[发明专利]一种消除频谱泄漏的高准确度正弦信号测量方法与装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种消除频谱泄漏的高准确度正弦信号测量方法与装置，属于信号测量技术领域。

二、背景技术

在电工测量、电网监测、振动噪声测量、音频处理和雷达信号处理等工业领域中，经常需要对正弦信号的各参数进行高精度测量。如精密的电能计量需要精确测量正弦信号的幅值，监测电网的频率波动需要实时精确测量正弦波的频率，用科氏流量计检测液体的流量以及雷达精确测距需要精确测量正弦信号的相位差，计算变压器直流损耗需要测量信号中的直流分量。

正弦信号测量方法可分为硬件测量法和软件测量法。传统的测量方法和装置主要通过硬件电路实现，其测量精度取决于测量电路的性能。软件测量法，是将模拟信号转换成数字信号后用计算机对数字信号进行处理，它是当今信号检测新的发展趋势，其测量精度和性能主要取决于数字信号处理算法。

1、传统的正弦信号测量装置的主要问题

用于检测正弦信号参数的传统测量装置主要存在以下问题：

(1)传统测量装置主要由硬件电路实现，易受到噪声干扰，测量精度较低，已经不能满足越来越高的工业测量要求。

(2)传统测量装置对硬件依赖程度大，时钟稳定度、器件对信号的延迟等硬件特性严重制约了传统测量装置的测量精度。

(3)传统测量装置自动化程度低，对输入信号幅度适应能力差，不能根据待测信号的大小自动调节信号放大器的增益系数。当信号幅度较大时可能超出测量范围，如图4a和图4b所示；当信号幅度较小时采样得到的信号量化误差较大，如图5a和图5b所示。

2、目前主要的正弦信号测量算法及其存在的问题

本发明中的信号处理算法属于频谱分析法的范畴。频谱分析法最基本的原理是对信号进行离散傅立叶变换(DFT)，从频率域获取信号的参数信息。离散傅立叶变换早已经有成熟的快速算法FFT，即快速傅立叶变换。在非整周期采样条件下，直接运用FFT方法会产生频谱泄漏，所得的频谱不能真实反映信号的频率成分，而是包含了短范围泄漏和长范围泄漏两部分误差，如图6b和图6d所示。

短范围泄漏是由于非整周期采样条件下由连续频谱抽样得到的离散频谱峰值不在连续谱的峰值频率处，造成了频谱幅度失真。目前克服短范围泄漏的主要方法有两种：频谱插值和加窗截取。长范围泄漏是频谱中的负频率成分造成的，它在以下两种情况下引起的误差不可忽略。第一，当待测信号频率远小于采样频率或接近Nyquist频率(采样频率的一半)时；第二，当采样点数较小时。目前克服长范围泄漏的主要方法有简化近似法和解析法。这两种误差严重影响了FFT方法的测量精度。

运用插值方法和加窗截取方法可以克服短范围泄漏的影响。韩国专利数据库中，专利号为KR20030089995A，名称为“采用频率和相移插值提高离散傅立叶变换或快速傅立叶变换精度的方法”(METHOD FOR INTERPOLATING FREQUENCY AND PHASE OFFSET TO IMPROVE RESOLUTION OF DFT OR FFT)的专利和文献《基于加窗双峰谱线的高精度FFT谐波分析》【刘敏，王克英.[J].电测与仪表，2006，43(4)：20-23】都采用双峰谱线插值的方法来克服短范围泄漏的影响，但是都忽略了负频率成分，因而无法克服长范围泄漏的影响。尽管后者采用加窗技术抑制了负频率对频谱的影响，测量精度高于前者，但仍无法从根本上消除负频率的影响，尤其是当待测信号频率远小于采样频率或接近Nyquist频率时测量误差较明显。而且加窗插值方法的精度主要取决于窗函数，当待测信号参数变化时，窗函数的参数也需要随之变化，需要根据信号参数确定窗函数的参数，实现方法较复杂。

长范围泄漏是制约正弦信号测量精度的瓶颈。世界专利数据库中，专利号为WO03058261A1，名称为“消除非整周期采样信号离散傅立叶变换频谱泄漏的方法”(DFT LEAKAGE REMOVAL FOR NON-COHERENTLY SAMPLED SIGNALS)考虑了负频率的影响，在精确预知待测信号频率时给出了正弦信号幅度的精确测量方法。但是在待测信号频率未知的情况下完全不适用。