星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统及其捕获方法技术方案

本发明专利技术提供一种星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统及其捕获方法，包括信号加窗模块、信号傅里叶变换模块和频谱频谱矫正模块和误差积分模块。本发明专利技术基于离散频谱分析，通过分析加多项组合余弦窗信号的各频率分量的频谱函数，得到的各频率分量准确的主瓣函数，并应用能量重心矫正原理，改善离散频谱的频谱栅栏效应；通过分析测距通信码对矫正结果精度的影响，设计误差积分模块，改善测距通信码或相位噪声对能量较低的频率分量捕获精度的影响，显著提高多个频率的捕获精度；并且基于FPGA实现，完成频率捕获时间仅为150ms，能够满足空间科学工程任务中星间激光外差干涉信号中多频率信息的实时并行高精度频率捕获需求。中多频率信息的实时并行高精度频率捕获需求。中多频率信息的实时并行高精度频率捕获需求。

【技术实现步骤摘要】
星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统及其捕获方法


[0001]本专利技术涉及星间激光外差干涉测量
，特别涉及一种星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统及其捕获方法。

技术介绍

[0002]近年来得到快速发展的空间引力波探测、地球重力场测量、月球重力场探测、天体测量学、深空探测等空间任务，对超远距离、超高精度星间激光干涉测量技术提出了极具挑战性的技术要求。星间激光外差干涉测量技术以激光作为光源，应用干涉原理，可实现星间高精度距离与角度测量。为了保证星间激光外差干涉的高精度测量及多功能耦合的需求，星间激光外差干涉链路复杂，因此干涉信号具有信号种类多、且噪声与信号的耦合复杂度高等特点。同时，空间科学任务基于双星或多星编队，在实现激光外差干涉测量的同时还需要完成星间的测距通讯功能，进一步增加了激光外差干涉信号的复杂程度。
[0003]以星间激光外差干涉测量要求最高的空间引力波探测任务为例，星间激光外差干涉信号包含了主载波拍频信号、两个时钟边带拍频信号、测距通讯编码、以及多种噪声等复杂信息。以星间激光外差干涉信号为输入、应用数字锁相环原理，测量主拍频信号、两个时钟边带拍频信号中的相位信息。由于卫星之间存在相对速度，激光从一颗卫星传播到另一颗卫星时会产生多普勒频移，使主载波拍频信号与两个时钟边带拍频信号的频率发生偏移，频率的动态范围可达到2MHz
‑
20MHz。过大的频率偏移可能导致数字锁相环锁定时间过长、甚至失锁等情况，为避免造成相位信息测量错误的严重后果，在2MHz
‑
20MHz动态范围内，要求频率捕获精度优于
±
30Hz；针对上述问题，需要一种高精度频率捕获方法，实时并行提取干涉信号中的多频率信息。
[0004]在空间引力波探测领域，目前频率捕获方法有两种。一种是基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)理论，利用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)计算方法，将时域信号转化为频域表示，再通过峰值查找算法得到最值谱线对应频率值。该算法简单成熟，但是由于数据抽样与截断引起的栅栏效应与频谱泄露，经FFT运算得到的离散频谱谱峰频率误差较大，不满足高精度频率捕获性能要求。另一种是基于离散小波包变换(Discrete Wavelet Packet Transformation，DWPT)的思想，对信号逐级抽取滤波，得到能量最大的子段信号，但是由于多级滤波器实现困难且资源占用大，且由于带宽测量和处理链中残留噪声的影响，测量频率值的不确定度为100kHz，也不满足高精度频率信息提取的性能要求。以上两种方法都仅对单频信号进行处理，频率捕获误差较大，并且未考虑同时对多频率信号进行实时并行频率捕获处理，不能满足星间激光外差干涉信号的频率捕获要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统及其捕获方法，能够满足空间科学工程任务中星间激光外差干涉信号中多
频率信息的实时并行高精度频率捕获需求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：
[0007]本专利技术提供的星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统，包括信号加窗模块、信号傅里叶变换模块和频谱矫正模块和误差积分模块；
[0008]信号加窗模块用于对星间激光外差干涉信号s(t)进行采样得到离散信号序列s(n)，再根据数字信号处理窗函数原理对离散信号序列s(n)进行加窗运算，得到加窗截断序列
[0009]信号傅里叶变换模块用于对加窗截断序列进行快速傅里叶变换并计算模值，得到离散频谱幅值序列Y
k
；
[0010]频谱矫正模块用于对离散频谱幅值序列Y
k
进行峰值查找以获得各离散频谱峰值Y
k
_m，再结合加多项组合余弦窗信号频谱主瓣函数并根据能量重心法频率矫正原理，计算各频率分量的矫正频率索引x_m，最后通过矫正频率计算公式进行计算以获得各矫正频率cf
k
_m；
[0011]误差积分模块用于对各矫正频率cf
k
_m进行误差积分，根据矫正频率误差的周期性，获得积分矫正频率完成星间激光外差干涉信号的多频率信息捕获。
[0012]优选地，信号加窗模块应用的计算公式为：
[0013]s(t)＝A
m
sin(2πft+phase(PIR))+A
u
sin(2π(f+f
i
)t)+A
d
sin(2π(f
‑
f
i
)t)
ꢀꢀ
(1)
[0014]式(1)中，A
m
、A
u
、A
d
为信号幅值，f为主频频率，f
i
为边频与主频的频差，phase(PIR)为测距通信码对相位的影响；
[0015]s(t)信号经过模数转换器采样得到离散信号序列s(n)为：
[0016][0017]式(2)中，f
s
为采样频率；
[0018]加窗运算的计算公式为：
[0019][0020]式(3)中，w(n)为I项组合余弦窗函数，N为窗点数，α
i
为第i项的系数，各项系数和为1，组合余弦窗函数项数I＝1、α0＝0.5、α1＝0.5，为一项组合余弦窗的汉宁窗，为加窗截断序列。
[0021]优选地，信号傅里叶变换模块包括傅里叶变换单元和幅值计算单元；
[0022]傅里叶变换单元用于对加窗截断序列进行傅里叶变换，得到傅里叶变换结果；傅里叶变换单元应用的计算公式为：
[0023][0024]式(4)中，S(k)为傅里叶变换结果，N为序列点数，为旋转因子；
[0025]幅值计算单元用于计算傅里叶变换结果的模值，得到离散频谱幅值序列Y
k
；幅值计算单元应用的计算公式为：
[0026][0027]式(5)中，re(S(k))为傅里叶变换结果的实部，im(S(k))为傅里叶变换结果的虚部。
[0028]优选地，频谱矫正模块包括峰值查找单元、矫正频率索引计算单元和矫正频率计算单元；其中，
[0029]峰值查找单元用于对离散频谱幅值序列Y
k
进行峰值查找以获得各离散频谱峰值Y
k
_m；
[0030]矫正频率索引计算单元用于将各离散频谱峰值Y
k
_m结合加多项组合余弦窗信号频谱主瓣函数并根据能量重心法频率矫正原理，计算各频率分量的矫正频率索引x_m；
[0031]矫正频率计算单元用于通过矫正频率计算公式进行计算以获得各矫正频率cf
k
_m。
[0032]优选地，峰值查找单元应用的计算公式为：
[0033](Y
k
＞Y
k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统，其特征在于，包括信号加窗模块、信号傅里叶变换模块和频谱矫正模块和误差积分模块；所述信号加窗模块用于对星间激光外差干涉信号s(t)进行采样得到离散信号序列s(n)，再根据数字信号处理窗函数原理对所述离散信号序列s(n)进行加窗运算，得到加窗截断序列所述信号傅里叶变换模块用于对所述加窗截断序列进行快速傅里叶变换并计算模值，得到离散频谱幅值序列Y
k
；所述频谱矫正模块用于对所述离散频谱幅值序列Y
k
进行峰值查找以获得各离散频谱峰值Y
k
_m，再结合加多项组合余弦窗信号频谱主瓣函数并根据能量重心法频率矫正原理，计算各频率分量的矫正频率索引x_m，最后通过矫正频率计算公式进行计算以获得各矫正频率cf
k
_m；所述误差积分模块用于对所述各矫正频率cf
k
_m进行误差积分，根据矫正频率误差的周期性，获得积分矫正频率完成星间激光外差干涉信号的多频率信息捕获。2.如权利要求1所述的星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统，其特征在于，所述信号加窗模块应用的计算公式为：s(t)＝A
m
sin(2πft+phase(PIR))+A
u
sin(2π(f+f
i
)t)+A
d
sin(2π(f
‑
f
i
)t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，A
m
、A
u
、A
d
为信号幅值，f为主频频率，f
i
为边频与主频的频差，phase(PIR)为测距通信码对相位的影响；s(t)信号经过模数转换器采样得到离散信号序列s(n)为：式(2)中，f
s
为采样频率；所述加窗运算的计算公式为：式(3)中，w(n)为I项组合余弦窗函数，N为窗点数，α
i
为第i项的系数，各项系数和为1，组合余弦窗函数项数I＝1、α0＝0.5、α1＝0.5，为一项组合余弦窗的汉宁窗，为所述加窗截断序列。3.如权利要求1所述的星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统，其特征在于，所述信号傅里叶变换模块包括傅里叶变换单元和幅值计算单元；所述傅里叶变换单元用于对所述加窗截断序列进行傅里叶变换，得到傅里叶变换结果；所述傅里叶变换单元应用的计算公式为：
式(4)中，S(k)为傅里叶变换结果，N为序列点数，为旋转因子；所述幅值计算单元用于计算所述傅里叶变换结果的模值，得到离散频谱幅值序列Y
k
；所述幅值计算单元应用的计算公式为：式(5)中，re(S(k))为傅里叶变换结果的实部，im(S(k))为傅里叶变换结果的虚部。4.如权利要求1所述的星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统，其特征在于，所述频谱矫正模块包括峰值查找单元、矫正频率索引计算单元和矫正频率计算单元；其中，所述峰值查找单元用于对所述离散频谱幅值序列Y
k
进行峰值查找以获得各离散频谱峰值Y
k
_m；所述矫正频率索引计算单元用于将所述各离散频谱峰值Y
k
_m结合加多项组合余弦窗信号频谱主瓣函数并根据能量重心法频率矫正原理，计算各频率分量的矫正频率索引x_m；所述矫正频率计算单元用于通过矫正频率计算公式进行计算以获得各矫正频率cf
k
_m。5.如权利要求4所述的星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统，其特征在于，所述峰值查找单元应用的计算公式为：(Y
k
＞Y
k
‑1)&(Y
k
＞Y
k+1
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式(6)中，k
m
＝k，所述离散频谱峰值Y
k
_m＝Y
k
；则各频率的矫正幅值CY
k
_m＝max(Y
k
‑1，Y
k+1
)；所述矫正频率索引计算单元应用的计算公式为：式(7)中，R为信号频率个数，A
r
为第r个频率分量的信号幅值，N为采样点数，Δf
mr
为第m个频率分量频率与第r个频率分量频率的差值，f
s
为采样频率，I为组合余弦窗函数的项数，α
i
为第i项的系数；式(8)中，cfun为能量重心法频率矫正函数，Y
k
_m为离散频谱峰值，k为各离散频谱序列索引，CY
k_m
为各频率的矫正幅值，f
m
(x)为第m个频率分量的主瓣函数，x_m为第m个频率分量的矫正频率索引；所述矫正频率计算单元应用的计算公式为：式(9)中，k
m
为各频率索引，x_m为第m个频率分量的矫正频率索引，f
s
为采样频率，N为采样点数，cf
k
_m为第m个频率分量的矫正频率。
6.如权利要求1所述的星间激光外差干涉信号多频率信息捕获系统，其特征在于，所述误差积分模块应用的计算公式为：式(10)中，Z为误差周期长度，Q为一个误差周期长度内取样次数，得到积分矫正频率7.一种星间激光外差干涉信...

【专利技术属性】
技术研发人员：于涛，王振鹏，王智，方超，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：