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在低信噪比、被测频率持续时间短的情况下,为提高频率估计精度和扩展已有方法的适用范围,提出一种多段同频等长信号融合算法。在本算法中,因各段信号之间相位不连续,故设计相位差补偿因子矩阵以达到相位连续信号的效果;因相位差补偿因子矩阵包含未知参数,故生成搜索频率序列以用于实际计算并得到具有特定形式的功率谱矩阵。为验证算法的正确性,给出了详细的数学证明。针对多种应用环境参数进行了仿真实验,结果表明算法适用于任意类型的多段同频等长信号,抗噪性好,频率估计精度比现有方法有较大提高。