离散频谱的变频融合校正法及应用基础研究

Many signals are short-term and have intensive frequency ingredients in the field of the instrument , radar and equipment state monitoring and fault diagnosis. Problems caused by inadequate information, severe spectrum leakage and interaction of this signal, to some extent, leads to a big error in the discrete spectrum got by traditional spectral analysis methods. It is difficult to meet the engineering application requirements. Therefore，a signal decomposition structure based on frequency conversion, a frequency conversion fusion algorithm and discrete spectrum correction methods based on frequency conversion fusion are proposed, especially solving and foundation the frequency-conversion fusion discrete spectrum correcting model. To test the performance, this method is applied to Linear Frequency Modulation Continuous Wave (LFMCW) radar ranging or Coriolis mass flowmeter measurement . The method focuses on improving the dipartite degree and availability of the signal decomposition structure, the fusion level and real-time of the frequency conversion fusion algorithm, restraining spectrum leakage of the short-term single-frequency signal, and spectrum zoom of the intensive frequency signal. The study aims at improving discrete spectrum correction and parameter estimation precision, and providing signal process methods for the instrument , equipment state monitoring and fault diagnosis, especially for radar ranging and Coriolis mass flowmeter measurment.

信号持续时间短、频率成分密集是仪器仪表、状态监测与故障诊断等领域的常见现象。由于该类信号携带信息量有限、频谱泄漏严重、谱线干涉复杂，经传统频谱分析方法得到的离散频谱存在较大误差，难以满足实际工程需要。为此，本项目拟对信号变频分解结构、变频融合算法和离散频谱变频融合校正方法开展研究，重点是离散频谱的变频融合校正模型建立与求解，并将其应用于线性调频波雷达或科氏流量计中进行实验验证。着重解决信号变频分解结构设计的区分度和易用性、变频融合算法的信息融合水平和实时性、变频融合信号频谱泄漏抑制、变频融合的频谱细化等关键问题，旨在大幅度提高离散频谱校正精度，改善信号参数估计精度，为仪器仪表，特别是雷达和科氏流量计等实际工程应用提供相关信号处理方法支撑。

本项目以持续时间短、频率成分密集的信号为研究对象，针对该信号携带信息量有限、频谱泄漏严重、谱线干涉复杂、经传统频谱分析方法得到的离散频谱存在较大误差，难以满足工程需要的问题，对离散频谱的变频融合校正方法开展了如下研究：.1、设计了信号变频分解结构。明确了通过变频融合多段频谱进行离散频谱校正的基本思想，理论推导了变频信号的频谱融合机理；为抑制邻近频率信号对频谱的影响，从特征识别角度设计了信号变频分解结构。.2、提出了变频融合算法。为解决被测信号持续时间短、携带信息量有限、抗噪性及普适性欠佳的问题，基于变频融合机理和变频分解结构，通过变频等长信号的变频融合算法、异频不等长信号的变频融合快速算法研究，提出了变频融合算法。.3、提出了离散频谱的变频融合校正方法。①基于变频信号的频谱分析误差，提出了频谱校正的相频匹配方法，包括频率校正/相位差校正的相频匹配法;②针对频率关系未知的变频信号，提出了变频信号的交叉信息融合法，建立了变频融合的细化校正模型;③针对非整周期采样引起频谱泄漏的问题，提出了频谱泄漏抑制的数据延拓式方法，特别针对特征频率位于频谱两端的极端频率信号的频谱泄漏，提出了计及负频率影响基于DTFT的端频信号频谱细化方法;④针对变频信号的相位差校正，拓展研究了基于相关和DTFT的相位差测量方法。.4、开展了研究方法的验证实验，包括LFMCW雷达测距系统和科氏流量计应用实验。拓展验证了基于滑动FrFT瞬时频率估计的VCO非线性度检测方法、基于Rife算法及IRife算法的分段双线幅度测距法。设计了基于DSP的科氏流量计变送器,提出了仿人智能驱动控制算法。.综上，理论研究与验证实验表明：本项目着重解决了信号变频分解结构设计的区分度和易用性、变频融合算法的信息融合水平和实时性、变频融合信号频谱泄漏抑制、变频融合的频谱细化等关键问题，较大幅度提高了离散频谱校正精度，为仪器仪表，特别是雷达和科氏流量计等工程应用提供了相关信号处理方法支撑。