一种采用回波信号自相关相位谱的声表面波谐振器频率估计算法制造技术

本发明专利技术公开了一种采用回波信号自相关相位谱的声表面波谐振器频率估计算法，其主要特点是将声表面波谐振器的无线回波信号变换为持续时间一定的正弦信号，再进行自相关运算，利用正弦信号傅里叶变换相位谱中相位与频率之间的关系实现对频率的估计。算法在傅里叶变换之前进行自相关运算，使得回波信号的初相位由随机值变为恒定的零值，不仅消除了初相位对频率估计结果的影响，而且增强了抗干扰能力。算法的频率估计精度不受激励信号频率变化的影响，不受谐振频率与回波信号傅里叶变换幅度谱中峰值谱线频率相对位置关系的影响，不仅适用于声表面波谐振器的谐振频率估计，还适用于雷达、通信等领域的正弦信号频率估计。

【技术实现步骤摘要】
一种采用回波信号自相关相位谱的声表面波谐振器频率估计算法
：本专利技术涉及一种采用回波信号自相关相位谱的声表面波谐振器频率估计算法，其属于信号处理

技术介绍
：声表面波谐振器由压电基底、叉指换能器与反射栅组成，其结构如图1所示。声表面波谐振器可作为传感器使用，具有体积小、精度高、无线无源等特点。声表面波谐振器实现无线传感的基本原理是：待测对象变化时，叉指换能器的叉指周期与声表面波的传播速度将发生变化，从而导致声表面波谐振器的谐振频率变化，通过测量谐振频率来实现对待测对象的检测。因此，对谐振频率的精确估计是实现精确传感的前提。通过阅读器发射激励信号，然后接收声表面波谐振器的无线回波信号，回波信号的波形如图2(a)、2(b)所示。图2(a)、2(b)分别为声表面波谐振器的谐振频率与激励信号频率相等、不相等时的波形。比较图2(a)、2(b)可知，当两者相等时的回波强度最大，因此可通过扫频测强度的方式来估计频率。但无论两者是否相等，回波信号的载波频率总是等于声表面波谐振器的谐振频率，因此可通过频域变换法估计频率。综上所述，目前估计声表面波谐振器谐振频率的方法可分为扫频法和频域变换法两种。扫频法存在测量速度慢、测量周期长的缺点，不能满足待测对象快速变化的场合，如动态扭矩检测等领域，因此应用范围有限。频域变换法采用对回波信号做快速傅里叶变换(FastFourierTransform,FFT)来估计频率，但由于声表面波谐振器的回波信号存在持续时间短、载波频率高的特点，FFT的频谱分辨率有限，难以满足频率估计的精度要求。在FFT的基础上，相关文献提出了Rife插值、抛物线插值等改进的频率估计算法。Rife插值算法存在着当谐振频率处于FFT幅度谱中峰值谱线所对应频率的附近时，算法的频率估计精度将大幅度降低的缺点，甚至出现反方向插值的可能性。抛物线插值算法则与Rife插值算法相反，当谐振频率远离FFT峰值谱线时，算法的频率估计精度将大大降低。
技术实现思路
：本专利技术是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种采用回波信号自相关相位谱的声表面波谐振器频率估计算法，从而解决目前算法用于估计声表面波谐振器的谐振频率时存在的相关问题。本专利技术所采用的技术方案有：一种采用回波信号自相关相位谱的声表面波谐振器频率估计算法，包括如下步骤：步骤A，通过网络分析仪测量声表面波谐振器的S11参数，从而测得其品质因数Q和初始谐振频率f0′，并进一步估算出声表面波谐振器回波信号的幅值衰减因子τ＝Q/f0′；步骤B，通过阅读器发射激励信号，然后接收声表面波谐振器的回波信号，对回波信号进行离散化采样；步骤C，通过抵消回波信号幅度项中的指数衰减项和忽略频率调制项，将回波信号变换为持续时间一定的正弦信号；步骤D，对正弦信号进行自相关运算，并对自相关信号做快速傅里叶变换，获得回波信号频率与相位之间的关系；步骤E，在自相关信号的相位谱中，选择与幅度谱中峰值点对应的相位信息来计算频率，获得声表面波谐振器的谐振频率估计值。进一步地，步骤B离散化采样的声表面波谐振器的回波信号记为：其中，A表示回波信号的振幅；N表示回波信号持续时间长度T内的采样点数；激励信号f1为声表面波谐振器有效激励带宽范围内的任意频率；f0为回波信号的载波频率，该频率与声表面波谐振器的谐振频率相等；表示回波信号的初相位，为[0,2π]范围内的随机变量。进一步地，步骤C将回波信号变换为持续时间一定的正弦信号，记为：进一步地，步骤D对正弦信号进行自相关运算并逐步化简，记为：其中，m＝0,1,2…N-1。进一步地，对步骤D中自相关信号做快速傅里叶变换，并忽略式(3)中第二项噪声信号对第一项的影响，得到：由式(4)所示的相位谱表达式可知，当频谱上任一点k对应的相位值为θ时，有：对式(5)进行整理，即通过回波信号自相关相位谱获得声表面波谐振器的频率估计表达式：本专利技术具有如下有益效果：(1)在整个声表面波谐振器的谐振频率变化范围内，本算法都具有较高的频率估计精度和稳定性。与Rife插值、抛物线插值等改进的频率估计算法相比，本算法不受谐振频率与FFT峰值谱线频率相对位置关系的影响。(2)抗干扰能力强，在回波信号信噪比较低时，本算法仍可实现较为准确的频率估计。(3)频率估计精度不受激励信号频率变化的影响，激励信号可为声表面波谐振器有效激励带宽范围内的任意频率。在激励信号频率与声表面波谐振器的谐振频率不相等甚至差别较大时，本算法仍可实现高精度的频率估计。(4)本算法不仅适用于声表面波谐振器的谐振频率估计，还适用于雷达、通信等领域的正弦信号频率估计。附图说明：图1为声表面波谐振器的结构图。图2(a)和2(b)为声表面波谐振器的无线回波信号波形图。图3为本专利技术的频率估计算法流程图。图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)、4(e)和4(f)为本专利技术的回波信号变换过程。图5(a)和5(b)为声表面波谐振器谐振频率与FFT峰值谱线频率的偏差对频率估计结果的影响。图6(a)、6(b)、6(c)和6(d)为回波信号信噪比对频率估计结果的影响。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。请参照图3所示，本专利技术采用回波信号自相关相位谱的声表面波谐振器频率估计算法，包括如下步骤：步骤A，通过网络分析仪测量声表面波谐振器的S11参数，从而测得其品质因数Q和初始谐振频率f0′，并进一步估算出声表面波谐振器回波信号的幅值衰减因子τ＝Q/f0′；步骤B，通过阅读器发射激励信号，然后接收声表面波谐振器的回波信号，对回波信号进行离散化采样；步骤C，通过抵消回波信号幅度项中的指数衰减项，并忽略频率调制项的影响，将回波信号变换为持续时间一定的正弦信号；步骤D，对正弦信号进行自相关运算，并对自相关信号做快速傅里叶变换，获得回波信号频率与相位之间的关系；步骤E，在自相关信号的相位谱中，选择与幅度谱中峰值点对应的相位信息来计算频率，由此获得声表面波谐振器的谐振频率估计值。上述步骤中，步骤B离散化采样的声表面波谐振器的回波信号可记为：其中，A表示回波信号的振幅；N表示回波信号持续时间长度T内的采样点数；激励信号f1可为声表面波谐振器有效激励带宽范围内的任意频率；f0为回波信号的载波频率，该频率与声表面波谐振器的谐振频率相等；表示回波信号的初相位，为[0,2π]范围内的随机变量。步骤C将回波信号变换为持续时间一定的正弦信号可记为：其中，τ为通过步骤A估算出的声表面波谐振器回波信号的幅值衰减因子。若对式(2)所示的正弦信号直接进行快速傅里叶变换，结果可表示为：由式(3)可知，FFT的相位谱中任意一点的相位信息均包含了回波信号的载波频率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用回波信号自相关相位谱的声表面波谐振器频率估计算法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤A，通过网络分析仪测量声表面波谐振器的S11参数，从而测得其品质因数Q和初始谐振频率f

【技术特征摘要】
1.一种采用回波信号自相关相位谱的声表面波谐振器频率估计算法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤A，通过网络分析仪测量声表面波谐振器的S11参数，从而测得其品质因数Q和初始谐振频率f0′，并进一步估算出声表面波谐振器回波信号的幅值衰减因子τ＝Q/f0′；
步骤B，通过阅读器发射激励信号，然后接收声表面波谐振器的回波信号，对回波信号进行离散化采样；
步骤C，通过抵消回波信号幅度项中的指数衰减项和忽略频率调制项，将回波信号变换为持续时间一定的正弦信号；
步骤D，对正弦信号进行自相关运算，并对自相关信号做快速傅里叶变换，获得回波信号频率与相位之间的关系；
步骤E，在自相关信号的相位谱中，选择与幅度谱中峰值点对应的相位信息来计算频率，获得声表面波谐振器的谐振频率估计值。


2.根据权利要求1所述的采用回波信号自相关相位谱的声表面波谐振器频率估计算法，其特征在于：步骤B离散化采样的声表面波谐振器的回波信号记为：



其中，A表示回波信号的振幅；N表示回波信号持续时间长度T内的采样点数；激励信号f1为声表面波谐振器有效激励带宽范...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈智军，李亚飞，熊志强，徐辅庆，代重阳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32