[發(fā)明專利]一種簡化S變換的時(shí)頻譜分析方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110408929.8
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113092850B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李建閩;張旭輝;曹遠(yuǎn)遠(yuǎn);林海軍;盧笑;楊宇祥;李仲陽;汪魯才;張甫
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南師范大學(xué)
• 主分類號: G01R19/25
• 分類號: G01R19/25;G01R23/16;G01R23/167
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種簡化S變換的時(shí)頻譜分析方法及系統(tǒng)，一種簡化S變換的時(shí)頻譜分析方法的實(shí)施步驟包括：對原始信號進(jìn)行濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換并得到數(shù)字采樣序列；通過連續(xù)頻率上的跨度之差和信號的采樣間隔計(jì)算關(guān)鍵頻率點(diǎn)；通過簡化S變換來得到信號的時(shí)頻譜；依據(jù)信號頻譜的分布以及3σ準(zhǔn)則來選擇需要計(jì)算的采樣點(diǎn)；根據(jù)關(guān)鍵頻率點(diǎn)和插值方法來計(jì)算原始信號的參數(shù)信息。本發(fā)明基于簡化S變換的方法在實(shí)現(xiàn)信號時(shí)頻分析的同時(shí)能夠有效簡化計(jì)算量并減少信號處理器的存儲需求，與ST相比，簡化ST的計(jì)算效率大大提高，但信號時(shí)頻譜分析的效果近乎一致。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信號時(shí)頻譜分析和局部譜檢測的技術(shù)。具體設(shè)計(jì)一種簡化S變換的時(shí)頻譜分析方法及系統(tǒng)，用于信號檢測以及時(shí)頻譜的分析。

背景技術(shù)

作為經(jīng)典的信號分析方法，快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)具有正交、完備等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在信號處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但FFT在信號分析中面臨著時(shí)域和頻域的局部化矛盾，只適合分析平穩(wěn)信號，無法滿足對具有暫態(tài)、突變等特性的非平穩(wěn)信號的分析要求。為解決FFT時(shí)域和頻域的局部化矛盾，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多時(shí)頻譜分析方法，主要包括小波變換法、Hilbert-Huang變換法和S變換法等。

小波變換(Wavelet Transform，WT)是一種具有多分辨率特性的時(shí)頻局部化分析方法，它克服了FFT及其改進(jìn)算法的一些缺點(diǎn)，特別適合于突變的非平穩(wěn)信號的分析。但是它的局限性妨礙了它的應(yīng)用：1)WT中的頻域分辨率很粗糙，各頻帶間可能存在嚴(yán)重的頻率混疊現(xiàn)象，遠(yuǎn)不能達(dá)到FFT及其改進(jìn)算法的程度。2)不同尺度的小波函數(shù)在頻域上相互干擾，且易受噪聲影響，不能很好地分離頻率較近的諧波和間諧波。3)利用WT在突變點(diǎn)的特性，可對信號進(jìn)行定性分析，而由WT直接檢測信號幅值存在一定困難。4)WT不同程度地存在計(jì)算量大、不利于實(shí)時(shí)計(jì)算、難以用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等不足。

Hilbert-Huang變換(Hilbert-Huang Transform，HHT)是近年來應(yīng)用于非平穩(wěn)信號分析的一種新方法，它依賴于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)，將擾動(dòng)信號分解為不同頻帶上的固有模態(tài)分量(Intrinsic Mode Function，IMF)，該方法對信號的奇異點(diǎn)較為敏感，可以定量、準(zhǔn)確地刻畫相應(yīng)時(shí)刻的瞬時(shí)頻率和幅值。HHT方法的不足之處在于：1)在電壓驟降問題中，HHT方法不能精確地在線分析，抗噪性能差。2)用高次樣條插值的EMD算法能顯著提高EMD算法的精度，但所耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間增加。3)EMD并不徹底，容易導(dǎo)致頻帶混疊，且IMF的物理意義并不明確，故實(shí)際應(yīng)用仍缺乏可靠性。

S變換由連續(xù)WT和STFT結(jié)合的一種新型時(shí)頻分析方法，繼承和發(fā)展了STFT和WT的局部化思想，并可由這兩種變換導(dǎo)出，克服了STFT窗口高度和寬度固定的缺陷。因此，通過S變換不僅可以獲得某一時(shí)刻的頻率信息，還可獲得在某一頻率上的信號幅值信息。與連續(xù)WT、STFT等時(shí)間-頻率域分析方法相比，S變換有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：1)信號S變換的分辨率與頻率(即尺度)有關(guān)；2)信號的S變換結(jié)果與其傅里葉變換保持直接的聯(lián)系；3)基本小波不必滿足容許性條件。但是利用ST去計(jì)算信號的計(jì)算復(fù)雜度大，對計(jì)算機(jī)的內(nèi)存存儲要求高。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：提供一種簡化S變換的時(shí)頻譜分析方法及系統(tǒng)，本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)信號時(shí)頻分析的同時(shí)能夠有效簡化計(jì)算量并減少信號處理器的存儲需求，與ST相比簡化ST的計(jì)算效率大大提高，而信號時(shí)頻譜分析的效果近乎一致。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種簡化S變換的時(shí)頻譜分析方法，其特征在于實(shí)施步驟包括：

1)對原始信號進(jìn)行濾波和A/D轉(zhuǎn)換并得到數(shù)字采樣序列；

2)通過連續(xù)頻率上的跨度之差和信號的采樣間隔計(jì)算關(guān)鍵頻率點(diǎn)；

3)通過簡化S變換來得到信號的時(shí)頻譜；