一种带通信号的高精度时间信息提取方法

本发明涉及高精度时间测量领域，尤其涉及一种针对带通滤波器输出的带通信号的高精度时间信息提取。

背景技术：

1、高精度时间测量在核物理与粒子物理实验、核医学成像等领域有着广泛的应用。例如：在飞行时间（time-of-flight,tof）正电子发射断层成像（positron emissiontomography, pet）中，为实现高空间成像分辨率，需要实现极高的脉冲到达时间测量精度。目前已有一种高精度时间测量方法，通过模拟带通滤波和放大，将输入脉冲信号中所携带的时间信息转换到时域上振荡衰减的带通信号中，再通过数字信号处理的方法实现时间的提取和量化。该方法能够达到亚皮秒量级的时间精度，显著高于传统的时间数字变换（time-to-digital conversion, tdc）技术。

2、在从经过模拟电路处理后产生的带通信号中提取时间信息时，需要采用适当的方法。由于信号具有振荡的特征，常见的数字过阈甄别等方法在该场景下并不适用。互相关定时算法可用于测量两个信号之间的时间间隔，且适用于带通信号。然而，该方法的最小时间分辨单位是相邻数据点之间的时间间隔。为达到足够高的时间精度，需要对采样点进行插值。互相关运算可通过快速傅里叶变换（fast fourier transform, fft）算法实现。为使得时间分辨达到亚皮秒量级，插值倍数需要达到万量级以上。这会使得互相关函数的计算过程涉及到百万量级点数的fft计算，需要消耗极高的资源，并且无法在现场可编程门阵列（field programmable gate array, fpga）中完成对信号的实时处理，或是难以实现较高的测量速率。

3、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种带通信号的高精度时间信息提取方法，能达到高时间精度，且易于硬件实现和多通道集成，能够达到较高的测量速率，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种带通信号的高精度时间信息提取方法，包括：

4、步骤1，对标志带通信号待测时间间隔的起始信号和终止信号分别经过模拟前端电路和模数转换器处理后，得到对应的起始数字信号与终止数字信号，分别对起始数字信号与终止数字信号进行加窗,截取n0个数据点，并记录起始数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间与终止数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间，分别作为起始信号粗时间与终止信号粗时间，分别对加窗后的起始数字信号与终止数字信号进行第一步插值处理，得到初步处理后的起始数字信号与终止数字信号；

5、步骤2，对初步处理后的起始数字信号与终止数字信号进行互相关运算，得到互相关信号；

6、步骤3，通过数字寻峰找到所述互相关信号的初始峰值位置，截取初始峰值位置前后共n1个数据点，向截取的每个数据点都加上一个偏置使第一个数据点的值为0；

7、步骤4，对所述互相关信号进行多级实现的第二步插值，在每级插值后通过数字寻峰找到所述互相关信号的峰值位置，并截取该峰值位置前后共n1个数据点，向截取的每个数据点都加上一个偏置使第一个数据点的值为0，然后送入下一级的插值过程，按上述处理依次完成第二步插值的各级插值后，得到各级峰值位置；

8、步骤5，利用步骤3中得到的初始峰值位置与步骤4中得到的各级峰值位置，组合得到时间间隔的细时间，利用起始信号粗时间、终止信号粗时间和时间间隔的细时间计算得出时间间隔测量值。

9、与现有技术相比，本发明所提供的带通信号的高精度时间信息提取方法，其有益效果包括：

10、通过将插值过程分为两步来进行，其中第一步插值对起始数字信号和终止数字信号进行插值，插值后的两个数字信号用于计算互相关信号，这样能进一步降低互相关信号相邻数据点间的时间间隔，更准确地定位互相关信号峰值的位置；再进行第二步插值，采用多级插值实现，在每一级插值后都对数据点进行长度截断，从而减小计算资源消耗。在基于fpga的硬件实现过程中，插值和互相关过程可采用流水线的实现结构，提高数据吞吐率，从而提高算法能够接受的最高事例率。该方法能够达到高时间精度，易于硬件集成，能在目前主流的fpga器件中实现多个高精度时间测量通道，并可达到较高测量速率，具有很好的有效性、广泛性和实用性。

技术特征：

1.一种带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤1中，按以下方式对起始数字信号进行加窗，并记录起始数字信号的窗口内第一个采样点对应的时间作为起始信号粗时间，对加窗后的起始数字信号进行第一步插值处理，包括：

3.根据权利要求2所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤1中，按以下方式对起始数字信号对应的采样数据流进行加窗，包括：

4.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，按以下方式对加窗后的起始数字信号对应的采样数据流进行第一步插值处理，包括：

5.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤4中，第二步插值共分为k级，k取大于1的正整数。

6.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤4中，按以下方式进行第二步插值的每级插值，包括：

7.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤5中，按以下公式利用步骤3与步骤4截取的所有数据点计算时间间隔的细时间，公式为：

8.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤5中，按以下公式利用起始信号粗时间、终止信号粗时间和时间间隔的细时间计算得出时间间隔测量值，公式为：

9.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，所述步骤2中，按以下方式对初步处理后的起始信号与终止信号进行互相关运算得到互相关信号，包括：

10.根据权利要求1-3任一项所述的带通信号的高精度时间信息提取方法，其特征在于，

技术总结本发明公开一种带通信号的高精度时间信息提取方法，属高精度时间测量领域。方法包括：步骤1，对起始数字信号与终止数字信号分别进行加窗，记录起始信号粗时间与终止信号粗时间，做第一步插值；步骤2，对起始与终止数字信号互相关运算，得互相关信号；步骤3，数字寻峰找到互相关信号初始峰值位置，截取前后一定量数据点，加偏置使第一数据点值为0；步骤4，对互相关信号多级第二步插值，在每级插值中数字寻峰找到峰值位置，截取前后一定量数据点，加偏置使第一数据点值为0，送入下一级插值；步骤5，计算时间间隔的细时间，与起始信号粗时间和终止信号粗时间计算出时间间隔测量值。该方法能达到高时间精度且易于硬件集成，实现较高测量速率。技术研发人员：赵雷,范怡淳,秦家军,曹喆,李嘉铭受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15