技术概览

为了解决动态信号频率和幅值实时计算精度低的问题，东方所提出了YLS高精度频率幅值计算方法，该技术是一项用于动态信号的精确频率和幅值测量的技术，突破了一般动态信号分析仪受FFT精度限制的难题，软件算法精度可达十进制15~16位精度，软硬件结合的实际测量系统的频率精度可达十进制8位精度，该方法比传统算法的精度提高了6~7个数量级。

影响频率测试精度的因素主要在于两个方面：硬件时钟源和软件算法。本文只讨论软件算法对频率精度的影响。

一、行业痛点：传统频率计算存在的问题

一般虚拟仪器，经过ADC之后的时域波形，通常使用FFT方法进行频谱分析，以获取频率、幅值等结果。若信号采样频率为SF，FFT计算点数为N，则频率分辨率为 df=SF/N，其频率误差范围为±0.5df，当实际信号频率不为频率分辨率的整数倍时，将产生频谱泄露，其幅值误差范围为0~36.3%。

为提高幅值精度，常常使用加窗或平滑的方法，但这些方法仅仅能够在一定程度上提高幅值精度，同时却以牺牲频率精度为代价。

为提高频率精度，常常使用增加分析点数N或者使用Zoom FFT等细化方法，这些方法都需要更多的分析点数而难以实现实时运算，并且不能保证提高幅值精度。因此使虚拟仪器实时获得高精度的频率和幅值，是一项国际性难题。

从具体精度指标上看，一般虚拟仪器的频率、幅值精度也就达到十进制3位到5位，只能达到6位精度，而且计算分析十分复杂、费时。

二、解决方案：提出了YLS高精度频率幅值计算算法

YLS高精度频率幅值计算算法是东方所提出的高精度频率计和幅值计方法，是一种时域计算和频域计算相结合的特殊方法，基于FFT计算结果再次进行优化和迭代计算，可以对频谱中的若干谱峰点的频率、幅值和初相位进行精确的计算，算法流程如图1所示。

图1 动态信号基本参量的YLS精确算法流程图

在不考虑硬件采集误差的情况下，仅仅利用1024点的数据进行快速实时计算，即可达到十进制12-14位精度，而国外仪器使用的常规方法，只能达到6~7位十进制数字精度，可见该方法使精度提高6~7个数量级。图2为使用东方所虚拟信号发生器产生的正弦信号，为了验证YLS算法的精度，信号频率设置为123.456789012345 Hz, 幅值设置为123.456789012345 mV，图3为使用东方YLS高精度频率幅值算法实时识别的频率和幅值，对比图2和图3可知，YLS高精度频率幅值算法的频率和幅值精度可达12位。

图2  模拟信号源产生信号的频率和幅值

图3  YLS高精度频率幅值计算软件显示的频率和幅值

由于YLS算法的精度远高于硬件系统的测量精度，因此可以事先通过标准信号源和YLS算法，准确测量出硬件系统的固有频率误差和幅值误差，然后在实时测量过程中对频率和幅值结果进行在线校正。其实现流程如图4所示，该方法可以使仪器在不使用外时钟参考的前提下，将频率测量精度从10-5或10-6的量级提高至10-8，提高2-3个数量级。

图4 基于YLS算法的硬件频率幅值校准过程

三、实测效果

3.1专家评审结果

2012年11月25日，由中航工业304研究所、中国计量科学研究院和北京计量检测科学研究院的六名专家组成的测试组进行的测试报告表明（以下为测试报告中的摘录）：

1.YLS法高精度频率测量技术：

软件算法误差范围为1×10-12~1×10-14，典型值为4×10-14；硬件系统测量误差范围为1×10-8, 典型值为6×10-10，而常规FFT方法测量误差范围为1×10-4 ~ 4×10-3。

2.YLS法高精度幅值测量技术：

软件算法误差范围为1×10-12~1×10-14，典型值为5×10-14；硬件系统测量误差范围为1×10-3, 典型值为7×10-4。而常规FFT方法测量误差范围为 8×10-2 ~ 3×10-1。

3.频率幅值校准技术用于国外某采集仪：

频率误差由6×10-7 ~ 2×10-5提高到9×10-8以内，最大提高1105倍；幅值误差由3×10-3提高到2×10-4以内，最大提高73倍。

4．频率幅值校准技术用于国内INV采集仪：

频率误差由3×10-7~4×10-6提高到4×10-8以内，最大提高99倍；幅值误差由5×10-3 提高到7×10-4以内，最大提高368倍。

3.2 频率和幅值软件算法精度对比

使用某国外仪器与东方所精密算法进行对比，其结果如图5和图6所示，两幅图中的横坐标为信号的采样频率，纵坐标为测量精度，两图表达的含义是使用不同的采样频率对某一固定幅值和频率的信号进行分析的精度对比，分析点数均为1024点。由图5和图6可以看出，东方所提出的高精度频率和幅值算法的精度随采样频率变化非常小，而对比厂家的频率和幅值精度随采样频率的提高而迅速降低，因为采样点数不变，采样频率提高后采集到信号周期变少了，导致了传统基于FFT的算法精度降低，而东方所高精度算法受影响非常小。

图5 东方所算法与国外厂家频率算法精度对比

图6 东方所算法与国外厂家幅值算法精度对比

3.3 软硬件系统的测量精度对比

对应用高精度频率幅值技术的东方所系统与国际的三家仪器进行对比测试，结果如图7所示，图7的横坐标是信号频率，纵坐标是测量精度。图7表达的含义是使用固定的采样频率和分析点数不同频率的信号进行频率和幅值分析。随着信号频率的改变，东方所高精度算法分析精度基本不变，而国外其它三家系统的精度则信号频率影响比较大，其根本原因是采样频率和分析点数不变，信号频率越低采集到的信号周期数越少，基于FFT算法的精度越低，而东方所高精度算法基本不受影响。

图7 东方所系统与国际厂家频率测量精度对比图

四、应用案例

港珠澳大桥是长的跨海大桥，被外媒评为“现代世界七大奇迹之一”。它代表着我国桥梁建设能力达到先进水平。港珠澳大桥全长55公里，是集桥、双人工岛、隧道为一体的跨海通道。

港珠澳大桥施工环境十分恶劣。许多关键的工程技术缺乏经验。比如沉管隧道技术，总长约55公里的港珠澳大桥，有近30公里的位于海底，工程量巨大，且需要解决很多技术难题。欧洲有百年沉管隧道技术，但是核心技术都是掌握在荷兰、德国等少数国家手中，对我国是技术的，开出天价的技术咨询费用，最终我们只能靠自己走自主创新之路。

在工程最重要的环节——最后一节沉管的安装过程中，通过高精度传感器与东方所YLS高精度频率幅值算法，实现沉管的水下精密测试，而水下精密测控系统外方曾开价10~15亿人民币。沉管安装的设计偏差目标为10cm，而最终实现了一端偏差0.8mm，另一端偏差2.6mm的精确安装，圆满完成沉管安装任务，东方所软件在港珠大桥沉管对接姿态监测中的画面如图8所示。

图8 港珠大桥沉管对接姿态监测东方所软件画面

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