[发明专利]一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统

权利要求书

1.一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，系统包括混频模块、信号采集模块和频率解算模块，其特征在于对不同频率范围的待测信号针对性的设计电路通道数和本振信号频率，采集过程中对待测信号进行混频处理以降低高频信号的频率，从而使系统能够以较低的采样率对信号进行采集，同时采用多个通道对信号进行并行处理与采样，实现对冲击信号的捕获；信号首先经过多通道混频的方式被分割为多个不同的频段并降低频率，然后低频率的差频信号被保留进行下一步的采集和存储，最后上传至计算机的信号经过合成和补偿后求解出瞬时频率。

2.根据权利要求1所述的一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，其特征在于根据实际待测信号通过仿真确定前端降频电路通道个数和每个通道的本振信号频率，对原始待测信号进行模拟，

其中，信号的幅值A_t、频率ω_t和相位分别随着时间t变化，频率范围ω₀＜ω_t≤ω_max，

M＝ω_max-ω₀ (2)

即M就是信号在整个冲击过程中的频率带宽，信号同时输入n个通道，每个通道前端是一个无源带通滤波器，滤波器的通带范围都是不同的，

所有通道的频率范围组合起来可以覆盖待测信号带宽，从通道1到通道n，通带频率是逐渐增加的，并且为了避免临界位置处频率的信号无法进行采集的问题，相邻的两个通道可通过的频率范围具有一定的重叠，

如果降频过程中每个通道可以通过的信号频率带宽为m，则通道数n选择为大于的最小整数，那么每个通道的可通过频率为，

经过带通滤波器筛选后的信号与本振信号混合，由于带通滤波器通带频率的不同，所以每个通道的本振信号频率也不同，设置为通带频率的最小值，对于第k个通道来说，本振信号的频率是ω_k，假如某一时刻经过带通滤波器的滤波后，k通道的信号可以表示为，

A′_t是经过滤波器衰减后的信号幅值，第k个通道的本振信号为，

f_k(t)＝A_kcos(ω_kt) (7)

经过带通滤波后的信号和本振信号进行混合，由于混频器电路中电流和电压的非线性特性，输出信号中包括两个输入的和频、差频和高次谐波等分量，那么输出信号为，

输出信号经过低通滤波器后，保留频率为ω_t-ω_k的信号分量，从而实现降低信号频率的目的，在仿真的待测信号中加入随机噪声，那么待测信号为，

其中，randn是随机噪声，b表示随机噪声的方差大小，改变b、频率带宽m和通道数n，分析采集到的信号频率和理论值的偏差，以k通道为例，频率理论值为，

ω_th＝ω_t-ω_k (10)

采集到的信号频率为ω_re，则相对误差为，

通过比较相对误差的大小，选择误差最小的结果为最优设计方案。

3.根据权利要求1所述的一种高动态冲击信号的频率解算方法与系统，其特征在于信号的复原和处理，包括如下步骤：

首先，复原整个冲击过程，由于多路并行降频采集的工作模式，任意时刻有1或者2个通道存在输出，当信号频率处于两个通道的交叉范围内时有两个通道可以采集到信号，因此这部分采样结果只需要保留一个信号进行分析即可，在对信号进行仿真和实际电路测试中，对比相同输入信号下两个通道的绝对频率误差Δ，

Δ＝ω_re-ω_th (12)

记录下绝对误差Δ较小的通道，并在恢复时保留该通道信号，以此恢复整个动态冲击过程的采集信号频率；

其次，对合成信号进行希尔伯特黄变换，求解信号的瞬时频率，经验模态分解将采集到的非平稳时变信号分解为本征模函数，

其中，c_i(t)是分解出的N个本征模函数，r_N(t)是残差信号，由于待测的高动态冲击信号是窄带信号，则分解出的本征模函数中存在一个分量包含待测信号绝大部分的频率信息，对该分量进行希尔伯特变换就可以求得信号的瞬时频率，假设第d个分量为目标分量，那么对c_d(t)进行希尔伯特变换，可以得到其解析函数，

Y(t)＝c_d(t)+jH[c_d(t)]＝a(t)e^jθ(t) (14)

式中，是信号的瞬时幅值，是信号的瞬时相位，所以信号的瞬时频率可以通过对相位求导进行计算，

最后，结合本振信号得到待测信号的实际频率，根据混频原理，如果解算出的k通道信号频率为ω_d(t)，则实际频率为，

ω_re＝ω_d(t)+ω_k (16)

从而实现高动态冲击信号频率的测量。