[發明專利]一種基于ESPRIT算法的細化頻率估計方法

在審

• 申請號: 202210122735.6
• 申請日: 2022-02-09
• 公開（公告）號: CN114460364A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 中科水研（江西）科技股份有限公司
• 主分類號: G01R23/02
• 分類號: G01R23/02
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 楊怡清;熊俊杰

本發明涉及一種基于ESPRIT算法的細化頻率估計方法，包括以下步驟：S1搜索待估計信號的FFT頻譜函數幅度的M₀個峰值點，得到各峰值點處的頻率索引，并得到待估計信號各峰值點的頻率初估計值；S2確定每一個峰值點的ESPRIT算法的當前細化頻率區間；S3對待估計信號在所述當前細化頻率區間內進行復調制，得到頻移信號；S4對所述頻移信號進行數字低通濾波，得到需要分析的頻段序列；S5估計每一個峰值點的所述當前細化頻率區間內的真實信號數，得到每一個峰值點的最優細化頻率區間；S6在每一個峰值點的所述最優細化頻率區間內采用ESPRIT算法估算各信號的頻率，得到每一個峰值點的各信號的最終頻率估計值。

技術領域

本發明涉及頻率估計領域，更具體地涉及一種基于ESPRIT算法的細化頻率估計方法。

背景技術

信號的頻率估計是工程應用中常常存在的問題，許多場景需要對信號的頻率進行精確估計。例如，在頻率調制連續波(FMCW)雷達測距系統中，其可以根據發送波和反射波的差頻信號來得到相關的距離信息，即通過估計差頻信號的頻率來得到估計距離，因此對于差頻信號的頻率估計準確程度直接影響到了估計距離的準確程度，差頻信號頻率的測量精度直接決定了測距的精度。

為了提高頻率估算的精度，許多頻率估計算法被提出。其中，最常見的是快速傅里葉變換(FFT)法，但是其存在柵欄效應和頻譜泄露問題，極大地影響了頻率估算精度。為了克服FFT方法的不足，現有技術采用一種ESPRIT(基于旋轉不變技術的信號參數估計)的超分辨率算法來估算頻率，其利用接收信號相關矩陣的特征分解(EVD)或奇異值分解(SVD)來分離信號子空間和噪聲子空間，然后，利用信號子空間和噪聲子空間相互正交的關系來精確地估計所需信號的參數，其中包括信號個數的估計。

現有基于ESPRIT的超分辨率頻率估計方法，一方面需要計算高維矩陣的特征分解，故其計算復雜度很高；另一方面，由于頻率細化區間、頻率細化倍數和細化頻率區間中的信號數是相互關聯的參數，且細化頻率區間中的信號數是未知的，使得ESPRIT算法難以用于細化頻率估計，這將導致頻率估計精度和頻率分辨率不高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于ESPRIT算法的細化頻率估計方法，將ESPRIT算法用于細化頻率估計以提高頻率估計精度和頻率分辨率，同時降低計算復雜度。

本發明提供一種基于ESPRIT算法的細化頻率估計方法，包括以下步驟：

S1：對待估計信號進行N點FFT變換，得到FFT頻譜函數，搜索FFT頻譜函數幅度的M₀個峰值點，得到各峰值點處的頻率索引，并得到待估計信號FFT幅度譜中各峰值點的頻率初估計值；

S2：確定每一個峰值點的ESPRIT算法的當前細化頻率區間；

S3：對待估計信號在所述當前細化頻率區間內進行復調制，得到頻移信號；

S4：對所述頻移信號進行數字低通濾波，得到需要分析的頻段序列；

S5：估計每一個峰值點的所述當前細化頻率區間內的真實信號數，并且得到每一個峰值點的最優細化頻率區間；

S6：在每一個峰值點的所述最優細化頻率區間內采用ESPRIT算法進行每一個峰值點所具有的數量為真實信號數的差頻信號的差頻頻率估計，得到每一個峰值點的各信號的最終頻率估計值。

進一步地，步驟S2進一步包括：

S21：確定每一個峰值點的當前信號數；

S22：根據每一個峰值點的所述當前信號數計算數據矩陣的行數和細化倍數；

S23：利用FFT峰值點和細化倍數計算和得到每一個峰值點的當前細化頻率區間。

進一步地，對于峰值點j，所述數據矩陣的行數和細化倍數滿足如下關系式：