一种基于全相位滤波的密集谱频率估计法制造技术

一种基于全相位滤波的密集谱频率估计法，通过计算以FFT为中心的3根谱线的相位谱值的差分相位及其均值，提出谱峰附近的相位线性偏离因子概念，以3根谱线的线性程度作为密集谱是否存在的判据；为提升密集谱校正精度，借助全相位点通滤波器依次去除所关注的成分的带外干扰，得到较为平稳的输出，进而对滤波输出的样本段做加汉宁窗FFT，实现各密集成分有效分离，再结合比值频谱校正器，计算加汉宁窗FFT峰值谱和次高谱的幅度比值，估算其频偏值，进而输出频率估计值；该算法可以大大消除系统误差，提升现有的各种频率估计精度，具有较高的实用价值。

A Dense Spectrum Frequency Estimation Method Based on All-Phase Filtering

【技术实现步骤摘要】
一种基于全相位滤波的密集谱频率估计法
本专利技术涉及数字信号处理领域，具体涉及一种基于全相位滤波的密集谱频率估计法。
技术介绍
频率估计是振动工程中最基本的测量问题之一。许多物理量的测量(如大气动力学中的雷达风速测量[1]、阵列信号处理中的波达方向估计[2]、振动分析中的转速测量[3]等)都可转化为频率估计问题；频率估计也是频谱分析理论中最基本的问题，而其中基于FFT的经典谱分析方法，相比于各种现代谱估计方法(如AR模型法[4]、多重信号分类法[5]、旋转不变参数估计法[6]等)，具有其所不能比拟的运算效率高、耗费内存小的优势，故在仪表设计、电力谐波分析、旋转机械故障诊断等工程领域中得到非常广泛的应用，基于FFT的频率估计器一直是学术研究的热点问题。影响FFT频率估计精度主要有两方面因素：频谱泄漏和栅栏效应。频谱泄漏可通过加窗来改善，对于单复指数成分，理想的傅立叶谱是冲激函数(即对应单根谱线)，但因存在谱泄漏，其直接FFT的可能结果是产生5根以上的大能量值谱线，加窗FFT可起到抑制泄漏的效果，表现在其主要能量通常集中在3根谱线上；而栅栏效应则可以通过频谱校正的途径来解决，具体说来，就是借助内插措施，对峰值谱附近的谱线做进一步修正和细化来提升估计精度，设计不同的内插算法就产生多种频率校正器(如Quinn校正器[7]、能量重心校正器[8]、Macleod校正器[9]、Candan校正器[10]、比值校正器[11]、AM谱估计器[12]、Tsui估计器[13]等)。文献[14]指出，频谱校正误差来源于3个方面：系统固有误差、谱间干扰误差和噪声干扰误差。需指出，经过文献[7]～[12]在内插算法设计方面的不断完善，其系统误差做得越来越小，精度越来越高，可以说几乎不存在提升的空间(如AM估计器的频率估计均方误差仅为克拉美-罗限的1.0147倍，再降低几乎很困难)。然而，需指出的是，文献[10-12]的频谱校正算法都是针对单频复指数信号而推导出的，即没有考虑存在谱间干扰误差的情况，故只适用于单频信号或者间隔较远的多频信号情况，对于频率间隔较近的密集谱信号，由于存在严重的谱间干扰，其频率估计精度会急剧降低。因而如何提升密集谱校正精度是急待解决的问题。密集谱校正具有很高的工程意义，因为密集谱实际上是和短样本情况紧密联系在一起的：在采样速率fs不变的情况下，其FFT频率分辨单位Δf＝fs/N，因而当工程上无法采集到足够样本时(如地震波测量中，N通常只能取小数值)，则Δf变大，这时会导致两个频率成分的归一化间距|f1-f2|/Δf减小，从而短样本情况趋于变化为频率估计难度更高的密集谱情况。参考文献[1]青海银,张援农,周晨,etal.基于MST雷达垂直风速的大气温度剖面反演[J].物理学报,2014,63期(9):94301-094301.[2]ZHANGYD,AMINMG,HIMEDB.JointDOD/DOAestimationinMIMOradarexploitingtime-frequencysignalrepresentations[J].EURASIPJournalonAdvancesinSignalProcessing,2012,2012(1):1-10.[3]ZHENYANGD,XSTEVEY,TIEGENL,etal.Long-rangevibrationsensorbasedoncorrelationanalysisofopticalfrequency-domainreflectometrysignals[J].OpticsExpress,2012,20(27):28319-29.[4]JONESRH.Identificationandautoregressivespectrumestimation[J].IEEETransactionsonAutomaticControl,1974,19(6):894-8.[5]SCHMIDTRO.Multipleemitterlocationandsignalparameterestimation[J].IEEETransAntennas&Propagation,1986,34(3):276-80.[6]ROYR,KAILATHT.ESPRIT-estimationofsignalparametersviarotationalinvariancetechniques[J].IEEETransactionsonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,1989,37(7):984-95.[7]QUINNBG.Estimationoffrequency,amplitude,andphasefromtheDFTofatimeseries[J].IEEETransactionsonSignalProcessing1997,45(3):814-7.[8]丁康,江利旗.离散频谱的能量重心校正法[J].振动工程学报,2001,14(3):354-8.[9]MACLEODMD.FastnearlyMLestimationoftheparametersofrealorcomplexsingletonesorresolvedmultipletones[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,1998,46(1):141-8.[10]ABATZOGLOUT,CAGATAY.AnalysisandFurtherImprovementofFineResolutionFrequencyEstimationMethodFromThreeDFTSamples[J].IEEESignalProcessingLetters,2013,20(9):913-6.[11]ZHANGF,GENGZ,YUANW.ThealgorithmofinterpolatingwindowedFFTforharmonicanalysisofelectricpowersystem[J].PowerDelivery,IEEETransactionson,2001,16(2):160-4.[12]ABOUTANIOSE,MULGREWB.IterativefrequencyestimationbyinterpolationonFouriercoefficients[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,2005,53(4):1237-42.[13]TSUIJ,CHENGC-H.DigitalTechniquesforWidebandReceivers(3rdEdition)[M].Stevenage:InstitutionofEngineeringandTechnology,2015.[14]黄翔东,王兆华.全相位数字谱分析方法[M].北京:科学出版社,2017.[15]HUANGX,CHUJ,LW,etal.SimplifiedmethodofdesigningFIRfilterwithcontrollablecenterfrequency[J].TransactionsofTianjinUniver本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全相位滤波的密集谱频率估计法，其特征在于：步骤如下：Step1.给定算法所需要的复合信号，以频率fs采样后得到离散序列x(n)，令FFT的频率分辨率Δω＝2π/N，得到对x(n)做加窗FFT后的离散谱表达式X(k)，相位谱表达式为

【技术特征摘要】
1.一种基于全相位滤波的密集谱频率估计法，其特征在于：步骤如下：Step1.给定算法所需要的复合信号，以频率fs采样后得到离散序列x(n)，令FFT的频率分辨率Δω＝2π/N，得到对x(n)做加窗FFT后的离散谱表达式X(k)，相位谱表达式为Step2.选三个位置的相位谱值计算如下两个差分相位根据下式计算得到相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄翔东，曹月彬，
申请(专利权)人：天津大学青岛海洋工程研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37