[发明专利]一种数据延拓式相关的相位差测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别是一种数据延拓式相关的相位差测量方法。

背景技术

相位差的测量在故障诊断、导航定位、测试控制、电力电子、通讯、雷达等领域均有着重要且广泛的应用。例如，电网电能计量中功率因素的确定，涉及到相应电压与电流间相位差的准确测量；在高精度的雷达精密定位上，依赖于对同频信号相位差的高精度测量；在高精度流量测量领域得到广泛应用的科氏流量计，相位差的测量精度直接影响流体质量测量精度。因此，实现对相位差的高精度测量显得尤其重要。

相关法利用两路同频正弦信号的延时为零时的互相关函数值与其相位差的余弦值成正比的原理得到相位差，在信号处理中得到了广泛应用。由于噪声信号通常与有效信号相关性较小，相关法具有良好的噪声抑制能力，能够抑制所有与参考信号不相关的各种形式噪声，但对于相关性较强的干扰信号和谐波干扰，在低信噪比条件下测量误差较大。此外，相关法要求对信号实行严格整周期采样，在整周期采样条件下可实现相位差的准确测量，但在非整周期采样条件下测量精度还有待提高。为提高相位差的测量精度，相继出现了多种基于相关原理的相位差测量新算法或改进算法，主要有以下几种：

(1)参考文献[1]：左自强，徐阳，曹晓珑，等.计算电容型设备介质损耗因数的相关函数法的改进[J].电网技术，2004，28(18)：53-57.文献[1]方法的基本思想是采用插值取整周期的方法对积分区间进行修正，用梯形积分代替矩形积分对数值积分方法进行改进，并选取合适的采样频率和采样点数来提高计算精度。该方法计算精度受积分区间、数值积分方法和数值积分步长的影响，存在影响因素多且计算复杂的问题。

(2)参考文献[2]：李建民，赵鹏，侯文，等.基于相关理论的相位差算法的误差研究[J].中北大学学报(自然科学版)，2009，30(6)：616-619.文献[2]采用双相关法，需要产生两个同频的、具有90°相移的参考信号，将输入和输出信号分别与两个参考信号进行相关运算求得信号的相位差。该方法减少了随机性造成的相位误差，但非整周期采样情况下的相位差误差仍较大。

(3)参考文献[3]：郑胜峰，楼海燕，范文晶，等.一种基于多重相关法的相位差测量方法[J].宇航计测技术，2008，28(5)：57-60.参考文献[4]：郑胜峰，陈素明，狄金海，等.一种基于多重互相关的相位差测量新方法[J].宇航计测技术，2012，32(1)：34-40.文献[3]和文献[4]利用正弦信号的特殊性质，通过对信号进行多次的自相关和互相关运算，再利用相关原理求解信号的相位差。该方法能提高低信噪比情况下的相位差测量精度，但测量精度也受采样是否整周期的影响。

综上所述，相关法的相位差测量方法具有重要研究意义和应用价值，但现有方法存在诸多问题，这些方法要么存在计算量较大的问题，要么无法完全消除非整周期采样对测量结果带来误差的影响，需要提出一种计算简单，可完全消除非整周期采样对测量结果带来误差影响的相位差测量方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种计算简单，可消除非整周期采样对测量结果带来误差影响的相位差测量方法，适用于任意同频正弦信号的相位差测量，解决现有相关法相位差测量存在的主要问题，拓展其应用范围。

本发明提出一种数据延拓式相关的相位差测量方法。

本发明包括以下步骤：

第一步：对信号的频率或周期进行预估计。假定获得两路短时信号的采样数据分别为x=[x₁，x₂，…，x_N-1，x_N]，y=[y₁，y₂，…，y_N-1，y_N]，P∈Z⁺为一个周期的采样点数，周期估计结果设为P。

第二步：对数据是否整周期进行判断。假定N除以P的商是k，余数为m。若m=0，则相关长度与信号的整周期相匹配，成整数倍关系，此时数据无需处理。若m＞0，说明相关长度超过k个周期但未达到k+1个周期。

第三步：进行数据处理。可分两种情况进行数据处理：

1)进行数据的剔除，即根据信号的周期性，从采样数据x，y中剔除整周期数据外的m个数据[x_kP+1，…，x_kP+m]，[y_kP+1，…，y_kP+m]，使相关长度为整周期，剔除数据后的信号序列为：