井间定位信号频率估计方法技术

本发明专利技术公开了一种井间定位信号频率估计方法，涉及信号处理方法技术领域。所述方法包括如下步骤：对原始井间定位信号x(n)进行DFT计算得到相应的幅度谱X(k)；搜索幅度谱X(k)主瓣内幅值最大谱线所对应的频率索引值k

【技术实现步骤摘要】
井间定位信号频率估计方法
本专利技术涉及信号处理方法
，尤其涉及一种井间定位信号频率估计方法。
技术介绍
工程实践中DFT算法对信号x(n)进行频率检测及估计，其优势为计算速度快，能明显提升正弦信号的信噪比增益，不足之处在于DFT分辨率与观测时间互成倒数，当观测时间固定后分辨率就不能再缩小了。通常利用DFT对正弦信号进行频率估计分为粗估计和细估计两步，首先对原始信号进行DFT计算，找出幅度谱最大谱线所对应的频率作为粗估计频率，然后再利用频率细化或者频率插值对粗估计频率进行校准。现有频率估计算法均存在的问题是：估计精度与算法计算量成正相关，即算法精度越高其计算量越大且复杂；极端信噪比条件下表现不理想。本专利技术将针对此研究领域提出自动分段单频信号频率(ASQR)插值算法。插值法是研究者投入精力最多的一种频率参数估计方法，其中又以Rife插值算法和Quinn插值算法最具代表性，其基本原理是分别用信号幅度谱主瓣内的两条谱线的幅值比和实数部分幅值比分别进行插值计算，这两种算法实现简单、计算速度快，因此得到广泛的应用。两种算法均存在不足之处：Rife插值算法在偏差δ较小时，由于存在噪声干扰可能搜索到错误方向的次大谱线从而导致估计误差较大；Quinn插值算法由于仅用到幅度谱中实数部分比值进行插值计算，这就造成估计精度依赖于最大谱线的相位信息，但是当谱线接近kπ/2时最大谱线处信号分量实数部分为0，从而造成较大误差存在。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种实现简单、抗干扰能力强且信号频率估计精度高的井间定位信号频率估计方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种井间定位信号频率估计方法，其特征在于包括如下步骤：对原始井间定位信号x(n)进行DFT计算得到相应的幅度谱X(k)；搜索幅度谱X(k)主瓣内幅值最大谱线所对应的频率索引值k0，并使用IRife插值算法计算初步频率偏差δ’；将初步频率偏差δ’的值分成多个区间部分，每个区间部分采用不同的频率偏差插值估计算法计算频率偏差δ；根据计算出的频率偏差δ估计出井间定位信号的频率。进一步的技术方案在于：将初步频率偏差δ’的值分成三个区间，分别为[0，0.1]区间、(0.1，0.4)区间以及[0.4，0.5]区间。进一步的技术方案在于：当初步频率偏差δ’在[0.4，0.5]区间内时，使用Rife插值算法计算最终频率偏差δ。进一步的技术方案在于：当初步频率偏差δ’在[0，0.1]区间内时，使用IQuinn插值算法计算最终频率偏差δ。进一步的技术方案在于：当初步频率偏差δ’在(0.1，0.4)区间内时，采用IQuinn插值算法的相位关系确定插值方向，通过IRife插值算法计算|δ|，并根据插值方向以及|δ|的值计算最终频率偏差δ。进一步的技术方案在于：所述初步频率偏差δ’的计算方法如下：加矩形窗函数的离散正弦信号表达式为Δf＝fs/N(2)其中，A为离散正弦信号的幅值，f0为离散正弦信号的真实频率，θ0为其初始相位，fs为其采样频率，N表示信号的采样点数，Δf为信号DFT的分辨率；由于实序列x(n)的DFT具有共轭对称性，故可以忽略负频率的影响，只考虑离散谱的前N/2点，则x(n)的N点DFT可以表示为：其中，k＝0,1，…，N/2-1；X(k)的幅度谱为：根据式(5)，k0点左右相邻两点频谱幅度的比值为：其中|sin(π(k-δ))|＝|sin(π(k+δ))|，假设π(k-δ)＜＜N，π(k+δ)＜＜N，则上式可以得数字频率偏差估计值：当k＝1时，即利用DFT频谱中的|X(k0-1)|和|X(k0+1)|值来估计数字频偏δ’，对应的表达式如下：进一步的技术方案在于：当初步频率偏差δ’在[0.4，0.5]区间内时，使用Rife插值算法计算最终频率偏差δ，具体方法如下：使用Rife插值法计算δ的表达式为：式中，|X(k0)|为X(k)主瓣最大谱线，|X(k0±1)|为主瓣内次大谱线，其中“±”表示在最大谱线左右位置，“-”表示次大谱线在最大谱线左侧，“+”表示次大谱线在最大谱线右侧；由式(8)可知，Rife插值算法只用到了信号DFT谱主瓣内两条谱线的幅值信息，而不涉及与两条谱线相关的相位信息。进一步的技术方案在于：当初步频率偏差δ’在[0，0.1]区间内时，使用IQuinn插值算法计算最终频率偏差δ，具体方法如下：根据IQuinn插值算法原理，计算δ的步骤为：第一步，计算X(k0)的实数部分模值b＝|Re[X(k0)]|和虚数部分模值c＝|Im[X(k0)]|；第二步，分别计算αl、βl、αr和βr；第三步，计算δ值当b≥c时，当b<c时，进一步的技术方案在于：当初步频率偏差δ’在(0.1，0.4)区间内时，采用如下方法计算δ：通过IQuinn方法确定插值方向r的数值，r＝1表示|X(k0+1)|>|X(k0-1)|；r＝-1表示|X(k0+1)|<|X(k0-1)|；其次，利用式(6)计算|δ|的值，其中k＝0.5；最后，根据δ＝r|δ|计算δ，IQ-Rife插值算法公式为式(12)：进一步的技术方案在于：将计算出的频率偏差δ带入式(13)计算出井间定位信号的频率:f0＝(k0+δ)Δf(13)其中δ∈[-0.5，0.5]为真实频率与估计频率的偏差。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法具有实现简单、抗干扰能力强、提高了单频信号频率估计的精度，适合对单频正弦信号的频率进行实时、高精度估计等优点。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术实施例所述方法的整体流程图；图2是本专利技术实施例所述方法的具体流程图；图3是本专利技术实施例所述方法|δ|∈[0，0.5]时均方根误差与信噪比的关系图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。如图1所示，本专利技术实施例公开了一种井间定位信号频率估计方法，包括如下步骤：对原始井间定位信号x(n)进行DFT计算得到相应的幅度谱X(k)；搜索幅度谱X(k)主瓣内幅值最大谱线所对应的频率索引值k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井间定位信号频率估计方法，其特征在于包括如下步骤：/n对原始井间定位信号x(n)进行DFT计算得到相应的幅度谱X(k)；/n搜索幅度谱X(k)主瓣内幅值最大谱线所对应的频率索引值k

【技术特征摘要】
1.一种井间定位信号频率估计方法，其特征在于包括如下步骤：
对原始井间定位信号x(n)进行DFT计算得到相应的幅度谱X(k)；
搜索幅度谱X(k)主瓣内幅值最大谱线所对应的频率索引值k0，并使用IRife插值算法计算初步频率偏差δ’；
将初步频率偏差δ’的值分成多个区间部分，每个区间部分采用不同的频率偏差插值估计算法计算频率偏差δ；
根据计算出的频率偏差δ估计出井间定位信号的频率。


2.如权利要求1所述的井间定位信号频率估计方法，其特征在于：将初步频率偏差δ’的值分成三个区间，分别为[0，0.1]区间、(0.1，0.4)区间以及[0.4，0.5]区间。


3.如权利要求2所述的井间定位信号频率估计方法，其特征在于：
当初步频率偏差δ’在[0.4，0.5]区间内时，使用Rife插值算法计算最终频率偏差δ。


4.如权利要求2所述的井间定位信号频率估计方法，其特征在于：
当初步频率偏差δ’在[0，0.1]区间内时，使用IQuinn插值算法计算最终频率偏差δ。


5.如权利要求2所述的井间定位信号频率估计方法，其特征在于：
当初步频率偏差δ’在(0.1，0.4)区间内时，采用IQuinn插值算法的相位关系确定插值方向，通过IRife插值算法计算|δ|，并根据插值方向以及|δ|的值计算最终频率偏差δ。


6.如权利要求1所述的井间定位信号频率估计方法，其特征在于：所述初步频率偏差δ’的计算方法如下：
加矩形窗函数的离散正弦信号表达式为



Δf＝fs/N(2)
其中，A为离散正弦信号的幅值，f0为离散正弦信号的真实频率，θ0为其初始相位，fs为其采样频率，N表示信号的采样点数，Δf为信号DFT的分辨率；
由于实序列x(n)的DFT具有共轭对称性，故可以忽略负频率的影响，只考虑离散谱的前N/2点，则x(n)的N点DFT可以表示为：



其中，k＝0,1，…，N/2-1；
X(k)的幅度谱为：



根据式(5)，k0点左右相邻两点频谱幅度的比值为：



其中|sin(π(k-δ))|＝|sin(π(k+δ))|，假设π(k-δ)＜＜N，π(k+δ)＜＜N，...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦新宇，李强，
申请(专利权)人：唐山学院，
类型：发明
国别省市：河北;13