本发明属于共振频率信号测量领域，具体涉及机械振子、磁共振信号、谐振电路共振频率测量的数据处理方法，更具体而言，涉及实时、快速、稳定地从时域信号中提取共振频率的装置及其方法。
背景技术：
1、共振频率是一个二能级系统的固有属性，共振频率的测量对于分析和研究一个二能级系统来说至关重要。比如，对机械振子共振频率的测量可以获得与其力学性能相关的信息，对原子核自旋共振频率的测量可以获得原子内部能级的信息。
2、共振频率的测量方法总的来说包括两类：1、通过锁相测量的方法来锁定共振系统的相位，比如一个机械振子，其共振在振动强度上反映出来的是共振峰，在共振峰处相位也有非常大的变化，所以通过共振频率锁定共振峰处的相位，可以保持对共振频率的测量；2、通过采集时域信号比如自由感应衰减信号进行傅里叶变换，得到共振频率。这两种方法各有特点，第一种可以对共振频率快速测量，但是由于存在pid反馈锁定相位，存在测量不稳定的风险。第二种方法虽然测量稳定性较好，但是存在测量时间较长的问题。
3、具体而言，通过第二种方法，当以一定的采样率和采样时间采集时域信号后，将这组信号进行离散傅里叶变换得到频域信号，从频域信号上可分辨出共振峰的位置。由离散傅里叶变换可知，采样率为s点/秒，采样时间为t秒的信号，经傅里叶变换后得到的时域信号带宽为s/2hz，频域上每点的间隔为1/t hz。所以为了获得更高带宽需要增加采样率，为了获得更好的频率分辨率需要更长的采样时间。但是长的采样时间会使每次测量的间隔变长，在某些应用中将变得不可取。
4、现有技术中，将短采样时间的时域信号经过傅里叶变换后进行数据拟合来增大频率分辨率。图1a和图1b是表示通过数据拟合来增大频率分辨率的结果和可能遇到的问题的示意图。如图1a所示可以对测量数据进行洛伦兹线性拟合，不过，采用这样的方法，共振频率的测量结果会因拟合参数选用的不同而不同。而且对于一些较为复杂的测试比如有较多噪声的情况下，拟合可能会失效。如图1b所示，在共振峰附近出现了噪声峰，导致曲线拟合难度增加，无法准确地测量共振频率。
5、为此，本发明提出一种针对采集到的包含共振频率的时域信号进行数据处理的装置及其方法，能够减小数据运算量，快速、精确地从时域信号中提取共振频率。
技术实现思路
1、发明要解决的技术问题
2、如上所述，对于时域信号的处理存在测量时间和频率分辨率的矛盾，以及拟合失效的风险。为便于理解本发明，下面从基本原理出发具体说明存在的主要问题。
3、采样定理又称奈奎斯特定理，它规定了连续信号抽样成为离散信号时的信号频率与采样率之间的关系：对于连续信号x(t)进行抽样时，抽样信号的最小频率p(t)的频率要大于x(t)的最大频率的2倍，采样得出的信号x[n]才能还原出原始信号x(t)。也就是说采样信号的带宽取决于采样率fs，带宽为dc—fs/2。
4、对于傅里叶变换后的每点的频率间隔，可以通过离散傅里叶变换得出。一个有n个点的时域信号，作离散傅里叶变换变为频域信号同样有n个点。下式(1)表示离散傅里叶变换公式，k是以n为周期的。并且x[-k]＝x[k]，由于频域图像是对称的，通常来说，真正表示频域信息的区域仅在正一半内，频域的点数为n/2。对应于采样率fs和采样时间t秒，所以频率点的间隔为1/t hz。
5、
6、对于一个共振频率很高的信号，想要获得高的共振频率测量分辨率需要尽可能延长采样时间，这样不仅每测量一个共振频率信号需要的时间会很长，而且数据量非常大，数据处理的时间也会变长。
7、现有技术中，对于采样时间短、频率间隔较大(频率分辨率低)的频域信号采用上述图1a所示的数据拟合的方式来获取共振频率。但如上所述，这样获得的共振频率依赖于拟合参数，而且对于信号有干扰的情况，如图1b所示，对频域信号的拟合会带来困难。
8、对此，本发明提出一种针对采集到的包含共振频率的时域信号进行数据处理的方法，对于采样时间短的时域信号也能达到高的频率分辨率，而且优化数据处理量，能够快速地提取共振频率。
9、解决问题的技术手段
10、本发明的第一技术方案是一种数据处理装置，用于从采集到的包含共振频率的时域信号的数据中提取共振频率，包括：调制移频部，其对采集到的时域信号进行处理而得到移频时域信号，其中，该移频时域信号包含使信号的频率整体向低频移动而得的降频成分；降采样部，其对通过所述调制移频部得到的所述移频时域信号进行降采样处理，得到降采样移频时域信号；补零部，其在通过所述降采样部得到的所述降采样移频时域信号的数据的末尾追加规定量的零数据进行补零处理；傅里叶变换部，其对经过所述补零部补零后的数据进行傅里叶变换得到频域信号；和共振频率提取部，其基于所述傅里叶变换部得到的所述频域信号取得共振频率。
11、本发明的第二技术方案提供一种数据处理装置，其中，在第一技术方案的数据处理装置的基础上，所述调制移频部生成与所述采集到的时域信号具有相同采样率和采样时间的正弦生成信号，将所述正弦生成信号与所述采集到的时域信号逐点相乘，得到包含二者的差频成分与和频成分的所述移频时域信号。
12、本发明的第三技术方案提供一种数据处理装置，其中，在第二技术方案的数据处理装置的基础上，预先取得所述采集到的时域信号的共振频率的估计值，所述正弦生成信号的频率与所述共振频率的估计值之间的差值小于所述共振频率的估计值，并且大于所述频域信号的共振峰的展宽的估计值。
13、本发明的第四技术方案提供一种数据处理装置，其中，在第二技术方案的数据处理装置的基础上，预先取得所述采集到的时域信号的共振频率的估计值，所述降采样部采用间隔规定数量的点抽取一个数据的方式进行所述降采样处理，并且，根据所述正弦生成信号的频率与所述共振频率的估计值之间的差值，基于采样定理决定所述规定数量的值。
14、本发明的第五技术方案提供一种数据处理装置，其中，在第一技术方案的数据处理装置的基础上，所述补零处理后的采样时间与补零处理前的采样时间之比，小于等于所述降采样处理前的数据数量与降采样处理后的数据数量之比。
15、本发明的第六技术方案提供一种数据处理装置，其中，在第一技术方案的数据处理装置的基础上，根据要求的所述频域信号的频率分辨率，决定所述补零部追加的零数据的量。
16、本发明的第七技术方案提供一种数据处理装置，其中，在第二技术方案的数据处理装置的基础上，所述共振频率提取部识别所述频域信号在规定频率范围内的最大幅值点，根据该最大幅值点的对应频率和所述正弦生成信号的频率计算得到所述共振频率。
17、本发明的第八技术方案提供一种数据处理装置，其中，在第七技术方案的数据处理装置的基础上，对于所述频域信号，所述共振频率提取部在所述正弦生成信号的频率与所述共振频率的估计值之间的差值附近的所述规定频率范围内，识别所述频域信号的最大幅值点。
18、本发明的第九技术方案提供一种数据处理装置，其中，在第一技术方案的数据处理装置的基础上，所述采集到的时域信号是在悬臂梁力测量装置中通过驱动悬臂梁使之振动之后再停止驱动信号而取得的所述悬臂梁的自由端的自由衰减振动信号。
19、本发明的第十技术方案提供一种数据处理方法，用于从采集到的包含共振频率的时域信号的数据中提取共振频率，包括：调制移频步骤，对采集到的时域信号进行处理而得到移频时域信号，其中，该移频时域信号包含使信号的频率整体向低频移动而得的降频成分；降采样步骤，对通过所述调制移频步骤得到的所述移频时域信号进行降采样处理，得到降采样移频时域信号；补零步骤，在通过所述降采样步骤得到的所述降采样移频时域信号的数据的末尾追加规定量的零数据进行补零处理；傅里叶变换步骤，对经过所述补零步骤补零后的数据进行傅里叶变换得到频域信号；和共振频率提取步骤，基于所述傅里叶变换步骤得到的所述频域信号取得共振频率。
20、发明效果
21、采用本发明对采集到的时域信号进行数据处理提取共振频率，能够在增加频率分辨率的同时减小或至少不增多数据量，提高数据处理速度，并且测量效果极其稳定。
1.一种数据处理装置，用于从采集到的包含共振频率的时域信号的数据中提取共振频率，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的数据处理装置，其特征在于：
3.如权利要求2所述的数据处理装置，其特征在于：
4.如权利要求2所述的数据处理装置，其特征在于：
5.如权利要求1所述的数据处理装置，其特征在于：
6.如权利要求1所述的数据处理装置，其特征在于：
7.如权利要求2所述的数据处理装置，其特征在于：
8.如权利要求7所述的数据处理装置，其特征在于：
9.如权利要求1所述的数据处理装置，其特征在于：
10.一种数据处理方法，用于从采集到的包含共振频率的时域信号的数据中提取共振频率，其特征在于，包括：
