基于连续小波变换的多普勒信号瞬时速度提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于连续小波变换的多普勒信号瞬时速度提取方法，属于信号处理技术领域。本发明专利技术采用连续小波变换得到输出信号的瞬时频率，然后对各个时刻的瞬时频率进行多项式拟合以减小误差，最后根据拟合后各个时刻点的瞬时频率解算出各个时刻的瞬时速度，适用于没有使用延迟光路和参考光路的干涉仪。本发明专利技术可以更好地做到同时保留时域和频域信息，得到的信号平滑性更好，且不受边界效应限制，应用范围更广，精度更高，可以较准确地提取到各个时刻的速度值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于连续小波变换的多普勒信号瞬时速度提取方法，尤其是对马赫-泽德干涉仪输出的多普勒信号进行瞬时速度提取，属于信号处理

技术介绍
测速技术在日常生活中的应用非常广泛，如汽车行驶速度的测量、电机转速的测量。激光多普勒测速是一种常见的测速方法，其中双光束多普勒测速可达到较高精度，应用较为广泛。但是，这种方法难以进行离焦测量，在测量固体运动的速度时会比较困难，通常只能用来测量流体的运动以及固体的微小振动。激光干涉测速的出现很好地解决了测量固体速度的问题，其原理是将激光器发出的光分成两束，即信号光与参考光，信号光照射到运动物体上后发生漫反射，反射的光与参考光产生干涉现象，通过分析干涉仪输出的多普勒信号得到物体运动的速度。然而，如何准确地从多普勒信号中提取瞬时速度一直是激光干涉测速领域的重点和难点。目前，虽然用来测量速度的激光干涉仪种类很多，但是其信号处理方法主要有三种，第一种方法是将输出信号分成两路，然后通过示波器或数据采集卡测量两路信号的相位差来实现速度的测量，这种方法最大的弊端就是增加了一路输出信号，需要额外的通道采集数据，而激光干涉测速法的输出信号往往频率较高，因此增加一路通道带来的成本较大；第二种方法是通过测量干涉条纹的变化来实现速度的测量，这种方法虽然不需要再将输出信号分成两路，但是直接观测条纹的变化并不容易，因此难以达到较高的精度，虽然采用CCD相机可在一定程度上解决这一问题，但成本也会增加很多；最后一种方法就是直接通过信号处理算法提取信号的瞬时频率，然后根据瞬时频率提取瞬时速度，这种方法虽然不会带来成本的增加，但目前并没有很成熟的算法可以准确地从多普勒信号中提取出速度信号，虽然可以使用FFT(快速傅里叶变换)算法来处理多普勒信号，但是由于多普勒信号的频率随时间变化较快，采用傅里叶变换的方式难以同时保留信号的频率和时间信息，因此测量精度会受到限制，而且计算速度仍有待提高。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有存在的问题，提供了一种基于连续小波变换的多普勒信号瞬时速度提取方法，采用连续小波变换得到输出信号的瞬时频率，然后对各个时刻的瞬时频率进行多项式拟合以减小误差，最后根据拟合后各个时刻点的瞬时频率解算出各个时刻的瞬时速度。小波变换与傅里叶变换相比，可以自动调节自身的尺度来对信号作分解，因此可以更准确地获得信号在频率和时间上的信息，而且对噪声有较好的抑制作用，非常适合多普勒信号的处理。本专利技术的一种基于连续小波变换的多普勒信号瞬时速度提取方法，适用于没有使用延迟光路和参考光路的干涉仪，最适合测量较短时间内速度变化的过程，采样点通常不超过10000个。为了达到更好的效果，通常设置采样率在最大频率的5-7倍。多普勒信号瞬时速度提取方法的实现步骤如下：步骤1)设第k个采样点的第i次迭代尺度值为ai(k)，ai(k)＝ai(t0+kTs)；其中，t0为初始时刻，Ts为采样周期；首先给定初始时刻t0的初始尺度值a0(t0)。步骤2)设当前迭代的尺度值为ai(k)，利用小波变换得到尺度值ai(k)在b＝kTs时刻对应的小波系数WTa(k)＝WT(kTs,ai(k))，设为WTa(k)的相位，则得到第k个采样点的第i+1次迭代的尺度值ai+1(k)为： a i + 1 ( k ) = ω 0 D b [ Ψ a i ( k ) ] ]]>其中，Db表示离散微分算法，ω0为采用的基小波的中心频率。步骤3)根据指定的精度ε判断当前迭代的尺度值ai+1(k)是否满足下式： | a i + 1 ( k ) - a i ( k ) a i ( k ) | < ϵ ]]>若满足该式，停止对第k个采样点的尺度值的迭代，标记所得到的第k个采样点的收敛尺度值ai+1(k)为ac(k)，进入步骤4执行；否则，进行步骤2执行。迭代精度ε的设置范围为[0.05,0.5]，因为过高的迭代精度会使计算速度变慢。考虑到个别尺度值有可能不收敛，步骤3还可设置最大迭代次数为10，来控制迭代过程。步骤4)将第k个采样点的尺度值ac(k)作为第k+1个采样点的迭代初始值a0(k+1)；步骤5)k自增1，重复步骤2～4，直至把所有的采样点都遍历到，并获得各采样点的收敛尺度值。步骤6)根据下式求取待估信号在各采样点的瞬时频率为待估信号在第k个采样点的相位，为基小波在初始时刻的相位。步骤7)对各个时刻的瞬时频率进行多项式拟合，t时刻的瞬时频率拟合为多项式表示如下： f ( t ) ≈ k 0 + k 1 t + k 2 t 2 + ... + k p t p = Σ j = 0 p k j t j ; ]]>其中，p为多项式拟合中的最高次幂，通常根据运动的情况选择合适的p值，通常情况下取p＝3即可达到较好的效果；采用最小二乘估计准则估计系数kj；确定系数kj后根据拟合的多项式重新估计各个时刻的瞬时频率f(t)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于连续小波变换的多普勒信号瞬时速度提取方法，其特征在于，该方法适用于没有使用延迟光路和参考光路的干涉仪，采样点不超过10000个，采样率在最大频率的5‑7倍，通过分析输出信号各个时刻的瞬时频率得到各个时刻的多普勒频移量，进而求出各个时刻的瞬时速度；所述方法的实现步骤如下：步骤1)设第k个采样点中的第i次迭代尺度值为ai(k)，ai(k)＝ai(t0+kTs)；其中，t0为初始时刻，Ts为采样周期；给定初始时刻的初始尺度值为a0(t0)；步骤2)设当前迭代的尺度值为ai(k)，利用小波变换得到该尺度值对应的小波系数WTa(k)，设为WTa(k)的相位，则得到第k个采样点的第i+1次迭代的尺度值ai+1(k)为：ai+1(k)=ω0Db[Ψai(k)];]]>其中，Db表示离散微分算法，ω0为基小波的中心频率；步骤3)根据设定的精度ε判断迭代的尺度值是否满足下式：|ai+1(k)-ai(k)ai(k)|<ϵ;]]>当满足该式时，停止对第k个采样点的尺度值的迭代，标记所得到的第k个采样点的收敛尺度值ai+1(k)为ac(k)，进入步骤4；否则，进行步骤2执行；步骤4)将第k个采样点的尺度值ac(k)作为第k+1个采样点的迭代初始值a0(k+1)；步骤5)k自增1，然后重复步骤2～4，直至把所有的采样点都遍历到，获得各采样点的收敛尺度值；步骤6)根据下式求取待估信号在各采样点的瞬时频率其中，为待估信号在第k个采样点的相位，为基小波在初始时刻的相位；步骤7)对各个时刻的瞬时频率进行多项式拟合，t时刻的瞬时频率拟合为多项式表示如下：f(t)≈k0+k1t+k2t2+...+kptp=Σj=0pkjtj;]]>其中，p为多项式拟合中的最高次幂；采用最小二乘估计准则估计系数kj；确定系数kj后根据拟合的多项式重新估计各个时刻的瞬时频率f(t)；步骤8)确定t时刻的瞬时速度其中，λ为探测光的波长，θ为探测光照射到运动物体的入射角度。...

【技术特征摘要】
1.一种基于连续小波变换的多普勒信号瞬时速度提取方法，其特征在于，该方法适用于没有使用延迟光路和参考光路的干涉仪，采样点不超过10000个，采样率在最大频率的5-7倍，通过分析输出信号各个时刻的瞬时频率得到各个时刻的多普勒频移量，进而求出各个时刻的瞬时速度；所述方法的实现步骤如下：步骤1)设第k个采样点中的第i次迭代尺度值为ai(k)，ai(k)＝ai(t0+kTs)；其中，t0为初始时刻，Ts为采样周期；给定初始时刻的初始尺度值为a0(t0)；步骤2)设当前迭代的尺度值为ai(k)，利用小波变换得到该尺度值对应的小波系数WTa(k)，设为WTa(k)的相位，则得到第k个采样点的第i+1次迭代的尺度值ai+1(k)为： a i + 1 ( k ) = ω 0 D b [ Ψ a i ( k ) ] ; ]]>其中，Db表示离散微分算法，ω0为基小波的中心频率；步骤3)根据设定的精度ε判断迭代的尺度值是否满足下式： | a i + 1 ( k ) - a i ( k ) a i ( k ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国华，许思晨，聂晶，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：北京;11