多成分信号的时频谱获取方法及装置制造方法及图纸

技术编号:18614351 阅读:208 留言:0更新日期:2018-08-05 00:09
本发明专利技术提供了一种多成分信号的时频谱获取方法及装置。该方法包括:将多成分信号分离为多个子带信号;计算所述子带信号的Wigner‑Ville分布;计算各所述子带信号的Wigner‑Ville分布的和,得到所述多成分信号的时频谱。本发明专利技术能够去除多成分信号的Wigner‑Ville时频谱分布中的交叉项干扰。

【技术实现步骤摘要】
多成分信号的时频谱获取方法及装置
本专利技术涉及信号处理
,尤其涉及一种多成分信号的时频谱获取方法及装置。
技术介绍
时频谱是分析和处理非平稳信号的有力工具,它将信号表示为时间和频率的联合函数,能够清楚描述信号频率随时间变化的分布关系。时频分析思想肇始于二十世纪四十年代,1946年提出的Gabor变换(GaborD.Theoryofcommunication[J].J.IEE,1946,93:429-457)奠定了在时间和频率联合域内分析信号的理论基础。1947年Potter等提出了简单而实用的短时傅里叶变换(STFT)。然而,由于不确定原理的限制,STFT不能兼顾频率和时间分辨率的需求。1932年物理学家Wigner在量子力学中提出了著名的Wigner分布(WignerEP.OntheQuantumCorrectionforThermodynamicEquilibrium[J].PhysicalReview,1931,40(40):749-759),1948年,J.Ville将Wigner分布引入到信号处理领域,从而发展成为后来最具有代表性的一种时频分析方法,即Wigner-Ville分布(Wigner-VilleDistribution,WVD)。Wigner-Ville分布是一种二次型时频表示方法,它能够满足大部分所希望的数学性质,如实值性、对称性、能量守恒、时频边缘特性、时频移位特性等,是描述信号时频分布的有力工具(ClaasenTACM.TheWignerdistribution-Atoolfortime-frequencysignalanalysis[J].PhilipsJRes,1980,35(4-5):276-300)。虽然Wigner-Ville分布的时频聚集度较高,但是Wigner-Ville分布不能保证非负性,而且对于多分量,会产生严重的交叉干扰,使其谱分布难以解释,严重限制了它的广泛应用。WVD的性质表明,交叉项是实的,混杂于自项成分之间,且其幅度是自项成分的两倍。许多学者围绕如何克服交叉项干扰的弱点,进行了大量研究,设计出理想的核函数来消除交叉项的影响,如伪Wigner-Ville分布、平滑伪Wigner-Ville分布、Choi-William分布(CWD)、锥形核分布(CKD)等,这些分布统称为Cohen类时频分布(邹红星,戴琼海,李衍达,等.不含交叉项干扰且具有WVD聚集度的时频分布之不存在性[J].中国科学:,2001,31(4):348-354)。对于多分量信号,邹红星等证明,既能消除交叉项的干扰,又能保持时频聚集度最优的双线性方法是不存在的(CohenL.Time-frequencydistributions-areview[J].ProceedingsoftheIEEE,1989,77(7):941-981)。由此可见,Cohen类时频分布虽然能减弱交叉项的干扰,但同时必定降低Wigner-Ville分布的时频聚集度。1976年KoderaK提出时频重排的方法,通过对信号进行重排以提高时频聚集度(KoderaK,VilledaryCD,GendrinR.Anewmethodforthenumericalanalysisofnon-stationarysignals[J].PhysicsoftheEarth&PlanetaryInteriors,1976,12(2):142-150)。这种方法虽然能够提供更高的时频聚集度,但是并没有完全消除交叉项,同时存在重排振荡。由Wigner-Ville分布的性质可知,对于单分量信号,WVD具有最优的时频聚集度,而且没有交叉项的干扰。也就是说,交叉项干扰只发生在多分量信号身上。因此,将信号分解和WVD相结合,即先将信号分解成多个单分量信号之和,然后求各单分量信号WVD之和,能得到没有交叉项的性能更优的时频谱。传统的信号分解方法是预先给定一组基,然后把信号表示成它们的线性组合,组合系数就是信号在基上的投影(FlandrinP.Time-frequency/timeScaleAnalysis[J].AcademicPressIncSanDiegoCa,1999)。如熟知的傅立叶分析采用L2(R)空间的正交谐波基,短时傅立叶变换采用局域L2()的正交谐波基,小波变换采用一组小波基。Pachori等(PachoriRB,SircarP.AnewtechniquetoreducecrosstermsintheWignerdistribution[J].DigitalSignalProcessing,2007,17(2):466-474)提出采用Fourier-Besse展开先将多分量信号分解成单分量信号,再对各分量信号分别计算WVD后合并,以达到去除交叉项的目的。Mirela等(BianuM,IsarA.Thereductionofinterferencetermsinthetime-frequencyplane[C]//InternationalSymposiumonSignals,CircuitsandSystems.2003:461-464vol.2)通过对多分量信号进行Gabor展开,并对各分量信号做WVD后再合成的方法避免WVD的交叉项。对于复杂信号,采用给定的基去逼近信号有可能将一个连续的时频谱变成多个间断的时频谱之和,降低信号的物理意义。Hilbert-Huang变换(HHT)是近些年发展起来的处理非线性非平稳信号的自适应时频分析方法。它先对信号进行经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)分解,然后借助Hilbert变换引入瞬时频率,获得信号在时频平面上的能量分布,即Hilbert谱(Huang,N.E.,Z.Shen,andS.R.Long,M.C.Wu,E.H.Shih,Q.Zheng,C.C.Tung,andH.H.Liu,1998:TheempiricalmodedecompositionmethodandtheHilbertspectrumfornon-stationarytimeseriesanalysis,Proc.Roy.Soc.London,A454,903-995)(Huang,N.E.,Z.Shen,R.S.Long,1999:Anewviewofnonlinearwaterwaves–theHilbertspectrum,Ann.Rev.FluidMech.,31,417-457)。EMD是HHT的核心,可以在不需要知道任何先验知识的情况下,依据输入信号自身的特点,自适应地将非线性非平稳信号分解成若干个具有不同特征时间尺度的内蕴模态函数(Intrinsicmodefunction,IMF)之和。EMD在机械故障诊断(YangB.,C.S.Suh,2004:Interpretationofcrack-inducedrotornon-linearresponseusinginstantaneousfrequency,MechanicalSystemsandSignalProcessing18(3):491–513)、模态辨识、生物医学(Ec本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多成分信号的时频谱获取方法,其特征在于,包括:将多成分信号分离为多个子带信号;计算所述子带信号的Wigner‑Ville分布;计算各所述子带信号的Wigner‑Ville分布的和,得到所述多成分信号的时频谱。

【技术特征摘要】
1.一种多成分信号的时频谱获取方法,其特征在于,包括:将多成分信号分离为多个子带信号;计算所述子带信号的Wigner-Ville分布;计算各所述子带信号的Wigner-Ville分布的和,得到所述多成分信号的时频谱。2.如权利要求1所述的多成分信号的时频谱获取方法,其特征在于,将多成分信号分离为多个子带信号,包括:计算所述多成分信号的Wigner-Ville分布及其模的频率边缘;利用所述多成分信号的Wigner-Ville分布及其模的频率边缘确定所述多成分信号的Wigner-Ville分布中交叉项的位置;基于所述多成分信号的Wigner-Ville分布中交叉项的位置,通过低通滤波将所述多成分信号分离为所述多个子带信号。3.如权利要求2所述的多成分信号的时频谱获取方法,其特征在于,利用所述多成分信号的Wigner-Ville分布及其模的频率边缘确定所述多成分信号的Wigner-Ville分布中交叉项的位置,包括:确定所述多成分信号的Wigner-Ville分布的模的频率边缘的极大值点;在所述极大值点处,计算所述多成分信号的Wigner-Ville分布的频率边缘和所述多成分信号的Wigner-Ville分布的模的频率边缘的差值;判断所述差值的模是否大于设定阈值,若是,将所述极大值点作为所述多成分信号的Wigner-Ville分布中交叉项的位置。4.如权利要求2所述的多成分信号的时频谱获取方法,其特征在于,基于所述多成分信号的Wigner-Ville分布中交叉项的位置,通过低通滤波将所述多成分信号分离为所述多个子带信号,包括:以所述多成分信号的Wigner-Ville分布中交叉项的位置为截止频率,对所述多成分信号进行低通滤波,得到第一子带信号,其中,所述多个子带信号包...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘金朝周洲牛留斌郭剑锋张茂轩
申请(专利权)人:中国铁道科学研究院中国铁路总公司中国铁道科学研究院基础设施检测研究所北京铁科英迈技术有限公司
类型:发明
国别省市:北京,11

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