一種數(shù)據(jù)延拓式相關(guān)的相位差測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，特別是一種數(shù)據(jù)延拓式相關(guān)的相位差測量方法。本發(fā)明的適用對象為任意同頻正弦信號的相位差測量，本發(fā)明包括以下步驟：首先，對采樣信號作周期預(yù)估計；然后，對數(shù)據(jù)長度是否整周期進行判斷，對非整周期的數(shù)據(jù)長度作整周期數(shù)據(jù)延拓處理，使相關(guān)計算的長度恰好或者近似為整周期，從而達到提高相關(guān)法相位差測量精度的目的；最后，利用相關(guān)法相位差計算公式計算得到信號的相位差。本發(fā)明涉及的相位差測量方法實現(xiàn)簡單、抗噪性能更強、精度更高，消除了相關(guān)法相位差測量精度受非整周期采樣的影響，可結(jié)合其它方法共同提高相關(guān)法的相位差測量精度。
【專利說明】一種數(shù)據(jù)延拓式相關(guān)的相位差測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，特別是一種數(shù)據(jù)延拓式相關(guān)的相位差測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相位差的測量在故障診斷、導(dǎo)航定位、測試控制、電力電子、通訊、雷達等領(lǐng)域均有著重要且廣泛的應(yīng)用。例如，電網(wǎng)電能計量中功率因素的確定，涉及到相應(yīng)電壓與電流間相位差的準確測量；在高精度的雷達精密定位上，依賴于對同頻信號相位差的高精度測量；在高精度流量測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的科氏流量計，相位差的測量精度直接影響流體質(zhì)量測量精度。因此，實現(xiàn)對相位差的高精度測量顯得尤其重要。
[0003]相關(guān)法利用兩路同頻正弦信號的延時為零時的互相關(guān)函數(shù)值與其相位差的余弦值成正比的原理得到相位差，在信號處理中得到了廣泛應(yīng)用。由于噪聲信號通常與有效信號相關(guān)性較小，相關(guān)法具有良好的噪聲抑制能力，能夠抑制所有與參考信號不相關(guān)的各種形式噪聲，但對于相關(guān)性較強的干擾信號和諧波干擾，在低信噪比條件下測量誤差較大。此夕卜，相關(guān)法要求對信號實行嚴格整周期采樣，在整周期采樣條件下可實現(xiàn)相位差的準確測量，但在非整周期采樣條件下測量精度還有待提高。為提高相位差的測量精度，相繼出現(xiàn)了多種基于相關(guān)原理的相位差測量新算法或改進算法，主要有以下幾種:
[0004](I)參考文獻[I]:左自強，徐陽，曹曉瓏，等.計算電容型設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)的相關(guān)函數(shù)法的改進[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28 (18):53-57.文獻[I]方法的基本思想是采用插值取整周期的方法對積分區(qū)間進行修正，用梯形積分代替矩形積分對數(shù)值積分方法進行改進，并選取合適的采樣頻率和采樣點數(shù)來提高計算精度。該方法計算精度受積分區(qū)間、數(shù)值積分方法和數(shù)值積分步長的影響，存在影響因素多且計算復(fù)雜的問題。
[0005](2)參考文獻[2]:李建民，趙鵬，侯文，等.基于相關(guān)理論的相位差算法的誤差研究[J].中北大學學報(自然科學版)，2009，30 (6) =616-619.文獻[2]采用雙相關(guān)法，需要產(chǎn)生兩個同頻的、具有90°相移的參考信號，將輸入和輸出信號分別與兩個參考信號進行相關(guān)運算求得信號的相位差。該方法減少了隨機性造成的相位誤差，但非整周期采樣情況下的相位差誤差仍較大。
[0006](3)參考文獻[3]:鄭勝峰，樓海燕，范文晶，等.一種基于多重相關(guān)法的相位差測量方法[J].宇航計測技術(shù)，2008，28 (5):57-60.參考文獻[4]:鄭勝峰，陳素明，狄金海，等.一種基于多重互相關(guān)的相位差測量新方法[J].宇航計測技術(shù)，2012，32 (I):34-40.文獻[3]和文獻[4]利用正弦信號的特殊性質(zhì)，通過對信號進行多次的自相關(guān)和互相關(guān)運算，再利用相關(guān)原理求解信號的相位差。該方法能提高低信噪比情況下的相位差測量精度，但測量精度也受采樣是否整周期的影響。
[0007]綜上所述，相關(guān)法的相位差測量方法具有重要研究意義和應(yīng)用價值，但現(xiàn)有方法存在諸多問題，這些方法要么存在計算量較大的問題，要么無法完全消除非整周期采樣對測量結(jié)果帶來誤差的影響，需要提出一種計算簡單，可完全消除非整周期采樣對測量結(jié)果帶來誤差影響的相位差測量方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提出一種計算簡單，可消除非整周期采樣對測量結(jié)果帶來誤差影響的相位差測量方法，適用于任意同頻正弦信號的相位差測量，解決現(xiàn)有相關(guān)法相位差測量存在的主要問題，拓展其應(yīng)用范圍。
[0009]本發(fā)明提出一種數(shù)據(jù)延拓式相關(guān)的相位差測量方法。
[0010]本發(fā)明包括以下步驟:
[0011]第一步:對信號的頻率或周期進行預(yù)估計。假定獲得兩路短時信號的采樣數(shù)據(jù)分別為X=IiX1, χ2，…，Xn-1? xj，y=[yi，12，…，yN-1? yN]，P e Z+為一個周期的采樣點數(shù),周期估計結(jié)果設(shè)為P。
[0012]第二步:對數(shù)據(jù)是否整周期進行判斷。假定N除以P的商是k，余數(shù)為m。若m=0，則相關(guān)長度與信號的整周期相匹配，成整數(shù)倍關(guān)系，此時數(shù)據(jù)無需處理。若m>0，說明相關(guān)長度超過k個周期但未達到k+Ι個周期。
[0013]第三步:進行數(shù)據(jù)處理?？煞謨煞N情況進行數(shù)據(jù)處理:
[0014]I)進行數(shù)據(jù)的剔除，即根據(jù)信號的周期性，從采樣數(shù)據(jù)X，y中剔除整周期數(shù)據(jù)外的m個數(shù)據(jù)[xkP+1，…，xkP+m]，[ykP+1,…，ykP+m]，使相關(guān)長度為整周期，剔除數(shù)據(jù)后的信號序列為:
[0015]xe= [χ1； χ2,…，xkP], Ye=Ly1, J2,…，ykP]
[0016]2)進行數(shù)據(jù)的延拓，即根據(jù)信號的周期性，從采樣數(shù)據(jù)X，y中查找P-m個數(shù)據(jù)[x(k-1)P+m+1J…，Xkp]，[y(k-1)P+m+1，…，ykp]，將其合并到原數(shù)據(jù)序列X，Y之后，使相關(guān)長度為整周期，數(shù)據(jù)延拓后的信號序列為:
[0017]Xe-[Xi J X2J …，XN，X(k-l)p+m+l，…，Xkp]，ye_[yi，又2，…，Yn，y(k-l)P+m+l，...J YkP I
[0018]需要指出的是，針對短時正弦信號，由于獲得信號的采樣數(shù)據(jù)點數(shù)較少，且信號里還帶有噪聲的干擾，通過數(shù)據(jù)剔除調(diào)整信號序列為整周期的辦法可提高算法測量精度，但會減少數(shù)據(jù)本身所帶有的信息量；采用數(shù)據(jù)延拓的辦法，在原有數(shù)據(jù)點數(shù)的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)據(jù)的信息量，在提高算法精度的同時，也可提高算法的抗噪性，其實用性更強。
[0019]第四步:利用相關(guān)法計算相位差。把經(jīng)數(shù)據(jù)延拓處理后的信號xe，ye分別作自相關(guān)和互相關(guān)運算，再利用互相關(guān)函數(shù)計算出相位差。假定△ Θ為兩路信號的相位差，Rxy(O)、Rxx (O)、Ryy (O)分別為xe，ye的互相關(guān)和自相關(guān)函數(shù)，則
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)據(jù)延拓式相關(guān)的相位差測量方法，其特征在于:適用對象為任意同頻正弦信號的相位差測量； 該方法包括以下步驟: 第一步:對信號的頻率或周期進行預(yù)估計。假定獲得兩路短時信號的采樣數(shù)據(jù)分別為X = [X1, X2,...，xN_1； xN], y=[y1； y2,..., Yn^1 , yN]，P e Z+為一個周期的采樣點數(shù),周期估計結(jié)果設(shè)為P。 第二步:對數(shù)據(jù)是否整周期進行判斷。假定N除以P的商是k，余數(shù)為M。若m=0，則相關(guān)長度與信號的整周期相匹配，成整數(shù)倍關(guān)系，此時數(shù)據(jù)無需處理。若m> O，說明相關(guān)長度超過k個周期但未達到k+1個周期。 第三步:進行數(shù)據(jù)處理?？煞謨煞N情況進行數(shù)據(jù)處理: 1)進行數(shù)據(jù)的剔除，即根據(jù)信號的周期性，從采樣數(shù)據(jù)x，y中剔除整周期數(shù)據(jù)外的m個數(shù)據(jù)[xkP+1，…，xkP+m]，[ykP+1，…，ykP+m]，使相關(guān)長度為整周期，剔除數(shù)據(jù)后的信號序列為:
Xe- [χ-- Χ2? …，XkP] ? Ye-Ly1J y2J...,YkP] 2)進行數(shù)據(jù)的延拓，即根據(jù)信號的周期性，從采樣數(shù)據(jù)x，y中查找P-m個數(shù)據(jù)[Xa^1)Ρ+Π1+1，…，xkP]，[y(k-1)P+m+1，…，ykP]，將其合并到原數(shù)據(jù)序列x，y之后，使相關(guān)長度為整周期，數(shù)據(jù)延拓后的信號序列為:
Xe_tXl? Χ2? …，XN，X(k-l)P+m+l，…，Xkp]，Ye-[Y I，丫2，…，JfN，Y (k_l) P+m+1，***? YkP^ 需要指出的是，針對短時正弦信號，由于獲得信號的采樣數(shù)據(jù)點數(shù)較少，且信號里還帶有噪聲的干擾，通過數(shù)據(jù)剔除調(diào)整信號序列為整周期的辦法可提高算法測量精度，但會減少數(shù)據(jù)本身所帶有的信息量；采用數(shù)據(jù)延拓的辦法，在原有數(shù)據(jù)點數(shù)的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)據(jù)的信息量，在提高算法精度的同時，也可提高算法的抗噪性，其實用性更強。 第四步:利用相關(guān)法計算相位差。把經(jīng)數(shù)據(jù)延拓處理后的信號Xe，分別作自相關(guān)和互相關(guān)運算，再利用互相關(guān)函數(shù)計算出相位差。假定Λ Θ為兩路信號的相位差，Rxy(O),Rxx (O)、Ryy (O)分別為xe，Ye的互相關(guān)和自相關(guān)函數(shù)，則 A/1 { ^ (O) I
△0 = arccos , -L =.
【文檔編號】G01R25/00GK103926463SQ201410055705
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年2月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月16日
【發(fā)明者】涂亞慶, 沈廷鰲, 李明 申請人:中國人民解放軍后勤工程學院