CN101315397A - 一种幅相测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种幅相测量方法，包括：接收或获取两路数字周期信号并对每路信号进行自相关运算获得各自的幅度值；将其中一路信号延迟四分之一周期后与另一路信号进行互相关运算，获得的结果除以所述各自的幅度值乘积再通过求解反正弦函数获得两路信号之间的相位差。这种测量方法通过移位求反正弦代替求反余弦的方法，能测量到负相位差，从而满足电磁波感应测井仪实际测量需要，进一步通过多次测量取算术平均值进一步提高了测量精度。

Description

一种幅相测量方法

技术领域

本发明涉及信号测试，具体涉及一种幅相测量方法。

背景技术

目前，正弦信号的相位差测量方法主要包括过零点检测法、频谱分析DFT法和相关分析法，具体如下：

(一)过零点检测法。过零点检测法即通过判断两同频信号过零点时刻，计算其时间差，然后转换成相应的相位差。图1为过零点检测法原理图，相位差计算公式为：

其中，Δt为两个被检测信号过零点的时差，T为信号周期。过零点检测法的误差与数据采集卡的位数、信号的采样频率、幅值及信号的干扰因素有关。当信号受谐波或噪声干扰时，实际的信号采集几乎无法准确采集到零点时刻，因此过零点检测法的相位差测量误差较大。采用过零点检测法处理信号的相位，由于存在过零点的判断误差，适用于信号幅值较大，采样频率高的场合。使用时，要预先对信号进行滤波或者去噪处理。

(二)DFT法，即对信号进行频谱分析，获得信号的相频特性，两信号的相差即主频处相位的差值。频谱分析法是将信号变换到频域范围内进行比较，为了达到一定的精度，其采样点不能太少，由此引起的计算量很大、程序复杂，并且需要严格整周期采样，否则其精度受频谱泄漏和栅栏效应影响；此外，该方法易受谐波干扰。

对于实际信号测量，一般噪声信号通常与有效信号相关性很小，因而(三)相关分析法对于采样转换的离散信号中的直流偏移、噪声等干扰等具有很强的抑制能力，因此(三)相关分析法较(一)和(二)方法具有很大优势。

(三)相关分析法

相位差测量计算公式为：

$\mathrm{\φ}=\arccos \frac{2R_{\mathrm{xy}}\left(0\right)}{\mathrm{AB}}---\left(I\right)$

其中A、B为两信号幅度，可以通过自相关函数来确定.

其中：

$A=\sqrt{2R_x\left(0\right)},$ $B=\sqrt{2R_y\left(0\right)}$

$R_x\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(n\right)---\left(\mathrm{II}\right)$

$R_y\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2\left(n\right)---\left(\mathrm{III}\right)$

$R_{\mathrm{xy}}\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)y\left(n\right)---\left(\mathrm{IV}\right)$

式中：N为采样点数，n为第n个采样点，x(n)，y(n)分别为信号在第n个采样点的值。

由式(I)可知：可通过求反余弦函数来求相位差，求解结果在(0，π)之间，但是电磁波感应测井信号的相位差一般在(0，π/2)之间，所以理论上该算法可以满足要求，但是感应测井中两路同频信号在进入测量方法前会经过一系列的处理，会产生一定的相位偏移，使得相位差的范围变为(-π/2，π/2)，所以求反余弦函数无法得到负相位，这就需要用一种改进的相关算法进行计算。另外，现有相位测量多采用一次测量误差相对较大。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是如何提供一种幅相测量方法，能够测量负相位差，进一步能提高测量精度。

本发明的上述技术问题这样解决，提供一种幅相测量方法，包括以下步骤：

1.1)接收或获取两路数字周期信号并对每路信号进行自相关运算获得各自的幅度值；

1.2)将两路信号相位错开90度后进行互相关运算，获得的结果除以所述各自的幅度值乘积再通过求解反正弦函数获得两路信号之间的相位差。

按照本发明提供的测量方法，所述步骤1.2)包括将其中一路信号延迟该信号的四分之一周期。

按照本发明提供的测量方法，所述两路数字周期信号分别是x(n)和y(n)，所述步骤1.1)通过公式：

$A=\sqrt{2R_x\left(0\right)},$ $B=\sqrt{2R_y\left(0\right)}$

$R_x\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(n\right)$

$R_y\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2\left(n\right)$

获得各自的幅度值A和B，其中：N是信号长度减一，为自然数。

按照本发明提供的测量方法，所述步骤1.2)通过公式：

$\mathrm{\φ}=-\arcsin \frac{2R_{\mathrm{xz}}\left(0\right)}{\mathrm{AB}}$

$R_{\mathrm{xz}}\left(0\right)==\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)y(n+\frac{N}{4})$

获得两路信号之间的相位差φ。

按照本发明提供的测量方法，所述相位差φ的范围是：φ∈(-π/2，π/2)。

按照本发明提供的测量方法，该测量方法包括多次重复所述步骤1.1)获得多个所述各自的幅度值后再求算术平均值获取最终各自的幅度值。

按照本发明提供的测量方法，该测量方法包括多次重复所述步骤1.1)和1.2)获得多个所述相位差后再求算术平均值获取最终相位差值。

按照本发明提供的测量方法，该测量方法还包括根据所述各自的幅度值获得信号幅值比。

按照本发明提供的测量方法，该测量方法还包括通过采样、量化过程从两路模拟信号中获取所述两路数字周期信号。

按照本发明提供的测量方法，该测量方法具体应用在电磁波感应测井信号测量中。

本发明提供的一种幅相测量方法，通过移90度相位求反正弦代替求反余弦的方法，可以测量到负相位差，从而满足电磁波感应测井仪实际测量需要，进一步通过多次测量取算术平均值进一步提高了测量精度，与现有算法相比，该测量方法受噪声干扰较小，具有很强的抑制噪声能力，且实现原理简单、计算量较小、不容易受到谐波干扰，另外还能同时测量幅度比和相位差，因而尤其适用于本发明申请人前期申请的中国发明专利申请“一种测量电路”中。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是传统过零检测法原理图；

图2是本发明信号测量方法流程示意图；

图3是采用图2所示方法的电磁波测井幅相测量电路结构示意图；

图4是图3所示幅相测量电路中程控放大单元结构示意图。

具体实施方式

首先，说明本发明幅相测量方法：

如图2所示，一种本发明具体幅相测量方法的过程包括：首先AD转换器采集两路待测通道信号，由于通道信号带有一定直流偏置，首先需将两路信号调整为关于零电位对称的信号，去掉直流偏置。经调整后的信号首先进行自相关运算，求出各自幅度值及幅度比值。两路信号还要进行互相关运算，用其中一路信号采集数据与另一路信号四分之一周期后开始的数据进行互相关运算，最后通过求反正弦函数得到两路信号的相位差。

第二，结合本发明具体应用进一步详细说明：

如图3所示，为本发明优选实施例：一种电磁波测井仪幅相测量方法的，该测量方法主要由程控放大电路32，模数转换器33(ADC)、现场可编程逻辑阵列34(FPGA)以及DSP电路四部分构成，DSP电路包括数字信号处理芯片35和静态存储器芯片36(SRAM)。

该电路对四个通道输入信号进行处理，通过四选二开关31(ADG1409)对四通道信号进行选通，当处于一个测井周期的前半周期时，选通信号将通道一及通道二信号选通进入后级进行处理，计算这两个通道的幅度比及相位差，当处于一个测井周期的后半个周期时，选通信号将通道三和通道四的信号选通，对通道三和通道四的信号之间的幅度比及相位差进行计算。

为了使经选通后的信号能够更好的进行模数AD转换，适合AD转换的范围，需要在信号被选通后添加一级放大电路，由于每次进入测量方法的信号幅度有一定差异，所以放大电路并未采用固定的放大倍数，而是采用了程控放大。

如图4所示，该程控放大电路通过一个八选一开关42对运放41的反馈电阻43进行选择来对放大倍数进行控制，而八选一开关42的选择是由FPGA进行控制。在每对信号的前两个周期测量后，会根据测量的结果对放大倍数进行调整，使余下的测量周期的信号幅度更好的适应测量范围。

另一方面，经过放大后的信号进入AD转换器进行AD转换，A/D转换器选用ADI公司的十四位flash型ADC：AD9240AS。该芯片采用高速度的CMOS处理技术和新颖的结构以便兼顾高分辨率与高速度的性能，该芯片是一个完整的单片ADC电路，片内有高性能、低噪声的取样保持放大器和一个可编程的基准电压源。对于2K经放大后的中频信号，设计中采用了4M的采样时钟，每个周期采样2000点，由于对两路信号相位差进行测量，所以采用同一时钟对两路信号同时进行采样。

同时，由于DSP对数据读取速度较快，而AD采样与之难以同步，为了解决这个问题，达到控制方便以及避免数据丢失的目的，所以将AD采样后数据存储进FPGA，在FPGA内部设计了两个FIFO作为ADC和DSP之间的接口。由于读FIFO和写FIFO的速度是不一样的，所以采用双时钟的异步FIFO。

在实际设计中FPGA芯片选用了ACTEL公司的APA600PQ208M。该FPGA具有21504个逻辑单元，高达126kbit的片内存储单元及158个用户可配置I/O，并提高了系统内可编程性，系统速度高达100MHz，可以满足设计中的需求。

FPGA除了产生FIFO外，还要负责A/D转换后的数字信号到DSP以及部分通道及程控放大器的逻辑控制。这样使DSP可以专注于信号的处理工作，充分发挥其高速数据处理的能力，以满足测量要求。

DSP芯片我们采用了TI公司的16位定点DSP：TMS320F2812，该芯片具有高度的操作灵活性和很高的运行速度，具有专用硬件逻辑的CPU，片内128K×16bit的FLASH存储器，片内外设，以及一个高效率的指令集，使芯片性能大大提高。

DSP在测量方法中主要负责对AD采样到的两路正弦信号进行处理，计算出相差及幅度比，同时根据测得的信号幅度值，调整程控放大器的增益，使下一个测量周期信号幅度更好地适合AD采样。而DSP具体采用算法就是本发明提出的幅相测量方法。

Claims (10)

1、一种幅相测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1)接收或获取两路数字周期信号并对每路信号进行自相关运算获得各自的幅度值；

1.2)将两路信号相位错开90度后进行互相关运算，获得的结果除以所述各自的幅度值乘积再通过求解反正弦函数获得两路信号之间的相位差。

2、根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述步骤1.2)包括将其中一路信号延迟该信号的四分之一周期。

3、根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述两路数字周期信号分别是x(n)和y(n)，所述步骤1.1)通过公式：

$A=\sqrt{2R_x\left(0\right)},$ $B=\sqrt{2R_y\left(0\right)}$

$R_x\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(n\right)$

$R_y\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2\left(n\right)$

获得各自的幅度值A和B，其中：N是信号长度减一，为自然数。

4、根据权利要求2所述测量方法，其特征在于，所述步骤1.2)通过公式：

$\mathrm{\φ}=-\arcsin \frac{2R_{\mathrm{xz}}\left(0\right)}{\mathrm{AB}}$

$R_{\mathrm{xz}}\left(0\right)==\frac{1}{N}\underset{n=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)y(n+\frac{N}{4})$

获得两路信号之间的相位差φ。

5、根据权利要求4所述测量方法，其特征在于，所述相位差φ的范围是：φ∈(-π/2，π/2)。

6、根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，该测量方法包括多次重复所述步骤1.1)获得多个所述各自的幅度值后再求算术平均值获取最终各自的幅度值。

7、根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，该测量方法包括多次重复所述步骤1.1)和1.2)获得多个所述相位差后再求算术平均值获取最终相位差值。

8、根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，该测量方法还包括根据所述各自的幅度值获得信号幅值比。

9、根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，该测量方法还包括通过采样、量化过程从两路模拟信号中获取所述两路数字周期信号。

10、根据权利要求8或9所述测量方法，其特征在于，该测量方法具体应用在电磁波感应测井信号测量中。

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