[發(fā)明專利]一種相位差估計(jì)的相頻匹配方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510448265.2
• 申請(qǐng)日: 2015-07-23
• 公開（公告）號(hào): CN105092969B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 涂亞慶;沈艷林;張海濤;李明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院
• 主分類號(hào): G01R25/00
• 分類號(hào): G01R25/00
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• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信號(hào)處理領(lǐng)域，特別是相位差估計(jì)方法。

背景技術(shù)

正弦信號(hào)的相位差估計(jì)廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)檢測(cè)、設(shè)備故障診斷、雷達(dá)、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。例如，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)就是通過(guò)測(cè)量?jī)陕氛倚盘?hào)之間的相位差獲得流體的質(zhì)量流量；發(fā)電機(jī)出廠試驗(yàn)需要檢測(cè)發(fā)電機(jī)三相輸出電壓的相位差，對(duì)相位差的精確估計(jì)有很高的要求，所以正弦信號(hào)相位差估計(jì)方法具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)涌現(xiàn)出了多種相位差估計(jì)方法，主要有：過(guò)零檢測(cè)法、相關(guān)法、希爾伯特變換法、正交時(shí)延估計(jì)方法等。

(1)過(guò)零檢測(cè)法(參考文獻(xiàn)[1]：任海東，尹文慶，胡飛.基于LabVIEW的三種相位差測(cè)量法的對(duì)比分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，1：263-268.)：該方法通過(guò)計(jì)算兩路正弦信號(hào)過(guò)零時(shí)刻的時(shí)間差，將時(shí)間差轉(zhuǎn)換為相位差。該方法計(jì)算量小，測(cè)量速度快，但抗噪能力較差。

(2)相關(guān)法(參考文獻(xiàn)[2]：沈廷鰲，涂亞慶，李明，張海濤.基于相關(guān)原理的相位差測(cè)量改進(jìn)算法及應(yīng)用[J].振動(dòng)與沖擊，2014，33(21)：177-182.)：該方法通過(guò)兩路正弦信號(hào)的互相關(guān)和自相關(guān)獲得信號(hào)的相位差。該方法無(wú)需預(yù)知信號(hào)的頻率即可獲得兩路信號(hào)的相位差，但是其抗噪能力較差，且信號(hào)為非整周期采樣時(shí)誤差較大。

(3)希爾伯特變換法(參考文獻(xiàn)[3]：劉維來(lái)，趙璐，王克逸，馮志華，龍潛.基于希爾伯特變換的科式流量計(jì)信號(hào)處理[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2013，34(5)：446-451.)：該方法通過(guò)對(duì)兩路正弦信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換，得到解析信號(hào)，通過(guò)解析信號(hào)的互相關(guān)獲得信號(hào)的相位差。該方法原理簡(jiǎn)單，但是信號(hào)非整周期采樣時(shí)會(huì)出現(xiàn)端點(diǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致相位差誤差較大，并且僅采用零序號(hào)互相關(guān)值，抗噪性能還有待提高。

(4)正交時(shí)延估計(jì)方法(參考文獻(xiàn)[4]：Douglas L.Maskell，Graham S.Woods.The discrete-time quadrature subsample estimation of delay[J].IEEE transactions on Instrumentation and Measurement，2002，51(1)：133-137.)：通過(guò)信號(hào)時(shí)移獲得正弦信號(hào)的正交分量，利用兩路正弦信號(hào)的同相分量及其正交分量的互相關(guān)獲得相位差估計(jì)值。該方法計(jì)算原理簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但要求設(shè)置適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率才能實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)的90°相移，且由于互相關(guān)信號(hào)誤差項(xiàng)的存在，導(dǎo)致正交時(shí)延估計(jì)方法為有偏估計(jì)。

綜上所述，正弦信號(hào)的相位差估計(jì)方法具有重要研究意義和應(yīng)用價(jià)值，但現(xiàn)有方法存在估計(jì)精度不高、抗噪能力較差等問(wèn)題，需要提出一種估計(jì)精度高、抗噪能力強(qiáng)的相位差估計(jì)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種相位差估計(jì)的相頻匹配方法，適用于兩路正弦信號(hào)的相位差估計(jì)，提高相位差估計(jì)精度，改善相位差估計(jì)的抗噪性能。

本發(fā)明提出一種相位差估計(jì)的相頻匹配方法。

本發(fā)明的基本思想：

首先，根據(jù)正弦信號(hào)的和差角公式，利用兩路正弦信號(hào)和信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)兩路正弦信號(hào)的90°相移，獲得兩路正弦信號(hào)的正交分量；其次，對(duì)兩路正弦信號(hào)及其正交分量進(jìn)行滑動(dòng)互相關(guān)，獲得互相關(guān)信號(hào)；然后，對(duì)兩路正弦信號(hào)及其正交分量進(jìn)行滑動(dòng)自相關(guān)，獲得自相關(guān)信號(hào)；最后，對(duì)互相關(guān)信號(hào)和自相關(guān)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)，得到互相關(guān)函數(shù)，利用互相關(guān)函數(shù)相位的加權(quán)平均獲得相位差估計(jì)值。

設(shè)有兩路正弦信號(hào)為：

式中s_x(t)＝Acos(ωt+θ₁)和s_y(t)＝Bcos(ωt+θ₂)為不含噪聲信號(hào)，ω為兩路信號(hào)的圓周頻率，A和B分別為兩路信號(hào)的幅值，θ₁和θ₂分別為兩路信號(hào)的初相位，z_x(t)和z_y(t)分別為兩路信號(hào)的噪聲。

對(duì)于兩路正弦信號(hào)x和y，設(shè)在N時(shí)刻采樣得到N₀點(diǎn)信號(hào)為：

式中x_N(n)＝s_x,N(n)+z_x,N(n)，y_N(n)＝s_y,N(n)+z_y,N(n)，N₀為信號(hào)的長(zhǎng)度。

第一步：根據(jù)正弦信號(hào)的和差角公式，利用兩路正弦信號(hào)和信號(hào)頻率計(jì)算兩路正弦信號(hào)的正交分量。