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多普勒方差功率基于虚拟仪器的频率测量软件系统研究与设计

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引 言

  在内弹道雷达测速中,要完成弹丸的速度测量,根据多普勒测速原理,需要进行多普勒频率的估计测量,而频率估计也是信号参数估计中的经典问题。目前国内外已经提出了不少方法,主要有时域法、谱估计方法和时一频域法,其中时域法主要有数周期法和过零检测法两种,其主要缺点为测量精度低;而时一频域法主要有短时傅里叶变换、魏格纳一维尔分布等,但计算量一般较大,难以完成实时处理。

  此外,随着虚拟仪器的发展,借助于其良好的人机界面和强大的信号处理功能,进行信号处理平台的构建也日益成为一种发展趋势。从本质上来说,虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物,它强调"软件就是仪器"的概念,使用户能够根据自己的需要定义仪器功能,更好地组建自己所需的测试系统。它是按照信号的处理与采集(ADC),数据的分析与处理(DSP)、结果的输出(DAC)及显示的结构模式来建立通用信号处理硬件平台,在这个通用信号处理硬件平台上,调用不同的测试软件就构成了不同功能的仪器[1]。基于此,本文利用虚拟仪器平台,结合功率谱估计和频率测量的组合测量方法,进行了信号频率测量系统的设计。

  1频率测量方法

  通常,由于有用信号与噪声的频谱特性不同,因此功率谱估计方法成为一种在噪声背景下提取有用信号(如正弦信号)的有效方法。鉴于此,在多普勒频率测量中,可以将采集的数据先进行功率谱分析,然后再通过频域测频的方法来完成多普勒频率的求取。在功率谱分析中可分为为经典谱估计和现代谱估计,经典谱估计方法的典型代表有周期图法、Welch法等;而现代谱估计方法的典型代表有AR模型法、MA模型法、ARMA模型法、熵谱法、最大似然法和特征分解法等。频域测频方法主要有能量重心法、谱峰搜索法等,通过选取不同的功率谱分析方法和频域测频方法的组合,均可达到测量信号频率的目的。

  1.1 Welch功率谱估计

  在经典功率谱估计巾,采用直接周期图法估计出的谱性能常常不好,主要表现在谱的起伏比较大,方差比较大。采用Welch法可以改善直接周期图法估计出谱的方差特性。它的基本思想是采用分段加窗的方法把一长度为N的数据XN(n)分成L段,每段长度为M,并允许每段数据有部分重叠,分别求出每一段的功率谱Pi(ω),然后加以平均,得到平均后的功率谱基于虚拟仪器的频率测量软件系统设计图示,即:

公式

  根据概率统计理论可知:利用Welch法估计出的功率谱的方差大致是直接估计出的谱的方差的1/L,而且分段越多,方差越小,但是频率分辨率也越低,偏差变大。所以,在实际使用中要兼顾方差和分辨率的要求适当的选取L和M的值[2]。

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