CN109752594B - 一种多通道同步数据采集相位校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道同步数据采集相位校正方法，通过转变坐标系对通道进行整体及分段建模，实现通道相位误差的计算，及精确的相位校正，本发明不依赖于通道间的布局布线及元器件的一致性，不依赖于系统结构的复杂程度、触发线特征、时钟源的精度及网络路径延时稳定度等因素，校正精度高。

Description

一种多通道同步数据采集相位校正方法

技术领域

本发明涉及测试测量领域，具体涉及一种多通道同步数据采集相位校正方法。

背景技术

对于同步数据采集系统，特别在时间敏感的数据采集中，如：火箭发射控制系统时序控制信号和火工品桥丝点火信号的时序测量、靶场试验中炮弹落地瞬间冲击信号的瞬态捕获、架空输电线路微风振动疲劳试验的多点监测等，相位误差是极其重要的性能指标。

数据采集系统同步的目标是建立准确的采样启动机制，实现多个通道间采样时钟的对准和同步触发。根据多通道采集系统实现原理和物理结构的不同，分为系统内通道同步和系统间通道同步。系统内通道同步指一个数据采集模块的多个通道使用同一采样时钟和触发信号，通常通过优化电路板布局布线和精密延时电路可提高通道间同步精度。系统间通道同步指两个或多个独立采集模块通道间的同步，通常采用触发技术、T-Clock技术、IEEE1588(网络器件的时间同步协议)技术等提高系统间多通道的同步精度。

对于系统内通道同步，由于通道布局布线及元器件的不一致性会影响数据同步精度，即使采用严格的布局布线及精密延时电路有时也不能到达理想的同步精度；对于系统间通道同步，采集板卡间布局布线及延时电路的不一致性，系统结构的复杂程度，触发线的材料、长度、走线，外部时钟源的精度，以及网络路径延时的稳定度等都会降低系统的同步精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多通道同步数据采集相位校正方法，通过分段式、三次多项式插值方法计算多通道同步数据采集的相位误差，并依据相位差对多通道采集数据相位进行修正，从而提高多通道间的同步精度。

本发明提供的一种多通道同步数据采集相位校正方法，具体包括如下步骤：

步骤1、获取数据采集器各通道中同一采样点的采样数据，包括时间t₀和幅值，从中选择并记录最大幅值，并以最大幅值对应的通道作为校正基准通道；

步骤2、获取各通道中，上述采样点后连续多个采样点的采样数据，并在以幅值为X轴、时间为Y轴的直角坐标系下，采用建模方法为除最大幅值对应的通道以外的通道建模；

步骤3、将步骤1中记录的最大幅值，代入步骤2中建立的各通道的模型中，计算出于各通道中该最大幅值对应的时间t₁，并计算各个通道同步时间偏差Δt，即Δt＝t₁-t₀；

步骤4、从第一个采样点开始，以连续的若干个采样点为一段，分段遍历获取各通道中的所有采样点的采样数据，并在以时间为X轴、幅度为Y轴的直角坐标系下，采用建模方法为除最大幅值对应的通道以外的通道建模；

步骤5、根据步骤3中计算得到的各通道的同步时间偏差Δt，计算各采样点对应的校正过的时间t′_n，即t′_n＝t_n+Δt，再将t′_n代入步骤4中建立的各通道的模型中，即可获取每个采样点对应的幅值，该幅值即为校正后的幅值数据，校正幅值后的采样点即完成了相位校正。

进一步地，所述建模方法为三次多项式插值算法。

进一步地，所述步骤2中选取4个采样点的采样数据建立通道模型；

进一步地，所述步骤4中以连续4个采样点为一段建立通道模型，具体步骤包括：

步骤4.1、在X时间-Y幅值坐标系下，采用插值多项式算法，构建各通道的三次插值多项式；p为采样点段的编号，为正整数，且

m为采样点的编号，为正整数，且0≤m≤Count；令p＝0，m＝0；Count为通道采样点数；

步骤4.2、分别采用通道的采样点[v_m,t_m]、[v_m+1,t_m+1]、[v_m+2,t_m+2]、[v_m+3,t_m+3]，计算除最大幅值对应的通道以外其余各通道的插值多项式，v_m为采样点m的幅度值，t_m为采样点m对应的采样时间；

步骤4.3、根据公式t′_m＝t_m+ch_t_offset计算t′_m，ch_t_offset＝Δt为通道的时间偏差，并将t′_m代入步骤4.2中获取的多项式中，计算出校正后的幅值v′_m，v′_m+1，v′_m+2，v′_m+3；

步骤4.4、如果

则令p自加1，m自加4，执行步骤4.2；

如果

则判断

的余数是否为0，如果余数不为0，则令m＝(Count-3)，执行步骤4.2；如果余数为0，则执行步骤4.5；

如果

则执行步骤4.5；

步骤4.5、校正过程结束。

有益效果：

本发明通过转变坐标系对通道进行整体及分段建模，实现通道相位误差的计算，及精确的相位校正，本发明不依赖于通道间的布局布线及元器件的一致性，不依赖于系统结构的复杂程度、触发线特征、时钟源的精度及网络路径延时稳定度等因素，校正精度高。

附图说明

图1为本发明提供的多通道同步数据采集相位校正方法原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种多通道同步数据采集相位校正方法，其基本思想是：通过在“幅值-时间”直角坐标系建立通道模型，计算通道的同步时间偏差，再在“时间-幅值”直角坐标系分段建立通道模型，将计算得到的同步时间偏差代入分段模型，即可计算出校正后的采样点幅值，从而完成了采样点的相位校正，提高了相位同步精度，其原理如图1所示。

在实际应用中，在采样点的“时间-幅值”X-Y轴坐标系中，若通道的同步时间偏差已知，通过平移通道的同步时间偏差，即可实现相位校正，提高相位同步精度。如图1所示，幅值Amp在曲线0和曲线1中对应的时间分别为t0和t1，则曲线1相对于曲线0的同步时间偏差Δt＝t1-t0，曲线1左移Δt，则可提高曲线0和曲线1的相位同步精度。

由此，本发明提供的一种多通道同步数据采集相位校正方法，具体包括以下步骤：

步骤1、获取数据采集器各通道中同一采样点的采样数据，包括时间t₀和幅值，从中选择并记录最大幅值，并以最大幅值对应的通道作为校正基准通道；

步骤2、获取各通道中，上述采样点后连续多个采样点的采样数据，并在以幅值为X轴、时间为Y轴的直角坐标系下，采用建模方法为各通道建模，即建立各通道中幅值与时间的对应关系模型；

步骤3、将步骤1中记录的最大幅值，代入步骤2中建立的各通道的模型中，计算出于各通道中该最大幅值对应的时间t₁，并计算各个通道同步时间偏差Δt，即Δt＝t₁-t₀；

步骤4、从第一个采样点开始，以连续的若干个采样点为一段，分段遍历获取各通道中的所有采样点的采样数据，并在以时间为X轴、幅度为Y轴的直角坐标系下，采用建模方法为除最大幅值对应的通道以外的各通道建模，即建立各通道中时间与幅值的对应关系模型；

步骤5、根据步骤3中计算得到的各通道的同步时间偏差Δt，计算各采样点对应的校正过的时间t′_n，即t′_n＝t_n+Δt，再将t′_n代入步骤4中建立的各通道的模型中，即可获取每个采样点对应的幅值，该幅值即为校正后的幅值数据。由于通道的时间偏差与相位偏差之间存在确定的映射关系，通过将时间偏差转换为幅值偏差，并对幅值偏差的校正实现对时间偏差的校正，从而完成了该时间偏差所对应的相位偏差的校正。

实施例1：

在数值分析中，多项式插值法是通过多项式对给定数据集的插值，即一个多项式函数可近似表示未知的函数关系，三次多项式插值算法是较低次数的多项式且可达到较高阶光滑型的方法。本实施例采样三次多项式插值算法实现步骤2和步骤4中对各通道的建模。

本发明提供的一种多通道同步数据采集相位校正方法，包括同步相位偏差确定和获取相位校正后采样点两个过程，具体过程如下：

同步相位偏差确定

步骤1.1、多通道同步数据采集器的采样频率为Fre、通道采样点数为Count、通道个数为CHcnt；数据采集器外接标准信号源，用于同步相位偏差的确定，标准信号源为正弦波信号，其周期为T、频率为f、峰值为V_pp；数据采集器启动采集，获得各通道的采样数据；

对于任意一个通道，使用一维数组V_ch表示通道的采样数据，即V_ch＝{v₀,v₁,...,v_n,...,v_Count}，其中，n为采样点，v_n为采样点n的幅度值，ch为通道编号，0≤n≤Count，0≤ch≤CHcnt；

对于任意一个通道，令通道中第一个采样点的采样时间为t₀，且t₀＝0.00，通道中其它采样点的采样时间为t_n，则

由此建立通道的采样时间数组t_ch，即，t_ch＝{t₀,t₁,...,t_n,...,t_Count}；

对于任意一个通道，建立以时间为X轴、幅值为Y轴的直角坐标系，则通道中各采样点对应的坐标为[t_n,v_n]。

步骤1.2、建立一维数组V_CH0存储各通道中第一采样点的幅值，即，V_CH0＝{v₁₀,v₂₀,...,v_ch0,...,v_CHcnt0}，其中，v_ch0为通道ch的第一采样点的幅值，计算出数组V_CH0中的最大值v_CH0max，及其所在的通道CH_v_CH0max。

步骤1.3、将步骤1.1中通道的直角坐标系旋转，即将步骤1.1中的X轴(时间)变为Y_conv、Y轴(幅值)变为X_conv，那么通道中各采样点对应的坐标转换为[v_n,t_n]。

步骤1.4、在步骤1.3中定义的直角坐标系下(X_conv-Y_conv坐标系)，采用插值多项式算法，分别采用通道的采样点[v₀,t₀]、[v₁,t₁]、[v₂,t₂]、[v₃,t₃]，计算除CH_v_CH0max以外其余各通道的插值多项式。

步骤1.5、将v_CH0max分别带入步骤1.4中计算出的各通道的插值多项式，计算出v_CH0max在除CH_v_CH0max以外其余各通道中对应的时间点，例如，v_CH0max在通道CH_v_CH0max上的时间点为t₀，由此计算出各个通道相对于通道CH_v_CH0max的时间偏差ch_t_offset。

步骤1.6、根据步骤1.5中计算出的各通道的时间偏差ch_t_offset，通过如下公式即可计算出相对于通道CH_v_CH0max的相位偏差ch_θ。

ch_θ＝360°×ch_t_offset×f

获取相位校正后采样点

步骤1.7、根据步骤1.5计算出的ch_t_offset，即可计算出各通道中各采样点校正后的时间为t′_n，t′_n＝t_n+ch_t_offset；

步骤1.8、在X-Y坐标系下，采用插值多项式算法，构建各通道的三次插值多项式，并计算各采样点校正后的幅值；p为采样点段的编号，为正整数，且

m为采样点的编号，为正整数，且0≤m≤Count；令p＝0，m＝0；

步骤1.9、分别采用通道的采样点[v_m,t_m]、[v_m+1,t_m+1]、[v_m+2,t_m+2]、[v_m+3,t_m+3]，计算除CH_v_CH0max以外其余各通道的插值多项式；

步骤1.10、根据公式t′_m＝t_m+ch_t_offset计算t′_m，并将t′_m代入步骤1.8中获取的多项式中，计算出v′_m，v′_m+1，v′_m+2，v′_m+3；

步骤1.11、如果

则令p自加1，m自加4，执行步骤1.9；

如果

则判断

的余数是否为0，如果余数不为0，则令m＝(Count-3)，执行步骤1.9；如果余数为0，则执行步骤1.12；

如果

则执行步骤1.12；

步骤1.12、校正过程结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多通道同步数据采集相位校正方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1、获取数据采集器各通道中同一采样点的采样数据，包括时间t₀和幅值，从中选择并记录最大幅值，并以最大幅值对应的通道作为校正基准通道；

步骤2、获取各通道中，上述采样点后连续多个采样点的采样数据，并在以时间为X轴、幅度为Y轴的直角坐标系下，采用建模方法为除最大幅值对应的通道以外的通道建模；

步骤3、将步骤1中记录的最大幅值，代入步骤2中建立的各通道的模型中，计算出于各通道中该最大幅值对应的时间t₁，并计算各个通道同步时间偏差Δt，即Δt＝t₁-t₀；

步骤4、从第一个采样点开始，以连续的若干个采样点为一段，分段遍历获取各通道中的所有采样点的采样数据，并在以幅度为X轴、时间为Y轴的直角坐标系下，采用建模方法为除最大幅值对应的通道以外的通道建模；

步骤5、根据步骤3中计算得到的各通道的同步时间偏差Δt，计算各采样点对应的校正过的时间t_n′，即t_n′＝t_n+Δt，再将t_n′代入步骤4中建立的各通道的模型中，即可获取每个采样点对应的幅值，该幅值即为校正后的幅值数据，校正幅值后的采样点即完成了相位校正；

其中，t_n为各采样点的采样时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建模方法为三次多项式插值算法。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中选取4个采样点的采样数据建立通道模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤4中以连续4个采样点为一段建立通道模型，具体步骤包括：

步骤4.1、在X时间-Y幅值坐标系下，采用插值多项式算法，构建各通道的三次插值多项式；p为采样点段的编号，为正整数，且

m为采样点的编号，为正整数，且0≤m≤Count；令p＝0，m＝0；Count为通道采样点数；

步骤4.2、分别采用通道的采样点[v_m,t_m]、[v_m+1,t_m+1]、[v_m+2,t_m+2]、[v_m+3,t_m+3]，计算除最大幅值对应的通道以外其余各通道的插值多项式，v_m为采样点m的幅度值，t_m为采样点m对应的采样时间；

步骤4.3、根据公式t_m′＝t_m+ch_t_offset计算t_m′，ch_t_offset＝Δt为通道的时间偏差，并将t_m′代入步骤4.2中获取的多项式中，计算出校正后的幅值v_m′，v_m+1′，v_m+2′，v_m+3′；

步骤4.4、如果

则令p自加1，m自加4，执行步骤4.2；

如果

则判断

的余数是否为0，如果余数不为0，则令m＝(Count-3)，执行步骤4.2；如果余数为0，则执行步骤4.5；

如果

则执行步骤4.5；

步骤4.5、校正过程结束。

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