[发明专利]一种高精度数字鉴相方法

说明书

一种高精度数字鉴相方法，用于确定两路模拟信号的相位差，其鉴相过程为使用双通道同步采样单元对两路信号进行同步采样并经过模数转换得到两路数字信号，对两路数字信号分别求平均值，初步确定其交流信号零点位置对应幅值，在两路信号零点幅值位置附近取一定长度的线性段为过零段，并采用直线拟合算法由信号的过零段得到信号的过零点，采用过零点的位置为参照，得到信号波峰位置，由两路数字信号各自的相邻波峰位置分别确定信号周期，并结合由两路数字信号波峰位置得到的时间差,计算得到两路信号的相位差。本发明消除了零位误差导致的过零点位置误差，因此具有极高的鉴相精度，同时该方法也适用于正弦信号之外其他类型周期信号的鉴相测量。

技术领域

本发明涉及信号处理与分析技术领域，尤其涉及一种数字鉴相方法。

背景技术

鉴相器用于测量两路信号的相位差，广泛应用于激光相位测距、干涉测向、电机控制、锁相环、激光位移干涉仪等领域。鉴相器分为模拟鉴相器和数字鉴相器，其中模拟鉴相器采用分立元件，线性鉴相范围窄，测量精度低。而数字鉴相器又分为数字电路鉴相器和数字算法鉴相器，其中数字算法鉴相器通过采样得到离散的数字信号，采用数字信号处理算法测量相位差。数字算法鉴相器使用CPU、MPU或者DSP等处理器做为核心处理单元，电路简单、抗干扰能力强、测量精度高，在高精度鉴相应用中具有明显的优势。

典型的数字鉴相算法有数字相关鉴相法、FFT谱分析鉴相法、过零检测鉴相法等。数字相关鉴相法的原理为两个同频率的正弦信号的零延时互相关函数值与其相位差的余弦值成正比。由于噪声与有效信号的相关性很小，所以该方法有很好的噪声抑制能力。数字相关鉴相法的缺陷为根据反余弦函数计算相位差，在相位差接近0时，灵敏度很低；由于余弦函数为偶函数，该算法无法分辨相位差的正负号；同时该方法只能测量正弦信号相位差，对其它周期信号或者非周期信号无法测量。FFT谱分析鉴相法对信号进行傅里叶级数分析，得到信号的基波参数。步骤为：通过FFT得到信号的幅度谱和相位谱，幅度谱的峰值频率做为信号的基波频率，再由相位谱中查找基波频率对应的相位，做为基波相位。谱分析鉴相法的缺点是只能对正弦波形的周期信号进行初相位测量，无法对非周期信号进行测量，同时FFT采用有限序列计算信号频谱，不可避免会产生频谱泄露，从而带来相位测量误差。要减小相位差测量误差，就必须提高频率分辨率。当采样频率一定时，只能通过增加数据长度来提高FFT的频率分辨率，计算量大。过零检测鉴相法是通过测量两信号过零点的时间差计算相位差，过零检测鉴相法原理简单可以采用电路来实现，也可采用算法来实现。信号在过零点附近具有较大的斜率，所以过零点检测具有较高的灵敏度。但是，受AD偏置误差、运放输入失调等因素的影响，信号的零位通常会出现误差，零位误差引起过零检测的误差。另外，受AD采样间隔、AD量化误差以及信号噪声的影响，直接由AD采样得到的过零点时，过零点的时间分辨率和精度都较差。

发明内容

本发明提供一种高精度数字鉴相方法，以消除传统过零检测鉴相方法中零位误差和AD量化误差引起的鉴相误差。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：使用双通道同步采样单元对两路模拟信号同步采样，并通过数模转换得到两路数字信号，通过对信号整体求平均值初步确定交流信号零点位置，并在初步确定的零点位置前后取一段线性段的信号数据作为过零段，采用直线拟合算法由该过零段得到信号的过零点，并以所得过零点的位置做为参照，以两个相邻过零点的中心位置为信号的波峰位置，由信号两相邻波峰位置的间隔为信号周期，并以两路信号波峰位置的时间差，计算得到两路信号的相位差。

上述方法具体包含以下步骤：

1、采用双通道同步采样单元对两路模拟信号进行同步采样，并经过模数转换得到两路数字信号；

2、对两路数字信号分别求平均值，初步确定交流信号零点位置对应幅值,在两路信号零点幅值位置前后取一定长度的线性段为过零段；

3、对过零段进行直线拟合，并计算拟合直线与时间轴的交点，得到信号的过零点；