一种基于时移方差的时延估计方法及装置

摘要

本申请提供一种基于时移方差的时延估计方法及装置，在获取任意窗长的两路信号后（所述两路信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号之间存在第一时延）；根据预设公式依次对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号、将所述第一信号与所述时延后的信号做差以及计算对应差值的方差，所述方差的大小与所述第二时延相关；通过测定所述方差的最小值点，对所述第一时延进行精确估计。通过本申请可以对任意窗长信号进行时延估计，可以有效地对短窗长以及任意窗长信号进行分析，尤其是在短窗长非周期信号时延估计中有着极大的优势，节约了测试成本和数据处理成本，并提高了结果的准确度。

权利要求

1.一种基于时移方差的时延估计方法，其特征在于，包括：获取任意窗长的两路信号，所述两路信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号之间存在第一时延；

根据预设公式依次对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号、将所述第一信号与所述时延后的信号做差以及计算对应差值的方差，所述方差的大小与所述第二时延相关；

通过测定所述方差的最小值点，对所述第一时延进行精确估计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述第二信号为 ，其中为待估计的第一时延， 为第一信号与第二信号之间的幅值比，则对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号为 ，其中 为通过物理或算法方式施加的第二时延。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述第一信号为 ，则将所述时延后的信号与所述第一信号做差，得到差值 。

4.根 据 权 利 要 求 3 所 述 的 方 法 ，其 特 征 在 于 ，所 述 预 设 公 式 为 ：，其中： ，E为均值或期望；离散形式为 ，其中：k为延迟的采样点数，即离散形式的第二时延。

5.一种基于时移方差的时延估计装置，其特征在于，包括：第一处理单元，用于获取任意窗长的两路信号，所述两路信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号之间存在第一时延；

第二处理单元，用于根据预设公式依次对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号、将所述第一信号与所述时延后的信号做差以及计算对应差值的方差，所述方差的大小与所述第二时延相关；

第三处理单元，用于通过测定所述方差的最小值点，对所述第一时延进行精确估计。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，若所述第二信号为 ，其中为待估计的第一时延， 为第一信号与第二信号之间的幅值比，则对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号为 ，其中 为通过物理或算法方式施加的第二时延。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，若所述第一信号为 ，则将所述时延后的信号与所述第一信号做差，得到差值 。

8.根 据 权 利 要 求 7 所 述 的 装 置 ，其 特 征 在 于 ，所 述 预 设 公 式 为 ：，其中： ，E为均值或期望；离散形式为 ，其中：k为延迟的采样点数，即离散形式的第二时延。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如权利要求1至4中任一项所述的基于时移方差的时延估计方法。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括至少一个处理器、以及与所述处理器连接的至少一个存储器、总线；其中，所述处理器、所述存储器通过所述总线完成相互间的通信；所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令，以执行如权利要求1至4中任一项所述的基于时移方差的时延估计方法。

说明书

一种基于时移方差的时延估计方法及装置

技术领域

[0001] 本申请涉及通信技术领域，特别的，尤其涉及一种基于时移方差的时延估计方法及装置。

背景技术

[0002] 时延估计方法在工程中有着广泛的应用，例如：可以通过测定收发信号之间的时延实现测距和测速，也可以利用雷达、光纤等设施通过时延估计对信号源或震源进行定位。

[0003] 传统的时延估计方法一般采用互相关方法进行实现，在实际工程中，由于测量时间以及信号持续时间的限制，信号的长度往往是有限的，且越短的数据长度意味着越低的
测量成本以及数据处理成本，而互相关方法在短窗长截取时则会出现一些问题，如：在对有
限窗长信号做处理时，若截取方式为非整周期截断或不完整截断时，时延估计的结果中会
引入一个误差项，且误差是无法被避免的，从而导致估计的时延出现错误，而在实际工程
中，很难保证截取窗长的可控性，因此，急需提供一种适用于任意截取窗长的时延估计方
法。

发明内容

[0004] 鉴于现有技术中存在的问题，本申请提供了一种基于时移方差的时延估计方法及装置，以应对实际信号处理中有限窗长截取时的时延估计问题，在任意窗长截取的前提下
获得准确的时延估计结果。

[0005] 为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：

[0006] 一种基于时移方差的时延估计方法，包括：

[0007] 获取任意窗长的两路信号，所述两路信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号之间存在第一时延；

[0008] 根据预设公式依次对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号、将所述第一信号与所述时延后的信号做差以及计算对应差值的方差，所述方差的大小
与所述第二时延相关；

[0009] 通过测定所述方差的最小值点，对所述第一时延进行精确估计。

[0010] 进一步的，若所述第二信号为 ，其中 为待估计的第一时延，为第一信号与第二信号之间的幅值比，则对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应
时延后的信号为 ，其中 为通过物理或算法等方式施加的第二时
延。

[0011] 进一步的，若所述第一信号为 ，则将所述时延后的信号与所述第一信号做差，得到差值 。

[0012] 进一步的，所述预设公式为： ，其中：，E为均值或期望；离散形式为 ，
其中：k为延迟的采样点数，即离散形式的第二时延。

[0013] 一种基于时移方差的时延估计装置，包括：

[0014] 第一处理单元，用于获取任意窗长的两路信号，所述两路信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号之间存在第一时延；

[0015] 第二处理单元，用于根据预设公式依次对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号、将所述第一信号与所述时延后的信号做差以及计算对应差值的方
差，所述方差的大小与所述第二时延相关；

[0016] 第三处理单元，用于通过测定所述方差的最小值点，对所述第一时延进行精确估计。

[0017] 进一步的，若所述第二信号为 ，其中 为待估计的第一时延，为第一信号与第二信号之间的幅值比，则对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应
时延后的信号为 ，其中 为通过物理或算法等方式施加的第二时
延。

[0018] 进一步的，若所述第一信号为 ，则将所述时延后的信号与所述第一信号做差，得到差值 。

[0019] 进一步的，所述预设公式为： ，其中：，E为均值或期望；离散形式为 ，
其中：k为延迟的采样点数，即离散形式的第二时延。

[0020] 一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如上述所述的基于时移方差的时延估计方法。

[0021] 一种电子设备，所述电子设备包括至少一个处理器、以及与所述处理器连接的至少一个存储器、总线；其中，所述处理器、所述存储器通过所述总线完成相互间的通信；所述
处理器用于调用所述存储器中的程序指令，以执行如上述所述的基于时移方差的时延估计
方法。

[0022] 本申请所述的基于时移方差的时延估计方法及装置，在获取任意窗长的两路信号后（所述两路信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号之间存在第一
时延）；根据预设公式依次对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号、
将所述第一信号与所述时延后的信号做差以及计算对应差值的方差，所述方差的大小与所
述第二时延相关；通过测定所述方差的最小值点，对所述第一时延进行精确估计。通过本申
请可以对任意窗长信号进行时延估计，可以有效地对短窗长以及任意窗长信号进行分析，
尤其是在短窗长非周期信号时延估计中有着极大的优势，节约了测试成本和数据处理成
本，并提高了结果的准确度。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本申请实施例公开的一种基于时移方差的时延估计方法流程示意图；

[0025] 图2为本申请实施例公开的基于时移方差的时延估计的原理图；

[0026] 图3‑4为本申请实施例公开的车辆压过振动信号效果图；

[0027] 图5为本申请实施例公开的时移与 的曲线图；

[0028] 图6为本申请实施例公开的振动信号整体效果图；

[0029] 图7为本申请实施例公开的振动信号局部放大效果图；

[0030] 图8为本申请实施例公开的短窗长振动信号效果图；

[0031] 图9为本申请实施例公开的一种基于时移方差的时延估计装置的结构示意图；

[0032] 图10为本申请实施例公开的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

[0033] 申请人在研究中发现：现有技术中，通过互相关方法来进行时延估计，以形如、 的两路信号进行互相关时延估计的基本原理如下式：

[0034]

[0035] 其中，自变量 称为时移， 为待估计的时延， 为两信号互相关的结果， 达到最大值时对应的 即为时延估计的结果。

[0036] 以单频正弦信号为例，此时：

[0037]

[0038] 其中，为信号的起始时间，T为信号的周期。可以得到，当 时， 达到最大值，即两路信号时延为 ，上述结论可以根据傅里叶级数推广到任意无限长周期信号。

[0039] 在实际工程中，由于测量时间以及信号持续时间的限制，信号的长度往往是有限的，且越短的数据长度意味着越低的测量成本以及数据处理成本，而互相关方法在短窗长
截取时则会出现一些问题。同样以单频正弦信号为例进行分析，结果如下：

[0040]

[0041] 其中，T为截取的窗长。此时结果中除了 以外还引入了一个误差项，使得当 时， 并不能取到最大值，因此，时延估计的结果出现偏差。通过傅里叶级
数，这一结论可以被推广到任意信号。

[0042] 对于任意有限长信号，可以通过周期性延拓扩展为无限长周期信号，并展开成傅里叶级数形式。即：

[0043]

[0044]

[0045] 其中，时延估计时截取窗长为T，此时窗长内两路信号由于存在时延，并不严格一致，为了保证延拓后得到的周期信号严格一致，需要在延拓前对信号做补充，最终延拓信号
的周期为 ， 。此时，

[0046]

[0047] 其中，  、 分别为与时移 相关的正弦项和余弦项的系数，均为与截取窗长T相关的变量，使得互相关的结果随着截取窗长变化而变化，因此互相关算法只有在特定窗
长时才能得到准确的时延估计结果。

[0048] 通过计算可以得到：可以看到，对于任意有限长信号来说，互相关时延估计的结果存在理论偏差。另外，由于互
相关方法本质上是在求取两组数据乘积的期望，因此在面对有限长信号时，这一误差是无
法被避免的。

[0049] 为此，本申请提供一种基于时移方差的时延估计方法及装置，以应对实际信号处理中有限窗长截取时的时延估计问题，在任意窗长截取的前提下获得准确的时延估计结
果。

[0050] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本申请保护的范围。

[0051] 请参见附图1，为本申请实施例提供的一种基于时移方差的时延估计方法流程示意图。如图1所示，本申请实施例提供了一种基于时移方差的时延估计方法，该方法包括如
下步骤：

[0052] S101：获取任意窗长的两路信号，所述两路信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号之间存在第一时延。

[0053] 本申请实施例中，第一信号和第二信号分别为 ， ，由此可知，所述第一信号和所述第二信号之间存在第一时延 。

[0054] S102：根据预设公式依次对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号、将所述第一信号与所述时延后的信号做差以及计算对应差值的方差，所述方差的
大小与所述第二时延相关。

[0055] 上述第二时延为 ，则对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号为 ，需要说明的是，所述时延可以通过物理或算法手段获得。

[0056] 本步骤中，将所述第一信号与所述时延后的信号做差，得到差值 。所述预设公式为： ，其中： ，E为均
值或期望；离散形式为 ，其中：k为延迟的采样点数，即
离散形式的第二时延。然后，根据预设公式计算对应差值的方差。依据预设公式可知，方差
的大小与所述第二时延相关，且当 时，两路信号差值的方差达到最小。

[0057] S103：通过测定所述方差的最小值点，对所述第一时延进行精确估计。

[0058] 本申请实施例以单频正弦信号为例，两路信号存在时延 ，分别为 和，时移方差法包括以下步骤：

[0059] 首先对两路信号其中一路进行时移 ，得到 ，之后对两路信号做差，得到 ，从做差的结果可以看出， 越小， 与
越接近，即两者之间的差值波动越小，而方差可以反映信号波动的情况；因此
最后求两路信号差值的方差，即得到 ，结果的大小与时移 相关，且当
时，两路信号表现完全一致，即差值恒为定值，定值的方差为0，如下式表示：

[0060]

[0061] 其中： ，， 
。

[0062] 由于结果为方差，因此时移方差 ，当 时，上式中， ，上式取得最小值0，所以通过测定 的最小值点，就可以对时延 进行
精确估计。

[0063] 下面以光纤振动监测系统中的车辆振动信号为例进行实际时延估计效果分析。

[0064] 原理如图2所示，两路信号分别在光纤中正向和反向传输，当光纤链路中的某一点受到振动扰动时，由于扰动点距探测器PD1和PD2的距离不同（携带扰动信息的光传播到PD1
和PD2所需的时间不同），因此两个探测器探测到的振动信号之间会存在时延 ，通过对时延
进行测定，就可以定位出振动发生的位置。实测信号如图3和图4所示，车辆压过振动信号效
果图。

[0065] 本实施例中，时延估计时的具体操作为，首先对其中一路信号时移，之后求两路信号差值，最后求差值方差，然后循环上述操作，得到一条横轴为时移 ，纵轴为 大
小的曲线，如图5所示，可以看出，在时移值为‑6.125us时，时移方差结果取得最小值，因此
两路信号时延为6.125us。实测信号中还包括如下复杂情况，时移方差均能对其进行有效处
理。

[0066] 情况一：信号频率极低，且持续时间较短，起止点严重不一致，但存在固定时延，如图6和图7所示。

[0067] 情况二：信号连绵不断，无法进行完整截取，只能进行短窗长任意截取操作，如图8所示。

[0068] 进一步，需要说明的是，本申请除去振动定位之外，时移方差法还可以用于包括测速、测距等多种信号时延估计领域。

[0069] 对于实际带噪声信号的处理，时移方差法也可以取得良好的效果，带噪信号如下：

[0070]

[0071] 其中， 是指两路信号中的相关噪声， 指两路信号中的随机噪声，假设几种噪声和信号相互独立，则：

[0072]

[0073] 其中，随机噪声 与 之间相互独立，因此差的方差基本不会随着时移发生变化， 接近常量 ，而 在 时取得最小值，且与时移
有关，需要进行处理，以消除其影响。除了通过滤波从信号本身对其进行处理外，由于三
者方差是相加的关系，因此可以在后续对其进行十分简单的补偿，即单独测试系统的相关
噪声，在最终结果上将其去除。

[0074] 本申请实施例提供一种基于时移方差的时延估计方法，在获取任意窗长的两路信号后（所述两路信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号之间存在第
一时延）；根据预设公式依次对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信
号、将所述第一信号与所述时延后的信号做差以及计算对应差值的方差，所述方差的大小
与所述第二时延相关；通过测定所述方差的最小值点，对所述第一时延进行精确估计。通过
本申请可以对任意窗长信号进行时延估计，可以有效地对短窗长以及任意窗长信号进行分
析，尤其是在短窗长非周期信号时延估计中有着极大的优势，节约了测试成本和数据处理
成本，并提高了结果的准确度。

[0075] 在实际测试中，可以对带噪信号进行有效处理，能够应用于相关分析、时延估计、测速测距等多种信号处理领域。

[0076] 请参阅图9，基于上述实施例公开的一种基于时移方差的时延估计方法，本实施例对应公开了一种基于时移方差的时延估计装置，该装置包括：

[0077] 第一处理单元901，用于获取任意窗长的两路信号，所述两路信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号之间存在第一时延；

[0078] 第二处理单元902，用于根据预设公式依次对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号、将所述第一信号与所述时延后的信号做差以及计算对应差值的方
差，所述方差的大小与所述第二时延相关

[0079] 第三处理单元903，用于通过测定所述方差的最小值点，对所述第一时延进行精确估计。

[0080] 进一步的，若所述第二信号为 ，其中 为待估计的第一时延，为第一信号与第二信号之间的幅值比，则对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应
时延后的信号为 ，其中 为通过物理或算法等方式施加的第二时
延。

[0081] 进一步的，若所述第一信号为 ，则将所述时延后的信号与所述第一信号做差，得到差值 。

[0082] 进一步的，所述预设公式为： ，其中：，E为均值或期望；离散形式为 ，
其中：k为延迟的采样点数，即离散形式的第二时延 。

[0083] 所述基于时移方差的时延估计装置包括处理器和存储器，上述第一处理单元、第二处理单元和第三处理单元等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储
器中的上述程序单元来实现相应的功能。

[0084] 处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来达到应对实际信号处理中有限窗长截取时的时延估计问题，
在任意窗长截取的前提下获得准确的时延估计结果。

[0085] 本申请实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述基于时移方差的时延估计方法。

[0086] 本申请实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述基于时移方差的时延估计方法。

[0087] 本申请实施例提供了一种电子设备，如图10所示，该电子设备100包括至少一个处理器1001、以及与所述处理器连接的至少一个存储器1002、总线1003；其中，所述处理器
1001、所述存储器1002通过所述总线1003完成相互间的通信；处理器1001用于调用所述存
储器1002中的程序指令，以执行上述的所述基于时移方差的时延估计方法。

[0088] 本文中的电子设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。

[0089] 本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：

[0090] 获取任意窗长的两路信号，所述两路信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号之间存在第一时延；

[0091] 根据预设公式依次对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应时延后的信号、将所述第一信号与所述时延后的信号做差以及计算对应差值的方差，所述方差的大小
与所述第二时延相关；

[0092] 通过测定所述方差的最小值点，对所述第一时延进行精确估计。

[0093] 进一步的，若所述第二信号为 ，其中 为待估计的第一时延，为第一信号与第二信号之间的幅值比，则对所述第二信号进行第二时延的时移，得到对应
时延后的信号为 ，其中 为通过物理或算法等方式施加的第二时
延。

[0094] 进一步的，若所述第一信号为 ，则将所述时延后的信号与所述第一信号做差，得到差值 。

[0095] 进一步的，所述预设公式为： ，其中：，E为均值或期望；离散形式为 ，
其中：k为延迟的采样点数，即离散形式的第二时延。

[0096] 本申请是根据本申请实施例的方法、设备（系统）、计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或
方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到
通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个
机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流
程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0097] 在一个典型的配置中，设备包括一个或多个处理器（CPU）、存储器和总线。设备还可以包括输入/输出接口、网络接口等。

[0098] 存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器（RAM）和/或非易失性内存等形式，如只读存储器（ROM）或闪存（flash RAM），存储器包括至少一个存
储芯片。存储器是计算机可读介质的示例。

[0099] 计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。
计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 （PRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、
动态随机存取存储器（DRAM）、其他类型的随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可擦
除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器 （CD‑
ROM）、数字多功能光盘（DVD）或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存
储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界
定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体（transitory media），如调制的数据信号和
载波。

[0100] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包
括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要
素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的
过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0101] 本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的
形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存
储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形
式。

[0102] 以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、
改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。