[發(fā)明專利]一種時(shí)頻分析方法和系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011337810.8
• 申請(qǐng)日: 2020-11-25
• 公開（公告）號(hào): CN112505413B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 軒建平;李銳;唐律;張青
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R23/16
• 分類號(hào): G01R23/16
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務(wù)所(普通合伙) 42224
• 代理人: 雷霄

本發(fā)明公開了一種時(shí)頻分析方法和系統(tǒng)。該方法包括步驟：對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行第一次信號(hào)分解；對(duì)第一次信號(hào)分解得到的信號(hào)進(jìn)行第二次信號(hào)分解，獲得三個(gè)長(zhǎng)度相等的信號(hào)；對(duì)第二次信號(hào)分解得到的三個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行加窗，得到三個(gè)加窗信號(hào)；對(duì)三個(gè)加窗信號(hào)分別進(jìn)行對(duì)稱離散傅里葉變換，得到三個(gè)頻域信號(hào)；分別對(duì)三個(gè)頻域信號(hào)的虛部進(jìn)行求和，分別對(duì)三個(gè)頻域信號(hào)的實(shí)部進(jìn)行求和；根據(jù)虛部求和結(jié)果計(jì)算信號(hào)瞬時(shí)頻率；根據(jù)計(jì)算的瞬時(shí)頻率及實(shí)部求和結(jié)果計(jì)算信號(hào)的直流分量、原點(diǎn)相位和幅值。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)頻率、直流分量、瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)相位的計(jì)算，適用于平穩(wěn)信號(hào)和非平穩(wěn)信號(hào)，計(jì)算精度高，對(duì)信號(hào)長(zhǎng)度幾乎無(wú)要求，抗直流干擾能力強(qiáng)，計(jì)算時(shí)間短。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信號(hào)分析技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種時(shí)頻分析方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

信號(hào)是信息的載體，人們認(rèn)識(shí)世界萬(wàn)事萬(wàn)物及通訊均基于對(duì)信息的理解。獲取信號(hào)中的信息依賴于信號(hào)分析。通常實(shí)際信號(hào)均為時(shí)變信號(hào)，科學(xué)家們多采用非平穩(wěn)信號(hào)代指時(shí)變信號(hào)。時(shí)頻分析被廣泛應(yīng)用于分析非平穩(wěn)信號(hào)，如分析引力波，動(dòng)物的語(yǔ)言，腦電波等信號(hào)。隨著人類認(rèn)識(shí)世界的深入，對(duì)時(shí)頻分析方法的要求越來(lái)越高。

現(xiàn)有技術(shù)中存在多種時(shí)頻分析方法。例如線性時(shí)頻描述法(Linear time-frequency representation)、雙線性時(shí)頻分布法(Bilinear time-frequencydistribution)、時(shí)變高階光譜法(Time-varying higher order spectra)、自適應(yīng)參數(shù)時(shí)頻分析法(Adaptive parametric time-frequency analysis)、時(shí)頻ARMA模型法 (Time-frequency ARMA models)和自適應(yīng)非參數(shù)時(shí)頻分析法(Adaptive non-parametric time-frequency analysis)等方法。

現(xiàn)有時(shí)頻分析方法存在問(wèn)題一：對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)頻率參數(shù)計(jì)算存在較大誤差。受海森堡不確定性準(zhǔn)則(時(shí)域和頻域的分辨率不能同時(shí)達(dá)到最高水平)的約束，現(xiàn)有方法不能采用少數(shù)幾個(gè)樣本得到準(zhǔn)確的局部頻率參數(shù)(幅值，頻率和相位)。當(dāng)信號(hào)為平穩(wěn)信號(hào)時(shí)，現(xiàn)有時(shí)頻分析方法能夠給出較為準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)，現(xiàn)有時(shí)頻分析方法給出的分析結(jié)果存在誤差。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)的頻率參數(shù)變化越快，誤差就越大。非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)頻分析的理論基礎(chǔ)是任何非平穩(wěn)信號(hào)可以看成短時(shí)間平穩(wěn)信號(hào)的首尾相連，選擇較多的樣本動(dòng)搖了這一理論基礎(chǔ)，進(jìn)而造成非平穩(wěn)信號(hào)頻率參數(shù)估計(jì)存在較大的誤差。

現(xiàn)有時(shí)頻分析方法還存在問(wèn)題二：丟失了幅值和相位變化信息。幅值反映了信號(hào)的能量強(qiáng)度，相位反映了信號(hào)的位置。以短時(shí)傅里葉變換(STFT)為例，該時(shí)頻圖只能近似反映時(shí)間和頻率的關(guān)系，丟失了幅值和相位信息。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的至少一個(gè)缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種時(shí)頻分析方法和系統(tǒng)，采用對(duì)稱離散傅里葉變換進(jìn)行時(shí)頻分析，利用了對(duì)稱離散傅里葉變換的積分特性實(shí)現(xiàn)了頻率參數(shù)計(jì)算，還可計(jì)算瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)相位，適用于平穩(wěn)信號(hào)和非平穩(wěn)信號(hào)，計(jì)算精度高，對(duì)信號(hào)長(zhǎng)度無(wú)要求，抗直流干擾能力強(qiáng)，計(jì)算時(shí)間短。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種時(shí)頻分析方法，包括步驟：

獲取輸入信號(hào)，識(shí)別輸入信號(hào)的信號(hào)長(zhǎng)度，根據(jù)信號(hào)長(zhǎng)度對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行第一次信號(hào)分解；

對(duì)第一次信號(hào)分解得到的信號(hào)進(jìn)行第二次信號(hào)分解，獲得為三個(gè)長(zhǎng)度相等的信號(hào)；

對(duì)第二次信號(hào)分解得到的三個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行加窗，得到三個(gè)加窗信號(hào)；

對(duì)三個(gè)加窗信號(hào)分別進(jìn)行對(duì)稱離散傅里葉變換，得到三個(gè)頻域信號(hào)；

分別對(duì)三個(gè)頻域信號(hào)的虛部進(jìn)行求和，分別對(duì)三個(gè)頻域信號(hào)的實(shí)部進(jìn)行求和；

根據(jù)三個(gè)頻域信號(hào)的三個(gè)虛部求和結(jié)果計(jì)算信號(hào)瞬時(shí)頻率；