文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)01-0074-03
液位是自動(dòng)計(jì)量領(lǐng)域中重要的檢測(cè)與控制參數(shù)之一,液位測(cè)量技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展,,已經(jīng)得到了很大的進(jìn)步,。其中微波法測(cè)量液位是近幾年發(fā)展迅速而且日益成熟的一種方法,它采用非接觸的測(cè)量方法,,通過(guò)測(cè)量微波傳播延遲時(shí)間的原理來(lái)測(cè)量液位,。在微波液位測(cè)量系統(tǒng)中,液位測(cè)量的關(guān)鍵在于正弦信號(hào)的頻率估計(jì)[1],。正弦信號(hào)的頻率估計(jì)有很多方法,,其中最簡(jiǎn)單的方法是FFT變換,但是由于FFT的柵欄效應(yīng)[2],,使得正弦信號(hào)的頻譜發(fā)生泄漏,,導(dǎo)致頻率估計(jì)精度不高,無(wú)法滿足高精度的測(cè)量要求,。目前提高頻率估計(jì)精度的校正方法有很多,,Rife插值法[3]利用兩個(gè)采樣點(diǎn)的比值來(lái)估計(jì)峰值的位置,但在噪聲背景中,,容易造成插值方向錯(cuò)誤,,引起較大的估計(jì)誤差。參考文獻(xiàn)[4]提出的FFT+FT譜連續(xù)細(xì)化法所需的計(jì)算量較大,。參考文獻(xiàn)[5-6]提出的三角形法是根據(jù)幾何原理進(jìn)行頻譜校正的,,該方法運(yùn)算簡(jiǎn)單,,受信噪比變化影響較小,。參考文獻(xiàn)[7]提出的相位差法精度較高,但在進(jìn)行相位估計(jì)時(shí)會(huì)遇到相位模糊的問(wèn)題,。
基于上述分析可以發(fā)現(xiàn),,Rife比值法和三角形校正法在頻譜校正上存在著各自的問(wèn)題。本文在分析兩者優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,,結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì),,提出了一種魯棒性更強(qiáng)的滑動(dòng)頻率估計(jì)算法。該方法假設(shè)噪聲是加性高斯白噪聲,,根據(jù)信噪比的變化情況,,利用單次FFT后峰值譜線周圍的多條譜線信息的三角形法和Rife比值法估計(jì)信號(hào)頻率。
1 算法分析
1.1 Rife比值法
Rife比值法是利用主瓣峰頂附近兩條譜線的幅度比值進(jìn)行頻譜校正的,,信號(hào)的實(shí)際頻率與估計(jì)頻率之間的相對(duì)偏差δ為(加矩形窗):
式中m為幅值最大值處的離散頻率索引值,,fs為采樣頻率,N為采樣點(diǎn)數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是插值公式簡(jiǎn)單,,且不考慮噪聲影響的情況下,,F(xiàn)FT主瓣內(nèi)次大值的幅度永遠(yuǎn)大于其他旁瓣的幅度,因此插值不會(huì)出現(xiàn)方向錯(cuò)誤,。但是在有噪聲的情況下,,當(dāng)|?啄|比較小時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)FFT頻譜中其他譜線的幅度超過(guò)主瓣內(nèi)次大值的情況,,從而造成頻率插值方向相反,,引起較大的頻率估計(jì)誤差。當(dāng)N一定時(shí),,不同信噪比下存在相應(yīng)的臨界值?啄0,。當(dāng)|δ|<δ0時(shí),Rife比值法的頻率估計(jì)誤差比較大,特別是在|δ|接近于0時(shí),,頻率估計(jì)誤差將大大增加,。
1.2 三角形法
三角形法主要是根據(jù)幾何原理進(jìn)行頻譜校正,即用直線分別連接主瓣內(nèi)峰值的左右譜線時(shí), 可近似形成一個(gè)三角形,,通過(guò)三角形的比例關(guān)系,,可以得到譜線號(hào)修正量的式子am,即:
該方法校正原理簡(jiǎn)單,計(jì)算量小,,精度較高,。選取不同的n值,所獲得的測(cè)量精度也不同,。隨著信噪比的增加,,三角形法的測(cè)量精度有所增加,但提高幅度不大,,受信噪比變化的影響較小,。它不同于Rife插值法,整個(gè)頻段誤差的變化范圍較小,,穩(wěn)定性好,,但是頻率估計(jì)誤差比Rife插值法在|?啄|不接近0時(shí)大。
1.3 滑動(dòng)頻率估計(jì)算法
矩形窗Rife比值法和三角形法都只需要一次FFT的運(yùn)算量,,但在頻率估計(jì)精度上都存在各自的問(wèn)題,。因此,本文提出了滑動(dòng)頻率估計(jì)算法,,將兩種算法有效地結(jié)合起來(lái),,在有噪聲的情況下,根據(jù)比例因子,,即頻率所在位置的不同(δ的不同),,自適應(yīng)地采取相應(yīng)的算法,。算法的具體過(guò)程如下:
(1)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)時(shí)確定現(xiàn)場(chǎng)所在環(huán)境下的信噪比,,記Rife比值法的偏差閾值為δ0,,并查找P(k)的最大值P(m),其中P(k)=X2(k),。
(2)由于三角形法的頻率估計(jì)誤差穩(wěn)定,,因此估計(jì)的偏差am可信度高,當(dāng)|am|<δ0,,使用Rife插值法估計(jì)效果較差,,此時(shí)使用三角形法進(jìn)行頻率估計(jì),按照公式(4)可得到信號(hào)的實(shí)際頻率估計(jì),。
(3)反之為|am|≥δ0時(shí),,三角形法對(duì)實(shí)際頻率的估計(jì)誤差大于矩形窗Rife插值法,因此,,使用Rife插值法進(jìn)行頻率估計(jì),,按照公式(2)可得到信號(hào)的實(shí)際頻率估計(jì)。
可見,,Rife比值法與三角形法的有效結(jié)合構(gòu)成了滑動(dòng)頻率估計(jì)算法,,根據(jù)次大值與最大值的幅度比值來(lái)預(yù)先設(shè)定偏差閾值δ0。根據(jù)|δ|的不同,,即頻率所在位置的不同,,采用不同的估計(jì)方法。
2 仿真實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證所提算法的有效性,,作如下仿真實(shí)驗(yàn),。
這里采用鋸齒波LFMCW雷達(dá)測(cè)量液位,根據(jù)被測(cè)頻率與目標(biāo)距離之間的關(guān)系,,采用3種方法對(duì)實(shí)際距離進(jìn)行測(cè)量,。設(shè)定液面與天線的距離為0~20 m,信噪比為12 dB,。雷達(dá)的調(diào)制周期Ts=1 ms,,調(diào)制帶寬B=600 MHz,fs=256 kHz,,N=256。對(duì)所選的幾個(gè)被測(cè)距離分別采用Rife比值法,、三角形法(n=3),、滑動(dòng)頻率估計(jì)算法進(jìn)行估值(δ0=0.12),各被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了1 000次測(cè)量得到平均值R和均方根誤差σR如表1所示,。
從表1可以看出,,當(dāng)被測(cè)距離接近離散頻譜最大譜線所對(duì)應(yīng)的距離時(shí)(R=8.045),,即|?啄|較小時(shí),Rife插值法的距離測(cè)量均方根誤差大大增加,,為0.010 8,。而此時(shí)的三角形法距離測(cè)量的均方根誤差較小,為0.000 5,,且整個(gè)變化區(qū)間內(nèi),,均方根誤差變化較小。但是當(dāng)被測(cè)距離遠(yuǎn)離離散頻譜最大譜線所對(duì)應(yīng)的距離時(shí),,三角形法的估計(jì)誤差比Rife插值法大(R=8.020),。而本文所提出的滑動(dòng)頻率估計(jì)算法結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì),根據(jù)|δ|的不同選取不同的估計(jì)方法,,在整個(gè)所觀測(cè)的測(cè)量范圍內(nèi),,距離估計(jì)的均方根誤差較小,測(cè)量精度較高,。
下面來(lái)觀察一下距離估計(jì)誤差與數(shù)據(jù)輸入長(zhǎng)度N(N=16,,32,64,,128,,256,512,,1 024)之間的關(guān)系,。圖1為N不同時(shí)三種估計(jì)方法的性能比較。設(shè)R=4.176 m,SNR=15 dB,,其他條件同上,。由仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)N取值較小時(shí),, Rife算法的頻率估計(jì)精度較低,,而三角形法的頻率估計(jì)精度較高,且在所觀察的變化區(qū)間內(nèi),,三角形法的頻率估計(jì)性能穩(wěn)定,,而Rife算法在N較大的時(shí)候,頻率估計(jì)效果較好,。在結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,,本文提出的滑動(dòng)頻率估計(jì)算法在所觀察的區(qū)間內(nèi)受數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的變化影響較小,測(cè)距精度較高,,而且運(yùn)算簡(jiǎn)單,,計(jì)算量不大。
再來(lái)觀察一下不同估計(jì)方法隨信噪比的變化情況,。此時(shí)R=14.565 m,,其他條件同上,。圖2是三種估計(jì)方法的距離估計(jì)的均方根誤差與信噪比的變化情況。從圖中可以看出,,Rife插值法在整個(gè)信噪比區(qū)間均方根誤差變化較大,,受信噪比的影響較大,當(dāng)信噪比較低時(shí),,Rife插值法引起了更大的估計(jì)誤差,。而三角形法在整個(gè)信噪比區(qū)間變化較小,即使在信噪比較低時(shí),,其均方根誤差也不大,,但在信噪比較高時(shí),估計(jì)誤差大于Rife插值算法,。而本文所采用的滑動(dòng)頻率估計(jì)算法,,克服了上述兩種算法的不足,在所觀測(cè)的整個(gè)信噪比變化區(qū)間內(nèi),,距離測(cè)量的均方根誤差都較小,,測(cè)量精度高。
本文通過(guò)對(duì)Rife比值法和三角形法的研究,,建立了一種隨信噪比變化的頻譜校正模型,。根據(jù)信噪比的變化情況,利用正弦信號(hào)采樣序列的FFT頻譜圖上譜峰附近的多條譜線信息,,結(jié)合Rife比值法和三角形法各自的優(yōu)點(diǎn),,提出了一種滑動(dòng)頻率估計(jì)方法。該方法有效地融合了多條譜線信息的貢獻(xiàn),,根據(jù)頻率所在位置的不同選取不同的估計(jì)方法,,避免了Rife算法的插值方向錯(cuò)誤問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,,該方法的測(cè)量精度高,,即使在噪聲背景中,微波液位測(cè)量的誤差也能滿足工程需要,,并且頻譜校正精度受數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的變化影響較小,。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳先忠,柳瑾.FMCW微波液位測(cè)量的快速頻率估計(jì)算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2005,18(4):901-905.
[2] 朱磊,董亮,劉樹東.基于Quinn 算法與改進(jìn)的Rife 算法的正弦信號(hào)頻率估計(jì)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2010,34(1): 98-101.
[3] RIFE D C, VINCENT G A. Use of the discrete Fourier transform in the measurement of frequencies and levels of tones[J]. Bell. Sys. Tech. J., 1970,49(2):197-228.
[4] 劉進(jìn)明,應(yīng)懷樵. FFT譜連續(xù)細(xì)化分析的傅里葉變換法[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),1995,8(2):162-166.
[5] 曹延偉,張昆帆,江志紅,等.一種穩(wěn)健的離散頻譜校正方法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2005,27(9):1353-1356.
[6] 張昆帆,王蘭云,趙擁軍.基于窗函數(shù)的離散頻譜校正法[J].現(xiàn)代雷達(dá),2007,29(9):59-62.
[7] 齊國(guó)清,賈欣樂(lè).基于DFT相位的正弦波頻率和初相的高精度估計(jì)方法[J].電子學(xué)報(bào),2001,29(9):1164-1167.