技术专题 / 测量与统计

速度差分里的根号2,什么时候该留下?

将位置噪声与端点时间抖动分开预算,用相关系数解释速度噪声的变化。

核对于 2026.10.24

同一个静止角度噪声,控制周期缩短后,直接差分的速度反而更抖。原因先藏在分母里,还藏在前后两点是否相关。

先展开归一化角度 uu,速度 v=du/dtv=du/dt 的单位为圈/秒。固定采样间隔 TT 下,估计 v^=(uk−uk−1)/T\hat v=(u_k-u_{k-1})/T。若两次位置噪声同为标准差 σu\sigma_u,相邻相关系数为 ρu\rho_u:

σv,u=σuT2(1−ρu). \sigma_{v,u}=\frac{\sigma_u}{T}\sqrt{2(1-\rho_u)}.

独立时 ρu=0\rho_u=0,根号2必须保留。合成设 σu=10−5\sigma_u=10^{-5} 圈、T=1T=1 ms,速度标准差约0.01414圈/秒,即0.849rpm。只把T缩短一半而单次噪声不变,结果增大一倍。

时间误差要另开一行

若真实采样时刻为 kT+ϵkkT+\epsilon_k,却仍用固定T作分母,匀速、小抖动条件下,速度误差约为 v(ϵk−ϵk−1)/Tv(\epsilon_k-\epsilon_{k-1})/T。因此:

σv,t≈∣v∣σtT2(1−ρt). \sigma_{v,t}\approx\frac{|v|\sigma_t}{T}\sqrt{2(1-\rho_t)}.

NIST传播公式中的协方差不能省略;ADI MT-007则解释了采样时间误差为何随输入变化率转为幅度误差。

合成设3000rpm、T=1T=1 ms、σt=1\sigma_t=1 µs。独立端点给约4.24rpm;若 ρt=0.75\rho_t=0.75,则约2.12rpm。相关系数在−1到1之间时,该根号因子可在0到2之间,不能无条件限制为1到 2\sqrt2。

这里的ρ描述相邻两点,不能从整个记录的一个总体标准差推出来。固定时间偏移可在差分中抵消,周期性调度却会在不同频率上留下结构;“延时很大”和“延时在变化”不是同一种速度误差。记录噪声时,还应分开平均速度偏差与围绕均值的随机散布。

换成跨多拍求速度,相当于同时改变时间窗和两个端点的相关性。应按新的间隔重新计算,而不是把单拍结果机械地除以平均次数。若角度仍按0到1圈存储,先处理跨圈连续性;跨过零点的一次整圈假跳,会压过这里讨论的全部小噪声。

平滑的代价也要记录

实际时间戳若准确对应真实采样事件,改用实测间隔可去掉理想匀速例中的这项分母误差;若时间戳只是“接收完成”,却不能补回未知的前端采样时间。

位置噪声与时间抖动只有在互不相关时,才可按方差相加。相关滤波、量化台阶或周期调度会破坏简单白噪声模型。实验应同时保存位置、有效采样时刻和控制使用时刻,报告相邻相关性;再比较直接差分与固定响应条件下的速度估计。显示更平稳,还需确认延迟有没有一起变大。

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