一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统

1.本发明涉及一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，用于激光干涉法所产生的高动态冲击信号的频率解算，属于高动态信号测量领域。

背景技术：

2.随着军事领域的信息化、数字化、智能化趋势，各种侵彻式武器发展的如火如荼，在武器装备研制过程中，其搭载的智能传感系统、弹载仪器等需要开展强冲击环境实验验证，因此对弹体各种参数的测量也愈发重要，通过获取炮弹在出膛、飞行、击中目标等时候的速度，可以对其出射和飞行状态进行详细的分析。在试验中可能会遇到量值达到或超过200m/s的瞬时速度，对于这样的速度测量，可实现的方法有多种，最典型的是采用时间间隔测量法，但得到的是平均速度，信息有限，不能用来研究整个冲击运动过程。目前，测量速度按测量方式可分为两类：接触式和非接触式。接触式测量主要是指通断靶，它是当弹丸穿过时与靶面接触，利用装置中电路开启或关闭的方式来产生脉冲电信号，以此脉冲电信号作为打开或关闭计时仪计时的靶信号。接触式测量方法的优点是结构简单、制造方便以及抗干扰能力强等，因而广泛的应用于早期的弹丸速度测量。但同时该方法也伴随着自身所固有的缺陷，即对飞行弹道造成影响。相比之下，非接触式测量因其对弹道几乎无影响且非破坏型实验等优势，目前已经取得了愈发广泛的应用。
3.基于激光干涉法的瞬态高速激光测速技术具有测量精度高、测速范围广、动态响应快等优点。在冲击测量过程中，采用激光多普勒原理，用衍射光栅作为合作目标，则光栅运动所产生的多普勒频移和冲击速度具有相关性。2014年zhang等人在《光电技术与应用国际研讨会》(international symposium on optoelectronic technology and application)第9297卷的论文《测量物体横向速度的光栅激光多普勒测速仪技术》(the technology of grating laser doppler velocimeter for measuring transverse velocity of objects)中设计了光栅多普勒探测系统，采用差分测量方式进行测量，光栅的两束衍射光混合后，光栅运动时由探测器检测拍频。2020年任元等申请中国专利“一种基于偏振光栅多普勒效应的物体运动速度测量方法”(专利号：202011457850.6)提出了将偏振光栅的
±
1级衍射光进行叠加得到具有拍频特性的线偏振光的方法，并采用短时傅里叶变换对信号进行时频分析，得到了运动速度随时间变化的特性。因此，如何实时准确迅速的获得多普勒频移信号就显得尤为必要。高动态冲击信号有许多它独有的特点：整个冲击过程非常短暂，时间上为毫秒量级，而且信号是动态变化的，频率的动态范围很大，对于某一个时刻来说带宽比较窄。对于待测信号来说，信号频率可以高达几百兆赫兹，在采集时需要很高的采样率，在传输和处理时会存在很大的数据量，这些就导致了对信号进行实时的采样与处理具有比较大的困难。
4.针对高动态冲击信号的测量装置与方法，近年来国内外也有对相关技术的描述。2015年安徽省计量科学研究院的王强等申请中国专利“一种使用冲击速度测量装置检定或校准冲击速度的新方法”(专利号：201510915520.x)提出了包括信号接收天线、频谱处理模
块和信号处理模块的冲击速度测量装置，采用了高增益的接收天线和脉宽捕捉的方式和主频高达150mhz的脉宽捕获模块进行采集，从而实现高精度速度测量。2021年吴拥政等申请中国专利“冲击地压数据采集分站及采集方法”(专利号：202111403425.3)提出了根据信号强度，分别按照第一、第二频率的采集频率进行数据存储，从而减少数据存储量的方法。2019年黑龙江大学吕国辉等申请中国专利“一种高速高频冲击波超压数据采集装置及采集方法”(专利号：201910065953.9)提出了包括信号采集模块、光触发模块、远距离传输模块、数据存储模块和控制模块的数据采集装置。2019年徐成等申请中国专利“一种冲击波压力采集装置”(专利号：201920833433.3)提出了一种高速高频冲击波超压数据采集装置及采集方法，利用光信号进行触发，可以实现数据的采集、远距离传输和存储等。这些方法的提出在很大程度上推动了冲击信号采样技术的发展，然而由于冲击信号的高频特性，实现实时采样和数据传输对采集系统有比较高的要求。
5.高动态冲击信号具有高频率的特点，也因此对数据采集的采样率有较高的要求，对于该类性质的信号，目前有多种测量方式。2014年damilola等人在《signal processing》第97卷第282页的论文《ofdm系统中基于接收机的非线性后补偿的压缩感知技术》(compressed sensing techniques for receiver based post-compensation of transmitter's nonlinear distortions in ofdm systems)中提出了利用压缩感知技术来补偿放大器。2021年yamamoto等人在《第27届ieee在线测试与鲁棒系统设计国际研讨会》(27th ieee international symposium on on-line testing and robust system design(iolts))的论文《金属比等时采样:一种高效的波形采集方法》(metallic ratio equivalent-time sampling:ahighly efficient waveform acquisition method)中提出了在使用等效采样进行波形采集时将输入信号的信号频率和采样频率设置为金属比。2012年安徽理工大学的李梅等申请中国专利“基于混频技术的局部放电信号采集装置”(专利号：201220049848.x)应用混频技术使得局部放电特高频信号降频并保留了信号的峰值和相位等特征，从而解决了变压器局部放电特高频检测中的核心问题。2017年西安电子科技大学的刘帘曦等申请中国专利“可变增益混频放大器、生物信号采集与处理芯片及系统”(专利号：201710375510.0)采用可变增益混频放大器接受生物信号和本振信号，输出经调制后的音频信号。这些方法有效降低了高频信号的频率，从而减弱了对信号进行采样和数据传输的难度。然而在对高动态冲击信号进行采样和求解时，尚缺乏对信号的降频处理和采样及对测量数据进行储存、传输和求解的方法。
6.基于以上背景，本发明提出了一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，用以解决上述频率不断动态变化的高频冲击信号的采集及处理问题。主要分为三个步骤，第一步是根据待测信号的频率范围确定采集系统的电路设计方案，待测信号进入多个通道与不同的本振信号混合，从而实现对动态变换信号的降频，因此可以先通过仿真的方式选择最优的通道的个数，以保证信号频率的有效降低，以及电路成本和数据采集处理难度的控制。第二步是弹体冲击产生的多普勒频移信号经过不同频率范围的滤波后进入实际的多个采集通道，与每个通道的本振信号混合后获得低频率的差频信号，混频后的信号经滤波、放大等处理后被模数转换芯片转变为数字信号，传递到fpga内进行储存和传输。第三步是对采集到的信号进行恢复和处理，根据仿真结果对信号进行补偿，对多个通道的采集数据进行筛选和组合，恢复采集到的整个冲击过程，利用希尔伯特黄变换获得信号频率，根据多普勒
频移的相关原理计算弹体的冲击速度。
7.本发明的重点在于，根据待测信号的特征，首先利用仿真的方式模拟不同条件下信号的采集质量，综合考虑电路成本以及数据存储和传输难度，从而确定最优的采集方案，包括通道个数、滤波器参数、本振信号频率大小等电路参数；在采集前对高动态冲击信号进行多通道混频，降低待测信号的频率以解决对高频信号采样及传输困难的问题。本发明的优点在于，对电信号进行混频处理以降低信号采样率，不仅可以有效减小需要存储和传输的数据量，而且对模拟电路设计部分要求也得到了降低；由于冲击信号快速变化的动态特性，多通道并行电路可以同时采样，避免了单通道因为冲击信号时间短而无法捕捉的问题；可以针对不同范围频率的信号设计对应的通道数和本振信号，扩大了该方法的适用范围。
8.综上所述，本发明提出的一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，在传统的对信号进行采样的基础上，在模拟电路部分加入了多通道混频处理，降低了信号频率，而且能够实时捕捉冲击信号，有效降低了后续对信号采集的要求和需要存储传输的数据量；而且针对不同特征的冲击信号，可以通过仿真确定降频电路部分的最优设计方案，调整通道数和本振信号频率，对高动态冲击信号的频率解算和处理具有良好的适用性。

技术实现要素：

9.(一)要解决的技术问题
10.本发明的目的在于提供一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，用于解决快速变化的高频动态信号的采集问题，采集电路前端的多通道混频部分可以对待测信号进行初步的处理，获得较低频率的差频信号，在有效降低信号采样率的同时降低了电路设计及数据存储和传输的难度，具有广阔的应用前景。
11.(二)技术方案
12.本发明，即一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，包括以下步骤：
13.步骤一、根据不同情况下待测信号的频率范围及变化速度等，通过仿真确定降频电路部分的最优设计方案。对待测信号进行模拟，
[0014][0015]
其中，信号的幅值a
t
、频率ω
t
和相位分别随着时间t变化，频率范围是ω0＜ω
t
≤ω
max
，
[0016]
m＝ω
max-ω0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]
即m就是信号整个过程的频率带宽，如果降频过程中每个通道可通过的信号频率带宽为m，则通道数n选择为大于内最小整数，每个通道的可通过频率为，
[0018][0019]
为了避免边界频率信号的采集缺失，相邻两个通道可通过的信号频率范围存在重叠的部分。为了模拟多种实验环境以及保证结果的准确性，在原始信号的基础上添加不同大小的随机噪声，并进行重复实验。对比改变每个通道的带宽m时仿真结果的准确度和消耗
资源的大小，确定最优电路设计方案。
[0020]
步骤二、待测信号同时输入n个通道，不同通道前端的带通滤波器会保留不同的信号频率，然后滤波后的信号与本振信号进行混频。如果某一时刻的信号为，
[0021][0022]
那么对于这个时刻来说，频率为ω
t
的信号在经过带通滤波后，最多存在两个通道的信号得到了保留，继续后续的混频处理。其中，第k个通道前端带通滤波器的滤波范围是，
[0023]
ωk≤ω≤ωk+m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0024]
假设该通道信号保留，其混频模块中的本振信号为，
[0025]fk
(t)＝akcos(ωkt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0026]
待测信号和本振信号同时输入混频器，由于混频器电路中电流和电压的非线性特性，输出信号中包括两个输入的和频、差频和高次谐波等分量。根据式(4)和式(6)所表示的待测信号和本振信号，那么输出信号为，
[0027][0028]
输出信号经过低通滤波器或合适的选频网络后，保留频率为ω
t-ωk的信号分量。
[0029]
步骤三、实际的高动态冲击信号可由冲击机产生，待测的信号输入实际降频电路，经过带通滤波、混频和选频后，保留下来的低频信号分量，经运算放大器实现动态滤波以及阻抗匹配，然后通过单端转差分芯片，将产生的差分模拟信号使用模数转换器进行采样，采集到的结果存储在ddr3中。整个采集过程以及后续数据的存储和上传均通过usb通信模块接受上位机的指令来控制，数据最终利用以太网进行传输。
[0030]
步骤四、对采集到的数据进行处理。首先复原整个冲击过程，由于多路并行降频采集的工作模式，任意时刻有1或者2个通道存在输出，当信号频率处于两个通道的交叉范围内时有两个通道可以采集到信号，对于这部分采样结果，只需要保留一个信号进行分析即可，在对信号进行仿真和实际电路测试中，对比相同输入信号下两个通道的绝对频率误差δ，
[0031]
δ＝ω
re-ω
th
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0032]
记录下绝对误差δ较小的通道，并在恢复时保留该通道信号，以此恢复整个动态冲击过程的采集信号频率；其次，对合成信号进行希尔伯特黄变换，求解信号的瞬时频率，经验模态分解将采集到的非平稳时变信号分解为本征模函数，
[0033][0034]
其中，ci(t)是分解出的n个本征模函数，rn(t)是残差信号，由于待测的高动态冲击信号是窄带信号，则分解结果中存在一个幅值明显大于其他本征模函数的分量，该分量包含待测信号绝大部分的信息，对这个分量进行希尔伯特变换就可以求得信号的瞬时频率，假设第d个分量为目标分量，那么对cd(t)进行希尔伯特变换，可以得到其解析函数，
[0035]
y(t)＝cd(t)+jh[cd(t)]＝a(t)e
jθ(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0036]
式中，是信号的瞬时幅值，是信号的瞬时相位，所以信号的瞬时频率可以通过对瞬时相位求导进行求解，
[0037][0038]
最后，结合本振信号得到待测信号的实际频率，根据混频原理，如果解算出的k通道信号频率为ωd(t)，则实际频率为，
[0039]
ω
re
＝ωd(t)+ωkꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0040]
从而实现高动态冲击信号频率的测量。
[0041]
(三)有益效果
[0042]
本发明的有益效果是，利用仿真模拟的方式根据实际的待测信号确定测量时输入的通道数以及本振信号频率，以保证信号采集中难度与成本的平衡；根据选择的通道数，进行其他如滤波器参数等的设计，便于后续数据复原的完整性；对信号进行了混频处理，将高频信号降低至比较低的频率，相比于传统直接采集的方法，有效降低了采样率，对比原高频信号，不仅对电路的设计要求有所降低，而且大大减小了数据量，便于后续的存储和传输；采用并行的方式，信号同时输入多个通道，避免了由于信号时间短而无法捕捉，实现了对冲击信号的实时采样；由于信号的窄带特性，利用希尔伯特黄变换对信号进行解算，通过信号的频率得到弹体的冲击速度；可根据实际信号频率和测试范围需要，定制合适的多通道混频电路，具有较好的鲁棒性和稳定性，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0043]
附图1是高动态冲击信号的频率解算方法流程图。
[0044]
附图2是高动态冲击信号的频率解算系统的一种典型结构图。
[0045]
其中，101带通滤波器，102降频模块；采集模块包括103模数转换模块，104ddr3存储模块，105usb通信模块，106以太网传输模块，107计算机，108频率解算模块。
[0046]
附图3是采集到的高动态冲击信号。
[0047]
附图4是最大冲击速度信号经验模态分解结果。
[0048]
附图5是最大速度对应的瞬时频率。
具体实施方式
[0049]
下面结合实例对本发明作进一步说明。参考附图1是一种高动态冲击信号的频率解算方法的流程图，参考附图2是系统的典型结构图。结合一个实例进行的操作步骤如下：
[0050]
步骤一、经过光栅衍射产生的多普勒频移信号，在转换为电信号后频率最高可达到90mhz，仿真过程中设计原始信号为，
[0051]
x0＝sin[2π(20
×
103+0.5
×
10
11
t)t]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0052]
在原始信号上加入均值为0，方差分别为0.15、0.25、0.35的随机噪声，通过比较采集到的信号和原始信号的频率误差，确定通道个数为6。对不同滤波器类型和阶数进行仿真，最终确定每个通道可通过频率范围依次是0-20mhz、15-35mhz、30-50mhz、45-65mhz、60-80mhz和75-95mhz，滤波器种类为切比雪夫24阶滤波器。
[0053]
步骤二、待测信号首先同时输入6个通道，并利用101带通滤波器选择特定频段的信号，然后输入102的降频模块进行初步处理，降低其频率，继续传递至103模数转换模块对信号进行预处理及实时采样，采集到的结果可以存储至104ddr3存储模块中，采集和数据的
存储上传过程由107计算机通过105usb通信模块进行控制，最后将存储的采集数据经106以太网传输模块上传至107计算机，实现进一步的解算。
[0054]
步骤三、降频过程中的本振信号利用片上dds芯片产生，可保证采集系统的小型化，芯片选择为ad9910，并使用高速运算放大器ad4857对信号进行放大。滤波后的待测信号和本振信号同时输入乘法器ad835，经过运算后利用低通滤波lt6600保留差频信号。滤波后的模拟信号将通过单端转差分芯片，调节信号的偏置电平，抑制共模噪声。最后使用16位双通道模数转换器ad9650对差分信号进行采样，该芯片可实现100mhz的采样率，能有效对降频后20mhz以内的信号进行采集。采集到的数字信号传递至104ddr3中进行储存，并能通过106以太网传输至107计算机保存。采集过程以及数据存储和上传过程，可以利用上位机进行控制，指令通过105usb通信模块发送。
[0055]
步骤四、对采集到的数据，由108频率解算模块进行解算。首先将信号进行复原，得到完整的信号采集结果。然后对数据进行希尔伯特黄变换，利用经验模态分解将信号分解为多个本征模函数；对每个分量进行希尔伯特变换，利用公式求出瞬时频率。最后根据选取的本振信号和混频原理，计算出实际的多普勒频移信号频率。
[0056]
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

技术特征：

1.一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，系统包括混频模块、信号采集模块和频率解算模块，其特征在于对不同频率范围的待测信号针对性的设计电路通道数和本振信号频率，采集过程中对待测信号进行混频处理以降低高频信号的频率，从而使系统能够以较低的采样率对信号进行采集，同时采用多个通道对信号进行并行处理与采样，实现对冲击信号的捕获；信号首先经过多通道混频的方式被分割为多个不同的频段并降低频率，然后低频率的差频信号被保留进行下一步的采集和存储，最后上传至计算机的信号经过合成和补偿后求解出瞬时频率。2.根据权利要求1所述的一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，其特征在于根据实际待测信号通过仿真确定前端降频电路通道个数和每个通道的本振信号频率，对原始待测信号进行模拟，其中，信号的幅值a
t
、频率ω
t
和相位分别随着时间t变化，频率范围ω0＜ω
t
≤ω
max
，m＝ω
max-ω0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)即m就是信号在整个冲击过程中的频率带宽，信号同时输入n个通道，每个通道前端是一个无源带通滤波器，滤波器的通带范围都是不同的，所有通道的频率范围组合起来可以覆盖待测信号带宽，从通道1到通道n，通带频率是逐渐增加的，并且为了避免临界位置处频率的信号无法进行采集的问题，相邻的两个通道可通过的频率范围具有一定的重叠，如果降频过程中每个通道可以通过的信号频率带宽为m，则通道数n选择为大于的最小整数，那么每个通道的可通过频率为，经过带通滤波器筛选后的信号与本振信号混合，由于带通滤波器通带频率的不同，所以每个通道的本振信号频率也不同，设置为通带频率的最小值，对于第k个通道来说，本振信号的频率是ω
k
，假如某一时刻经过带通滤波器的滤波后，k通道的信号可以表示为，a
′
t
是经过滤波器衰减后的信号幅值，第k个通道的本振信号为，f
k
(t)＝a
k
cos(ω
k
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)经过带通滤波后的信号和本振信号进行混合，由于混频器电路中电流和电压的非线性
特性，输出信号中包括两个输入的和频、差频和高次谐波等分量，那么输出信号为，输出信号经过低通滤波器后，保留频率为ω
t-ω
k
的信号分量，从而实现降低信号频率的目的，在仿真的待测信号中加入随机噪声，那么待测信号为，其中，randn是随机噪声，b表示随机噪声的方差大小，改变b、频率带宽m和通道数n，分析采集到的信号频率和理论值的偏差，以k通道为例，频率理论值为，ω
th
＝ω
t-ω
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)采集到的信号频率为ω
re
，则相对误差为，通过比较相对误差的大小，选择误差最小的结果为最优设计方案。3.根据权利要求1所述的一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，其特征在于信号的复原和处理，包括如下步骤：首先，复原整个冲击过程，由于多路并行降频采集的工作模式，任意时刻有1或者2个通道存在输出，当信号频率处于两个通道的交叉范围内时有两个通道可以采集到信号，因此这部分采样结果只需要保留一个信号进行分析即可，在对信号进行仿真和实际电路测试中，对比相同输入信号下两个通道的绝对频率误差δ，δ＝ω
re-ω
th
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)记录下绝对误差δ较小的通道，并在恢复时保留该通道信号，以此恢复整个动态冲击过程的采集信号频率；其次，对合成信号进行希尔伯特黄变换，求解信号的瞬时频率，经验模态分解将采集到的非平稳时变信号分解为本征模函数，其中，c
i
(t)是分解出的n个本征模函数，r
n
(t)是残差信号，由于待测的高动态冲击信号是窄带信号，则分解出的本征模函数中存在一个分量包含待测信号绝大部分的频率信息，对该分量进行希尔伯特变换就可以求得信号的瞬时频率，假设第d个分量为目标分量，那么对c
d
(t)进行希尔伯特变换，可以得到其解析函数，y(t)＝c
d
(t)+jh[c
d
(t)]＝a(t)e
jθ(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)式中，是信号的瞬时幅值，是信号的瞬时相位，所以信号的瞬时频率可以通过对相位求导进行计算，最后，结合本振信号得到待测信号的实际频率，根据混频原理，如果解算出的k通道信
号频率为ω
d
(t)，则实际频率为，ω
re
＝ω
d
(t)+ω
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)从而实现高动态冲击信号频率的测量。

技术总结

本发明提出了一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统。该系统包括混频模块、信号采集模块和频率解算模块。混频模块中通道数、滤波器、本振信号等电路参数由仿真优化确定；测量时信号输入混频模块后同时进入多个通道，每个通道具有不同的信号频带，并将该通道的信号转换成低频段的差频信号；该差频信号经滤波后输入信号采集模块，获得不同信号频带的测量数据；频率解算模块根据多通道的频谱参数和测量数据，求解信号的瞬时频率，从而得到冲击速度。本发明的特点在于利用多通道混频降低了对采样率和电路制作的要求，并可实现高动态信号的频率解算，在高动态冲击信号测量领域具有重要应用前景。应用前景。应用前景。