频率失配条件下的自适应无偏相位差估计方法与流程

本发明涉及信号处理领域，特别是一种针对两路同频余弦信号，在频率失配条件下的自适应无偏相位差估计方法。

背景技术：

相位差的估计方法在电力系统、智能仪表、故障诊断，电子通讯等领域有着较为广泛的应用.例如，在油气储运工程中得到广泛应用的科里奥利质量流量计，其所测量流体的质量流量就依赖于两路余弦信号的相位差测量精度；又如，在电力系统中功率因素的确定，就取决于电压与电流相位差的估计值。因此，实现对相位差的高精度测量显得尤其重要。现有的相位差估计方法，主要有以下几种方法：

(1)基于DFT和DTFT的相位差估计方法(参考文献[1]：涂亚庆，李明，沈廷鳌，等.计及负频率的DFT与DTFT相位差测量误差分析[J].振动与冲击，2015，34(20)：85-91.参考文献[2]：沈廷鳌，涂亚庆，张海涛，等.基于矩形双窗的滑动DTFT高精度相位差测量算法[J].中南大学学报(自然科学版)，2015，46(2)：554-560.)：

此类相位差估计方法精度与采样数据点数、信号噪声和频率失配有关。点数越多精度越高，但造成计算量偏大，实时性不高，实际应用受限。且受信号噪声和频率失配影响，导致该方法存在影响因素过多，计算复杂的问题。

(2)基于数字相关的相位差测量方法(参考文献[3]：涂亚庆，沈廷螯，李明，张海涛.基于多次互相关的非整周期信号相位差测量算法[J].仪器仪表学报，2014，35(7)：1578-1585.参考文献[4]：Shen Y，Tu Y.Correlation theory-based signal processing method for CMF signals[J].Measurement Science & Technology，2016，27(6)：065006.)：

此类相关法在信号实行严格整周期采样的条件下，可以取得相位差的准确测量，但由于信号噪声和频率失配的影响，往往不能实现信号的整周期采样，导致在非整周期采样条件下相位差测量精度下降，存在较大的估计误差。

(3)基于LMS的自适应相位差方法(参考文献[5]：杨辉跃，涂亚庆，张海涛，等.一种基于LMS的振动信号相位差自适应无偏估计方法及应用[J].振动与冲击，2016，35(10)：55-59.)：

此种方法通过希尔伯特变换求取相位差信息，虽然不需要信号的频率信息，不受频率失配影响，但希尔伯特变换对于噪声的抑制能力较弱，导致整体算法的抗噪性不足，易受噪声影响，其相位差估计精度有待提高。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种抗噪性强，估计精度高，适用性好的相位差估计方法，消除频率估计失配对相位差测量的影响，适用于任意两路同频余弦信号的相位差测量，解决现有相位差测量方法存在的主要问题，拓展其应用范围。

本发明提出一种频率失配条件下的自适应无偏相位差估计方法：

本发明包括以下步骤：

以两路同频余弦信号为例进行说明。

1)第一路余弦信号x₁(n)和第二路余弦信号x₂(n)的频率同为ω₀，频率失配值为Δω，假设已知频率的估计值ω＝ω₀-Δω，构建频率信号cosωn和sinωn，并设置自适应算法的步长μ＝0.01；

2)利用构建的频率信号cosωn和sinωn，设a₁’(n)，b₁’(n)分别为x₁(n)中参数a₁和b₁的估计值，则第一路余弦信号的估计值为s₁’(n)＝a₁’(n)cosωn-b₁’(n)sinωn；

3)同样利用构建的频率信号cosωn和sinωn，设a₂’(n)，b₂’(n)分别为x₂(n)中参数a₂和b₂的估计值，则第二路余弦信号的估计值为s₂’(n)＝a₂’(n)cosωn-b₂’(n)sinωn

4)利用两路余弦信号及其估计值，构建误差信号e₁(n)＝x₁(n)-s₁’(n)和e₂(n)＝x₂(n)-s₂’(n)；

5)利用自适应迭代计算方式分别估计a₁’(n+1)，b₁’(n+1)，a₂’(n+1)和b₂’(n+1)，迭代计算方法为：

a₁’(n+1)＝a₁’(n)+μe₁(n)cosωn；

b₁’(n+1)＝b₁’(n)-μe₁(n)sinωn；

a₂’(n+1)＝a₂’(n)+μe₂(n)cosωn；

b₂’(n+1)＝b₂’(n)-μe₂(n)sinωn；

6)根据计算的a₁’(n+1)，b₁’(n+1)，a₂’(n+1)和b₂’(n+1)值，计算频率已知的两路同频余弦信号的相位差，则相位差为：

附图说明

下面根据附图和具体实施对本发明作进一步阐述。以两路含白噪声余弦信号为例进行说明。

图1为方法实现流程图。

图中：1表示利用获得的频率值构建频率信号；2表示利用频率信号对第一路余弦信号进行估计；3表示利用频率信号对第二路余弦信号进行估计；4表示产成第一路误差信号；5表示产生第二路误差信号；6表示利用第一路误差信号对参数a₁和b₁进行估计；7表示利用第二路误差信号对参数a₂和b₂进行估计；8表示计算两路同频余弦信号的相位差。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

第一步：构建频率信号cosωn和sinωn，设置算法步长μ＝0.01；

第二步：计算第一路余弦信号x₁(n)的估计值s₁’(n)＝a₁’(n)cosωn-b₁’(n)sinωn；

第三步：计算第二路余弦信号x₂(n)的估计值s₂’(n)＝a₂’(n)cosωn-b₂’(n)sinωn；

第三步：构建误差信号e₁(n)＝x₁(n)-s₁’(n)和e₂(n)＝x₂(n)-s₂’(n)；

第四步：利用自适应迭代计算方式分别估计a₁’(n+1)，b₁’(n+1)，a₂’(n+1)和b₂’(n+1)；

第五步：根据计算的a₁’(n+1)，b₁’(n+1)，a₂’(n+1)和b₂’(n+1)值，计算频率已知的两路同频余弦信号的相位差。