[發明專利]一種基于頻譜匹配的短樣本低頻正弦信號參數估計方法

有效

• 申請號: 202110049173.2
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112883787B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 王魁;涂亞慶;郭凌;閆華;蘇永東
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍勤務學院
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00
• 代理公司: 重慶千石專利代理事務所(普通合伙) 50259
• 代理人: 蔡春儒

本發明提供了一種基于頻譜匹配的短樣本低頻正弦信號參數估計方法，屬于信號處理技術領域。所述方法主要針對信號波形周期數小于0.8情況下的單頻實正弦信號，首先計算信號線性預測自相關函數并預設信號頻率估計初值；然后基于最小二乘準則構造誤差函數并通過求導使誤差最小化從而對信號頻率估計初值進行誤差校正；最后通過頻譜匹配和二分法進行迭代頻率估計誤差校正，經一定迭代次數后求得信號頻率、幅度、初相位估計值。該方法能夠在波形周期數取值很小的情況下實現單頻實正弦信號的全參數估計，參數估計精度明顯高于最大似然方法，尤其在噪聲干擾非常嚴重的低信噪比情況下，本發明方法表現出很好的估計性能。因此，本發明的提出和應用可以有效解決短樣本低頻正弦信號因波形周期數不足所導致的參數估計難題。

技術領域

本發明涉及信號處理技術領域，具體涉及含噪實正弦信號的參數估計技術。

背景技術

正弦信號參數估計是信號處理中的基礎課題，短樣本低頻正弦信號即為信號頻率偏低靠近零頻且信號樣本數量極少的正弦信號，常見于地震勘探、電磁波探測、工頻信號檢測等應用場景中。此類信號特征直觀體現為信號波形周期數(Cycles in Record,CiR)不足，由于信號樣本包含的信息量有限，參數估計的難度大幅增加，許多傳統算法估計精度顯著下降甚至完全失效。

針對低頻正弦信號的參數估計問題，中國專利文獻CN109782074A“一種低頻正弦波快速響應全參數估計方法及裝置”提出了以連續的4個采樣點進行全參數估計的方法，具有響應速度快、參數少、應用要求低等優點，但該方法主要針對工程應用，由于計算樣本點數少估計精度偏低，且并未考慮樣本總數很少時CiR對參數估計的影響。對于CiR取值影響的問題，陳奎孚等人(陳奎孚,王建立,張森文.低頻成分的頻譜校正[J].振動工程學報,2008,21(1):38-42.)根據CiR取值大小指出信號頻率高低是一個相對概念，但其提出的頻譜校正法仍然主要針對CiR大于1的情況。文獻(K.H.Li,H.W.Fung,K.C.Teh,etal.Parameter estimation of a real single tone from short data records[J].Signal Processing,2004,84(3):601-617.)基于兩跟或多跟傅里葉變換譜線對短樣本正弦信號進行了準確的參數估計，但該方法同樣難以適用于CiR小于1的情況。進一步，黃清等人(黃清,談振輝.采樣信號周期數對克拉美-羅下界的影響[J].鐵道學報,2010,32(1):114-117.)通過理論分析討論了CiR取值對參數估計性能限的影響，指出當CiR小于0.8時克拉美羅上界會隨CiR減小急劇上升且對初相位非常敏感，此時無論采用何種方法均無法獲得較好的估計性能。為了解決CiR小于1時的參數估計難題。閆格等人(閆格,黃翔東,劉開華.解析全相位短區間正弦波頻率估計算法研究[J].信號處理,2012,28(11):1558-1564.)基于全相位傅里葉變換提出了一種通過計算相位差估計信號頻率的方法，該方法具有一定工程應用價值，但在噪聲影響下精度仍然較低且易受相位模糊影響。

綜上所述，由于短樣本低頻信號具有低CiR的特點,其參數估計問題仍是目前信號處理中面臨的技術難題，急需有針對性地研究解決。

發明內容

為解決上述參數估計難題，本發明提出一種基于頻譜匹配的短樣本低頻正弦信號參數估計方法。該方法可以在CiR小于0.8情況下實現單頻實正弦信號的頻率、幅度和初相位估計，具有比最大似然方法更好的估計性能。在CiR大于0.3小于0.8范圍內，該算法具有較高的頻率和幅度估計精度，尤其在噪聲干擾嚴重的低信噪比情況下精度優勢非常明顯。本發明的應用可以有效解決低CiR情況下的正弦信號參數估計問題，為短樣本低頻信號相關應用場景提供可靠的參數估計結果。