[发明专利]一种基于非线性调频激励的变信噪比的频率特性测量方法

说明书

本发明提出了一种基于非线性调频激励的变信噪比的频率特性测量方法，可以有效地对系统的频率响应特性进行变信噪比测量。通过设计激励信号的调频函数，改变其在不同频段内的调频速度，能够可控地调整激励信号能量在频域内的分布。在需要提高信噪比的频段内使用较低的调频速度，更加充分地激励系统，从而在该频率范围内提高测量系统的信噪比，在其他频段保持较高的调频速度来保证测量速度的需求。通过非线性调频激励改变局部频段信噪比的方式兼顾测量的精度与效率，相对于传统的线性调频激励方式，进一步提高了频率特性测量的整体性能，是一种在存在局部提高测量精度需求时的频率特性测量的优化方法。

技术领域

本发明属于动态频率扫描的方法研究和技术应用领域，具体涉及一种基于非线性调频激励的变信噪比的频率特性测量方法。

背景技术

系统的频率特性是指该系统在不同频率的正弦输入信号激励下的稳态响应，很大程度上决定了系统在动态输入条件下的性能。在传感器的标定、仪器仪表的校准等技术领域中，频率特性测量是必不可少的，对频率特性测量方法的研究具有很高的工程应用价值。

频率特性测量的基本原理就是使用不同频率成分的激励信号输入待测系统，对系统的响应信号进行测量和分析，得到系统的频率响应特性曲线。传统的静态扫描方法是对系统在单频正弦信号输入作用下产生的稳态响应信号进行测量，这种方法需要在待测频段内选取大量测量频点，在每个频点处需要等待响应稳定并进行多周期重复测量，测量效率极低。且该方法一般情况下需要人工进行输入频率调整、响应测量等，无法实现自动化测量与分析。

本发明设计的方法属于动态频率扫描方法，将一个有限时长的带限激励信号输入待测系统，在输出端对响应信号进行动态采集，然后利用傅里叶变换进行频域分析，得到系统的频率特性曲线。这种方法相对于静态频率扫描方法，能够显著提高测量效率，在各种传感器和仪器仪表的频率特性测量中已经提现出了优越性。

调频信号的设计工作在雷达信号领域开展最为广泛，尤其对于非线性调频信号的研究充分表明，线性调频信号模型单一的缺陷可以很好地得到解决。在频率特性测量领域，广泛应用于动态频率扫描的激励形式为线性调频信号，目前尚未见到利用非线性调频信号作为激励信号的测量方法。

通过对非线性调频信号的调频函数进行设计，可以调节激励信号在不同频段的调频速度，从而实现频域能量的非均匀分布，在局部特征频段或常用频段内提高测量系统的信噪比，而在其余频段内牺牲一定的信噪比来提高扫频速度，通过变信噪比测量的方式兼顾测量的精度与效率，从而进一步优化频率特性测量的整体性能

发明内容

本发明要解决的技术问题为：利用线性调频激励动态扫频对振动传感器进行频率特性测量时，由于设计参数较少、模型单一，当待测频率范围较大，且对于需要局部提高测量精度时，必须大幅度降低扫频速度来满足局部的高精度要求，这将使得整个动态扫频测量效率大大降低，难以同时兼顾测量效率与测量精度。针对该问题，本发明提出一种采用非线性调频信号作为激励的频率特性测量方法，可以通过调整调频函数的形式，实现在局部频带内提高信噪比，而不必降低其他频段内的测量效率，具有针对性地解决动态频率特性测量中存在的测量精度与效率的矛盾。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于非线性调频激励的变信噪比的频率特性测量方法，利用非线性调频信号频谱能量分布不均匀的特征，实现变信噪比测量。步骤一，根据待校准的振动传感器的最大工作范围确定频率特性校准的扫频频率范围，并根据该振动传感器的常用工作范围确定高精度测量频段；步骤二，设计调频速度函数，在高精度测量频段保持较低的调频速度，在其余频段采用较高的调频速度以保证整体测量效率；由调频速度函数积分可得调频函数，调频函数再积分可得相位函数，从而得到非线性调频激励信号的函数表达；步骤三，将激励信号通过数模转换卡输出至待测传感器的激励端，并采集传感器的响应信号，在计算机中对激励信号与响应信号进行离散傅里叶变换，通过频域分析得到被测传感器的频率特性曲线。