频率估计的多段采样信号融合处理方法技术

多段采样信号融合处理是一种适用于信号频率估计的频域分析方法，通过为各段采样信号设定不同的频域分析参数和相参补偿因子，本方法能补偿由于各段被测信号之间的频率不等、相位不连续对信号处理结果的影响，实现相关信息融合和有用信息提取，以获得更高的频率估计精度。本方法的应用范围广泛，适用于各段采样信号的初相未知、相邻采样段之间的时间间隔未知、在相邻采样段之间的时间间隔内被采样信号发生未知变化、各次采样过程的采样频率不同等情况，能够实现对多段不同频信号的高精度处理，满足多段同频信号、多段降频信号、多段分频信号等情况下的频率估计需要。本方法给出了理论推导过程和验证实验结果与对比，进行了实时计算量分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号频率估计，具体的说，涉及多段采样信号的处理方法。技术背景多段釆样信号指的是，对同一被测对象，在不同时间段或不同采样参数下，通过数次釆 样过程，得到了数段采样信号。各次被采样对象在该次釆样过程中的频率不变，各段采样所 得信号(以下简称为"釆样信号")的频率之间的相对关系已知，相邻段采样之间的时间间隔 可以未知，在相邻次采样之间的时间间隔内被采样信号可以发生未知变化，各次采样过程的 釆样频率可以不同。多段釆样信号尤其是多段同频信号处理问题十分常见，例如，在一些测量设备的校准过 程中，需要对已知对象进行多次测量，然后综合评估设备的工作状况；还例如，在LFMCW雷 达测距过程中，多个回波信号经过延迟-混频、低通滤波后，表现为同一单频信号的多次釆样；在电子对抗过程中，对相雷达进行数字侦收时，也将获得多段(多个脉冲)釆样信号。 众所周知，相比于单段信号，多段同频信号应含有更多的有用信息。但一直以来对多段同频信号进行深度信息融合式的综合处理技术不受重视。其原因在于 一方面，该融合处理过程会产生较大的运算量，当时运算处理器的性能相对不足；另一方面，以往的研究中，多将待处理信号近似为某一段时间内的平稳信号且背景噪声的幅度相对较低，从而得到采样持 续时间较长的平稳信号，即单段采样数据中包含有足量的、易于提取的信息，已能满足当时 的测量要求。在此情况下，虽然多段采样信号十分常见，但其融合处理技术没有得到应有的发展。近年来，非平稳信号、低信噪比信号的研究日益受到重视，由于被测频率保持相对稳定 的时间非常短暂，相当于用一个持续时间很短的窗函数去乘该信号，且采样结果中包含大量噪声，这给信号处理带来了很大的困难。例如，为达到测量精度要求，需要一段信噪比为5必、 持续时间超过0. 1毫秒的平稳信号，而实际采样过程只能得到4段信噪比为-5d5、持续时间 仅为0.05毫秒的平稳信号。为此，除了进一步改进现有的单段采样信号处理方法和提高硬件 性能外，另一种重要的途径就是尽可能利用多段釆样信号中包含的信息。近几年来，多段釆 样信号处理技术逐渐得到关注，已有研究人员开展了初步研究，目前已有的处理方法可分为 三种。(1) 直接累加法对各段釆样信号分别进行如DTFT等频域分析，然后将分析结果累 加。该方法计算量小，能够应用于各种情况，但是精度较低。(2) 相位关联法 一种对多个相位相参的分段信号进行频谱估计的方法，利用各段信 号之间的相位关系，通过相位联系对由单段信号得到的频谱估计做进一步的修正。该方法对 多段采样信号提出了较多的限制条件，且推导过程中采用了近似处理较粗略，难以实际应用。(3) 相位积累法包括直接相位积累法和旋转相位积累法，将分段采样信号进行相位 关联，以实现相参积累和提高频率估计精度。直接相位积累法运算量大，并要求各段采样之 间的空闲间隔时间已知且在该空闲间隔内被测信号保持稳定不变，应用范围较小。旋转相位 积累法是目前较先进的一种方法，但是受噪声影响大，且要求各段采样信号的初相已知，严 重制约了该方法的应用与推广。综上所述，对多段采样信号处理方法的研究具有重要意义，本专利要解决的技术问题是 提出一种高精度方法，具有普遍适用性、能够处理各种类型的多段采样信号，以较小的实时计算量获得较高的精度。专利技术的内容由于本专利方法是线性的，具有可加性，因此分析的结果同样适用于多段多频信号；由于 本专利方法能够应用于多段不同频信号，因此分析的结果同样适用于多段不同采样频率情况; 为便于叙述，本文均以被测信号为单频信号、釆样频率相同为例。1. 三类多段釆样信号本专利方法将现有的多段采样信号阿题划分为三类(1) 在噪声和干扰背景下，对被测信号进行重复釆样，被测信号的频率和各段釆样信 号的初相未知。(2) 在噪声和干扰背景下，对被测信号进行多次采样得到多段采样信号，各次釆样所 得信号的频率、初相未知且频率并不相等，但各次釆样所得信号频率之间的频率差已知。(3) 在噪声和干扰背景下，对被测信号进行多次釆样得到多段采样信号，各次采样所 得信号的频率、初相未知且频率并不相等，但各次采样所得信号频率之间的倍数(可为任意 小数)已知。将以上三类情况依次简称为多段同频信号、多段降频信号和多段分频信号，其中后两类 可统称为多段变频信号处理。可以看出，本专利方法将多段釆样信号处理研究从单纯的重复 测量即多段同频信号处理拓展到非同频信号处理。这是因为在多段变频信号中，虽然各段 信号的频率各不相同，但是由于它们的频率之间的相对关系已知，所以本质上仍然可以将它们视作同频信号的重复测量。这种新型的重复测量关系是本专利方法的一个特色，将本专利 方法的应用领域从平稳信号扩展到非平稳信号，扩展了本专利方法的应用范围。2. 通用处理流程由于本专利方法对以上三类多段采样信号进行频率估计的构思基本相同，为便于说明本 专利方法的核心内容，特归纳出本专利方法的通用处理流程如附图所示，并给出具体说明如 下(为便于叙述，以下数学表达式，若未经特别说明，则均参照MATLAB 7函数规定解释)设有^/段采样信号，首段信号频率为力，各段信号频率间的相对关系已知，釆样频率为y;.,各段初相为代w),各段长度为"(m)，前(w-1)段的长度和为5(w)。(1) 根据首段采样信号频率的估计值/2和最大相对估计误差C确定首段待比较频率序列5F0(k)，;te(2) 根据各段釆样信号之间的相对关系，得出各段釆样信号的待比较频率序列 5F(附,k)。设Z)/(m)为各段信号降频幅度，p(附)为各段信号分频比，则 5FO， A:) = - ￡)/(/ )] 。(3) 将各段信号进行丑尸(m，k)频率处的频域分析，得到Z。(w，A:)。(4) 根据z。(附，w利用直接累加法得到首段釆样信号频率的直接累加法估计值y;。。(5) 设 2'sin^//s},其中 sin{/7i / X}调出预存的的极大值表s("，y;(o，w ，该表为函数i^c/;(o，;a)的巧个极大值序列，"e--512(8 )部分情况下可以直接根据经验给出代m)的估计值《(/w)。如果发现该经验值的误差过大，例如《(加)-e(/w)〉/7/，其中《O0,代7w)e，则可以通过近似计算得到对应于不同信号段的初相估计值《(/n),方法如下>找到^>a)中最接近,。的频率点5F(7/a。(/))。>得到《(w) = a"g/e,其中a"g/e(f)表示复数f的角度。在接下来的说明中以较复杂的《(w)为例，若可以采用《(w)计算，则只霜作相应简化即 可，不再赘述。(9) 根据《(m)、 SFO(it)和SFO(/)确定相参补偿因子矩阵-(/，Ara)。其中，针对多段同频信号和多段降频信号，有附，A:)=《(/ ) -《(1) - 2 / 乂 ；针对多段分频信号，有J"w, A:)=《(附)一 6>2 (1) — 2 /w' ; 5(w) / 乂 \ / 5(/w) = s鹏(/ D(1: w -1))(10) 计算如下<formula>formula see original document page 6</formula>(13) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种信号频率估计方法，其特征在于，给出频域分析参数矩阵、相参补偿因子序列和搜索频率序列的计算公式，实现对多段同频信号、多段降频信号和多段分频信号的频率估计。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：涂亚庆，刘良兵，
申请(专利权)人：涂亚庆，刘良兵，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]