基于数据延拓和Hilbert变换的相位差测量方法技术

本发明专利技术涉及信号处理领域，特别是相位差的测量方法。本发明专利技术的适用对象为同频正弦信号的相位差测量，包括以下步骤：首先，对两路同频正弦信号进行数据延拓，使数据延拓后的信号(数据延拓信号)成为整周期采样信号；其次，对数据延拓信号进行Hilbert变换，获得解析信号；然后，计算解析信号的互相关和自相关，分别得到互相关信号和自相关信号；最后，对互相关信号和自相关信号进行互相关运算得到互相关函数，利用互相关函数相位的加权平均获得相位差估计值。本发明专利技术涉及的同频正弦信号相位差测量方法能够充分运用同频正弦信号的信息，提高相位差测量精度，改善相位差测量的抗噪性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号处理领域，特别是相位差的测量方法。
技术介绍
正弦信号的相位差测量广泛应用于战场检测、设备故障诊断、雷达、工业测量等领域。例如，科里奥利质量流量计就是通过测量两路正弦信号之间的相位差获得流体的质量流量；发电机出厂试验需要检测发电机三相输出电压的相位差，对相位差的精确测量有很高的要求，所以正弦信号相位差测量方法具有重要的研究意义和应用价值。近年来涌现出了多种相位差测量方法，主要有：过零检测法、相关法、希尔伯特变换法、离散时间傅里叶变换法等。(1)过零检测法(参考文献[1]：任海东，尹文庆，胡飞.基于LabVIEW的三种相位差测量法的对比分析[J].科学技术与工程，2010，1：263-268.)：该方法通过计算两路正弦信号过零时刻的时间差，将时间差转换为相位差。该方法计算量小，测量速度快，但抗噪能力较差。(2)相关法(参考文献[2]：沈廷鳌，涂亚庆，李明，张海涛.基于相关原理的相位差测量改进算法及应用[J].振动与冲击，2014，33(21)：177-182.)：该方法通过两路正弦信号的互相关和自相关获得信号的相位差。该方法无需预知信号的频率即可获得两路信号的相位差，但是其抗噪能力较差，且信号为非整周期采样时误差较大。(3)希尔伯特变换法(参考文献[3]：刘维来，赵璐，王克逸，冯志华，龙潜.基于希尔伯特变换的科式流量计信号处理[J].计量学报，2013，34(5)：446-451.)：该方法通过对两路正弦信号进行Hilbert变换，得到解析信号，通过解析信号的互相关获得信号的相位差。该方法原理简单，但是信号非整周期采样时会出现端点效应，导致相位差误差较大，并且仅采用零序号互相关值，抗噪性能还有待提高。(4)离散时间傅里叶变换法(参考文献[4]：张海涛，涂亚庆.基于DTFT的一种低频振动信号相位差测量新方法[J].振动工程学报，2007，20(2)：180-184.)：该方法通过分别计算两路信号在信号频率出的DTFT，求出其相位，相减之后得到两路信号的相位差。该方法是一种计及负频率影响的相位差测量方法，特别适用于频率很低或接近奈奎斯特频率的振动信号的相位差测量，具有较高的相位差测量精度，但需要预先估计出信号的频率。综上所述，正弦信号的相位差测量方法具有重要研究意义和应用价值，但现有方法存在测量精度不高、抗噪能力较差等问题，需要提出一种测量精度高、抗噪能力强的相位差测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于数据延拓和Hilbert变换的相位差测量方法，适用于同频正弦信号的相位差测量，提高相位差测量精度，改善相位差测量的抗噪性能。本专利技术提出一种基于数据延拓和Hilbert变换的相位差测量方法。本专利技术的基本思想：首先，对两路同频正弦信号进行数据延拓，使数据延拓后的信号(数据延拓信号)成为整周期采样信号；其次，对数据延拓信号进行Hilbert变换，获得解析信号；然后，计算解析信号的互相关和自相关，分别得到互相关信号和自相关信号；最后，对互相关信号和自相关信号进行互相关运算得到互相关函数，利用互相关函数相位的加权平均获得相位差估计值。设有两路同频正弦信号为：x(n)=Acos(ωn+θ1)+z1(n)y(n)=Bcos(ωn+θ2)+z2(n)n=1,2,...N---(1)]]>式中，ω为两路信号的圆周频率，N为信号的长度，A和B分别为两路信号的幅值，θ1和θ2分别为两路信号的初相位，z1(n)和z2(n)分别为两路信号的噪声。本专利技术包括以下步骤：第一步：为有效抑制信号Hilbert变换的端点效应，对两路同频正弦信号数据延拓D个采样点，得到数据延拓后的信号(数据延拓信号)xe和ye为xe={x1,x2,...xN...xN+D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同频正弦信号的相位差测量方法，其特征在于：适用对象为同频正弦信号的相位差测量。该方法包括以下步骤：第一步：对两路同频正弦信号数据延拓D个采样点，获得数据延拓信号xe和ye为xe={x1,x2,···xN····xN+D}ye={y1,y2,···yN····yN+D}···(1)]]>数据延拓信号xe和ye第N+d点的数值分别为xe(N+d)=1BΣb=1B[2cos(bω1)x(N+d-b)-x(N+d-2b)]ye(N+d)=1BΣb=1B[2cos(bω1y)(N+d-b)-y(N+d-2b)]···(2)]]>式中，ω1表示信号的粗略估计值，d∈[0，D]，数据延拓长度D满足|ω1(N+D)2-round(ω1(N+D)2/π)π|/π≤δA···(3)]]>第二步：分别对数据延拓信号xe和ye进行Hilbert变换，获得解析信号xh和yh。第三步：计算解析信号xh和yh的互相关，得到互相关信号rxy为rxy(k+1)=1Ne-kΣn=1Ne-kxh*(n)yh(n+k)k=0,1···Ne-1···(4)]]>计算解析信号xh和yh的自相关，得到自相关信号rss为rss(k)=12(Ne-k)Σn=1Ne-k[xh*(n)xh(n+k)+yh*(n)yh(n+k)]k=1···Ne-1···(5)]]>第四步：对互相关信号rxy和自相关信号rss进行互相关，得到互相关函数，利用互相关函数相位的加权平均获得同频正弦信号的相位差估计值为Δθ=θ2-θ1=Σk=1Ne-1w(k)angle(rss*(k)rxy(k+1))+w(0)angle(rxy(1))···(6)]]>其中w(k)表示权重值，w(k)=Ne-kΣk=0Ne-1(Ne-k),k=0,1,2···Ne-1.]]>...

【技术特征摘要】
1.一种同频正弦信号的相位差测量方法，其特征在于：适用对象为同频正弦信号的相位
差测量。
该方法包括以下步骤：
第一步：对两路同频正弦信号数据延拓D个采样点，获得数据延拓信号xe和...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂亚庆，沈艳林，沈廷鳌，张海涛，
申请(专利权)人：中国人民解放军后勤工程学院，
类型：发明
国别省市：重庆;85