[发明专利]一种超低频正弦信号相位差的同步快速测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于一种超低频正弦信号相位差的同步快速测量方法及装置，属于电子测量技术领域。

背景技术

相位差测量及复现技术是电子学、电磁学以及无线电计量领域的基本技术之一，意义重大且影响深远。例如交流电能计量测试中的功率因数即需要测量两相或三相交流电电压与电流间的相位差来最终确定，实际上需要同步测量两路(一路电压、一路电流)或六路(三路电压、三路电流)正弦信号互相之间的相位差。另外很多场合中的时间差测量是通过相位差测量间接获得，因而相位差的同步精确测量一直是该领域中的一个基本问题。相位差是一个相对量和导出量，它基本上与信号频率、延迟等因素密切相关。而超低频正弦信号相位差的快速测量一直是一个难题，主要问题是通常的相位差测量方法均需要在获得多个信号波形周期条件下进行，而超低频信号周期本身就非常长，例如用于地震监测等研究的超低频振动台的振动周期可达1000s以上，一种合成信号源的频率下限为1μHz，导致很难快速获得超低频正弦相位差，相位测量值的实时刷新也很难实现。另外，相位测量准确度受不同测量通道的延迟、噪声、时基失真、时基抖动、时间漂移、触发噪声、触发抖动、采样间隔、以及波形失真等众多因素的影响，不易实现高精度测量，也很难获得较高的相位测量分辨力。

现有相位测量技术多基于过零点检测原理实现，以两路正弦波过零点间的时间差与信号周期之比计算相位差，除了必需测量获得多个信号波形周期外，其主要缺点有：1)过零点受噪声、失真等影响大，抖动、波动较大，很难获得高精度；2)微小相位差的过零点很难被分辨出来，相位测量分辨力受限制；3)当两路正弦波幅度相差悬殊时，相位测量很难实现，或者误差极大；4)超低频正弦波相位差的测量无法快速实现。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的局陷，提出一种超低频正弦信号相位差的同步快速测量方法及装置，在超低频正弦波信号的相位差测量过程中以虚拟仪器方式实现相位快速测量，并实现分辨力高、波形稳定的相位同步测量，同时避免传统相位测量方法的采样时钟抖动、通道同步误差、通道相位延迟稳定性、幅度噪声等误差影响因素，提出超低频正弦信号相位差的同步快速测量方法及装置。其核心是结合同步测量技术、以不足一个波形周期的正弦波形(例如十分之一个波形周期)获取信号相位值。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种用于超低频正弦信号相位差的同步快速测量方法，用于两路超低频正弦信号相位差测量，待测的两路正弦信号具有相同频率，其具体步骤为：

1)对两路待测正弦信号进行信号调理，利用模数转换电路对调理后的两路信号进行同步采样，将采样得到的两路波形数据序列y_k，i送入计算机，其中k表示第k路正弦信号对应的通道编号且k＝1，2，i表示同步采样序列中采样点序号且i＝1，2，…，n，两路通道中同一序号采样点的采样时刻相同；

2)使用计算机将接收到的两路波形序列分别进行正弦拟合，获得两路正弦的初始相位具体为：

2.1 对两路正弦信号分别进行数学描述，设第k路正弦信号波形为

其中，A_k为第k路正弦信号幅值，为第k路正弦信号初始相位值；

第k路正弦信号波形数据序列为

y_k，i＝y_k(t_i)＝y_k((i-1)×Δτ)

其中，通道采样时间间隔Δτ＝1/v，v为通道采样速率；

2.2 计算机对两路波形数据序列y_k，i分别进行正弦波形四参数拟合，获得拟合信号

其中，为第k路正弦信号幅度的拟合值，为正弦信号角频率的拟合值，为第k路正弦信号初始相位的拟合值，为第k路正弦信号直流分量值的拟合值；

所述正弦波形四参数拟合具体过程为：

(1)设定初始参数，具体包括：待测的正弦信号的频率预估值为f₀，角频率预估值ω₀＝2πf₀/v，波形采集序列所含信号不足一个周期且个数为p，波形采集序列占用时间长度为τ，则f₀≤1/τ，选取另一个足够小的正数因子q，使得f₀＞q/τ，此时f₀∈[q/τ，2/τ]；

(2)设定拟合迭代停止条件为一个接近于0的足够小的正数h_e；