括可变延迟线100、乘法器102和积分器104。互相关函数曲线的实例在图2中示出，其具有确定延时估计的最大值τ0。
WO-A-00/39643公开了一种通过使用在这里被称为“交叉相关(crosslation)”的技术来计算信号之间延时的改进技术。WO-A-00/39643的内容在此引入作为参考。
这里所用的术语“交叉相关”指这样一种技术，通过该技术，在一个信号中发生的预定义(优选地，至少实际上是非周期性的)事件被用来定义第二信号的交错段(staggered segments)，然后组合该交错段的表示。实际上，第一和第二信号可以是同一个信号，在这种情况下，最后得到的组合表示将提供有关该信号统计特性的信息，尤其是在该预定义事件之前或者之后的信号的平均特性。可替换地，第一和第二信号可以是不同的信号(“彼此交叉相关(mutualcrosslation)”)，或者一个信号可能是另一个信号的延迟版本，在这种情况下，该组合的表示将提供有关那些信号之间关系的信息。例如，如果该组合的表示包括一个从与多个预定义事件相关联的组合段中被期望的特性，那么这可能表明其中一个信号对于另一个信号来说，被延迟了一个数量，该数量对应于在该特性表示内的位置。
根据WO-A-00/39643，二进制、双极性信号常遭受一个未知的延迟。信号的非延迟版本被查验以确定什么时候该信号的电平以正斜率(向上穿过)穿过零点。这些穿过事件的定时被用于获得该延迟信号相应的段，即具有预定持续时间的段。这些段都被求和，然后，被求和的段的表示被查验以便以奇函数的形式来定位一个特性。在奇函数中心的零点交叉的表示范围内的位置代表了信号被延迟的量。代替使用向上穿过，该信号的非延迟版本将被查验以确定什么时候该信号电平以负斜率(向下穿过)穿过零点。
WO-A-00/39643也提出了通过使用向上穿过和向下穿过两者来提高精确度。在这种情况下，从通过向上穿过定义的段中减去通过向下穿过定义的段以获得然后将被查验的奇函数。
WO-A-00/39643的交叉相关技术尤其适合于使用诸如雷达或者有源声纳这样的有源传感器的目标跟踪，其中，感兴趣的监视区域被询问能量波照射，以便获得目标反向散射的返回波。在这种情况下，合适的(例如，二进制)信号能够被选择用于调制已发射的信号。然而，该技术在涉及无源传感器的应用中不太有利，该无源传感器仅捕获目标产生的信号(或者来自分离源的受目标影响的信号)，例如通过使用由此产生的宽带声学信号来检测、定位和跟踪人、轮式或者轨式交通工具、高速游艇或者振动机器等移动的系统。同样还希望提供这样一种系统，该系统产生比起通过WO-A-00/39643的系统产生的奇函数来说更适合于某些应用的一个输出(例如，主要打算用于目标检测，而不是用于跟踪已检测目标的应用)。
目标产生的声学信号被分类为宽带信号，因为它们最高频率成分到最低频率成分的比值相对较大。例如，对于30Hz到15kHz的音频范围来说，比值是500。在轮式或者轨式交通工具的情况中，主要频率成分的范围可以从大约20Hz到2kHz，从而导致比值是100。
感兴趣目标所发射的声学信号不但覆盖了宽的频率范围，而且它们也将显现出一种非平稳的和无序的特性，该特性具有可识别的间歇瞬变现象。结果，许多已知的互相关技术实际上仅被有限地使用，这些互相关技术明确地或者隐含地基于稳态信号和高斯噪声的假定。此外，大多数的实际实现必须处理离散时间的采样，所以在连续时间框架内执行的优化程序和性能分析不全是可用的。
其中期望有用于目标检测和定位的改进技术的特定应用实例是，具有形成‘声学电子篱笆’的分布式声学传感器网络的安全监视。当诸如交通工具这样的感兴趣目标已经被检测并定位时，所估计的目标位置可能被安全摄像机用于瞄准和变焦，以便增强所记录图像的质量。这种系统可以被安装用于工业环境中的监控目的，例如，跟踪运动目标，或者提供对关键性基础设施的改进的连续监视，包括电力网，发电站，油气管道和供水系统。另一种应用是美国海岸警卫队或者沿海地区的监视，其中高速游艇和其它感兴趣的水面舰船能够通过漂浮的浮标网络来检测和定位，这些漂浮的浮标使用声学传感器和提供传感器间通信链路的低功率无线电收发信机。
除了上述监视和侦查应用外，也希望改善包括分布式麦克风网络的多媒体应用，分布式麦克风网络能够增强音频信号以便改善清晰度，还能够用于提示摄像机瞄准。
因此，希望提供一种用于延时测量的改进技术，例如在包括目标定位和目标跟踪系统的目标检测系统中使用。
发明内容
本发明的各个方面在所附权利要求中阐明。
根据本发明的另外一个方面，分析一个信号以确定预定电平的穿过次数从而产生事件数据，例如以事件流的形式，优选地，该预定电平实际上不同于平均信号电平。该数据被用于分割第二信号，而导出的信号段被求和，该导出的信号段对应于第一信号中的向上穿过事件和向下穿过事件。合成的波形实际上显示出单极性形状(与由WO-A-00/39643系统产生的奇函数截然不同)，通过该形状，对应于两个信号之间延迟的时间位置能够被容易地确定。各种技术可能被用于发现该位置，例如定位该形状的重心，或者中值(对应于该形状区域被等分为两个的位置)。在优选实施例中，通过定位合成波形的峰值来找到该位置，该峰值具有对应于两个信号之间延迟的位置以及表示延迟检测可靠性的幅度。
为了最佳地操作，两个信号优选地具有宽带、类似噪声的、随机或者无序的特性，而第一信号穿过预定的电平实际上应当至少以非周期的时间间隔出现，优选地，以随机的时间间隔。第一信号可能是在第一位置处接收的由目标产生的信号，而第二信号可能是在第二位置处接收的由目标产生的信号。可替换地，第一信号可能对应于已传输的询问信号，而第二信号可能是询问信号从目标的反射。在任意一种情况中，无线通信链路都可能被用于将事件数据传送到处理第二信号的地点。
现在将通过举例的方式并参考附图来描述体现本发明的方案。
图1是标准互相关器系统的框图；图2示出了互相关曲线的一个实例；图3(a)和3(b)示出了根据本发明的目标检测和定位系统的相应实施例；图4(a)和4(b)示意性地例示了在图3(a)和3(b)实施例的从设备中通过在主设备提供的重要时刻处对已捕获信号的重叠段求平均来形成彼此交叉相关求和波形的过程；图5是图3(a)和3(b)实施例的主设备的更加详细的方框图；图6是图3(a)和3(b)实施例的从设备的更加详细的方框图；图7(a)和(b)例示了在图3(a)实施例的相应变形中导出的波形。
具体实施例方式
图3(a)是本发明第一个实施例的框图，它是一个有源目标检测系统，该系统被安排用于传送信号、检测目标、以及通过确定该信号和接收到的从该目标反射的信号之间的延迟来确定其范围。所示出的特定实施例是一个有源声学系统，该系统传送和接收声学信号；该系统可以是一个有源双静态系统，或者如下面所解释的，是一个有源多静态系统。
信号发生器SG产生被传送的电子信号，接下来通过发射机TR适当地调制，并且通过接收机RX来接收。该信号还被传送到主设备MD的输入端IP。已接收的信号被传送到附属或者从设备SD的输入端IP。此外，主设备MD在示意性示为CL的通信链路上将数据发送到从设备SD。这可能是有线链路，尤其是如果主设备和从设备彼此相邻设置的话。然而，本发明在主设备和从设备被彼此远程设置到不同地点的系统中是特别有利的，在这种情况下，通信链路CL可能是带宽受限的信道，例如无线链路。
正如下面所解释的，响应出现在其输入端IP处的已接收信号以及从主设备MD接收的数据，该从设备SD能够计算在被传送和被接收信号之间的延迟，从而确定已接收信号传播的距离。
该系统可以具有连接到另外的接收机RX’上的另外的从设备，从而形成多静态系统，其中的一个从设备在SD’处被示出。该从设备SD’也从主设备MD接收数据，因而使相应的从设备能够执行的不同的延迟计算。在多个从设备被提供的情况下，每一个能够被安排用于将由其计算的延迟发送到公共数据收集中心DCC。
如果出于多种目的希望具有其它测量，包括范围的检测，目标的定向和/或定位，则能够使用由该或者每个从设备计算出来的延迟。例如，数据收集中心DCC能够执行目标定位和跟踪所需的计算。
图3(b)示出了一种替换实施例，其类似于图3(a)的实施例，除了该实施例取决于无源传感器而不是有源系统响应目标产生的信号之外。因此，信号发生器SG被忽略了，而主设备MD的输入端被连接到另外的接收机RX。从设备SD相对于主设备MD接收的信号的延迟计算其接收到的信号的延迟。再者，多个从设备SD’和数据收集中心DCC可被提供。
在这两个实施例中，主设备MD执行下面的操作1.检测其输入信号穿过预定电平L的时刻，然后形成一系列连续的时间间隔，通过交替地向上穿过和向下穿过电平L的时刻来定义。在下文中，该特定时刻将被称为重要时刻。对于系统的适当操作来说，该重要时刻实际上至少应该在非周期性的时间间隔内出现，优选地是随机性的时间间隔。图3(a)中信号发生器SG的特性，或者图3(b)中目标产生的信号的类型应该被相应地选择，优选地使得该重要时刻从一个宽带类似噪声的随机或者无序信号中导出。经由通信链路CL，该重要时刻被提供给所有的从设备SD，以便使它们能够执行延时确定。
2.在预定数目的N个重要时刻已经被检测到的期间，确定定义该时间间隔的时刻。那些被称为周期尾(end-of-sycle)脉冲EC的时刻经由通信链路CL被发送到所有的从设备SD，以便同步它们的内部数据更新。EC脉冲出现的时刻可以被视为“抽取”重要时刻的结果。
在这两个实施例中，从设备SD执行下面的操作1.在由主设备MD提供的重要时刻，对输入信号的重叠段求和，以确定一个“交叉相关求和(crosslation sum)”CS波形，这将在下面被更详细的解释。
交叉相关的这种操作将被称为彼此交叉相关，由于其在从一个不同于实际被处理的信号中抽取的重要时刻处执行。
2.在与主设备MD提供的周期尾EC脉冲相一致的时刻，将从求和中导出的交叉相关求和CS波形传送到波形分析仪WAN(见图6)。波形分析仪WAN既要确定每个被接收的交叉相关求和CS波形的最大值，还要确定这个最大值的时间位置。在交叉相关求和CS波形中，该最大值的时间位置是对在主设备MD和产生该交叉相关求和CS波形的从设备SD之间的到达时间差值的测量。该最大值指示时间差值测量的可靠性。
图4示意性地示出了通过在由主设备MD提供的重要时刻处对已捕获信号的重叠段求平均而在从设备SD中形成彼此交叉相关求和CS波形的过程。
图4(a)示出了传感器输出信号的相应段，该相应段包括在主传感器设备上读出的电平L对应的穿过(向上穿过和向下穿过)之前或之后，在预定周期上取得的采样。然后这些段被合并。优选地，然后通过用已求和波形段的数目除幅度来归一化合成的波形。(这当然是相当于对波形段求平均；在此涉及求和是想要包含求平均。)在图4(b)中示出了归一化的交叉相关求和的例子。这将在一特定时间处(在横轴上)展现出一个幅度峰值，该特定时间表示由相应的主从设备处理的信号之间的延时。(对于某些信号类型，峰值与时延可能不是精确地一致，但是错误很可能被忽略。)在此使用术语“峰值”是既指具有局部最大值的波形，也指具有局部最小值(即“槽(trough)”)的波形。例如，通过为电平L选择一个负值，该归一化的交叉相关求和将是一个具有极值的峰值，该极值对应于负的局部最小值。
因此，由从设备SD确定的交叉相关求和CS波形的最大值是对已捕获信号的这部分电平的一个测量，该已捕获的信号是被主设备MD捕获的信号经时移后的复制。这种特性是根据从设备SD对在由主设备MD确定的重要时刻上的信号段的求和得到的。任何其它的通过简单地时移到从中引出重要时刻的原始信号而不相干的信号或噪声将具有与经由重要时刻形成的(那个信号或噪声)有本质区别的电平穿过模式。
因此，如果通过那个从设备SD确定的交叉相关求和CS波形的最大值变得相对较小或可忽略，那么就存在一种可能，即该从设备SD也在捕获其它目标发射的信号，该其它目标不同于来自主设备MD的信号所代表的目标。
图5是图3(a)和3(b)的主设备MD的更详细的框图。
主信号处理器MSP包括一个模拟的或数字的串入并出移位寄存器SIPO，该SIPO具有适当的时钟产生器CG、电平穿过检测器LCD、穿过率监控器CRM和脉冲计数器PCT，该主信号处理器MSP被连接到通信接口处理器CIP。
电平穿过检测器LCD检测输入端IP上的信号对电平的向上穿过和向下穿过，该输入端IP被连接到移位寄存器SIPO的输入端。
移位寄存器SIPO包括M个存储单元，C1，C2，……，CM。每个单元有输入端子、输出端子和时钟端子CP。这些单元被串联起来，使得除了第一个单元C1和最后一个单元CM之外，每个单元都有输入端子连接到前一个单元的输出端子，并且其输出端子被连接到下一个单元的输入端子。单元C1的输入端子被用作移位寄存器SIPO的串行输入端。所有M个单元的输出端子被认为是移位寄存器SIPO的并行输出端子。该单元的所有时钟端子CP被连接在一起形成移位寄存器的时钟端子。
适当的时钟脉冲序列由时钟产生器CG提供。当时钟脉冲被施加到该移位寄存器的时钟端子时，存储在每个单元中的信号采样被下一个单元传递并存储。移位寄存器SIPO能被实现为数字设备或离散时间的模拟设备，例如，以“组桶式(bucket-brigade)”电荷耦合装置CCD的形式。
当对规定电平L的穿过被电平穿过检测器LCD检测到时，在电平穿过检测器LCD的输出端上产生一个短触发脉冲TP。
触发脉冲TP定义从设备SD所要求的重要时刻。触发脉冲TP被施加到通信接口处理器CIP的输入端TP，然后经由通信链路CL的无线电收发信机TRX向从设备SD广播以便同步彼此交叉相关过程。
触发脉冲TP还将脉冲计数器PCT的当前状态递增1。计数器PCT的容量与预定义的电平穿过数N相等。
通过向电平穿过检测器LCD的输入端LV提供一个适当的门限值来设置期望的穿过电平L，该LCD有两个连接到相邻存储单元CY和CZ的输出端上的输入端。如果移位寄存器SIPO输出端的数量M是奇数，那么优选地，两个被选择的输出端之一是移位寄存器SIPO的中间输出端，即输出端M+1/2。然而，如果移位寄存器SIPO输出端的数量是偶数，则优选地，两个被选择的输出端是输出端M/2和输出端M/2+1。对电平L的穿过检测能通过应用下面的判定规则来完成如果输出CY＜L且输出CZ＞L，或者如果输出CY＞L且输出CZ＜L，那么电平向上穿过就发生在位于单元CY和单元CZ之间的“虚拟”单元VC中；否则就没有电平穿过发生。
从统计的角度考虑，与被处理信号的时间可变性相比较，当时钟产生器的周期较小的时候，虚拟单元VC的‘时间’位置将均匀地分布在时钟周期上。因此，假设虚拟单元VC被‘定位’在单元CY和单元CZ的中间。
当预定数目N的电平穿过被电平穿过检测器LCD检测到，并且被脉冲计数器PCT登记时，就在PCT的输出端上产生一个周期尾EC脉冲。该EC脉冲经由复位输入RT使PCT复位。周期尾脉冲EC被从设备SD所要求。EC脉冲被施加到通信接口处理器CIP的输入端EC，然后经由通信链路CL的无线电收发信机TRX向从设备SD广播以同步它们的内部数据更新。
穿过率监控器CRM从电平穿过检测器接收重要时刻，并且向输出端提供重要时刻出现的速率的表示。优选地，穿过率监控器CRM是具有适当选择的“时间窗口”的移动平均计数器。穿过率监控器CRM的输出被交付到两个交换设备SW，该交换设备分别被安排用于如果穿过速率低于预定等级时(表明图5中的主设备很可能只检测到噪声而没有检测到目标产生的信号)，则阻止触发脉冲TP和周期尾脉冲EC被交付到用于前向传输的通信接口处理器CIP。(图5的穿过率监控器CRM在图3(a)的方案中可以被忽略，其中信号发生器SG能保证很好地定义重要时刻。)图6是图3(a)和3(b)的从设备SD的更详细的框图。
从信号处理器SSP包括模拟或数字的串入并出移位寄存器SIPO，该SSP具有适当的时钟产生器CG、两个脉冲延迟电路D1和D2、多个采样和保持电路SHC、多个累加器ACC和存储寄存器SRG。该存储寄存器SRG也可以并入适当的波形内插器。从信号处理器SSP被连接到合并了交叉相关求和分析仪CSA的波形分析仪WAN上，还被连接到通信接口处理器CIP上。
移位寄存器SIPO被安排用来处理其输入信号，就像图5的主信号处理器MSP中那样。移位寄存器SIPO的并行输出端被连接到M个相应的采样和保持电路SHC上。
经由通信接口处理器CIP的TPR输出端从主设备MD接收的每一个重要时刻，都经由公共的TPS输入端发起所有采样和保持电路SHC的同时操作。每个采样和保持电路SHC捕获出现在其输入端上的信号瞬时值，并且将该值提供给相应的累加器ACC。
延迟的触发脉冲DT从延迟电路D1获得，优选地，D1的延迟与采样和保持电路SHC的稳定时间相等。延迟的脉冲DT经由公共的输入端DT发起所有被相应采样和保持电路SHC驱动的累加器ACC的同时操作。每个累加器ACC的功能是在彼此交叉相关器(mutualcrosslator)系统的一个完整的操作周期期间对在它的输入端上连续出现的所有采样执行加法或者求平均。
在通信接口处理器CIP的输出端ECR上从主设备MD接收的每个周期尾脉冲，经由输入端ECS发起累加器的内容到存储寄存器SRG的传递。适合于通过脉冲延迟电路D2来延迟的各个ECR脉冲经由公共重置输入RS将所有累加器ACC都设置到初始零状态。在一出现ECR脉冲之后，已确定彼此相关求和波形的离散时间版本在存储寄存器SRG的输出端CSF处是可用的。
当在SRG中没有使用波形内插器的时候，该已确定的彼此交叉相关求和波形由M值来表示。然而，一些额外的信号处理可能在寄存器SRG中执行以产生一个内插的平滑的彼此交叉相关求和波形表示，该波形包括超过M个由累加器ACC提供的初始值。
该彼此交叉相关求和波形被传递到波形分析仪WAN的交叉相关求和分析仪CSA。
交叉相关求和分析仪提供一个表示交叉相关求和波形中最大值位置的输出MP，以及一个输出SM，该输出SM是交叉相关求和波形的最大值。这些都被传送到波形分析仪WAN的判决设备DD。
判决设备DD提供一个输出信号DY，该输出信号表示已计算的延迟，该延迟取决于表示交叉相关求和波形中最大值位置的信号MP。然而，如果表示交叉相关波形中峰值幅度的输入信号SM小于一个预定值(其表明延迟测量是不可靠的)，则抑制提供该输出。
正如虚线所表示的，判决设备DD的输出DY可能被发送到用于前向传输的通信接口处理器CIP。如果希望，则值SM同样能够被传送(正如虚线所表示的)，可能不是使用该值来确定是否抑制距离DY的计算。这在包括多个从设备SD的排列中可能特别有用，在这种情况下，值SM可能被用作加权功能以影响相应的延迟值DY对涉及多个延迟值DY的计算的影响。
区分噪声和与目标相关的信号之间的区别是很重要的，尤其是在图3(b)的实施例中。实例1更加详细地讨论了在单噪声情况和信号加噪声情况下的预期穿过率之间的不同。
实例1假设σn是具有从0Hz到2kHz范围内的矩形频谱的背景噪声的均方根值。如果背景噪声具有高斯分布，则对于穿过电平L＝0即零穿过率来说，预期穿过率会达到最大值每秒2310次穿过。当电平L逐渐上升到L＝σn，L＝2σn和L＝3σn时，预期穿过率将下降到每秒1340，312和25次穿过。如果L＝4σn，则平均来说，将少于每秒1次穿过。
现在假设穿过电平L被设置为L＝4σn，并且图5的穿过率监控器CRM被设置为对于小于1340的穿过率抑制重要时刻的传输，以实现非常小的错误输出概率值。出于示范性的目的，还是假设目标产生的信号具有与背景噪声同样的矩形频谱。在这种情况下，仅仅当该信号的均方根值σs大约至少比噪声的均方根值大四倍时，才提供一个输出。
出于另外的原因，在图3(a)和3(b)这两个实施例中，使用高的穿过电平同样也是重要的。高的穿过电平意味着交叉相关求和中的峰值将由表示通过从设备接收的信号的高幅度部分的信号段形成。噪声对这些高幅度部分的相对影响将小于对低幅度部分的影响，因此实现了改善的信噪比。此外，高幅度部分更可能与诸如已接收信号中的尖峰信号之类的陡峭的信号斜率(signal gradients)相关联，从而使得在最后得到的交叉相关求和波形中出现了更窄和更精确的峰值。(然而，对于许多信号来说，更高的穿过电平将减少每个单位时间间隔内的平均穿过次数，因此，应该采纳避免了过分高的穿过电平的一个折衷)。
在上面的实施例中，与从设备相比较，假设主设备对相对清洁(clean)的，无噪声的信号操作。对于图3(a)的实施例来说，这的确是真的，而且对于图3(b)中的实施例来说也可能是真的，这取决于该实施例实际上的安排。
然而，可能存在对图3(b)实施例的应用，其中，最强的信号可能出现在不同设备所位于的任何一个位置处。对于主设备来说，希望接收最强的信号，因为这会导致在事件数据中较好定义的事件，而且会改善事件定义的精度。因此，在这种情况下，每个位置最好都能够选择性地充当主设备(正如在图5中所示出的)或者从设备(正如在图6中所示出的)，这将取决于在不同位置接收的信号的相对强度。因此，每个位置都具有图5中所示出的结构和图6中所示出的结构(可能是共享公共部分)，而且每个位置都能够被选择性地控制以便执行相应主/从设备功能中的一个。
为了实现该目的，各个从设备可能被提供一个电平穿过检测器LCD和一个穿过率监控器CRM(图6中虚线所示)，其被安排用于向通信接口处理器CIP的输入端子CRI提供信号，该信号表示在从设备处出现的信号的电平穿过率。图5的监视器CRM的输出同样也被传送到该通信接口处理器CIP的输入端子CRI，如虚线所示。诸如图3(b)的数据收集中心DCC之类的可能被放置在任何适当位置的控制设备接收表示不同穿过率的所有信号，此外，响应于该信号，周期性地指示具有最高穿过率的位置充当主设备(正如参考图5所描述的)，而其余的则充当从设备(正如参考图6所描述的)。
在我们同时提交的共同未决欧洲专利申请No.03252120.5中(代理人J00044892EP)描述了这种类型的一个方案，包括能够选择性地充当主或者从设备的设备的一个网络。
在图5和6的方案中，寄存器SIPO可能被一个具有M个抽头的模拟延迟线所取代，其中的每一个抽头提供在IP处出现的信号的延时拷贝。在任何时刻，在模拟延迟线的M个抽头处观察到的信号采样可能共同形成沿着模拟延迟线传播的有限信号段的离散时间表示。优选地，在模拟延迟线的连续抽头之间的相对延迟具有一个恒定的值。该方案意味着电平穿过检测器仅需要一个连接到中心抽头的单个输入。
在延时测量应用中，由于下面的两个主要原因，彼此交叉相关优先于常规的互相关1.计算负载彼此交叉相关不需要乘法，而以并联的方式来确定整个功能，从而避免了一个可变的延迟线。
2.通信链路需求当通过在空间上分离的传感器处接收的互相关信号获得延时测量时，这些信号中的一个高保真度的拷贝必须被发送到一个互相关器；然而，彼此交叉相关器(mutual crosslator)将仅要求一系列定义明确的用于其正确操作的重要时刻(即，一个事件流)。为了数据传输的目的，重要时刻可能被方便地由双极性二进制波形来表示，在该重要时刻，该波形在其两个极值之间异步地交替。
通过实例2示出了在这两种情况下，在已传送数据格式之间的不同。
实例2假设被处理的信号具有从0Hz到2kHz范围的矩形频谱。
如果信号以4kHz采样，且每个采样用一个10比特的值表示，那么1秒钟持续时间的一个信号段将通过40,000比特的一个集合来表示。该数据集必须经由一个适当的通信链路被发送到互相关器用于延时确定。
正如从实例1中看到的，甚至对于电平值L的最低可能的值，即L＝0来说，需要在1秒钟时间间隔期间发送的重要时刻的数目等于2310。表示这些重要时刻的二进制波形能够通过应用双极性相位调制或者频率调制而以方便的方式发送。
因此，在例如通过一个低成本无线电收发信机提供的通信链路中，彼此交叉相关能够使用一种简单的调制方案。
在图3(a)实施例的一个变形中，在主设备MD的发射机TR和从设备SD的接收机RX之间进一步存在一个信号路径FS。该额外的信号路径告知了一个可忽略的信号延迟，并且作为其实际排列的结果，它可能是从发射机TR的输出端到接收机RX的输入端的一个物理路径(它们彼此相邻，即如果从设备在主设备的位置处)，或者可替换地，通过使用一个有线链路或者可能的通信链路CL，可能是到主设备MD和从设备SD的输入端的电子路径之间的一个连接。
出于校准的目的，额外的信号路径的原因是通过精确地定义零延迟点来提供增强的精度。因此，正如在图7(a)中所示出的，提供给波形分析仪WAN的交叉相关求和信号将展现出两个峰值，第一个峰值P1的最大值位置表示零延迟点，而第二个峰值P2的最大值位置对应于要被确定的延迟。因此，该延迟DY可以简单地通过确定两个峰值之间的时间而被计算出来。
实际上，该延时可能远大于通过移位寄存器SIPO产生的总延迟，所以峰值P1和P2将在不同时刻出现的相应交叉相关求和波形中出现。如果希望，则独立的信道能够在从设备中被提供用于处理零延迟信号。
图7(b)示出了如果独立信道使用WO-A-00/39643的技术来检测零延迟点，则可能出现的波形。在这种情况下，第一峰值P1由S形曲线S1来取代，具有表示零延迟点的曲线零点穿过。这种安排具有这样的优点，即零点的跟踪是容易的，因为该变化在某种意义上将导致一个正的信号电平，而在另一种意义上将导致一个负的信号电平。
在上面的实施例中，通过使用声波实现了目标检测和定位；这是特别有利的，因为考虑到声学频率，在表示信号事件的数据传输中出现的延迟是可以忽略的。然而，本发明也同样可以应用于其它类型的信号。
所提出的系统包括其结构和操作模式可以是这样的一个系统，即感兴趣的目标通过没有配置主和从设备的一个源来照射。该照射源本身可能是被系统使用的一个有效源(active source)，或者其可能是“机会源(source of opportunity)”，例如民用无线电或者TV发射机，其可能是基于地面的，空中传播的或者卫星上的。
在上面所讨论的实施例中，假设各个接收机RX经由单个唯一的路径来接收其信号。实际上，信号可能经由显示出不同延迟的多个路径到达。一般来说，希望仅考虑经由最短路径最先到达的信号，但是在某些条件下，也希望代之以考虑其它接收信号或者额外考虑其它接收信号。
出于示例和说明的目的，本发明上述优选实施例的描述已经被给出。并不打算穷举本发明或者将本发明限制为所公开的精确的形式。根据上面的描述，多种替代、修改和变型使本领域的普通技术人员能够在适合于特定的预期用途的不同实施例中使用本发明，这一点是显而易见的。
权利要求
1.一种用于测量在第一和第二信号之间的延迟的时间测量系统，该系统包括用于提供事件数据的事件检测装置，当第一信号以正的斜率穿过预定电平时，该事件数据表示向上穿过的次数，而当第一信号以负的斜率穿过所述预定的电平时，该事件数据表示向下穿过的次数，以及延迟确定装置，其可使用该事件数据来定义与所述向上穿过和向下穿过相关联的第二信号的相应交错段，以便对所述段求和并在所述的求和中检测预定的特性，所述特性的位置表示第一和第二信号之间的延迟。
2.如权利要求1所要求的系统，其中，预定电平与第一信号的平均值显著不同。
3.如权利要求1或者2所要求的系统，包括可将所述事件数据传送到所述延迟确定装置的无线通信链路。
4.如前述任何一个权利要求所要求的系统，其中，所述特性是一个峰值，该峰值的一个极值具有表示延迟的位置。
5.如权利要求4所要求的系统，包括响应所述极值的幅度，用于提供指示已测量延迟的可靠性的一个信号的装置。
6.一个目标检测系统，包括如前述任何一个权利要求所要求的时间测量系统，用于测量与从一个目标接收的信号相关联的延迟，以便能够计算该目标的范围或者方位。
7.如权利要求6所要求的目标检测系统，包括一个用于产生所述第一信号的信号发生器，用于传送从所述第一信号中导出的一个询问信号的询问信号发射机，以及用于接收该询问信号从目标的一个反射并且用于响应于该反射产生所述第二信号的接收机。
8.如权利要求7所要求的目标检测系统，包括用于在事件检测装置和延迟确定装置之间定义基本上为零延迟的信号路径的装置，从而使得能够检测零延迟点，该延迟确定装置可操作用来从所述特性和零延迟点的相对位置来计算所述延迟。
9.如权利要求6所要求的目标检测系统，包括第一和第二接收机，用于从一个目标接收信号，并且响应于该信号产生所述第一和第二信号。
10.一种用于测量在第一和第二信号之间的延迟的时间测量系统，该第一和第二信号出现在相互远离的位置，该系统包括在每个所述位置处的设备以及在它们之间的无线通信链路，至少一个第一设备可操作用来经由所述链路传送事件数据，该事件数据表示预定事件出现在第一信号中的次数，至少一个第二设备可操作用来接收事件数据，以便使用该事件数据来定义第二信号相应的交错段，从而组合所述段并且检测在所述组合中的预定特性，所述特性的位置表示第一和第二信号之间的延迟。
11.一种测量在第一和第二信号之间的移位的方法，该方法包括确定第一信号电平上升到预定门限值电平之上和下降到预定门限值电平之下的事件，该预定门限值电平与第一信号的平均值显著不同；组合由在所述事件之间的时间间隔交错的第二信号的段；以及检测在组合中峰值的位置，所述位置表示所述移位。
全文摘要
一种用于测量在第一和第二信号之间的延迟的时间测量系统，该系统包括检测装置，当第一信号以正的斜率穿过预定电平(优选地，实际上不同于平均电平)时，用于检测向上穿过的次数，而当第一信号以负的斜率穿过该预定电平时，用于检测向下穿过的次数。这些事件被传送到接收第二信号的远程设备，该远程设备使用该事件来定义第二信号相应的交错段，从而对所述段求和并在所述的求和中检测预定的特性，所述特性的位置表示第一和第二信号之间的延迟。
文档编号G01S15/06GK1542572SQ20041003235
公开日2004年11月3日 申请日期2004年4月2日 优先权日2003年4月3日
发明者W·J·索诺夫斯基, W J 索诺夫斯基 申请人:三菱电机株式会社
专业数控铣床产品供应商
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