本發(fā)明屬于控制電路，涉及一種諧振器相位噪聲抑制方法，具體涉及一種基于卡爾曼濾波的諧振器相位噪聲抑制方法，可應(yīng)用于通信系統(tǒng)中的信號(hào)處理、精密測(cè)量?jī)x器、導(dǎo)航系統(tǒng)以及各種電子設(shè)備中。

背景技術(shù)：

1、諧振式器件分為機(jī)械諧振式器件、電諧振式器件、光學(xué)諧振式器件、聲學(xué)諧振式器件、磁諧振式器件、熱諧振式器件、微波諧振式器件等，機(jī)械諧振式器件內(nèi)諧振器是基于諧振原理，利用敏感元件諧振器的諧振頻率變化來(lái)測(cè)量其他物理量，由于只需測(cè)量頻率來(lái)檢測(cè)物理量變化，不易受到幅值增益的干擾，因此諧振器具有準(zhǔn)數(shù)字輸出、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2、然而，諧振器輸出量為頻率，因此其容易受到相位噪聲的干擾，又由于相位噪聲的頻率與輸出信號(hào)頻率一樣，難以通過(guò)低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器抑制，進(jìn)而導(dǎo)致其輸出信號(hào)波形出現(xiàn)不平整，干擾測(cè)頻模塊的測(cè)頻，嚴(yán)重影響了諧振器的輸出精度，因此抑制相位噪聲，將輸出信號(hào)平滑為理想的正弦信號(hào)對(duì)于提高諧振器的整體性能具有重要意義。

3、例如，申請(qǐng)公布號(hào)為cn117544115a，名稱(chēng)為“一種低相位噪聲抗振型晶體振蕩器”的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)了一種針對(duì)機(jī)械諧振式器件相位噪聲的抑制方法，該方法首先通過(guò)相位鎖定環(huán)接收來(lái)自高精度頻率源的穩(wěn)定參考信號(hào)，內(nèi)部相位比較器將參考信號(hào)與振蕩器輸出信號(hào)的相位進(jìn)行比較，生成與相位差成比例的誤差信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)低通濾波器去除高頻噪聲，生成控制電壓，最后控制電壓被送到壓控振蕩器，使其輸出頻率逐步接近參考信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)頻率的鎖定。該發(fā)明對(duì)高頻噪聲的抑制能力有限，尤其是在存在強(qiáng)干擾或高頻噪聲時(shí)，可能導(dǎo)致輸出頻率不穩(wěn)定，當(dāng)頻率變化較大時(shí)在鎖定過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，需要一定的時(shí)間來(lái)調(diào)整，并且鎖定頻率的精度取決于參考信號(hào)的穩(wěn)定性和相位比較器的性能，可能在低相位噪聲的應(yīng)用中表現(xiàn)不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種基于卡爾曼濾波的諧振器相位噪聲抑制方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的適應(yīng)性和實(shí)時(shí)性較差的技術(shù)問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案包括如下步驟：

3、(1)對(duì)諧振器的位移進(jìn)行采樣：

4、以t為時(shí)間間隔對(duì)諧振器的位移進(jìn)行i次采樣，得到位移集合z＝{zi|0＜i≤i}，其中，t＞0，zi表示第i次采樣的位移，i≥10；

5、(2)計(jì)算第i次采樣的先驗(yàn)誤差矩陣和先驗(yàn)估計(jì)值：

6、令i＝1，通過(guò)諧振器諧振條件下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣a，并通過(guò)a計(jì)算第i次采樣的先驗(yàn)誤差矩陣pi'和先驗(yàn)估計(jì)值

7、(3)計(jì)算第i次采樣的卡爾曼增益：

8、通過(guò)第i次采樣的先驗(yàn)誤差矩陣pi'計(jì)算第i次采樣的卡爾曼增益ki；

9、(4)計(jì)算第i次采樣的誤差矩陣：

10、通過(guò)第i次采樣的先驗(yàn)誤差矩陣pi'和卡爾曼增益ki計(jì)算第i次采樣的誤差矩陣pi；

11、(5)獲取諧振器相位噪聲抑制結(jié)果：

12、通過(guò)第i次采樣的卡爾曼增益ki計(jì)算第i次采樣的位移zi對(duì)應(yīng)的濾波后的信號(hào)xi′，并判斷i＝i是否成立，若是，得到i個(gè)濾波后的信號(hào)，否則令i＝i+1，pi'＝pi，并執(zhí)行步驟(2)。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

14、(1)本發(fā)明基于卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械諧振式器件內(nèi)諧振器相位噪聲的抑制，適用于包括高頻噪聲在內(nèi)的多種噪聲類(lèi)型，且能夠保持輸出頻率的穩(wěn)定性，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠靈活應(yīng)對(duì)不同工作環(huán)境和噪聲類(lèi)型，具有較好的適應(yīng)性。

15、(2)本發(fā)明基于卡爾曼濾波具有遞歸計(jì)算的特性，能夠在每次新數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)更新?tīng)顟B(tài)估計(jì)，而無(wú)需處理所有歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合預(yù)測(cè)模型和噪聲觀測(cè)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)與優(yōu)化，使得濾波器可以迅速響應(yīng)信號(hào)頻率的變化，提供高效的實(shí)時(shí)調(diào)整能力。

技術(shù)特征：

1.一種基于卡爾曼濾波的諧振器相位噪聲抑制方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)中所述的第i次采樣的位移zi，其表達(dá)式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的諧振器諧振條件下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，其表達(dá)式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣a，其表達(dá)式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的第i次采樣的先驗(yàn)誤差矩陣pi'，計(jì)算公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的第i次采樣的先驗(yàn)估計(jì)值計(jì)算公式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(3)中所述的第i次采樣的卡爾曼增益ki，計(jì)算公式為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(4)中所述的第i次采樣的誤差矩陣pi，計(jì)算公式為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(5)中所述的第i次采樣的位移zi對(duì)應(yīng)的濾波后的信號(hào)xi′，計(jì)算公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于卡爾曼濾波的諧振器相位噪聲抑制方法，實(shí)現(xiàn)步驟為：對(duì)諧振器的位移進(jìn)行采樣；計(jì)算每次采樣的先驗(yàn)誤差矩陣和先驗(yàn)估計(jì)值；計(jì)算每次采樣的卡爾曼增益；計(jì)算每次采樣的誤差矩陣；獲取諧振器相位噪聲抑制結(jié)果。本發(fā)明基于卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械諧振式器件內(nèi)諧振器相位噪聲的抑制，適用于包括高頻噪聲在內(nèi)的多種噪聲類(lèi)型，能夠靈活應(yīng)對(duì)不同工作環(huán)境和噪聲類(lèi)型，具有較好的適應(yīng)性；且本發(fā)明基于卡爾曼濾波具有遞歸計(jì)算的特性，能夠在每次新數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)更新?tīng)顟B(tài)估計(jì)，而無(wú)需處理所有歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合預(yù)測(cè)模型和噪聲觀測(cè)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)與優(yōu)化，使得濾波器可以迅速響應(yīng)信號(hào)頻率的變化，提供高效的實(shí)時(shí)調(diào)整能力。

技術(shù)研發(fā)人員：劉思甜,張旭陽(yáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6