基于非参量法的谐波频率估计研究

论文摘要

谐波频率估计问题作为信息科学在信号处理领域的一个重要组成部分,已广泛应用于雷达、声纳、宇航、移动通信、语音识别、生物医学、振动工程、遥感技术、地质勘测以及波谱学等众多的研究中,其重要性随着工业、农业、国防和科学技术的发展而与日俱增。全世界各国的科研工作者对它相当重视,该水平的高低,直接反映一个国家的整体科学水平。谐波频率估计方法很多,有基于线性模型的参量法,也有基于非具体模型求解的非参量法,还有熵谱估计等。它们各自在不同的条件下表现出自己优越的一面。如参量法,它在信噪比较高的情况下对短数据具有较高的频率分辨率,较高的估计精度;非参量法中傅立叶变换具有较广的适应性,较快的估计速度;基于空间分解的现代频率估计技术对低信噪比信号也具有较高的估计精度。本论文基于信号的谐波模型,重点研究了非参量法中FFT法在提高谐波频率估计精度中的应用问题及基于信号空间分解的谐波频率估计问题,主要内容包括:（1）通过深入研究傅立叶变换的影响因素,探讨了频谱泄漏的数据误差解释、序列的非均匀性度量及一系列提高谐波频率估计精度的技术和解决方案:如基于同步思想的谐波频率估计,FFT的非均匀采样实现,基于FFT旋转不变性的正弦信号频率估计等;（2）研究了FFT的细化技术,对CZT及Zoom-FFT方法作了详细的对比,并就存在的缺点探讨了相应的改进方法;（3）介绍了基于信号空间分解的现代高精度谐波频率估计的基本原理,在此基础上提出了一系列快速实现的改进方法:如基于FFT有限域搜索的MUSIC法快速频率估计技术,大大提高了MUSIC算法的估计速度;分析了ESPRIT算法的性能,提出了MTLS-ESPRIT方法,基于数据矩阵提出了D-ESPRIT快速实现方法;（4）探讨了MUSIC算法在噪声环境基于多重自相关、噪声调制、FFT旋转不变性、或互四阶累积量的微弱信号的检测问题。总之,谐波频率估计技术是一项具有重大应用意义的科学,本文在谐波频率的非参量估计方法及快速实现方面做了归纳、总结、补充和完善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 本课题的研究意义
• 1.2 谐波频率估计技术的发展及现状
• 1.3 谐波频率估计的研究方法
• 1.4 论文的研究内容、创新及组织
• 第二章 基于FFT算法的谐波频率估计
• 2.1 引言
• 2.2 信号的谐波模型
• 2.3 影响FFT频谱分析的因素分析
• 2.3.1 FFT中的泄漏现象
• 2.3.2 栅栏效应
• 2.3.3 采样误差
• 2.4 基于同步思想的FFT谐波频率估计
• 2.4.1 均匀采样问题
• 2.4.2 基于理想序列估计的谐波频率分析
• 2.4.3 基于理想序列非均匀采样逼近的谐波频率估计
• 2.4.4 理想序列非均匀采样逼近频率估计的精度问题
• 2.5 FFT加窗插值问题
• 2.6 基于FFT旋转不变性的正弦信号的频率估计
• 2.7 仿真分析
• 2.8 小结
• 第三章 FFT分析的频率细化问题
• 3.1 引言
• 3.2 DFT的频率分辨率
• 3.3 FFT细化方法探讨
• 3.3.1 细化方法
• 3.3.2 ZFFT与CZT的频谱分析比较
• 3.3.3 Zoom-FFT细化方法的改进
• 3.3.4 仿真研究
• 3.4 小结
• 第四章 基于信号空间分解的谐波频率估计
• 4.1 引言
• 4.2 信号模型描述
• 4.3 基于噪声子空间的谐波频率估计
• 4.3.1 MUSIC算法
• 4.3.2 MUSIC算法的统计性能分析
• 4.3.3 基于FFT有限域搜索的快速MUSIC法频率估计
• 4.4 基于信号子空间的谐波频率估计
• 4.4.1 ESPRIT算法
• 4.4.2 ESPRIT算法的性能分析
• 4.4.3 一种基于数据矩阵的快速ESPRIT实现
• 4.5 小结
• 第五章 噪声环境MUSIC法谐波频率估计的进一步探讨
• 5.1 引言
• 5.2 基于噪声调制原理的MUSIC法微弱信号检测
• 5.3 基于FFT旋转不变性的MUSIC法微弱信号检测
• 5.4 多重自相关法微弱信号谐波频率检测
• 5.5 基于互四阶累积量的MUSIC法谐波频率估计
• 5.6 噪声环境谐波频率估计的仿真研究
• 5.7 小结
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间的研究成果及完成的科研项目