一種基于希爾伯特變換的互相關(guān)相位差測量方法
【專利摘要】一種基于希爾伯特變換的互相關(guān)相位差測量方法。本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，特別是相位差的測量方法。本發(fā)明的適用對象為多段具有相同中心頻率的信號。本發(fā)明包括以下步驟：首先，從多段具有相同中心頻率的信號中任意選取三段，包含待求相位差的兩段信號和一段參考信號；然后，對參考信號做希爾伯特變換，或?qū)υ撔盘栕?0°的相移得到第二段參考信號；接著，將這兩段參考信號分別與待求相位差的兩段信號做互相關(guān)，得到四種互相關(guān)關(guān)系；最后，根據(jù)這四種互相關(guān)關(guān)系求得被測信號間的相位差值。本發(fā)明涉及的相位差測量方法可以在信號中心頻率未知的情況下準(zhǔn)確測量出信號的相位差，具有較好的精度和魯棒性。
【專利說明】一種基于希爾伯特變換的互相關(guān)相位差測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，特別是一種基于希爾伯特變換的互相關(guān)相位差測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相位差是關(guān)于正弦穩(wěn)態(tài)電路分析研究中一個非常重要的參數(shù)，是比較兩個同頻率正弦信號之間相位關(guān)系的重要指標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相位差的測量在電子測量、通信、儀器儀表、設(shè)備故障診斷、雷達、自動控制、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用，如流體速度和流量的檢測、水下目標(biāo)的定位、電力系統(tǒng)功率因數(shù)的測量、海底淺層機械物理參數(shù)的檢測、科氏質(zhì)量流量計流量的測量、鐵路系統(tǒng)中相敏軌道電路的檢測以及線性調(diào)頻連續(xù)波雷達測距中多段信號的測量等，因此測量信號相位差具有重要研究意義和應(yīng)用價值。
[0003]近年來涌現(xiàn)出了多種相位差測量方法，主要包括以下幾種:過零法、希爾伯特變換法、相關(guān)法、離散博里葉變換法、最小二乘法、矢量法、全相位法、互高階譜估計法等。
[0004](I)過零法(參考文獻[I]:任海東，尹文慶，胡飛.基于LabVIEW的三種相位差測量法的對比分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，1:263-268.):該方法的基本思想是根據(jù)兩路信號過零點的時間差來間接求取兩者的相位關(guān)系。該方法受標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差、±1誤差及正弦信號整形成方波造成的誤差等影響，因此相位差測量精度還需待進一步改善。
[0005](2)希爾伯特變換法(參考文獻[2]:Manuel Varlet, MichaelJ.Richardson.Computation of continuous relative phase and modulation of frequency of humanmovement [J].Journal of Biomechanics, 2011,44 (2):1200-1204.參考文獻[3]:張濤，林承焰，張憲國等.基于希爾伯特變換的測井曲線高分辨率處理方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，36(1):68-72.):希爾伯特變換法能反映整個過程的相位變化，因此在相位動態(tài)測量中具有良好的應(yīng)用前景，但該方法測得的瞬時相位存在突變，導(dǎo)致相位測量存在較大誤差，再加上該方法對計算機的存儲能力和實時性均有較高要求，從而限制了希爾伯特變換動態(tài)測相法的廣泛應(yīng)用
[0006](3)相關(guān)法(參考文獻[4]:翁麗靖，張熙昀.基于DSP和信號相關(guān)分析的相位差求取方法[J].信息化研究，2010，36 (6):22-25.參考文獻[5]:黃友澎，曹萬華，李琳，趙曉嵐.一種紅外傳感器與被動雷達航跡穩(wěn)健相關(guān)算法[J].儀器儀表學(xué)報，2012，33 (11):2629-2634.參考文獻[6]:景麗，張慧娟.基于相位相關(guān)的圖像區(qū)域復(fù)制篡改檢測與定位[J].計算機應(yīng)用，2013，33 (3) =660-662,687.):相關(guān)法對于信號中的直流偏移和噪聲等干擾具有較強的抑制能力，其誤差主要是由于被測信號與其自帶的噪聲并非完全不相關(guān)，再加上要求嚴(yán)格整周期采樣，使得其相位差測量精度還有待提高。
[0007](4)離散博里葉變換法(參考文獻[7]:郭象昱，費樹岷.一種基于相位變換的布匹疵點檢測方法[J].工業(yè)控制計算機，2012，25 (6) =64-65,69.參考文獻[8]:汪正軍，潘磊，紀(jì)國瑞.基于離散相位差檢測的頻率測量方法[J].儀器儀表學(xué)報，2013，34(5):994-1000.):離散博里葉變換法是將信號變換到頻域內(nèi)進行相位處理，由于實測信號為有限長序列且無法保證采樣頻率為信號頻率的整數(shù)倍，因此存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，導(dǎo)致相位差的測量誤差較大。
[0008](5)最小二乘法(參考文獻[9]:殷愛菡，張清淼，姜輝明.一種改進的加權(quán)最小二乘相位展開方法研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2013，49 (3):159-162.):該方法的基本思想是利用曲線擬合的數(shù)學(xué)模型對相位進行求解，其本質(zhì)是使相位的梯度與展開相位的梯度整體偏差最小，但基于最小二乘法的迭代算法收斂速度較慢，甚至某些情況下不能保證收斂，再加上其處理高頻噪聲的能力較差，因此限制了其使用范圍。
[0009](6)矢量法(參考文獻[10]:韓月濤，吳嗣亮，馬琳，楊帆.相位差矢量平均的干涉儀解模糊方法[J].電子測量與儀器學(xué)報，2011，25 (10) =842-849.):該方法是表示虛、實分量異常和不同參數(shù)變化關(guān)系的列線圖，是根據(jù)理論計算或模型實驗獲得的數(shù)據(jù)繪制而成的。但該方法在實際復(fù)雜電磁環(huán)境下，噪聲較強時，其測量的相位誤差會較大，且容易出現(xiàn)相位模糊問題，因此無法滿足測相要求。
[0010](7)全相位法(參考文獻[11]:王松，葛海波.基于全相位FFT的偽碼捕獲研究[J].計算機工程與設(shè)計，2012，33 (10):3708-3714.參考文獻[12]:譚思煒，任志良，孫常存.全相位FFT相位差頻譜校正法改進[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2013,35(1):34-39.):全相位(all phase，AP)FFT頻譜分析方法可以直接得到準(zhǔn)確的相位值，且相比于傳統(tǒng)的頻譜校正方法，具有優(yōu)良的抑制頻譜泄漏性能。隨后，在APFFT的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的FFT / APFFT綜合相位差校正法和基于AP的時移相位差校正法都可以獲得較高的參數(shù)估計精度，但APFFT要求采樣序列的中心樣點為x(0)，即要求長度為2N-1的序列中N個點必須是t < O時的采樣點，否則便不能求得信號的相位，因而限制了該方法在實際中的應(yīng)用。
[0011]其中，不受頻率估計精度影響、能在信號頻率未知的情況下求相位差的方法主要有希爾伯特變換法、相關(guān)法和離散博里葉變換法。希爾伯特變換法可以測量信號的瞬時相位，但該方法測得的瞬時相位存在突變，導(dǎo)致相位差測量存在較大的誤差，再加上“吉布斯”效應(yīng)，使得信號兩端的相位差測量不夠準(zhǔn)確，影響了該方法的穩(wěn)定性；相關(guān)法有很好的噪聲抑制能力，但在非整周期采樣的情況下精度還有待提高。離散博里葉變換法是將信號變換到頻域內(nèi)進行相位處理，由于實測信號為有限長序列且無法保證采樣頻率為信號頻率的整數(shù)倍，因此存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，導(dǎo)致相位差的測量誤差較大。
[0012]綜上所述，相位差測量方法具有重要研究意義和應(yīng)用價值，但現(xiàn)有方法存在諸多問題，需要提出一種在信號頻率未知的情況下，兼顧精確性、抗噪性和魯棒性的相位差測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提出一種在信號頻率未知的情況下，兼顧精確性、抗噪性和魯棒性的相位差測量方法，適用于具有相同中心頻率的信號，解決現(xiàn)有相位差測量方法存在的主要問題，拓展其應(yīng)用范圍。
[0014]本發(fā)明提出的基于希爾伯特變換的互相關(guān)相位差測量方法，適用對象為多段長度任意的具有相同中心頻率的信號。
[0015]本發(fā)明包括以下步驟:
[0016]第一步:從多段具有相同中心頻率的信號中任意選取三段，X1 (t),x2(t)為待求相位差的兩段信號，另一段信號Z1 (t)則為參考信號。對該參考信號Z1 (t)做希爾伯特變換，或做90°相移得到第四段信號Z2 (t)，同樣作為參考信號。
[0017]第二步:利用不同頻信號不相關(guān)的思想，將上述具有同一頻率的兩段參考信號Z1 (t)和z2(t)與被測信號X1 (t)和&(0進行互相關(guān)，得到四種消除干擾后的互相關(guān)關(guān)系
【權(quán)利要求】
1.基于希爾伯特變換的互相關(guān)相位差測量方法。其特征在于:適用對象為多段長度任意的具有相同中心頻率的信號，且不受信號中心頻率已知或未知的影響。 該方法包括以下步驟: 第一步:從多段具有相同中心頻率的信號中任意選取三段，包含待求相位差的兩段信號^(0、12(0和一段參考信號^(0。對該參考信號Z1 (t)做希爾伯特變換，或做90°相移得到第二段參考信號Z2 (t)。 第二步:利用不同頻率的信號不相關(guān)的思想，將上述具有同一頻率的兩段參考信號Z1 (t)和z2(t)與被測信號X1 (t)和&(0進行互相關(guān)，得到四種消除干擾后的互相關(guān)關(guān)系
【文檔編號】G01R25/00GK103760418SQ201410029447
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】涂亞慶, 蘇丹 申請人:中國人民解放軍后勤工程學(xué)院