CN115824394B - 一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波、声波、次声波的测量领域，公开了一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法，包括如下步骤：通过自相关依次计算各通道微弱信号的频率和振幅；通过各通道的频率计算被测信号的真实频率；根据被测信号的真实频率和各通道的振幅构造各通道的标准信号；通过互相关分析法计算各通道与标准信号的相位差，实现多通道的相位对齐。本发明所公开的方法适用于微弱信号，数值性态良好，处理结果准确；并且所需滑动窗数据点数少，采样时间短，计算实时性较强。同时，本发明计算复杂度低，易实现，应用广泛。

Description

一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法

技术领域

本发明涉及超声波、声波、次声波的测量领域，特别涉及一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法。

背景技术

噪声测量系统广泛应用于海洋水声通信与探测、能源勘探及石化环境声探测、电力放电超声检测等领域。通过设置1个或者多个振动传感器来采集环境中的噪声信号，进而提取噪声信号中的有效频率信号，可实现对相关被测环境中声波或弹性波的分析。由于振动传播环境的复杂性，会使有效频率信号在传播过程中被不断衰减，被振动传感器接收到的有效频率信号经过传播过程衰减变得十分微弱；振动传感器接收到的信号往往包含大量噪声，信噪比非常低，提升了信号提取和分析的难度。

此外，由于多通道传感器安装位置和工作环境不同，所以接收到的有效频率信号的传播路径、传播介质、传播距离均有很大差异，而且各通道传感器的频带宽度和灵敏度不同，会使各通道间数据差别很大。而且不同通道的信号会因传播过程不同产生相位差，所以在有效频率信号分析过程开始前，必须将多通道中信号变为相同的相位，才能使用多通道数据进行进一步的对比和分析。

传统的通道间相位对齐方法普遍采用互相关法来计算相位差，但在微弱信号和极低信噪比的情况下互相关法无法实现或误差较大，需要设计一种新的方法实现各通道间相位差的稳定计算。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法，以达到数值性态良好，处理结果准确、采样时间短，计算实时性较强的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法，包括如下步骤：

S1：通过自相关依次计算各通道微弱信号的频率和振幅；

S2：通过各通道的频率计算被测信号的真实频率；

S3：根据被测信号的真实频率和各通道的振幅构造各通道的标准信号；

S4：通过互相关分析法计算各通道与标准信号的相位差，实现多通道的相位对齐。

上述方案中，步骤S1的具体方法如下：

设噪声测量系统有n个通道CH₁～CH_n，它们接收到的信号分别为E₁～E_n，各通道采样频率均为 fs；

则对某一通道，其1秒的数据点数为 fs；取自相关滑动窗时间长度为T秒，则在滑动窗时间长度内的数据点数为fs*T；从滑动窗第一个时间点t=1开始，到滑动窗最后一个时间点N=fs*T结束，其时间范围是：1/fs~T；分别求数据在滑动窗内各个时间点的值与滑动后对应时间点的值的乘积平均值，即按照步长为采样间隔与自身做滑动自相关，得到被测信号的自相关结果如下式所示：

式中，k表示数据与其滑动后数据间的时间差，即滑动距离，它也以1/fs为间隔，点数为N；E(t)表示时间点t时该通道接收到的信号，E(t+k) 表示时间点t+k时该通道接收到的信号；

取 R _SS( k)的振荡波形的全部峰值振幅，求其平均值，并通过下式计算得到该通道被测信号振幅A：

通过下式对自相关结果进行快速傅里叶变换计算该通道被测信号的频率 f：

通过上述方法分别计算通道CH₁～CH_n对应的信号E₁～E_n的振幅A₁～A_n和频率 f ₁～ f _n。

上述方案中，步骤S2中，被测信号的真实频率计算如下：

其中， f _r表示被测信号的真实频率， f ₁～ f _n分别表示通道CH₁～CH_n对应的信号频率， n表示通道数。

上述方案中，步骤S3中，各通道的标准信号表示如下：

其中， S _CHn 表示通道CH_n的标准信号，A_n表示通道CH_n的振幅， f _r表示被测信号的真实频率。

上述方案中，步骤S4的具体方法如下：

（1）得到各通道对应的标准信号后，分别计算标准信号 S _CH1 ～ S _CHn 与各通道信号E₁～E_n的滑动互相关；

（2）对某一通道取其结果的所有 m个正向波峰对应的时间点 P ₁， P ₂，…， P _m ， P _m 表示第 m个正向波峰对应的时间点；根据标准信号频率为 f，采样频率为 fs，计算各正向波峰对应的相位差，表示第 m个正向波峰对应的相位差；

（3）对求平均值即可得到该通道与标准信号的真实相位差；

（4）通过上述方法分别计算通道CH₁～CH_n对应的信号E₁～E_n和标准信号 S _CH1 ～ S _CHn 的相位差；通过相位差即可实现通道CH₁～CH_n对应信号E₁～E_n的相位对齐。

进一步的，各正向波峰对应的相位差的计算公式如下：

其中，mod表示求余运算。

通过上述技术方案，本发明提供的一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法具有如下有益效果：

1、本发明采用滑动自相关累加求平均，可通过增加滑动窗口宽度的方法提高极微弱信号的处理效果，本发明适用于微弱信号，数值性态良好，处理结果准确。

2、本发明采用了二次频率分析和信号重构的方法，极大地抑制了数据噪声，因此所需滑动窗数据点数少，采样时间短，计算实时性较强。

3、本发明不涉及复杂迭代和高复杂度算法，计算难度低，使专业的数据处理人员能够较为便利地根据实际使用需要自行编写代码实现其功能，具有易使用，应用广泛的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法示意图；

图2为通道1噪声信号自相关结果示意图，（a）为通道1接收的噪声信号，（b）为通道1噪声信号的自相关结果，（c）为通道1自相关结果进行快速傅里叶变换（fft）的结果。

图3为本发明的数据处理网络图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1：通过自相关依次计算各通道微弱信号的频率和振幅；

设噪声测量系统有n个通道CH₁～CH_n，它们接收到的信号分别为E₁～E_n，各通道采样频率均为 fs；

则对某一通道，其1秒的数据点数为 fs；取自相关滑动窗时间长度为T秒，则在滑动窗时间长度内的数据点数为fs*T；从滑动窗第一个时间点t=1开始，到滑动窗最后一个时间点N=fs*T结束，其时间范围是：1/fs~T；分别求数据在滑动窗内各个时间点的值与滑动后对应时间点的值的乘积平均值，即按照步长为采样间隔与自身做滑动自相关，得到被测信号的自相关结果如下式所示：

     （1）

式中，k表示数据与其滑动后数据间的时间差，即滑动距离，它也以1/fs为间隔，点数为N；E(t)表示时间点t时该通道接收到的信号，E(t+k) 表示时间点t+k时该通道接收到的信号；

通过上式可以看出，被测信号自相关结果与滑动点数 k有关，当 k处于被测信号E(t)周期的整数倍（同相位）时，有最大值。假设此时被测信号能量为，则原信号和滑动信号乘积为。由于在0-π和π-2π范围内形态完全相同，因此只研究半个周期内均值，设被测信号幅值为A，则其对应的自相关结果为：

             （2）

由此可见，通过上式可以将被测振动自相关幅值转化为被测信号的幅值；

取 R _SS( k)的振荡波形的全部峰值振幅，求其平均值，并通过下式计算得到该通道被测信号振幅A：

                                （3）

通过下式对自相关结果进行快速傅里叶变换计算该通道被测信号的频率f：

                （4）

图2为仿真结果示意图（信号频率：10Hz，信号幅值：0.2，噪声幅值1，信噪比0.2，采样频率：400Hz，滑动窗时间长度60秒，点数N=24000点）。图2中（a）为通道1接收到的噪声信号；从图2中（b）显示的通道1的噪声信号自相关结果可以看出，在信噪比0.2，采样时长60秒的条件下，自相关结果大小在-0.02~0.02间波动。其结果的幅值峰值符合式（2）所述关系。此外，从图2中（c）的通道1自相关结果进行快速傅里叶变换（fft）的结果可以看出，通过对自相关结果进行fft很容易计算噪声信号中包含的接收信号频率为10Hz。

通过上述方法分别计算通道CH₁～CH_n对应的信号E₁～E_n的振幅A₁～A_n和频率 f ₁～ f _n。

本实施例中，测得3个通道的噪声信号（最大幅值均大于1），根据被测信号可能的频率范围确定采样频率为400Hz。确定各通道的采样时长60秒，采样点数24000点。

对3个通道分别进行采样频率为400Hz、窗宽为24000点的自相关计算得到含有振荡波形的3个结果。

对通道1自相关结果求全部峰值的平均振幅为0.02146，通过式（3）计算得到该通道被测信号振幅为0.20717。通过式（4）计算得到通道1被测信号频率10.01Hz。

对通道2自相关结果求全部峰值的平均振幅为0.04414，通过式（3）计算得到该通道被测信号振幅为0.29712。通过式（4）计算得到通道2频率10.01Hz。

对通道3自相关结果求全部峰值的平均振幅为0.08132，通过式（3）计算得到该通道被测信号振幅为0.40329。通过式（4）计算得到通道3频率10.02Hz。

S2：通过各通道的频率计算被测信号的真实频率；

由于各通道有效频率信号的传播路径、传播介质、传播距离均有差异，会产生频移现象，因此无法通过单通道频率准确的确定被测信号频率，需要通过求通道CH₁～CH_n的对应信号频率 f ₁～ f _n平均值的方式，计算被测信号的真实频率，计算如下：

                          （5）

其中， f _r表示被测信号的真实频率， f ₁～ f _n分别表示通道CH₁～CH_n对应的信号频率， n表示通道数。

本实施例中，计算S1得到的三个通道被测信号频率平均值作为被测信号真实频率（取小数点后2位）：

S3：根据被测信号的真实频率和各通道的振幅构造各通道的标准信号；

被测信号真实频率 f _r确定后，即可根据被测信号真实频率 f _r和各通道信号振幅A₁～A_n构造各通道标准信号。

各通道标准信号对应每个通道，是比对各通道相位的参考信号。各通道标准信号具有相同的频率和相位，均为标准正弦波，但振幅不同。各通道的标准信号表示如下：

                          （6）

其中， S _CHn 表示通道CH_n的标准信号，A_n表示通道CH_n的振幅， f _r表示被测信号的真实频率。

通过式（6）可知，对应不同通道构造的标准信号，是标准0相位起始正弦信号，所有通道均同相位、同频率，振幅与对应通道被测信号振幅相等。设置对应通道振幅是为保证下一步互相关计算数值性态良好，提升计算结果的准确性。

本实施例中，通过被测信号真实频率10.01Hz和各通道被测信号振幅，通过式（6）构造三个通道的标准信号为：

S4：通过互相关分析法计算各通道与标准信号的相位差，实现多通道的相位对齐。

（1）得到各通道对应的标准信号后，分别计算标准信号 S _CH1 ～ S _CHn 与各通道信号E₁～E_n的滑动互相关；

由滑动互相关原理可知，标准信号在计算过程中不滑动，各通道信号向时间轴右侧滑动，当滑动互相关取得正向最大值时说明两个信号同相位，当滑动互相关取得负向最大值时说明两个信号相位差为半个周期π，当滑动互相关为0时说明两个信号正交。又因为标准信号是无噪声的纯正弦波，且与对应通道被测信号具有相等的振幅和频率，所以在有限滑动窗的情况下与各通道信号互相关能得到较为理想的结果。

（2）对某一通道取其结果的所有 m个正向波峰对应的时间点 P ₁， P ₂，…， P _m ， P _m 表示第 m个正向波峰对应的时间点；该时间点表示达成同相位各通道信号需要滑动的时间点数。通过滑动的时间点数，标准信号频率和采样频率即可求出该通道被测信号与标准信号的相位差。

因为每个时间点表示信号的采样间隔为，所以标准信号每个周期的时间点数为，每个时间点表示的相位值为，所以只要计算出滑动时间差的时间点数即可求出被测信号和标准信号的相位差。由此，根据标准信号频率为 f，采样频率为 fs，按下式计算各正向波峰对应的相位差，表示第 m个正向波峰对应的相位差；

                      （7）

其中，mod表示求余运算。

（3）由于是近似同相位的点，所以相位差也近似相等。为了进一步缩小误差，对求平均值即可得到该通道与标准信号的真实相位差；

（4）通过上述方法分别计算通道CH₁～CH_n对应的信号E₁～E_n和标准信号 S _CH1～ S _CHn的相位差；通过相位差即可实现通道CH₁～CH_n对应信号E₁～E_n的相位对齐。

本实施例中，计算标准信号 S _CH1～ S _CH3与各通道信号的滑动互相关。如 S _CH1与做滑动互相关，取其结果的正向波峰对应的时间点（共600个）如下：

通过式（7）计算各点相位差分别为：

对求平均值，得到CH₁与标准信号的真实相位差为。

通过上述过程计算得到CH₂与标准信号的真实相位差为，CH₃与标准信号的真实相位差为。

通过即可实现通道CH₁～CH₃对应信号E₁～E₃的相位对齐。

本专利的数据处理网络图由图3所示：具有一般信号处理经验的人员通过本专利的描述不难实现上述全部处理过程并得到正确的结果。

实际操作中，采样频率和采样时长可根据具体信号情况和相位对齐分辨率进行预设。如探测的信号频率为100Hz左右，相位分辨率要求达到0.01π，则采样频率需要设置在大于10KHz，但需要在满足数据采集系统性能前提下设置。本实施例中，信号频率为10Hz，采样频率400Hz，则相位分辨率为0.05π（）。

具体试验中发现，相位对齐结果对标准信号频率 f较为敏感， f与对应通道的频率 f ₁～ f _n分差距不应高于0.02Hz，否则会影响相位差结果的一致性。实际测量中发现，各通道频率 f ₁～ f _n分非常稳定，基本不会出现0.01Hz以上的差距，所以除非采样信号非常特殊，否则计算结果均满足要求。如果在实施过程中发现某通道被测信号频率明显与其他通道不同，则需要检查硬件故障。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：通过自相关依次计算各通道微弱信号的频率和振幅；

S2：通过各通道的频率计算被测信号的真实频率；

S3：根据被测信号的真实频率和各通道的振幅构造各通道的标准信号；

S4：通过互相关分析法计算各通道与标准信号的相位差，实现多通道的相位对齐；

步骤S1的具体方法如下：

设噪声测量系统有n个通道CH₁～CH_n，它们接收到的信号分别为E₁～E_n，各通道采样频率均为fs；

则对某一通道，其1秒的数据点数为fs；取自相关滑动窗时间长度为T秒，则在滑动窗时间长度内的数据点数为fs*T；从滑动窗第一个时间点t＝1开始，到滑动窗最后一个时间点N＝fs*T结束，其时间范围是：1/fs～T；分别求数据在滑动窗内各个时间点的值与滑动后对应时间点的值的乘积平均值，即按照步长为采样间隔与自身做滑动自相关，得到被测信号的自相关结果如下式所示：

式中，k表示数据与其滑动后数据间的时间差，即滑动距离，它也以1/fs为间隔，点数为N；E(t)表示时间点t时该通道接收到的信号，E(t+k)表示时间点t+k时该通道接收到的信号；

假设此时被测信号能量为sin(θ)，则原信号E(t)和滑动信号E(t+k)乘积为sin²(θ)，由于sin²(θ)在0-π和π-2π范围内形态完全相同，因此只研究半个周期内均值，设被测信号幅值为A，则其对应的自相关结果为：

通过上式将被测振动自相关幅值转化为被测信号的幅值；

取R_SS(k)的振荡波形的全部峰值振幅，求其平均值并通过下式计算得到该通道被测信号振幅A：

通过下式对自相关结果进行快速傅里叶变换计算该通道被测信号的频率f：

f＝fft[R_SS(k)]，k＝0/fs，1/fs，2/fs，...，N/fs

通过上述方法分别计算通道CH₁～CH_n对应的信号E₁～E_n的振幅A₁～A_n和频率f₁～f_n；

步骤S3中，各通道的标准信号表示如下：

S_CH1＝A₁*sin(2πf_rt)

S_CH2＝A₂*sin(2πf_rt)

……

S_CHn＝A_n*sin(2πf_rt)

其中，S_CHn表示通道CH_n的标准信号，A_n表示通道CH_n的振幅，f_r表示被测信号的真实频率；

步骤S4的具体方法如下：

(1)得到各通道对应的标准信号后，分别计算标准信号S_CH1～S_CHn与各通道信号E₁～E_n的滑动互相关；

(2)对某一通道取其结果的所有m个正向波峰对应的时间点P₁，P₂，....，P_m，P_m表示第m个正向波峰对应的时间点；根据标准信号频率为f，采样频率为fs，计算各正向波峰对应的相位差 表示第m个正向波峰对应的相位差；

(3)对求平均值即可得到该通道与标准信号的真实相位差；

(4)通过上述方法分别计算通道CH₁～CH_n对应的信号E₁～E_n和标准信号S_CH1～S_CHn的相位差通过相位差即可实现通道CH₁～CH_n对应信号E₁～E_n的相位对齐。

2.根据权利要求1所述的一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法，其特征在于，步骤S2中，被测信号的真实频率计算如下：

其中，f_r表示被测信号的真实频率，f₁～f_n分别表示通道CH₁～CH_n对应的信号频率，n表示通道数。

3.根据权利要求1所述的一种噪声测量中的微弱信号相位对齐方法，其特征在于，各正向波峰对应的相位差的计算公式如下：

……

其中，mod表示求余运算。

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