CN114355360B - 一种多普勒计程仪回波频率估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多普勒计程仪回波频率估计方法，该方法包括以下步骤：S1.统计采样数据半周期数；S2.获取需拟合的数据序列；S3.建立常数矩阵A；S4.计算拟合直线斜率m1和截距m2；S5.对拟合直线插值处理；S6.计算连续过零点时间间隔，从而计算得出频率值。本发明，不仅能够消除虚假计数，大大提高频率估计精度，同时通过确定需拟合的数据序列长度，避免由于数据序列长度过长时，通过一阶最小二乘法进行优化时将明显的非线性信号近似为线性信号，从而消除误差。
Description
技术领域
本发明涉及航海技术领域，尤其是涉及一种多普勒计程仪回波频率估计方法。
背景技术
多普勒计程仪利用发射的声波和接收的水底反射波之间的多普勒频移测量船舶相对于水底的航速和累计航程。主要用于巨型船舶在狭水道航行、进出港、靠离码头时提供船舶纵向和横向运动的精确数据。速度测量是多普勒计程仪的主要功能，多普勒计程仪利用回波的多普勒频移从而解算出载体的速度，因此，测频精度的高低直接影响着测速精度的高低。选取一种精度高、运算量小的频率算法对多普勒计程仪来说尤为重要。
多普勒计程仪中最常用的频率估计方法是过零检测法。这种方法通常是在一个过零点处开始以非常高的时钟脉冲计数，来确定N个周期所需的时间，从而估计频率。这种算法运算量小，实现简单。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种多普勒计程仪回波频率估计方法，不仅能够消除虚假计数，大大提高频率估计精度，同时通过确定需拟合的数据序列长度，避免由于数据序列长度过长时，通过一阶最小二乘法进行优化时将明显的非线性信号近似为线性信号，从而消除误差。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种多普勒计程仪回波频率估计方法，该方法包括以下步骤：
S1.统计采样数据半周期数：通过寻找连续两个过零点来确定半周期，并剔除部分由噪声引起的过零点，得到近似实际情况的半周期数；
S2.获取需拟合的数据序列：由整个信号长度和S1中统计得到的半周期数的比率来确定需拟合的数据序列长度n，然后根据S1中确定的过零点位置获取需拟合的数据序列Y，
S3.建立常数矩阵A：
S4.计算拟合直线斜率m1和截距m2：
设
由Y＝A·M，得计算M的公式为：
M＝(A·AT)-1·AT·Y；
S5.对拟合直线插值处理：在得到拟合直线斜率和截距后，进行插值处理；
S6.计算连续过零点时间间隔，从而计算得出频率值。
进一步地，在所述步骤S1中，统计采样数据半周期数的方法包括，统计所有的连续两个过零点的时间间隔的数量，并筛选出其中时间间隔接近于0的数量并从总计数中扣除该数量，最终得到半周期数。
进一步地，在步骤S5完成后，检验是否所有半周期全部分析完毕，若是，则进入下一步骤；若否，则重复步骤S1-S5，直至所有半周期全部分析完毕。
优选地，当多普勒计程仪的发射频率为150kHz时，时间间隔小于等于0.002ms的定义为接近于0。
优选地，当多普勒计程仪的发射频率为270kHz时，时间间隔小于等于0.0005ms的定义为接近于0。
根据上述技术方案，本发明具有以下优点：1.本发明通过对过零检测法的改进，对回波信号过零点附近的小部分数据进行一阶最小二乘优化，确定一条最优拟合直线，然后确定拟合直线过零点所对应的采样点时刻，通过计算两个连续过零点的时间间隔的倒数来估计频率，这种算法可消除虚假计数，可大大提高频率估计精度；2.通过确定需拟合的数据序列长度，避免由于数据序列长度过长时，通过一阶最小二乘法进行优化时将明显的非线性信号近似为线性信号，从而消除误差。
附图说明
图1是本发明的算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实例来对本发明做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其结构类型和使用方式，但不能以此来限制本发明专利的保护范围。
一种多普勒计程仪回波频率估计方法，该方法包括以下步骤：
S1.统计采样数据半周期数：通过寻找连续两个过零点来确定半周期，并剔除部分由噪声引起的过零点，得到近似实际情况的半周期数；
S2.获取需拟合的数据序列：由整个信号长度和S1中统计得到的半周期数的比率来确定需拟合的数据序列长度n，然后根据S1中确定的过零点位置获取需拟合的数据序列Y，
S3.建立常数矩阵A：
S4.计算拟合直线斜率m1和截距m2：
设
由Y＝A·M，得计算M的公式为：
M＝(A.AT)-1.AT.Y；
S5.对拟合直线插值处理：在得到拟合直线斜率和截距后，进行插值处理；
S6.计算连续过零点时间间隔，从而计算得出频率值。
进一步地，在所述步骤S1中，统计采样数据半周期数的方法包括，统计所有的连续两个过零点的时间间隔的数量，并筛选出其中时间间隔接近于0的数量并从总计数中扣除该数量，最终得到半周期数。
进一步地，在步骤S5完成后，检验是否所有半周期全部分析完毕，若是，则进入下一步骤；若否，则重复步骤S1-S5，直至所有半周期全部分析完毕。
优选地，当多普勒计程仪的发射频率为150kHz时，此时最小半周期间隔时间为0.0033ms，时间间隔小于等于0.002ms的定义为接近于0。
优选地，当多普勒计程仪的发射频率为270kHz时，此时最小半周期间隔时间为0.00185ms，时间间隔小于等于0.0005ms的定义为接近于0。
应当知道的是，时间间隔接近于0的定义与发射频率的关系为正相关，该定义可根据需求进行适应性变化，优化方式可根据最小半周期间隔时间筛选，还可以根据方差或标准差等做进一步筛选，其目的在于剔除由于噪声引起的非正常数据，为了快速估计近似回波频率，可以通过以上形式做简单筛选即可，该种筛选方式在基于本方法的技术思路基础上，制定合理的筛选规则不需要创造性劳动。
毫无疑问，本发明除了上述实施例以外还有其他类似的结构组成和使用方式。总而言之，本发明还包括其他对于本技术领域技术人员来说显而易见的变换和替代。
Claims (5)
1.一种多普勒计程仪回波频率估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.统计采样数据半周期数：通过寻找连续两个过零点来确定半周期，并剔除部分由噪声引起的过零点，得到近似实际情况的半周期数；
S2.获取需拟合的数据序列：由整个信号长度和S1中统计得到的半周期数的比率来确定需拟合的数据序列长度n，然后根据S1中确定的过零点位置获取需拟合的数据序列Y，
S3.建立常数矩阵A：
S4.计算拟合直线斜率m1和截距m2：
设
由Y＝A·M，得计算M的公式为：
M＝(A·AT)-1·AT·Y；
S5.对拟合直线插值处理：在得到拟合直线斜率和截距后，进行插值处理；
S6.计算连续过零点时间间隔，从而计算得出频率值。
2.根据权利要求1所述的一种多普勒计程仪回波频率估计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，统计采样数据半周期数的方法包括，统计所有的连续两个过零点的时间间隔的数量，并筛选出其中时间间隔接近于0的数量并从总计数中扣除该数量，最终得到半周期数。
3.根据权利要求1所述的一种多普勒计程仪回波频率估计方法，其特征在于，在步骤S5完成后，检验是否所有半周期全部分析完毕，若是，则进入下一步骤；若否，则重复步骤S1-S5，直至所有半周期全部分析完毕。
4.根据权利要求2所述的一种多普勒计程仪回波频率估计方法，其特征在于，当多普勒计程仪的发射频率为150kHz时，时间间隔小于等于0.002ms的定义为接近于0。
5.根据权利要求2所述的一种多普勒计程仪回波频率估计方法，其特征在于，当多普勒计程仪的发射频率为270kHz时，时间间隔小于等于0.0005ms的定义为接近于0。
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