CN113238245A - 提升鉴相精度的欠采样频率选取方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，包括：设定待采信号参数；设定欠采样参数；根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行采样；以及确认最终欠采样频率，从而提升鉴相精度。所述设定待采信号参数包括设定待采信号频率f。所述设定欠采样参数包括设定欠采样频率为f_s。所述欠采样频率f_s满足

能够满足欠采样的有效性，其中n为正整数，f为待采信号频率。通过上述方法能够缓解现有技术中因欠采样频率的选取导致的的鉴相精度较差等技术问题。

Description

提升鉴相精度的欠采样频率选取方法

技术领域

本公开涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种提升鉴相精度的欠采样频率选取方法。

背景技术

相位式激光测距是中远程高精度测距的主要测量方法。在相位式激光测距系统中，决定距离测量精度的主要因素在于相位解算精度，进行相位解算的两个重要环节为信号的采样和针对采样信号的处理。针对信号的采样，一般情况下，为了避免采样信号频谱混叠，采样率需满足奈奎斯特采样定理，但若待采信号频率过高，提高采样率会导致采样电路的复杂度大幅提升。欠采样方法能够用低于待采信号频率的采样率实现待采信号波形的还原和相信号相位的提取，降低相位式测距采样电路的复杂度，在实际测量系统中具有广泛应用，针对采样信号处理的鉴相方法很多，例如同步鉴相法，数字FFT(Fast FourierTransform快速傅里叶变换)鉴相法，互相关鉴相法等，不同的鉴相方法适用于不同的应用场景。

在相位式激光测距系统中，欠采样方法由于其在保持被采信号初始相位不变的情况下，大大降低采样电路的复杂度，成为优先选取的采样方法。但关于欠采样方法的研究主要集中在采样数据的鉴相方法研究，欠缺针对欠采样的频率选取和采样频率的实现方法的研究。针对欠采样采样频率的选取，已有论文分析采样频率不能设置为f_s/n，其中f_s为被采信号的频率，n为正整数；且n的取值越大，鉴相精度越低。

然而在上述的欠采样频率所述的约束条件下，满足要求的欠采样频率依然很多，因此基于这个约束条件，如何选择欠采样频率提高鉴相精度是一个亟需解决的技术课题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，以缓解现有技术中因欠采样频率的选取导致的的鉴相精度较差等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，包括：设定待采信号参数；设定欠采样参数；根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行采样；以及确认最终欠采样频率，从而提升鉴相精度。

根据本公开实施例，所述设定待采信号参数包括设定待采信号频率f。

根据本公开实施例，所述设定欠采样参数包括设定欠采样频率为f_s。

根据本公开实施例，所述欠采样频率f_s满足

能够满足欠采样的有效性，其中n为正整数，f为待采信号频率。

根据本公开实施例，根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行采样，包括：根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行顺序采样或根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行逆序采样。

根据本公开实施例，顺序采样时：

逆序采样时：

其中，n₁、n₂、n₃为非负整数，采样信号对待采信号进行采样时，第一个、第二个及第三个采样周期分别可以表征为n₁、n₂、n₃倍的待采信号周期与对应的周期内不满一个待采信号周期的零散周期ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃之和。

根据本公开实施例，顺序采样时，将约束条件用信号频率f和欠采样频率f_s可表示为：

其中rem表示余数，[]表示向下取整。

根据本公开实施例，逆序采样时，将约束条件用信号频率f和欠采样频率f_s可表示为：

根据本公开实施例，为提升鉴相精度将ΔT表示为

且ΔT≠1/4T，其中T为待采信号周期，ΔT为待采信号相邻两个采样点的间隔。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提升鉴相精度的欠采样频率选取方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)通过简单有效的欠采样频率选取方法即可提升鉴相精度；

(2)不需要再进行不同频率设置的仿真计算，只需按照此方法中的约束条件进行频率选取即可，一定程度上简化了欠采样频率选取的工作量。

附图说明

图1为本公开实施例的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法流程示意图。

图2a为本公开实施例的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法中平均一个周期4.5个采样点的顺序采样的采样情况示意图。

图2b为本公开实施例的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法中平均一个周期3.5个采样点的顺序采样的采样情况示意图。

图2c为本公开实施例的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法中平均一个周期4个采样点的顺序采样的采样情况示意图。

图3a为本公开实施例的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法中平均一个周期4.5个采样点的逆序采样的采样情况示意图。

图3b为本公开实施例的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法中平均一个周期3.5个采样点的逆序采样的采样情况示意图。

图3c为本公开实施例的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法中平均一个周期4个采样点的逆序采样的采样情况示意图。

图4a为本公开实施例的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法仿真分析时40°相位差时不同采样频率的鉴相精度示意图。

图4b为本公开实施例的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法仿真分析时80°相位差时不同采样频率的鉴相精度示意图。

图4c为本公开实施例的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法仿真分析时220°相位差时不同采样频率的鉴相精度示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，在相位式激光测距系统中，在采样环节通过欠采样频率的选取，可有效降低采样处理电路的复杂度，提升鉴相精度。在欠采样方法中，通过欠采样得到的波形对于被采样信号还原度越高，则鉴相精度越高。提高欠采样方法鉴相精度的关键是采样频率的选取和针对被测信号的采样频率的实现。本公开提出的欠采样频率选取方法，在信号频率已确定的情况下，能够有效提高欠采样鉴相方法的鉴相精度。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，如图1所示，所述方法，包括：

操作S1：设定待采信号参数；

所述设定待采信号参数包括设定待采信号频率为f，则待采信号周期为

操作S2：设定欠采样参数；

所述设定欠采样参数包括设定欠采样频率为f_s，则欠采样周期为

其中f_s满足

(n为正整数)，可以满足欠采样的有效性。

欠采样中f_s＜f，即T_S＞T，每经过一个周期Ts即进行一次采样，对应正弦波信号上不同的采样点位置。

操作S3：根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行采样；

在本公开实施例中，进行采样包括进行顺序采样和/或逆序采样；

操作S4：确认最终欠采样频率，从而获得更高的鉴相精度。

不论是顺序采样或逆序采样，在保证采样信号不失真的情况下采样周期越多，由采样数据计算得到的鉴相精度越高。在同等采样数据量的情况下，等效正弦波信号的采样信号周期越多鉴相精度越高。要保证等效正弦波信号不失真，平均一个周期内有3.5-4.5个采样点，例如由上至下的图2a至图2c依次均为平均一个周期4.5个采样点，3.5个采样点以及4个采样点时的顺序采样的采样情况；由上至下的图3a至图3c依次均为平均一个周期4.5个采样点，3.5个采样点以及4个采样点时的逆序采样的采样情况。设被采信号相邻两个采样点间的间隔周期为ΔT，当

时，可以满足在同等采样数据量有效采样周期的情况下，获得的采样信号周期最多，鉴相精度最高。另需要注意的一点是，当一个周期采样点刚好为4个时，不满足周期采样的有效性。综上所述，针对于欠采样为提高鉴相精度可将ΔT与T之间的关系表示为

从图中可以看出，平均一个周期为4.5或3.5个采样点时，可以满足采样周期的有效性，但当平均一个周期为4个点时，点数不足够满足采样周期的有效性。

以顺序采样为例：

其中，采样信号对待采信号进行采样时，第一个、第二个及第三个采样周期可以分别表征为n1、n2、n3(非负整数)倍的待采信号周期与不满一个待采信号周期的“零散周期”(ΔT1、ΔT2、ΔT3)之和，“零散周期”ΔT1、ΔT2、ΔT3也可表示为第一个、第二个及第三个周期采样时在一个待采信号内的等效采样位置。

同理可推逆序采样：

经推导，将约束条件用信号频率f和欠采样频率f_s可表示为：

顺序采样时，

其中rem表示余数，[]表示向下取整。

逆序采样时，

将可选的欠采样频率f_s带入以上约束条件计算，得到的数值与0.2222，0.2857，0.25的差值越小，欠采样数据的鉴相精度越高。

举实例说明，设置待采信号频率f为1GHz，设置欠采样频率f_s分别为90MHz，91MHz...99MHz，根据约束条件选取满足鉴相精度最高的最优解，如表1所示，表1显示了不同欠采样频率下ΔT/T的取值，其中中93MHz对应的

最接近0.25，因此设置欠采样频率为93MHz时，鉴相精度最高。

表1

欠采样频率f<sub>s</sub>(MHz)	采样点1	采样点2	ΔT/T(T＝1ns)
				90	0.1111	0.2222	0.1111
91	0.9890	0.9780	0.0110
				92	0.8696	0.7391	0.1305
93	0.7527	0.5054	0.2473
				94	0.6383	0.2766	0.3617
95	0.5263	0.0526	0.4737
				96	0.4167	0.8333	0.4166
97	0.3093	0.6186	0.3093
				98	0.2041	0.4082	0.2041
99	0.1010	0.2020	0.1010

为验证约束条件的有效性，设置参考路及测量路信号频率f均为1GHz，相位差分别为40°，80°，220°，通仿真分析，当欠采样频率f_s设置为90MHz，91MHz...99MHz时的鉴相精度，如图4a至图4c所示，在三种相位差情况下(40°，80°，220°)，当欠采样频率设置为93MHz时，鉴相精度最高，与约束条件所求结果一致。

因此，通过上述方法，对于不论是固定频率的信号波形选取欠采样频率提升鉴相精度，或是已有采样频率分析采样信号精度提供了简单有效的解决方案。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提升鉴相精度的欠采样频率选取方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，在相位式激光测距系统中，针对固定的被采信号频率，提出了一种简单的欠采样频率选取方法即可提升鉴相精度。不需要再进行不同频率设置的仿真计算，只需按照此方法中的约束条件进行频率选取即可，一定程度上简化了欠采样频率选取的工作量。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，包括：

设定待采信号参数；

设定欠采样参数；

根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行采样；以及

确认最终欠采样频率，从而提升鉴相精度。

2.根据权利要求1所述的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，所述设定待采信号参数包括设定待采信号频率f。

3.根据权利要求1所述的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，所述设定欠采样参数包括设定欠采样频率为f_s。

4.根据权利要求3所述的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，所述欠采样频率f_s满足

能够满足欠采样的有效性，其中n为正整数，f为待采信号频率。

5.根据权利要求1所述的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行采样，包括：根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行顺序采样。

6.根据权利要求1所述的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行采样，包括：根据欠采样的采样位置与待采信号的相对关系进行逆序采样。

7.根据权利要求5所述的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，其中，顺序采样时：

逆序采样时：

其中，n₁、n₂、n₃为非负整数，采样信号对待采信号进行采样时，第一个、第二个及第三个采样周期分别可以表征为n₁、n₂、n₃倍的待采信号周期与对应的周期内不满一个待采信号周期的零散周期ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃之和。

8.根据权利要求7所述的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，顺序采样时，将约束条件用信号频率f和欠采样频率f_s可表示为：

且≠0.25：

其中rem表示余数，[]表示向下取整。

9.根据权利要求1所述的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，

逆序采样时，将约束条件用信号频率f和欠采样频率f_s可表示为：

且≠0.25。

10.根据权利要求1至9任一项所述的提升鉴相精度的欠采样频率选取方法，为提升鉴相精度将ΔT表示为

且ΔT≠1/4T，其中T为待采信号周期，ΔT为待采信号相邻两个采样点的间隔。

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