一種時域信號的數(shù)字時頻測量方法及相應的目標識別方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子與時頻測量技術領域，具體地說，本發(fā)明涉及一種時域信號的數(shù) 字時頻測量方法。
【背景技術】
[0002] 頻譜儀是一種典型的頻譜測量裝置，它廣泛應用于電工電子、物理化學、生物醫(yī)學 與國防安全等各領域。隨著應用水平和要求的逐步提高，人們對頻譜儀功能的要求也越來 越高。例如超聲波診斷、心電圖和脈沖雷達方面的應用，頻譜儀不僅需要具有優(yōu)良的頻譜分 辨能力，還應當具備優(yōu)良的時間分辨能力。
[0003] 目前國內外市場流行的頻譜儀是基于傅里葉變換的頻譜儀，對于幅度譜，它具備 良好的頻譜分辨能力和時間分辨能力，能夠在一定程度上處理復雜的瞬態(tài)響應的信號及其 衍生信號的演變。然而，傅里葉變換存在時域的窗口截斷效應，它需要利用有限的時間窗口 內的信號來近似表示無限時長的信號，這造成相位測量與幅度測量存在明顯偏差。即現(xiàn)有 的基于傅里葉變換的頻譜儀在準確測出信號的幅度譜的同時，其同時所測出的相位譜存在 較大的偏差甚至錯誤。而相位譜能夠反映被測信號的大量特征，如果不能準確地同步測出 幅度譜和相位譜，就難以完整地分析信號（尤其是復雜的瞬態(tài)響應的信號及其衍生信號） 中所攜帶的信息。
[0004] 為克服上述缺陷，中國專利申請CN 101308175A提出了一種在傅里葉變換基礎上 的改進方案，該方案在傅里葉變換過程中引入了一些參數(shù)對其相位譜進行修正，從而在一 定程度上縮小了相位偏差。然而這種方案不能從根本上改變傅里葉變化中的時域窗口截斷 效應，并且這種方案有可能因人為引入?yún)?shù)帶來額外的偏差，因此其相位譜的準確度仍然 存在不足，有待提1?。
[0005] 因此，當前迫切需要一種能夠準確地同步測出時域信號的幅度譜和相位譜的解決 方案。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的任務是提供一種能夠準確地同步測出時域信號的幅度譜和相位譜的解 決方案。
[0007] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種數(shù)字時頻測量方法，包括下列步驟：
[0008] 1)設定時間窗口長度Δ T，根據(jù)所設定的時間窗口長度Δ T和待測信號的米樣率 V確定能夠測量的頻譜范圍，該頻譜范圍是：1/△ T到v/2 ;
[0009] 2)用時間窗口截取待測信號，得到當前時間點對應的待處理信號分片；
[0010] 3)在步驟1)確定的范圍內設定離散頻點序列，對于頻點序列中的每個頻點，用 頻率值等于當前頻點，且相位差恒定為90度的兩個正弦參考信號，分別對當前待處理信號 分片進行相關計算；將所述兩個參考信號對應的相關計算結果分別作為實部和虛部組成復 數(shù)，計算所組成的復數(shù)模與幅角，將所述模與幅角分別作為當前時間點、當前頻點的幅度值 和相位值；
[0011] 4)將下一個時間點設定為當前時間點，重復執(zhí)行步驟2)至3)，直到得到被測信號 每個時間點和頻點組合所對應的幅度值和相位值。
[0012] 其中，所述步驟1)中，所確定的所述頻譜范圍是：2/ΛΤ到v/5。
[0013] 其中，所述步驟3)還包括：對于每個當前頻點f，計算其所對應的當前周期k/f，從 當前的所述待處理信號分片中舍去待處理信號分片末尾的一段數(shù)據(jù)，以保證參與相關計算 的待處理信號的時間長度是當前頻點對應周期長度Ι/f的整數(shù)倍；并且，每個所述參考信 號的時間長度均與所述參與相關計算的待處理信號的時間長度一致。
[0014] 其中，所述步驟3)還包括：通過在所述步驟1)確定的范圍內線性取點或非線性取 點設定所述的離散頻點序列。
[0015] 其中，所述步驟3)中，所述非線性取點包括：對數(shù)均勻取點，多項式函數(shù)均勻取點 或者倒數(shù)均勻取點。即在步驟1)確定的范圍內，沿著對數(shù)，多項式或者倒數(shù)函數(shù)在橫坐標 軸上進行均勻取點，所取點的縱坐標就是所取的頻點值，這樣所得到的離散頻點序列就會 沿著對數(shù)，多項式或者倒數(shù)函數(shù)排列，從而更加靈活地獲得所需的時頻譜。
[0016] 其中，所述步驟3)中，當設定所述的離散頻點序列采用線性取點時，對于離散頻 點序列中的任意一個頻點f，使時間窗口長度Λ T是該頻點f對應的周期長度Ι/f的整數(shù) 倍。
[0017] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有下列技術效果：
[0018] 1、能夠在準確測出幅度時頻譜的同時準確測出相位時頻譜。
[0019] 2、抗噪能力強。
[0020] 3、響應速度快。
[0021] 4、時間分辨力高。
【附圖說明】
[0022] 圖1示出了本發(fā)明技術原理的示意圖；
[0023] 圖2示出了本發(fā)明一個實施例的流程圖；
[0024] 圖3示出了本發(fā)明一個實施例中的一個待分析信號的時域波形圖；
[0025] 圖4示出了對于圖3的被分析信號，根據(jù)本發(fā)明一個實施例所測的幅度與相位頻 譜（灰線表示）與傳統(tǒng)的傅里葉變換方案所測的幅度與相位頻譜（黑色方框連線表示）的 對照示意圖；
[0026] 圖5示出了本發(fā)明一個實施例中的另一個待分析信號的時域波形圖；
[0027] 圖6示出了對于圖5的被分析信號，根據(jù)本發(fā)明一個實施例所測的幅度頻譜；
[0028] 圖7示出了對于圖5的被分析信號，根據(jù)本發(fā)明一個實施例所測的時頻聯(lián)合分析 幅度譜圖；
[0029] 圖8示出了對于圖5的被分析信號，根據(jù)本發(fā)明一個實施例所測的時頻聯(lián)合分析 相位譜圖；
[0030] 圖9示出了本發(fā)明一個實施例中的又一個待分析信號的時域波形圖；
[0031] 圖10示出了對于圖9的被分析信號，根據(jù)本發(fā)明一個實施例所測的幅度譜圖；
[0032] 圖11示出了對于圖9的被分析信號，在較強噪聲情形下根據(jù)本發(fā)明一個實施例所 測的116微秒到124微秒之間的信號分片的信號時域分布圖和頻譜分布圖。
[0033] 其中a)b)分別為不含目標信號時背景噪聲的時域和頻域譜；c)d)分別為單次測 量的帶噪聲目標信號的時域和頻域譜；e) f)分別為10次帶噪聲目標信號測量的平均時域 和頻域譜；g)h)分別為100次帶噪聲目標信號測量的平均時域和頻域譜；i)j)分別為1000 次帶噪聲目標信號測量的平均時域和頻域譜。
【具體實施方式】
[0034] 下面，結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的描述。
[0035] 為便于理解，首先介紹本發(fā)明的測量原理。圖1示出了本發(fā)明技術原理的示意圖， 本發(fā)明提出鎖相環(huán)與相關器組合的方法來實現(xiàn)高密度頻譜的幅度和相位的快速準確測量， 此時相位的測量直接通過鎖相環(huán)的兩路信號分別與被測信號進行相關而獲得，而無需反復 掃描相位，大大節(jié)省處理時間。具體來講，本發(fā)明使用的鎖相時頻測量的基本原理是：首 先設定待測頻率ω = 2 π f，由鎖相環(huán)負責產生相位差恒定為90度的兩路正弦波信號，如 cos (ω t)與sin (ω t)，即復數(shù)信號然后讓相位被鎖定的兩路信號分別與被測信號進 行如公式（Ia)或（Ib)的相關運算，獲得信號在該設定頻率下的復數(shù)（實部和虛部，或幅度 和相位）。原理公式表達如下：
【主權項】
1. 一種時域信號的數(shù)字時頻測量方法，包括下列步驟： 1) 接收待測數(shù)字信號，根據(jù)待測信號的采樣率V設定時間窗口長度AT，確定時頻測量 的頻譜范圍，所述頻譜范圍在1/AT到v/2之間，其中l(wèi)/AT〈v/2 ; 2) 用時間窗口截取待測信號，得到當前時間點對應的待處理信號分片； 3) 在步驟1)確定的范圍內設定離散頻點序列，對于離散頻點序列中的每個頻點，用頻 率值等于當前頻點，且相位差恒定為90度的兩個正弦信號作為參考信號，分別對當前待處 理信號分片進行相關計算；將兩個所述參考信號對應的相關計算結果分別作為復數(shù)的實部 和虛部，然后計算所述復數(shù)的模與幅角，并將所述模與幅角分別作為當前時間點、當前頻點 的幅度值和相位值； 4) 將下一個時間點設定為當前時間點，重復執(zhí)行步驟2)至3)，直到得到被測信號每個 時間點和頻點組合所對應的幅度值和相位值。
2. 根據(jù)權利要求1所述的時域信號的數(shù)字時頻測量方法，其特征在于，所述步驟1)中， 所確定的所述頻譜范圍是：2/AT到v/5。
3. 根據(jù)權利要求2所述的時域信號的數(shù)字時頻測量方法，其特征在于，所述步驟3)還 包括：對于每個當前頻點f，計算其所對應的當前周期k/f，從當前的所述待處理信號分片 中舍去待處理信號分片末尾的一段數(shù)據(jù)，以保證參與相關計算的待處理信號的時間長度是 當前頻點對應周期長度1/f的整數(shù)倍。
4. 根據(jù)權利要求3所述的時域信號的數(shù)字時頻測量方法，其特征在于，所述步驟3)還 包括：每個所述參考信號的時間長度均與所述參與相關計算的待處理信號的時間長度一 致。
5. 根據(jù)權利要求3所述的時域信號的數(shù)字時頻測量方法，其特征在于，所述步驟3)還 包括：通過在所述步驟1)確定的頻譜范圍內線性取點或非線性取點設定所述的離散頻點 序列。
6. 根據(jù)權利要求5所述的時域信號的數(shù)字時頻測量方法，其特征在于，所述步驟3)中， 所述非線性取點包括：對數(shù)均勻取點，多項式函數(shù)均勻取點或者倒數(shù)均勻取點。
7. 根據(jù)權利要求3所述的時域信號的數(shù)字時頻測量方法，其特征在于，所述步驟3)中， 當設定所述的離散頻點序列采用線性取點時，對于離散頻點序列中的任意一個頻點f，使時 間窗口長度A T是該頻點f對應的周期長度1/f的整數(shù)倍。
8. 根據(jù)權利要求1所述的時域信號的數(shù)字時頻測量方法，其特征在于，所述步驟3)中， 兩個所述參考信號為：cos(wt)與sin〇t), t表示時間，W表示當前頻點所對應的角頻 率。
9. 一種目標識別方法，其特征在于，包括下列步驟： 1) 探測目標獲得目標的反射信號； 2) 用權利要求1~6中任一項所述的時域信號的數(shù)字時頻測量方法獲取所述反射信號 的幅度時頻譜和相位時頻譜； 3) 根據(jù)步驟2)所得的幅度時頻譜和相位時頻譜計算目標的方位和速度。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種時域信號的數(shù)字時頻測量方法，包括：1)根據(jù)待測信號的采樣率v設定時間窗口長度ΔT，確定時頻測量的頻譜范圍，該頻譜范圍在1/ΔT到v/2之間；2)用時間窗口截取待測信號；3)在所確定的頻譜范圍內設定離散頻點序列，對于每個頻點，用頻率值等于當前頻點，且相位差恒定為90度的兩個正弦信號作為參考信號，分別對當前待處理信號分片進行相關計算，將兩個相關計算結果分別作為實部和虛部計算模與幅角，得到當前時間點、當前頻點的幅度值和相位值；4)重復執(zhí)行步驟2)至3)，直到得到被測信號每個時間點和頻點組合所對應的幅度值和相位值。本發(fā)明能夠在準確測出幅度時頻譜的同時準確測出相位時頻譜，且抗噪能力強，響應速度快，時間分辨力高。
【IPC分類】G01S13-58, G01S13-06, G01R23-16, G01R25-00
【公開號】CN104655929
【申請?zhí)枴緾N201510004030
【發(fā)明人】陸俊, 沈保根, 邵曉萍
【申請人】中國科學院物理研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年1月4日