数字差分技术（精选7篇）
数字差分技术 篇1
0引言
在飞行器靶场测量系统中,通常采用多个测量设备来提高测量精度［1］,交会测量及组网布站是有效手段［2］。采用数字滤波技术可以有效地削弱随机误差的影响［3］,但要想消除和减少系统性测量误差的影响,却要采取比较复杂的测量和校验技术。 在测量元素具有相关性的情况下,采用经典的数字差分技术,可以有效地消除系统误差的影响［4］。所以在一定意义上讲,获取相关性测量数据,是消除系统误差的关键。为此,在飞行器试验场中,要挖掘和利用现有设备相关性测量数据。本文首先研究在航天飞行器初始段空间坐标测量中,利用电影经纬仪测角数据构造相关性测量元素,提出了采用相关性测量元素和线性化处理相结合的目标坐标增量算法,并给出了试验数据验证结果。
机动目标的测向定位与跟踪一直是个难点。孔博等对机动目标双站无源定位跟踪问题进行了研究,应用Singer模型和扩展卡尔曼滤波进行了仿真分析,得到不同测向精度下的相对测距误差［5］。马丽等在文献中提出了预警机支援下的空地协同目标定位［6］,这与构造相关性测量元素系统的思路相似。推而广之,本文提出以合作目标作为参考构建改进的双站交会测向系统,应用目标空间坐标的增量算法推导其测量数据处理模型,便于在设备研制过程中实施。
1数字差分技术在光测数据处理中的应用
1.1坐标系设定
用2台电影经纬仪交会测量方法构建的光测系统的坐标系如图1所示。
图1中,1#、2#表示1号、2号电影经纬仪观测站,其站址坐标分别为( x01,y01,z01) 、( x02,y02,z02) , 被测目标P的空间坐标为( x,y,z) 。
1.2电影经纬仪测量目标空间坐标
采用数字差分技术,研究2台电影经纬仪测量目标空间坐标的交会测量方法,推导出目标空间坐标计算公式如下［7］:
式中: α1,γ1为1#站测量的高低角和方位角; α2,γ2为2#站测量的高低角和方位角。
1.3目标空间坐标的增量算法
上述计算目标空间坐标的方法是靶场经典的测量计算方法,常用于导弹靶场初始段测量、地空导弹靶场测量。其特点是: 光测站能直接观测到发射塔架上的导弹; 可以精确给出导弹的初始位置( x0、y0、 z0) ; 各光测站可以连续地同步给出目标的角度测量数据。因此,在有了精确的初始位置数据的基础上, 只计算坐标增量 Δx、Δy、Δz就能给出目标空间坐标。
1.3.1目标测量元素的相关性处理
这里强调指出,差分算法亦即坐标增量算法对相关性测量元素才具有抵消系统误差的作用。否则与传统算法无异。利用已经计算出的目标坐标数据,反算出各光测站对目标的高低角和方位角为:
式中,
1.3.2目标空间坐标的近似算法
估算的参数x、y、z是随机变量的函数,在估算区间内连续可微,这使得近似计算在很小的数据采样间隔内能对随机变量函数进行线性化处理。由于估算的函数在充分小的邻域内是殆线性的,因而能以线性函数近似地代替,为此可对式( 1) 或式( 2) 在导弹坐标的初始位置( 基准位置) ( x0、 y0、z0) 处按台劳级数展开且只取一次项而略去一切高次项,得
目标坐标一阶近似增量方程为:
1.3.3目标空间坐标的精确算法
在光测数据处理的实践中,一方面由于各种原因,可能满足不了线性化方法所要求的如此狭小的变化范围,即很小的数据采样间隔时间,使随机函数不能够正确地近似于线性; 另一方面,在火箭起飞段,由于火箭受发动机推力、地球重力和空气动力的作用,处于变质量动力学运动情况,实际的运动规律与线性化有一定的差别,舍去高级项可能会产生方法误差［8］。为了获得更精确的结果,在台劳展开式中,不仅要保留一阶线性项,而且还要保留若干更高阶的项。这里对台劳展开式取到二阶项,舍去三阶以上的项,则
1.4目标空间坐标增量算法精度分析
由式( 5) 知,目标空间坐标增量近似算法的精度可表示为:
式中,σx、σy、σz为总误差。总误差由2项误差合成: 一是基准点或上一时刻目标坐标测量误差 σx0、 σy0、σz0; 二是坐标增量的测量误差 σΔx、σΔy、σΔz。
基准点( x0、y0、z0) 就是导弹发射塔架的定位基点。可以换算到光测设备对导弹的测量点,其精度可以达到cm级。
坐标增量的测量误差可表示为:
由以上公式看出,目标空间坐标的测量精度取决于目标坐标增量的测量精度 σΔx、σΔy、σΔz,而坐标增量的测量精度主要取决于目标角度增量的测量精度 σΔα、σΔγ。
电影经纬仪的测角误差是由一系列系统误差和随机误差引起的［9］。虽然这些误差可以校准,对随机误差也可以进行平滑滤波。但这些都是导弹飞行试验前或飞行试验后的细致工作,是所谓数据的事后处理。事后处理正在逐步淘汰,而目标空间坐标的增量算法却能够适应系统发展的需求,实时计算出目标空间坐标,并且有效地减小系统误差和其他相关性误差的影响。这是由于坐标增量的精度主要由经过相关性处理的相邻两时刻的角度差的精度所决定的,目标空间坐标增量算法就是在文献[4]阐述的处理相关性测量数据的差分技术基础上提出的,目标空间坐标增量算法的测量精度比传统算法的测量精度高半个数量级以上。
2目标空间坐标增量算法技术验证
数字差分技术在数据处理过程中自然消除了系统误差,同时还消除了其他相关性误差,因而测量精度较高。基于目标空间坐标增量算法的数字差分测量技术易于实现实时处理。
为了验证这种算法的可行性,采用2个电影经纬仪光测站对导弹进行跟踪测量的模拟飞行试验空间坐标数据进行实际演算［10］。
为了简化计算,只讨论坐标参数x、y的计算。 在发射坐标系中,1#光测站和2#光测站的站址坐标为:
演算步骤如下:
1由2个光测站对导弹测量的角度数据( 略去) 运用式( 1) 或式( 2) 算得导弹空间坐标数据;
2运用目标空间坐标的近似算法,即式( 3) 进行测量元素的相关性处理,进而获得测量元素之差;
3运用坐标增量算法( 式( 5) ) 获得导弹空间坐标精确值,并得出坐标精度随数据采样率变化曲线如图2所示。
由此,获得了一些重要结论:
1坐标增量算法是运用台劳级数对随机函数进行线性化的算法,要求较高的数据采样率。由图2可知,在采样率较小时,例如10 ~ 40次/s,数据逼近误差较大,而当数据采样率较高时,例如80 ~ 100次/ s,则能获得满意的结果。
2测量元素相关性的采用与线性化处理有机地结合,是本算法的又一特点,这使得本算法在数据处理精度上达到了一种新的境界。
3导弹试验场一般采用光学测量设备测量中近程导弹弹道和远程火箭导弹初始段弹道。其坐标测量精度达到很高的水平,约在几米之内。本算法在大致相同的弹道段,其精度可达到零点几米的数量级,其应用价值非同凡响。
4关于电影经纬仪数据采样率是否能达到100次/ s,答案应该是肯定的。现代数码摄影技术和电子测控技术达到更高的数据采样率也是可能的。
5本例讨论的只是目标空间坐标的近似算法, 便于在工程中应用。试验结果表明,只要数据采样率足够高,就能达到满意的精度要求,无需采用目标空间坐标的精确算法。而所谓的精确算法只是采用了更高阶次的修正项,增加了计算的复杂性。
3差分技术在无线电测向系统中的应用
3.1改进的双站交会测向系统
通过增加测量站来提高精度是有效的,但是增加到一定程度之后精度将不再提高［11］,且系统成本和复杂性大大增加。测量站利用元素相关特性测量原理,改进的侦察测向系统由2套具有多目标测量能力的测向机站和一个前置合作目标P组成,如图3所示。
当被测目标M( 辐射源) 开始活动时,1#、2#测向机站同时侦收其辐射信号,经过处理转化为方位角信号 α1、α2,同时接收合作目标的信号方位角 α01、 α02、同步采样信号和合作目标的位置数据( xpo,ypo) 。被测目标M与合作目标的角度差,是真正意义上的“相关性测量元素”的角度差,可采用目标空间坐标增量算法处理后实时输出辐射源的位置数据( x,y) 。
3.2关于合作目标
合作目标作为参考,可以部署在战区边境或有争议海域等缺少参照物的地方,具有如下功能:
1发射固定频率信号;
2有一部北斗卫星导航定位系统的用户终端, 可以连续对自身定位;
3发射同步信号,使测向机同步工作;
4适于由飞行器投放;
5完成任务后,合作目标可以自毁。
3.3合作目标定位方程
合作目标的位置方程为:
合作目标定位精度公式为:
合作目标的位置数据可由北斗卫星定位系统地面接收机获得其位置数据。当使用重复测量数据的平均值时,可以获得精度更高的结果:
设当xpi、ypi为N( 0,σpo) ,则
北斗卫星定位精度约为几米,坐标平均值的精度就是米级,因此采用北斗卫星定位系统接收机测量的平均值作为合作目标的坐标值,其精度是足够高的。
3.4测向系统对辐射源的坐标增量方程
由于测向机具有同时测量双目标的能力,则可用其同时测量辐射源和合作目标的方位角。1#站和2#站测量数据分别为( α1,α01) 和( α2,α02) ,运用差分算法可以计算出辐射源相对合作目标的坐标增量,即
式中,
坐标增量的精度可由下式估算:
这里,方位角的一级差分 Δα 的误差 σΔα已经消除了测角系统误差和其他相关性误差的影响,其量级约为( 1 /5~1 /10) σα。
3.5测向系统对辐射源观测的位置方程
测向系统对辐射源观测的位置方程为:
其测量精度计算为:
为了进一步消减随机误差的影响,也可以对辐射源进行重复测量［12］,以多次测量的平均值为计算结果。
4结束语
根据构建元素相关测量系统原理,本文采用以合作目标为参照应用于改进的双站交会测向系统中,对边海防封控系统及有争议海域侦察监视预警系统的研制建设有借鉴意义,是“数字差分技术在光测数据处理中的应用”的创新性扩展。传统光测系统利用了作为测量基准的导弹发射塔架; 而改进的双站交会测向系统中增加的合作目标可以是机动的,其测量基准是由配有北斗导航卫星系统用户终端动态提供,在提高实时测量精度的基础上,可扩大了测向系统的测量区域范围,增强系统部属的灵活性。
参考文献
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数字差分技术 篇2
MSK (最小频移键控) 信号是一种相位连续、包络恒定并且占用带宽最小的二进制正交FSK信号[1], 这些特点使它比较适合在窄带信道中传输, 因此被广泛应用于卫星通信和无线移动通信中的数据传输[2]。
研究出低误码率又便于实现的MSK数字解调技术对它的应用具有重要的意义[3]。常用的MSK解调方法有相位相干解调法、频率相干解调法、非相干解调法、正交差分解调法等[4], 相比其他的解调方式, 差分解调算法有着自身的很多优点。本文通过仿真实验讨论了MSK差分解调算法中采样点数和判决方法对误码率性能的影响, 在此基础上提出了一种改进的差分解调判决方法, 该方法具有较好的误码率性能, 并且更加易于实现。最后, 本文利用Xilinx公司的FPGA芯片实现了优化后的MSK差分解调算法。
1 MSK信号差分解调算法的特点
MSK信号的第k个码元可表示为[1]:
其中, ωc=2πfc是载波角频率, ak=±1是码元宽度为TS传输速率为R=1/TS的输入数据, φk=nπ是在第k个码元持续时间内的相位常数。
文献[5]给出了差分解调算法的原理, 此处不再赘述。MSK算法有一个最大的优点就是差分解调算法对频偏和相移不敏感。可以证明, 只要频偏△f满足:
TS/N≤△t≤TS, N为一个TS内的采样点数, 就可正确解调出ak。
2 差分解调算法的改进
2.1 采样点数的改进
若在一个码元宽度TS内总采样点数为N, 解调结果在第n个采样点计算, 1≤n≤N, 即△t=n TS/N, 则 (2) 变为:
由此可见, N越大, 则频差△f的取值范围越大, 即解调算法对频偏越不敏感。
图1为不同的采样点数下, 误码率性能比较。图中N为采样点数, 可以看出, N越大, 误码率性能越好, 但同时占用的资源也越多, 因此, 在选择采样点数的时候要考虑性能和硬件资源的折中。
2.2 判决模块的改进
在判决模块中, 一般是对一个码元周期内各个采样点上按照差分解调算法计算的结果Y (t) 进行积分后再判断ak的值[5], 即先将一个周期内每个采样点上计算得到的Y (t) 相加, 如 (4) 式, 最后由Y的值判决ak的值。
然而, 本文经过仿真发现, 将所有采样点的值进行积分后再判决的性能并不会比所有的单点判决 (每个符号周期只取一个点进行解调) 性能好。
图2给出了积分判决时, 不同的叠加点的性能比较。进行仿真时, 码元宽度TS内总的采样点数为16点, 图中“n=1:16”表示将一周期内所有16个采样点计算的Y (t) 进行叠加后再判决, 其它类推。为了更好的比较叠加后判决的性能, 该图也给出了最佳的单点判决 (n=16) 的性能与各种叠加方法得到的性能进行比较。
从图中可以看出, 当把所有16个采样点计算的Y (t) 值进行叠加后再判决, 得到的性能是最差的, 而且远低于最佳的单点判决性能;把所有采样点中后一半的采样点计算的Y (t) 值进行叠加的性能与最佳的单点判决性能差不多;随着所叠加的采样点的位置后移, 误码率性能逐渐提高, 图中将每个码元周期内最后5个采样点叠加后取得最好的性能, 而后, 随着叠加点数的减少性能有所下降, 但不明显, 如图中叠加的采样点取14至16时, 性能就比叠加第12至16个时有所下降。因此, 叠加判决时要选取适当的采样点进行叠加才能有效提高MSK信号的解调性能。本文根据仿真结果认为, 在一个码元周期内选取最后几个采样点进行叠加判决能得到较好的误码率性能和较小的计算量。
3 MSK差分解调的FPGA实现
本文最后利用FPGA芯片实现了优化后的MSK差分解调算法, 图3给出了输入数据与差分解调输出的结果对比, 图中“clk”为时钟脉冲, “ranseq_out”是用FPGA产生的一个随机序列, 作为输入数据源, “demo_out”为解调后的输出结果, “demo_valid”输出为“1”时输出结果有效。结果显示, 改进后的MSK差分解调算法更容易在FPGA里实现, 并且性能良好。
4 结论
本文通过对MSK信号的数字差分解调算法的仿真, 讨论了该算法中采样点数和判决方法对误码率性能的影响, 通过仿真发现, 误码率性能随着采样点数的增加而提高;在单点解调时, 判决点选取越靠近最大采样点的位置误码率性能越好;在此基础上提出了一种改进的差分解调判决方法, 选取适当的部分采样点进行叠加能有效提高解调性能, 易于实现。最后, 在FPGA上实现了优化后的差分解调算法。
参考文献
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数字差分技术 篇3
关键词：LVDS,信号源,FPGA,数据传输,PCM
近年来, 在高速数字系统中, 所采用的现代高性能微处理器的速度越来越快;芯片之间、板卡之间的数据传输速率越来越快, 数据量及带宽越来越大。采用新的技术解决数据的高速传输, 成为必然趋势。LVDS (low voltage differential signaling) , 即低压差分信号技术, 是一种高速传输技术, 它提供了一种电压摆幅极低 (±350 m V) 的高速差分信号, 可实现快速数据传输;而功耗大为降低。其最高数据速率可达3.125 Gbps, 是一种理想的数据传输方式。LVDS技术已经在通信网络中得到普及, 广泛用于膝上计算机、办公用成像、工业视觉、测试与测量、医疗和汽车等领域, 应用前景十分广泛[1]。
LVDS是由ANSI/TIA/EIA-644—1995定义的用于高速数据传输的物理层接口标准。目前最常见的有三种高速接口技术, LVDS (包括其变型B-LVDS和M-LVDS) 、CML和LVPECL。LVDS的典型信号摆幅为350 m V, 对应的功率很低, 使其成为数据率从数10 Mbps~3 Gbps的应用之首选[2]。LVDS是最常用的差分信号接口技术, 设计中采用了总线LVDS的接口技术, 使用DS92LV18作为LVDS信号的接收和发送芯片。DS92LV18集串化器与解串器于一体, 可接受和发送低压差分信号, 用以高速数据的传输。
1 基于LVDS总线的数字信号源结构设计
在设计的数字信号源中, 采用LVDS总线方式连接背板, 实现信号源卡与背板之间的数据传输。如图1所示, 系统主要由LVDS模块及FPGA主控单元两部分组成。上位机下发的配置参数经过背板传输至LVDS模块, 经过解串后传输至FPGA进行命令分析。FPGA接收到配置参数后将产生的PCM信号传输至外部输出驱动模块, 并输出PCM信号。同时, FPGA可将回传的数据经过LVDS模块串化后传输到背板, 从而实现背板与信号源卡之间的双向通信。FPGA作为主控单元, 一方面控制LVDS的工作方式, 另一方面在其内部完成信号的产生, 极大地利用了FPGA的资源, 简化了外围电路的设计, 最大程度上提高了资源的利用率。
2 信号源电路的设计
2.1 LVDS模块电路的设计
采用LVDS总线作为信号源卡与背板之间的数据通信方式, LVDS模块的结构设计框图如图2所示。设计使用专用的LVDS接口芯片DS92LV18, DS92LV18是集串化器和解串器于一体的高性能芯片, 是LVDS数据传输设计中的理想器件。
背板总线通过两对差分传输线, 实现与DS92LV18的数据传输。背板总线的发送端将上位机发送的命令及参数配置信息等LVDS差分数据流传输到DS92LV18的接收端RIN+/RIN-, 其内部的解串器可以将此差分信号解码为18位的并行数据, 通过接收器的发送端ROUT (0∶17) 将数据传输至FPGA, 在FPGA中进行分析。同时, FPGA回传的数据由18位的并行线传输至DS92LV18发送器输入端DIN (0∶17) , 18位并行数据经过串化编码后形成一对低压差分信号, 经过DS92LV18的发送端口DO+/DO-传输至背板总线的接收端。DS92LV18的工作方式由FPGA来控制。
2.2 信号产生模块的设计
信号产生部分在FPGA内部实现, 原理框图如图3所示。FPGA接收到配置信息后开始工作。配置信息主要包括码速率选择、帧长选择、波形选择及码型选择信息。由时钟源提供时钟信号, 经过分频器后产生各种时钟信号, 如码频、字频、帧频信号, 用于控制各个部分的时序。波形选择电路选择输出数据ROM中相应编号的波形的高两位地址信息, 它与地址计数器产生的低六位地址信息组成数据ROM的地址信息, 根据物理地址从数据ROM中输出数据并按一定的帧格式编码。伪随机码产生后也按照帧格式信息编码。将编码完成的数据存储在缓冲器中, 经过并/串转换, 将并行数据转换为串行数据。得到的串行数据进行码型变换后变为所需码型的PCM数据并输出[3,4]。
3 理论分析与性能测试
3.1 LVDS总线的实现
在设计中, 使用DS92LV18作为LVDS接口芯片, 与背板之间进行数据传输, 实现信号源与背板之间的数据通信。DS92LV18集接收器与发送器于一体, 既可接收外部传输的LVDS数据流, 也可以发送数据。如图4所示, 典型的点到点拓扑的LVDS驱动器与接收器对含有一对驱动器与接收器, 通过端接100Ω电阻的差分T-传输线进行数据传输。驱动器与接收器主要完成TTL信号和LVDS信号之间的转换。LVDS接收器具有很高的输入阻抗, 因此驱动器输出的电流大部分流过100Ω的匹配电阻, 并在接收器端产生大约350 m V的电压。驱动器翻转时, 它改变流经电阻的电流方向, 因此产生有效的逻辑1和逻辑0状态。LVDS是专门针对点到点信号传输而设计的, 可以提供快速边沿驱动器输出信号, 该信号可保证数Gbit的传输速率[5]。
选择适当的串化器和解串器 (Ser Des) 对系统成本和性能来说有着重要的影响。设计中选择的DS92LV18属于嵌入式时钟 (起始/终止) 位Ser Des架构的LVDS接口芯片。如图5所示为18 bit时钟位嵌入式串化器编码示例。时钟位嵌入式架构中的发送器将数据总线上的数据信号和时钟串行化, 形成单路串行信号对。两个时钟位, 一路为低, 另一路为高, 被嵌入到串行流中, 每隔一个周期放置一个, 用于界定串化后每个字的起点和终点, 并在串行数据流中产生一个周期性的上升沿。这种架构使得数据有效负载的字宽度无需被限制为字节的倍数。串化器在电路上电时就可以搜寻周期性出现的嵌入时钟信号的上升沿。由于有效负载数据位的量值随时间变化, 而时钟位不会, 因此, 无论有效负载的数据样式如何变化, 解串器都可以从串行数据中将数据恢复出来。接收器可以锁定到接收的嵌入时钟信号, 而不是锁定到外部基准时钟信号, 所以对发送器和接收器的时钟信号的抖动要求可以大大放宽。
DS92LV18的时钟信号的设计范围为15~66M, 传输速率最高可达1 Gbps以上, 可很好地实现板卡之间的高速数据传输。如图6所示为DS92LV18的控制时序图, 在此采用30 Mbps的TCLK时钟信号, 数据传输速率可达到540 Mbps。在TCLK的上升沿检测到SYNC信号为‘0’, FPGA有有效数据向背板传输, 发送的18位并行数据经过串化后由DO+/DO-端口发送到背板。在RCLK的作用下, 接收器PLL锁定由RIN+/RIN-端输入的差分信号, 并将其解码为18位的并行数据传输至FPGA, LOCK为‘0’, 显示PLL已经锁定信号, 如果为高, 说明信号失锁, 接收数据不正常。FPGA并不是一直在发送有效数据, 而是有需要时才会发送, 在每次发有效数据时都需要重新锁定数据, 并且使TCLK同步。因此在设计其工作时序时, FPGA在发送有效数据的空档, 继续发送无效数据, 使数据的发送不间断。在FPGA无数据发送时, 将DS92LV18切换到自转发模式, 即将RIN+/RIN-端口接收的数据直接由DO+/DO-转发, 使得差分信号不间断传输, 减少丢失数据的概率, 从而实现数据的高可靠性传输。
为实现LVDS信号传输的高可靠性, 在设计LVDS板时, 需要考虑差分走线、阻抗匹配、串扰和电磁干扰 (EMI) 等大量的因素。LVDS信号占用两根导线, 为了确保最小的反射和保持接收端共模噪声的抑制, 差分走线在离开驱动器后要尽量靠近, 整个走线中两根线的间距应保持恒定, 线长尽量保持相同。尽可能减少信号路径上的过孔数或其他阻抗的不连续。LVDS输出是电流模式输出, 它的闭合环路中需要一个终端电阻, 终端电阻值的选择应与差分传输线的阻抗相匹配, 一般为100Ω, 并使其尽量靠近接收端。为了减少LVDS之间的串扰, 差分信号必须与单端信号相隔离, 可通过电源层和地层隔离LVDS信号。LVDS差分信号, 磁力往往能够相互抵消, 而电场趋于耦合, 与COMS和TTL信号相比只能产生少量的EMI[6]。
3.2 性能测试
设计的信号源输出的数据字可以是固定值, 固定值有四种波形数据, 如正弦波, 矩形波, 直流量及锯齿波。如图7所示, (a) , (b) , (c) , (d) 分别是信号源输出数据字经LVDS总线传输到上位机经分析后显示的正弦波, 矩形波, 直流量及锯齿波波形图。
通过观察图7信号源输出的波形, 说明该信号源可以很好地实现信号的产生, 其LVDS总线可以很好地实现信号源卡与背板之间的数据通信。
4 结论
本文设计了基于LVDS总线的数字信号源, 该信号源采用LVDS传输方式作为与背板之间的通信方式。详细介绍了LVDS总线的设计原理及布板规则。LVDS具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射的特点。实验表明, 所设计的LVDS总线很好地实现了高速大容量的数据传输。该信号源可以输出码速率连续可调的PCM信号, 可输出正弦波, 矩形波直流量及锯齿波的波形数据。输出信号的波形可由用户通过上位机软件设定, 可用于遥测设备的状态检测及调试工作。
参考文献
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差分跳频技术探析 篇4
要探究差分跳频技术的原理, 首先让我们来看一下这个公式Fn=G (Fn-1, Xn) , 其中Fn为当前的频率值, 上一跳为Fn-1, Xn则代表当前时刻的数据符号。而G (·) 可以看做一个G函数, 而且G函数可以实现正变换和逆变换。G函数的正变换是上一跳时刻的频率值和当前数据符号通过G转换成当前时刻频率值, 逆变换则是上一跳和当前的频率值通过G变换成当前时刻数据。这就要求首先要用接收端的数字化宽带接受信号后, 由FFT分析出上一跳和当前的频率值, 经G函数逆变换求的当前时刻数据。
因为差分跳频技术用的是软件无线电的方式, 所以就简化了系统有关硬件方面的电路结构。而解调的过程则是在接收端运用A/D采样化模拟信号为数据信号, 接着和吓一跳采集来的数据进行FFT运算, 得到当前时刻频率。根据上图, 前一次的频率点如果和当前的不相等, 则为不同步, 进而不能确定解调频率的工作。反之只有同步后才能确定真正的解调码。
这些原理决定了差分跳频技术的几大特性。首先, 有关的G函数具有产生跳频图案和调制解调的功能, 可以说G函数是这一技术的核心。G函数的变换, 不仅使跳频控制和数传过程自动产生了跳频图案, 而且使频率和数据之间“书-频”编码得以实现。但是对于G函数的探究还应继续深入, 因为数据流的难以控制的特性, 直接的影响了跳频图案的性能。其次, 作为一种异步跳频体制的差分跳频对于任意时刻的发端频率是无法预测的, 从而则是消除了频率符合其的需要。最后, 这种技术所用的体制还是一种相关的跳频体制。这是由于差分跳频所用的G函数, 使得上下频率是息息相关的, 就连解调还原都是依照这种相关性, 也可以称这种跳频为相关跳频。
二、差分跳频技术的有关分析
在差分跳频通信的过程中, 会产生跳频图案。所以我们需要对跳频图案进行分析。跳频图案又有哪些特点呢?我们接下来进行介绍。
(1) 相邻频点具有不重复性。在差分跳频图案进行转移时, 一定会从另外一个频率子集中选出一个频率, 所以不会产生相邻相同的频率, 即跳频图案相邻频点具有不重复性。 (2) 初始频率与待传数据流决定了跳频图案。差分跳频图案不但与发端数据流有关, 还和初始频率有关。所以, 在收端必须得到初始频率, 否则收端无法恢复出发端的数据。 (3) 跳频图案不存在初始密钥, 跳频密钥其实就是数据流, 数据流是一种不断改变着的流动密钥。 (4) 时间不参与跳频图案的运算。
以前的跳频图案和和差分跳频图案不同, 以前的跳频图案出了序控制意外, 初始密钥和时间参数都是跳频图案运行的一部分。而差分跳频图案的运行只需要数据流, 它就相当于密钥, 而与时间无关。
除此之外, 我们还要对差分跳频技术的抗干扰力进行一定的分析。差分跳频技术的抗干扰性是由它的高跳速所促成的。多径时延远远大于频率驻留的时间, 这样便使本跳信号无法落到本跳内, 可是如果把驻留时间变小, 就是本跳信号落入下一跳的几率提高。而本跳和下一跳的频率不相同时, 根据正确的频率拣择, 会出现检测失误, 形成干扰信号。所以差分跳频的抗干扰性仍然有待加强。据此, 很多人用增加带宽的方法来提高它的抗干扰能力, 这有异于传统和常规的跳频技术, 主要是提高阻塞的抗干扰能力也同样是提高抗多径干扰能力。
三、差分跳频技术的应用
差分跳频是一种新型的扩频技术, 不同于传统调频技术, 它有着传输速度快、防跟踪性能强等特点。所以差分跳频技术能够很好地用于其他领域。下面我就来介绍差分跳频技术是如何运用于短波窄带猝发通信的。
在发射与接收方面窄带差分跳频和宽带差分跳频基本上是相同的。而在跳速、频率集频点数等方面它们存在着差异, 这几个方面共同决定了差分跳频的属性。
与宽带差分跳频相比, 窄带差分跳频的带宽窄, 所以它们相同的跳速时, 可用的频数就会减少。这就是由带宽和最小频率共同决定的。所以说最小频率间隔的选择是最重要的也是最基础的。接下来还要对频率集频点数与最小自由距离进行选择。
所谓的最小自由距离, 就是对于两条互相一同且长度无限频率转移路径中的最小汉明距离。这一选择必然和差分跳频的核心G函数有着密不可分的联系, 也可以说G函数确定了最小自由距离, 而最小自由距离则是一种重要参数, 它影响了通讯系统误码性。
而另一种选择是频率集频点数, 它承接了最小频率间隔, 并且是由跳速和带宽的反比来决定的其中的可用频点数。必然, 这一项也是和G函数紧密联系的, 根据G函数的相关性, 就可以看出在频率序列频率依次表现出均匀性和随机性, 这就要求着DFH编码的完备。除此之外, 还要求最大的频率集里面的频率点数不大于带宽内的, 这也就是决定了, 跳速影响着最大频率集的频率点数。
高速的数据传输能力是差分跳频技术的特点, 跳速越高, 传输速率又快。当跳速确定的情况下, 每跳所带的比特数越多, 传输速率就越快。
四、结束语
数字差分技术 篇5
GPS是一种高精度卫星定位导航系统[1]。在实验期间,它能给出高精度的定位结果。此时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度,但由于用户要求还不迫切,所以这一技术发展较慢。然而,随着GPS技术的发展和完善,应用领域的进一步开拓,人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能。卫星差分导航系统可以极大地提高卫星定位系统的精度和定位完整性[2],最普遍的结构由参考站、数据通信网络和移动站三部分组成。由图1[3]可知,差分GPS定位技术的基本原理为:事先经过精确测量定位的参考基站利用高质量的卫星接收机,估算每一颗卫星测量中缓慢变化的各种误差分量,形成对可见卫星的测量修正,再通过数据通信网络广播给附近的移动用户,这样就可以得到比单点定位更高的精度。
2 差分GPS定位技术的方法
卫星差分定位有很多不同的方法,它们大体可以分为局域差分系统、广域差分系统和网络差分系统[4,5]。
大部分局域差分系统使用单参考站,利用测站间误差具有时空强相关性原理,根据已知位置信息和GPS观测数据生成差分改正信息,通过无线通讯链路实时播发给移动站。局域差分一般可分为基于码相位的差分(包括位置差分和伪距离差分)和基于载波相位的差分。如果基站和移动用户的距离在10公里以内,基于码相位的差分可以实现亚米级定位精度[3]。基于码相位的差分除了系统比较简单以外,还有一个好处:由于它只需要传输每一颗卫星伪距离的标量修正,而且标量修正是缓慢变化的,系统传输的数据量很小,节约网络资源。由于伪距容易受到多径的影响,使得复杂环境下的定位精度变差,甚至失效。载波相位差分是一种高精度定位模式,通常称为实时动态(RTK)技术,其测量卫星信号从导航卫星到参考基站的相位变化,达到百分之几的载波波长的精度,通常为厘米级精度。但高精度的实时动态系统有两个主要缺点:1) 由于计算整数模糊度需要载波相位的测量和传输,载波相位是每一时刻快速变化的量,系统数据传输量比基于码相位的差分系统要高很多;2) 确定整数模糊度需要比较长的时间,通常在静态的用户需要几分钟甚至几十分钟的时间。因此实时动态系统在高动态下确定整数模糊度就更加困难。
广域差分系统是利用服务区内的参考站网监测可见GPS卫星,计算每一颗卫星的矢量修正[6]。矢量修正包括卫星时钟修正、卫星位置的三个坐标的修正、以及格点化的电离层延迟参数。广域差分系统的精度和局域差分接近,但它可以覆盖到整个国家甚至地球的区域,而且它比覆盖同样面积的局域网构建使用更少的参考站。目前覆盖范围最广的广域差分系统是美国航空航天局部署的广域增强系统(WAAS/SBAS)[7]。用户接收机的基带芯片只有配备用于处理SBAS信息的通道,卫星通讯使用成本昂贵,一般民用场合难以承受;而且域增强系统的建设,需要由国家级部门牵头统一规划协调,一般的地区行业无法完成[4]。
网络差分技术[5]是GPS理论发展与现代通信技术结合的产物,能够克服常规差分方法存在的缺陷,使用户更便捷地在较大空间范围内获得均匀、高精度和可靠的定位结果。国外目前比较成熟的网络差分技术有VRS(虚拟参考站)技术、FKP(区域改正数)技术和MAC(主辅站)技术。在国内,网络差分技术也取得了一些成果:武汉大学提出了一种网络RTK系统误差改正模型——综合误差内插技术(CBI);东南大学采用GPRS(通用分组无线业务)与Internet无缝链接技术集成GPS模块,开发了网络差分移动站终端等。但总的来说,国内的网络差分技术与国外的差距还比较大。
3 差分GPS定位技术的传输协议[5]
网络差分系统中差分改正信息的生成是系统实现的关键技术之一,而网络差分系统必须发布符合标准协议的差分改正信息,以适于各个不同的接收机。常用的GPS差分协议主要包括以下几种:
1) RTCM差分协议:国际海运事业无线电技术委员会(RTCM)为全球应用差分GPS业务制定了RTCM SC—104差分电文标准协议。
2) RTCA差分协议:为了满足局域差分系统和广域差分系统的技术要求,航空无线电技术委员会(RTCA)制定了RTCA SC—159差分电文标准协议。
3) 专门用于实时动态定位的CMR差分协议:由于近几年来,实时动态载波相位差分技术的出现,美国Trimble公司制定了专门用于RTK的CMR差分协议。
以上三种差分协议中,使用最广泛的是RTCM标准协议。但是由于现代定位技术的不断发展,原有的差分协议并不能完全满足它们的需求,出现了扩展差分协议。如德国的GEO++组织为了提高定位精度和减少数据发送量提出了RTCM++协议;另外,为了传输区域改正数,GEO++组织在RTCM++的基础上,制定了RTCM-Adv差分协议等。
4差分GPS定位技术的应用现状
在当今信息社会中,交通运输的合理调度和管制对于生产和人的生活有着很重要的作用。自GPS问世以来,许多应用需要很高的精度。例如对警车、消防车等的定位,必须具有足够的精度,不能误导其位置到其他的街道,这时就需要采用差分GPS技术,进而提高用车的使用效率。此外,差分GPS在水下地形测绘,大比例尺测图,海洋石油勘探和定位,航空摄影,飞机精密进场和船舶机动性能测定,农业领域和载体姿态测定中必不可少[8]。
随着科技的不断发展,智能手机等电子产物越来越离不开人们的日常生活。众所周知,手机导航已存在了很多时间,同时也被人们广泛使用。但是,目前的手机导航定位精度很差,越来越满足不了人们的需求。然而,如果在手机导航定位中加入差分技术,则可以大大提高手机导航的精度,更方便人们的出行。
同时,随着智能交通特别是车联网技术与产业的兴起,完全可实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用,并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务的系统。因此,我们可以将差分GPS定位技术应用到车辆导航中,提高车辆导航的定位精度,进而实现精确到厘米级的车道间的定位。
最近,美国高速公路安全管理局提出了V2V(vehicle to vehicle)技术,也就是让汽车之间建立联系。该技术系统将综合使用GPS、雷达以及摄像头技术,当发现迎面驶来汽车时,及时将它的行驶轨迹预报给司机,从而使司机避开前方车辆。系统还会在两车之间进行通信,以避免在路口发生交通事故。因此,如果V2V技术不采用传统的GPS技术而采用差分GPS定位技术的话,将使车辆的定位精度更高,使得V2V技术在交叉路口等事故多发地的预报更加精准,尽量降低交通事故的发生。对车辆加入差分定位技术,还可以实现停车场的智能停车管理,也可以应用在交警部门对路边违规停车车辆的查询上。当交警部门通过网络查询到某地出现违规停车时,可以立马调动人手进行开罚单处理,提高了交警部门的执勤效率,同时也可以有力整顿路边违规停车的情况。由于网络差分技术可以带来高达厘米级的定位精度,故差分GPS定位技术同样也可以应用在电缆监测、高铁桥梁和路基结构健康实时监测。
5 结束语
GPS导航定位技术的日益普及已深深地影响和改变人们的生活,但传统的GPS定位技术由于受到各种测量误差的影响,其定位精度已不能满足当前的需求。减少GPS测量误差显然能提高其定位精度,而差分GPS可以有效地降低甚至消除各种GPS测量误差,故研究差分GPS定位技术的原理和应用具有重要的现实意义。同时,由于差分GPS定位技术的不断成熟,其应用已逐渐渗入到人们的日常生活中。因此,更进一步地拓展差分GPS定位技术在各行各业中的应用将是未来的发展趋势。
摘要：全球导航卫星系统(GNSS)为人类导航定位提供了巨大的便利,特别是美国的全球定位系统GPS。GPS接收机由于受到电离层延时、对流层延时、卫星时钟偏差、卫星时钟频率漂移、卫星星历偏差、多径误差等影响,定位精度在最优情况下只能达到7-10米。为了提高定位精度,出现了差分GPS定位系统,实现了亚米级、甚至厘米级的定位精度。因此,对差分GPS定位技术的原理和应用进行研究具有重要的现实意义。
数字差分技术 篇6
1 概述
差分GPS (DGPS) 定位技术即差分全球定位系统 (Differential Global Position System, 简称DGPS) , 是在GPS的基础上利用差分技术使得用户能够从GPS全球定位技术中获得更高的定位精度。
DGPS实际上是把一台GPS接收机架设在已精确测定的基础控制点上, 构成基准站。基准站GPS接收机通过接收GPS卫星信号, 计算出基准站到GPS卫星的伪距, 并将测得的伪距与已知的精确距离相比较, 求得该点在GPS全球定位系统中的伪距测量误差, 再将伪距测量误差作为修正值以标准数据格式通过电台向外播发。测区内流动的差分GPS用户接收来自基准站的伪距测量误差修正信息, 以此来修正流动用户的GPS测量值, 从而大大提高其定位精度。差分GPS (DGPS) 定位技术的基础是在同一测区内, GPS缓慢变化的系统误差, 如选择可用性 (SA) 误差, 对基准台及其邻近用户的影响是相同或相近的。应用差分技术来有效削弱SA误差、电离层与大气层延迟误差、星历误差、卫星钟误差等, 以达到用户所需要的高精度定位要求。
2 差分GPS (DGPS) 定位技术在各行各业中的应用
2.1 差分GPS技术在地籍和房地产测量中的应用
在城市建设用地勘测定界测量中, 利用差分GPS定位技术可以实时测定界桩位置, 确定土地使用界限范围、计算用地面积。利用差分GPS技术进行勘测定界放样是坐标的直接放样, 建设用地勘测定界中的面积量算, 实际上由GPS软件中的面积计算功能直接计算并进行检核。避免了利用常规解析法放样的复杂性, 简化了建设用地勘测定界工作程序。而且在土地利用的动态检测中, 也可利用差分GPS技术。传统的动态野外检测采用简易补测或平板仪补测法。如利用钢尺用距离交会法、直角坐标法等进行实测丈量, 对于变通范围较大的地区采用平板仪补测。这种方法不仅速度慢、效率低, 而且费时费力。应用实时动态定位技术进行动态监测则可提高检测的速度和精度, 省时省力, 真正实现了对土地的实时动态监测, 保证了土地利用状况调查的现实性。
2.2 差分动态GPS在城乡道路勘测设计方面的应用
差分动态GPS在城乡道路勘测设计中主要应用于数字地面模型的数据采集、控制点的加密、中线放样、纵断面测量以及无需外控点的机载GPS航测等方面。GPS测量包含有三维坐标信息, 可用于数字地面模型的数据采集、中线放样以及纵断面测量。在中线平面位置放样的同时, 也可获得纵断面。在中线放样中需要实时把基准站的数据由数据链传送到流动站, 从而实时提供流动站的准确位置。由于GPS仪器不如经纬仪那样可以指示方向, 因此, 差分动态GPS在城乡道路勘测设计方面的应用常常需要与CAD系统相结合, 从而便可在计算机屏幕上实时看到流动站的目前位置与道路设计坐标之间的差异。而且机载动态差分GPS技术应用于道路勘测设计中航测成图方面, 在德国和加拿大已经取得了成功, 用载波相位差分测出每个摄影中心的三维坐标, 而不再需要外控点测量, 取得了良好的效果。
2.3 差分GPS技术在城市车辆管理系统中的应用
若采用一般的差分GPS定位技术, 要求安装在每辆汽车上的GPS流动站都要接收差分改正数, 这样会造成车辆管理系统的过于复杂, 成本过高, 所以在实际应用中一般多采用集中差分技术。
其工作原理是:在每辆车上都装有GPS接收机和通信电台, 监控中心设在基准站位置, 位置坐标精确已知。基准点上安置GPS接收机, 同时安装通信电台、计算机、电子地图、大屏幕显示器等设备。工作时, 各车辆上安装的GPS接收机将其位置、时间和车辆编号等信息一同发送到车辆管理监控中心。监控中心将车辆位置与基准站GPS定位结果进行差分计算求出差分改正数, 对每辆车的实时位置进行差分改正, 计算出精确坐标, 经过坐标转换后, 显示在监控中心的大屏幕上。
这种集中差分技术可以简化安装在车辆上的设备。车载部分只接收GPS信号, 不必考虑差分信号的接收。而监控中心集中进行差分处理, 显示、记录和存储。数据通信可采用原有的车辆通信设备, 只要增加适当的通信转换接口即可。此外, 由于差分GPS设备能够实时地提供精确的位置、速度、航向等信息, 车载GPS差分设备还可以对安装在车辆上的各种传感器 (如计程仪、车速仪、磁罗盘等) 进行校准工作。
2.4 差分GPS技术在林业领域中的应用
1) 利用差分或测量GPS建立林区GPS控制网点, 这些具有精密坐标的蕨点, 是林区今后各种工程测量作业必须参照的位置蕨, 如:手持导航GPS仪器的坐标误差修正, 道路、农田、迹地等的勘测。2) 利用差分或测量GPS对林区各种境界线实施精确勘测、制图和面积求算。如:各种道路网、局界、场界地类位置和绘制图形并求算面积, 转绘于林业基本用图上, 达到对各种森林地类变化的动态监测的目的, 测量精度达到分米级。3) 利用差分或测量GPS进行图面区划界线的精确现地落界, 如两荒界、行政区界等。解决现地界线不清和标志位置不准普遍存在的问题。4) GPS技术用于森林防火:利用实时差分GPS技术, 美国林业局与加里弗尼亚的喷气推进器实验室共同制定了“FRIREFLY”计划。它是在飞机的环动仪上安装热红外系统和GPS接收机, 使用这些机载设备来确定火灾位置, 并迅速向地面站报告。另一计划是使用直升飞机、无人机或轻型固定翼飞机沿火灾周边飞行并记录位置数据, 在飞机降落后对数据进行处理并把火灾的周边绘成图形, 以便进一步采取消除森林火灾的措施。
2.5 差分GPS技术在农业生产中的应用
据国外文献资料介绍, 利用差分GPS技术对飞机精密导航, 估计会使投资降低50%。具体应用:利用GPS差分定位技术可以使飞机在喷洒化肥和除草剂时减少横向重叠, 节省化肥和除草剂用量, 避免过多用量影响农作物生长。还可以减少飞机转弯重叠, 避免浪费, 节省资源。对于夜间作业, 更具有其优越性。因为夜间蒸发和漂移损失小, 另外夜间植物气孔是张开的, 更容易吸收除草剂和肥料, 提高除草和施肥效率。依靠差分GPS进行精密导航, 引导农机具进行夜间喷施和田间作业, 可以节省大量的农药和化肥。GPS差分技术在农业领域中的应用不仅适用于大面积种植, 在小面积的农田, 特别是在格网种植的小面积内, 应用小型自动化设备, 配合差分GPS导航设备、电子监测和控制电路, 能够适应科学种田的需要, 可以做到精确管理。
2.6 差分GPS技术在社会公共安全方面的应用
卫星定位技术在社会公共安全方面的主要应用领域有公安、银行、保险、消防、海关缉私等。它的作用是安全事故报警, 防盗反劫, 车队管理, 调度指挥。现已建成的网络中至少有近三分之二是用于安全领域的。如北京、上海等大城市的公安部门已建立起警车、运钞车综合指挥调度系统。有些城市的银行建立了自己的运钞车GPS定位监控系统。北京市交通管理部门通过在巡逻车上安装GPS与通信设备, 使解决交通事故的出警时间缩短 (现在平均仅需要3.6 min) , 有效地保证了主要道路的交通顺畅。
另外, 卫星定位技术在个人安全方面的应用也显示了极大的优越性。随着通信、导航和计算机技术的不断融合, 越来越多的GPS接收机将被嵌入到其他的通信计算机、安全和消费类电子产品中。在美国和日本已开发出了供老年人随身携带的GPS定位紧急呼叫器, 在他们发病或需要帮助时, 利用该装置可以及时发出带有位置信息的求救信息等。
3 传统差分GPS技术存在的不足
传统差分GPS技术除了可以获得较高的定位精度外, 通过对GPS信号的差分改正, 差分GPS还能提高导航的可靠性, 甚至当GPS卫星显示不健康信号时仍能工作。由于基准站在卫星测距信号无法校正时, 能立刻通知用户, 所以改进了系统的完整性。但是, 不管差分GPS如何提高导航精度、可靠性和完好性, 也不能克服掉由于卫星星座几何图形不佳而造成的缺陷, GPS卫星自身先天性的不足。以目前GPS卫星的配置方案, 一旦有一颗卫星发生故障, 或者由于某种原因接收不到GPS信号, 卫星空间几何位置配置不当的缺陷将会更加突出。对可用性要求更高的航空用户, 为了保证GPS在一些特定地区特殊用途时的精确性和可靠性, 提出了伪卫星的概念。
4 结语
本文只是针对差分GPS定位技术在部分行业中的应用作出了一些简单总结, 其在各个行业中的具体实施情况参考其他文献。
摘要：就所了解的差分GPS (DGPS) 定位技术在不同领域中的实际应用, 阐述了差分GPS (DGPS) 技术的基本工作原理, 对其在部分行业中的应用作出了简要叙述, 从而揭示了发展差分GPS (DGPS) 技术的重要性。
关键词：差分GPS (DGPS) ,位置差分,伪距差分,载波相位差分,应用
参考文献
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数字差分技术 篇7
目前, 数字水印技术在互联网和信息化大潮的冲击下日益成为一种新型的信息安全技术, 并得到了人们的普遍认可和广泛应用。众所周知, 这种技术在数字信息的版权保护和认证等现代科技中逐渐暴露出一些缺陷, 如水印嵌入的过程中往往使得原始载体发生轻微的变化, 而水印技术一旦被应用到医学和军事领域中时, 对技术本身的要求是非常苛刻的, 不容许有丝毫的差错, 以防酿成不可挽回的严重事故。因此, 可逆水印技术的研究对有效恢复原始图像载体有着积极而深远的现实意义。
2 当前矢量地图可逆水印技术的研究现状分析
数字水印技术即是将一些标识信息直接嵌入到数字载体之中同时又对原本的载体不会产生负面影响, 人的肉眼又无法直接察觉得到的一种技术, 数字水印技术应用到现代信息化系统之中就可以通过这些隐藏在载体中的信息, 达到确认内容创建者、购买者以及传送隐密信息或者判断载体是否遭到篡改的目的。根据水印的具体特性, 数字水印有鲁棒水印和易损水印两种, 其中鲁棒水印主要应用在数字信息安全的版权保护, 它要求水印应该满足一般图像处理的环境, 并且还能够有效抵制一定程度的恶意攻击。而易损水印则恰恰与之相反。易损水印在普通的图像处理环境中有较强的免疫能力, 但并不是说绝对不允许在水印嵌入后所造成的数据信息失真行为, 它最关键的优势在于可以有效复原那些数据失真现象, 这时, 人们通过观察易损水印的存在状态就可以判断出数据是否真的被篡改过。本文中所涉及的可逆水印技术也即是易损水印的一种。
信息化时代的到来特别是地理信息系统在人们的日常生活中的广泛应用, 使得基于这一系统的二维矢量地图也逐渐得到人们的关注。为防止引起不必要的版权纠纷或重要数据的缺失乃至遭到篡改, 数字化可逆水印技术便应运而生了。可逆水印技术上追求在抽取水印的同时又能够使经过水印化后期制作的作品在需要时完好无损的恢复原状。然而现有的二维矢量地图可逆水印技术在实际操作过程中缺乏对原始地图具体特征的全面认识, 因此就使得水印嵌入过程中有效信息得不到充分地显示, 从而产生了严重失真的情况。数据信息的失真若发生在医疗、军事和司法等领域, 后果不堪设想。因此必须及时采取措施对可逆水印技术进行全面地分析和研究。
3 基于差分扩张的矢量地图可逆水印技术研究
通过上述对当前现有的矢量地图可逆水印技术应用过程中存在的一些缺陷的分析, 为保证该项技术的顺利有效发挥, 这里结合上述未考虑到的一些问题, 运用差分扩张的思想提出一种相对科学有效的技术实施方案。这种方案的具体设想如下:
假设x、y为图像中相邻2点的灰度值, 并且x, y∈Z, 0≤x, y≤255, 则由它们的差分和中值产生一个整数变换, 其中h=x-y, l=floor ( (x+y) /2。经过整数变换的逆变换之后就可以得出:x=l+floor ( (h+1) /2, y=l-floor (h/2) 。从而就建立起了 (x, y) 与 (l, h) 的一一对应。又因为像素的范围在[0, 255], 也就等价于:
若|2h+b|≤min (2 (255-l) , 2l+1) , 则定义差分为可扩张的, 这里b为数据信息0或1。若|2×f (h/2) +b|≤min (2 (255-l) , 2l+1) , 则定义差分为可改变的。
具体而言, 水印嵌入应当首先逐次地或者依据一定的固定运算模式来主导, 将得出的相邻的结果进行组对, 又因为h=x-y, l=floor ( (x+y) /2, 因此可以得出h的值, 从而得出一个关于h的序列, 即{h1, h2 h3 hn……}, 然后把分好的成对的像素值根据差分进行归类, 具体可以归为四类:即第一对, 包含所有的可扩张的h=0差分和可扩张的h=-1的差分;第二对, 包括所有可扩张的h完全不属于第一对的差分;第三对, 包括所有可改变的h完全不属于前两对的差分;第四对包括所有不可改变的差分。
归类之后选择一个阈值, 这里称为T, 然后通过阈值T将第二对再分为两小类, 即分析h的范围大于T和小于T的情况, 并根据h产生一个定位图, 这个定位图所反映出的具体内容是, 当h的范围在第一对的差分归类中同时又小于阈值T, 那么在定位图中的结果就是1;而如果h的范围在第三对和第四对的差分归类中同时又大于阈值T的情况, 在定位图中的结果就是0。把这个定位图进行压缩所得的比特流N, 差分所得的结果都应当详细地作好记录, 并将其组成相应的比特流A。
然后把需要嵌入的信息流记作M, 把N, A, M结合起来组成比特流C。这时, C=N∪A∪M=b1, b2, b3, ...b.n, bi∈{0, 1}, 分析h分别在第一对和小于阈值T的范围以及定位在第三对和大于阈值T的范围中的情况进而把A嵌入到差分中, 从而得出嵌入水印之后的数值对, 即x'=l+floor ( (h'+1) /2, y'=l-floor (h'/2) , 整个水印嵌入过程也就完成了。
在水印的提取中则要按照以下的步骤来操作, 首先要按照与嵌入的时候相同的顺序进行操作, 扫描嵌入之后的水印图像, 也需要进行相邻数值之间的组对结合, 进而运用h=x-y, l=floor ( (x+y) /2这一公式来计算h'的值, 进而也就得出了了序列{h1', h2'h3'hn'……}, 与嵌入水印的步骤相似, 也需要进行差分归类, 可以归为两类, 第一类是包括所有可改变的差分, 第二类即是所有不可改变的差分, 因为x=l+floor ( (h+1) /2, y=l-floor (h/2) , 根据逆推的方法使原始的图像得以恢复, 这样, 水印的提取就得以实现了。
由此可见, 采用相邻数值之间的结合组对进行差分的方式来嵌入水印的方法, 使得嵌入水印之后的图像质量问题得到了保证。
与图像像素的灰度值不同, 数字矢量地图主要是借助于坐标轴来实现的。因此, 水印的嵌入对象也自然应当从像素的灰度转移到地图坐标系中来。在这一范畴内, 坐标值体现为高度相关的一列具有固定精度的浮点数, 那么可逆水印技术的应用就应当基于整数的变换来操作。
假设Pmax是小数点最后一位精确点, 那么 (x, y) =f ( (x°, y°) ×10p) , p≤Pmax, 以此来描述地图中的整数坐标。其中的因变量均为矢量地图坐标中的浮点。针对矢量地图中所包含的一系列的点、折线段或多边形等具体存在形式, 可以假设为数字地图中的多个具体的对象来研究。差异扩张在具体操作实践中的应用即是选取两个像素点的中间值为参考点而不是采用一个点进行研究的, 这在二维矢量地图中也得到了很好的体现和诠释。若一个向量中的中间值和其他浮点所指示的像素值的差额较小, 那么计算的结果也将相应地变小。
可逆水印技术虽然较其他技术实施时的运算诸多庞杂, 但确实对有效数据信息的隐藏能力有很大的优势, 并能够保证不改变原始载体的基础上在需要的时候实现原始数据的本色复原。
加之在数字矢量地图中, 水印的载体是基于一系列的浮点数转化的整数, 那么在忽略扭曲情况的条件下, 整数坐标在自身的随意增大或缩小的变换中就不会有类似图像的灰度溢出问题发生。这样就对水印技术在实际应用过程中对原始数据的隐藏能力低的问题就可以得到有效地缓解。
4 结束语
综上所述, 差分扩张下的可逆水印技术应用在数字矢量地图中, 有效缓解了对原始数据隐藏不佳的缺陷。随着信息化科技化的不断推进, 这项技术还将得到更为广泛的应用和推广, 伴随着越来越多的可逆水印技术的优秀研究成果的出现, 使得其在军事、医疗以及遥感等对数字精确度要求严格的领域更为有效地发挥。
摘要：从差分扩张的角度出发, 对应用在数字矢量地图中的可逆水印技术进行系统分析, 重点探讨如何才能更好地在实际应用过程中将可逆水印技术的优点服务于现实的操作需求。
关键词：差分扩张,矢量地图,可逆水印
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