技術(shù)概覽

為了解決動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率和幅值實(shí)時(shí)計(jì)算精度低的問題，東方所提出了YLS高精度頻率幅值計(jì)算方法，該技術(shù)是一項(xiàng)用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的精確頻率和幅值測量的技術(shù)，突破了一般動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀受FFT精度限制的難題，軟件算法精度可達(dá)十進(jìn)制15~16位精度，軟硬件結(jié)合的實(shí)際測量系統(tǒng)的頻率精度可達(dá)十進(jìn)制8位精度，該方法比傳統(tǒng)算法的精度提高了6~7個(gè)數(shù)量級(jí)。

影響頻率測試精度的因素主要在于兩個(gè)方面：硬件時(shí)鐘源和軟件算法。本文只討論軟件算法對(duì)頻率精度的影響。

一、行業(yè)痛點(diǎn)：傳統(tǒng)頻率計(jì)算存在的問題

一般虛擬儀器，經(jīng)過ADC之后的時(shí)域波形，通常使用FFT方法進(jìn)行頻譜分析，以獲取頻率、幅值等結(jié)果。若信號(hào)采樣頻率為SF，F(xiàn)FT計(jì)算點(diǎn)數(shù)為N，則頻率分辨率為 df=SF/N，其頻率誤差范圍為±0.5df，當(dāng)實(shí)際信號(hào)頻率不為頻率分辨率的整數(shù)倍時(shí)，將產(chǎn)生頻譜泄露，其幅值誤差范圍為0~36.3%。

為提高幅值精度，常常使用加窗或平滑的方法，但這些方法僅僅能夠在一定程度上提高幅值精度，同時(shí)卻以犧牲頻率精度為代價(jià)。

為提高頻率精度，常常使用增加分析點(diǎn)數(shù)N或者使用Zoom FFT等細(xì)化方法，這些方法都需要更多的分析點(diǎn)數(shù)而難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算，并且不能保證提高幅值精度。因此使虛擬儀器實(shí)時(shí)獲得高精度的頻率和幅值，是一項(xiàng)國際性難題。

從具體精度指標(biāo)上看，一般虛擬儀器的頻率、幅值精度也就達(dá)到十進(jìn)制3位到5位，只能達(dá)到6位精度，而且計(jì)算分析十分復(fù)雜、費(fèi)時(shí)。

二、解決方案：提出了YLS高精度頻率幅值計(jì)算算法

YLS高精度頻率幅值計(jì)算算法是東方所提出的高精度頻率計(jì)和幅值計(jì)方法，是一種時(shí)域計(jì)算和頻域計(jì)算相結(jié)合的特殊方法，基于FFT計(jì)算結(jié)果再次進(jìn)行優(yōu)化和迭代計(jì)算，可以對(duì)頻譜中的若干譜峰點(diǎn)的頻率、幅值和初相位進(jìn)行精確的計(jì)算，算法流程如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)信號(hào)基本參量的YLS精確算法流程圖

在不考慮硬件采集誤差的情況下，僅僅利用1024點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速實(shí)時(shí)計(jì)算，即可達(dá)到十進(jìn)制12-14位精度，而國外儀器使用的常規(guī)方法，只能達(dá)到6~7位十進(jìn)制數(shù)字精度，可見該方法使精度提高6~7個(gè)數(shù)量級(jí)。圖2為使用東方所虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)，為了驗(yàn)證YLS算法的精度，信號(hào)頻率設(shè)置為123.456789012345 Hz, 幅值設(shè)置為123.456789012345 mV，圖3為使用東方YLS高精度頻率幅值算法實(shí)時(shí)識(shí)別的頻率和幅值，對(duì)比圖2和圖3可知，YLS高精度頻率幅值算法的頻率和幅值精度可達(dá)12位。

圖2  模擬信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)的頻率和幅值

圖3  YLS高精度頻率幅值計(jì)算軟件顯示的頻率和幅值

由于YLS算法的精度遠(yuǎn)高于硬件系統(tǒng)的測量精度，因此可以事先通過標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源和YLS算法，準(zhǔn)確測量出硬件系統(tǒng)的固有頻率誤差和幅值誤差，然后在實(shí)時(shí)測量過程中對(duì)頻率和幅值結(jié)果進(jìn)行在線校正。其實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示，該方法可以使儀器在不使用外時(shí)鐘參考的前提下，將頻率測量精度從10-5或10-6的量級(jí)提高至10-8，提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖4 基于YLS算法的硬件頻率幅值校準(zhǔn)過程

三、實(shí)測效果

3.1專家評(píng)審結(jié)果

2012年11月25日，由中航工業(yè)304研究所、中國計(jì)量科學(xué)研究院和北京計(jì)量檢測科學(xué)研究院的六名專家組成的測試組進(jìn)行的測試報(bào)告表明（以下為測試報(bào)告中的摘錄）：

1.YLS法高精度頻率測量技術(shù)：

軟件算法誤差范圍為1×10-12~1×10-14，典型值為4×10-14；硬件系統(tǒng)測量誤差范圍為1×10-8, 典型值為6×10-10，而常規(guī)FFT方法測量誤差范圍為1×10-4 ~ 4×10-3。

2.YLS法高精度幅值測量技術(shù)：

軟件算法誤差范圍為1×10-12~1×10-14，典型值為5×10-14；硬件系統(tǒng)測量誤差范圍為1×10-3, 典型值為7×10-4。而常規(guī)FFT方法測量誤差范圍為 8×10-2 ~ 3×10-1。

3.頻率幅值校準(zhǔn)技術(shù)用于國外某采集儀：

頻率誤差由6×10-7 ~ 2×10-5提高到9×10-8以內(nèi)，最大提高1105倍；幅值誤差由3×10-3提高到2×10-4以內(nèi)，最大提高73倍。

4．頻率幅值校準(zhǔn)技術(shù)用于國內(nèi)INV采集儀：

頻率誤差由3×10-7~4×10-6提高到4×10-8以內(nèi)，最大提高99倍；幅值誤差由5×10-3 提高到7×10-4以內(nèi)，最大提高368倍。

3.2 頻率和幅值軟件算法精度對(duì)比

使用某國外儀器與東方所精密算法進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖5和圖6所示，兩幅圖中的橫坐標(biāo)為信號(hào)的采樣頻率，縱坐標(biāo)為測量精度，兩圖表達(dá)的含義是使用不同的采樣頻率對(duì)某一固定幅值和頻率的信號(hào)進(jìn)行分析的精度對(duì)比，分析點(diǎn)數(shù)均為1024點(diǎn)。由圖5和圖6可以看出，東方所提出的高精度頻率和幅值算法的精度隨采樣頻率變化非常小，而對(duì)比廠家的頻率和幅值精度隨采樣頻率的提高而迅速降低，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)數(shù)不變，采樣頻率提高后采集到信號(hào)周期變少了，導(dǎo)致了傳統(tǒng)基于FFT的算法精度降低，而東方所高精度算法受影響非常小。

圖5 東方所算法與國外廠家頻率算法精度對(duì)比

圖6 東方所算法與國外廠家幅值算法精度對(duì)比

3.3 軟硬件系統(tǒng)的測量精度對(duì)比

對(duì)應(yīng)用高精度頻率幅值技術(shù)的東方所系統(tǒng)與國際的三家儀器進(jìn)行對(duì)比測試，結(jié)果如圖7所示，圖7的橫坐標(biāo)是信號(hào)頻率，縱坐標(biāo)是測量精度。圖7表達(dá)的含義是使用固定的采樣頻率和分析點(diǎn)數(shù)不同頻率的信號(hào)進(jìn)行頻率和幅值分析。隨著信號(hào)頻率的改變，東方所高精度算法分析精度基本不變，而國外其它三家系統(tǒng)的精度則信號(hào)頻率影響比較大，其根本原因是采樣頻率和分析點(diǎn)數(shù)不變，信號(hào)頻率越低采集到的信號(hào)周期數(shù)越少，基于FFT算法的精度越低，而東方所高精度算法基本不受影響。

圖7 東方所系統(tǒng)與國際廠家頻率測量精度對(duì)比圖

四、應(yīng)用案例

港珠澳大橋是長的跨海大橋，被外媒評(píng)為“現(xiàn)代世界七大奇跡之一”。它代表著我國橋梁建設(shè)能力達(dá)到先進(jìn)水平。港珠澳大橋全長55公里，是集橋、雙人工島、隧道為一體的跨海通道。

港珠澳大橋施工環(huán)境十分惡劣。許多關(guān)鍵的工程技術(shù)缺乏經(jīng)驗(yàn)。比如沉管隧道技術(shù)，總長約55公里的港珠澳大橋，有近30公里的位于海底，工程量巨大，且需要解決很多技術(shù)難題。歐洲有百年沉管隧道技術(shù)，但是核心技術(shù)都是掌握在荷蘭、德國等少數(shù)國家手中，對(duì)我國是技術(shù)的，開出天價(jià)的技術(shù)咨詢費(fèi)用，最終我們只能靠自己走自主創(chuàng)新之路。

在工程最重要的環(huán)節(jié)——最后一節(jié)沉管的安裝過程中，通過高精度傳感器與東方所YLS高精度頻率幅值算法，實(shí)現(xiàn)沉管的水下精密測試，而水下精密測控系統(tǒng)外方曾開價(jià)10~15億人民幣。沉管安裝的設(shè)計(jì)偏差目標(biāo)為10cm，而最終實(shí)現(xiàn)了一端偏差0.8mm，另一端偏差2.6mm的精確安裝，圓滿完成沉管安裝任務(wù)，東方所軟件在港珠大橋沉管對(duì)接姿態(tài)監(jiān)測中的畫面如圖8所示。

圖8 港珠大橋沉管對(duì)接姿態(tài)監(jiān)測東方所軟件畫面

• 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集儀器

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