频率估计的多段信号频谱融合法及应用基础

Under condition of short duration of measured frequency signal, severe interfering signals at nearby frequency, low SNR and so on, the higher accurate frequency estimation is needed. While the existing methods are general deficient in accuracy, universality, real-time performance and anti-jamming capability, the multi-sections signal spectra fusion method of frequency estimation is proposed which is including multi-sections signal spectra fusion mechanism analysis, multi-sections co-frequency signal spectra fusion method, multi-sections different frequency signal spectra fusion method and multi-sections signal spectra fusion based spectrum zoom method. In reaserch, multi-sections signal spectra fusion mechanism analysis, different frequency normalization, weighted fusion spectra matrix dimensions reduction, main-lode spectra correlation analysis, spectra fusion zoom and so on will be adopted to improve the frequency estimation accuracy, enlarge the using area, advance the computational efficiency and enhance spectral discrimination.?In view of high accurate frequency estimation requirement, abroad project background, considerable difficulty and typical illustration effect of Linear Frequency Modulation Continuous Wave (LFMCW) radar ranging problem, multi-sections signal spectra fusion method will be applied to it and field demonstration will be carried out. The purpose of the study is to increase frequency estimation precision, ameliorate universality, real-time performance and anti-jamming capability under condition of short duration of measured frequency signal, severe interfering signals at nearby frequency, low SNR and so on, and to solve critical technical problems about frequency estimation in the fields of radar and so on.

针对信号持续时间短、邻近频率信号干扰严重、信噪比低等条件下的高精度频率估计问题，现有方法在精确性、普适性、实时性和抗干扰性方面普遍存在明显不足。项目提出频率估计的多段信号频谱融合法，包括多段信号频谱融合机理分析、多段同频、异频信号频谱融合法和基于多段信号频谱融合的频谱细化法。研究中，通过多段信号频谱融合机理分析、异频同频化处理、加权融合频谱矩阵降维、主瓣相关性分析和频谱融合细化等措施，提高频率估计精度，扩大适用范围，提升计算效率和增强频谱区分度。鉴于线性调频连续波雷达测距对频率估计精度要求高、工程应用背景广泛和研究难度较高的典型示例作用，将多段信号频谱融合法应用于此进行应用验证。项目研究目的是通过增强频谱融合度，提高在信号持续时间短、邻近频率信号干扰严重、信噪比低等条件下的频率估计精确性，改善其普适性、实时性和抗干扰性，解决当前雷达等领域中有关频率估计的关键技术问题。

针对信号持续时间短、邻近频率信号干扰严重、信噪比低等条件下的高精度频率估计问题，现有方法在精确性、普适性、实时性和抗干扰性方面普遍存在明显不足。项目组通过对多段信号频谱融合开展研究，提出了频率估计的多段信号频谱融合法，主要研究内容包括：.1、明确了通过融合各段信号频谱信息进行频率估计的基本思想，理论推导了多段信号频谱融合机理；.2、确立了最优加权融合频谱生成、频谱相关性分析、相关谱峰值搜索的频谱融合过程，提出了频率估计的多段同频（正弦）信号频谱融合方法。.3、针对多段异频信号的频谱融合，利用信号频率关系实现了异频信号同频化，参照多段同频信号进行了频谱融合，提出了多段异频信号的频谱融合算法，形成了多段差频、倍频信号频谱融合法，将频率估计对象从多段同频信号扩展了到多段异频信号。并拓展研究了基于自适应陷波器的时变信号频率跟踪方法、基于自适应陷波器的时变信号频率跟踪方法、计及负频率影响的DTFT相位差估计方法。.4、开展了基于多段信号频谱融合的频谱细化研究。针对非整周期采样引起的频谱泄漏和谱线干涉，分析了谱线干涉机理，研究了极端频率信号的频谱细化，重点围绕多段信号频谱融合中相位差估计关键技术，提出了基于DTFT的极端频率信号相位差测量方法。.5、开展了相关方法的应用验证。针对项目研究方法的应用验证，开展了部分LFMCW雷达测距应用实验，提出了基于滑动FrFT瞬时频率估计的VCO非线性度检测方法、一种结合Rife算法及IRife算法的分段双线幅度测距法。并拓展进行了项目研究方法的科氏流量计应用实验验证。设计了基于DSP的科氏流量计变送器，将提出的加窗DTFT等频率和相位差估计算法嵌入DSP芯片，在实验室环境开展了流量计量应用实验，验证了算法的有效性。同时，研究了科氏流量计驱动控制问题，提出了仿人智能驱动控制算法。.综上，理论研究、仿真与验证实验结果表明：通过多段信号频谱融合机理分析、异频同频化处理、加权融合频谱矩阵降维、主瓣相关性分析和频谱融合细化等措施，项目提出的方法增强了频谱融合度，提高了在信号持续时间短、邻近频率信号干扰严重、信噪比低等条件下的频率估计精确性，改善了其普适性、实时性和抗干扰性；解决了当前LFMCW雷达测距和科氏流量计计量等领域中有关频率估计的若干关键技术问题。