聲光頻譜分析儀對瞬變信號參數(shù)的提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲光頻譜分析儀，主要涉及聲光頻譜分析儀對接收信號的時頻幅參數(shù) 進行有效提取的一種方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對常見的不平穩(wěn)信號，如語音信號、雷達信號以及核醫(yī)學的圖像信號等，它們的頻 域特性是隨時間變化的，人們需要了解某些局部時段上所對應的主要頻率特性是什么，也 需要了解某些頻率的信息出現(xiàn)在哪些時段上。對于這種時-頻局部化要求，傅里葉變換是 無能為力的，它只能獲取一段信號總體上包含哪些頻率成分，而對各成分出現(xiàn)的時刻并無 所知。因此直接采用傅里葉變換處理，時域相差很大的兩個信號，可能頻譜圖卻一樣。為得 到信號隨時間變化的局部化信息，最簡單的方法就是對信號進行加窗處理，進行短時傅里 葉變換。
[0003] 聲光頻譜分析儀利用聲光調(diào)制技術(shù)和空間傅里葉變換原理，實現(xiàn)信號的頻譜測 量。傳統(tǒng)的聲光頻譜分析儀只是對信號積累一段時間的功率譜進行輸出，并未對信號的時 間瞬變信息進行識別。隨著高速光電檢測陣列的發(fā)展，已經(jīng)可以實現(xiàn)將圖像信號進行準實 時輸出（特別是圖像傳感器可直接集成A/D轉(zhuǎn)換進行ns量級的數(shù)字信號輸出），由此聲光 頻譜分析儀也可進行短時傅里葉變換處理：通過將被測信號的空域傅里葉變換數(shù)據(jù)按瞬態(tài) 時-空關(guān)聯(lián)輸出并進行一定運算處理就可以獲取信號瞬態(tài)時頻域全參數(shù)信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對傳統(tǒng)聲光頻譜分析儀只能檢測信號頻譜，而無時域參數(shù)識別功能的不足，本 發(fā)明的目的是提供一種聲光頻譜分析儀對瞬變信號參數(shù)的提取方法一一瞬態(tài)時空級聯(lián)算 法，本方法結(jié)合短時傅里葉變換（STFT)理論對信號的時頻幅參數(shù)進行實時有效提取。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的：
[0006] 聲光頻譜分析儀對瞬變信號參數(shù)的提取方法，其特征在于：步驟如下，
[0007] 1)入射光經(jīng)過由被測電信號驅(qū)動的聲光偏轉(zhuǎn)器后，在透鏡L的后焦平面P上形成 一維光點分布，設(shè)計線陣圖像傳感器按串行幀掃描方式對該光點分布進行讀取，幀掃描時 間T=D/v，D為聲光偏轉(zhuǎn)器的有效孔徑，v為聲光介質(zhì)中的聲速；掃描輸出的一幀數(shù)據(jù)代表 線陣圖像傳感器光敏區(qū)上依次探測到的光點強度值；線陣圖像傳感器的光敏區(qū)長度應滿足 系統(tǒng)總工作帶寬Af?要求，像素個數(shù)應滿足系統(tǒng)頻率分辨率Sf?要求，設(shè)像素個數(shù)為n，則n =Af/ 8f；
[0008] 2)線陣圖像傳感器輸出的一幀數(shù)據(jù)建立一行數(shù)組，反復讀出的多幀數(shù)據(jù)便形成按 時間順序排列的多行數(shù)組矩陣A，此為對信號進行時頻分析的時-空原始數(shù)據(jù)矩陣；矩陣中 的數(shù)據(jù)'表示第i行、第j列的信號幅值；其中i為行序號，對應時間點；j為列序號，對 應頻率點；
[0009] 3)任意j點對應的被測信號頻率值為f=心+j*Sf，該信號出現(xiàn)時間點t=tfiT; 其中，fc為起點頻率修正值；t。為起點時間修正值；
[0010] 4)對時-空原始數(shù)據(jù)矩陣A中的每個數(shù)據(jù)Ax]按步驟3)進行i和j的相關(guān)運算 即可建立起被測信號的瞬態(tài)二維時頻函數(shù)A(t，f)。
[0011] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0012] 1拓展了聲光頻譜分析儀識別信號瞬變信息的功能。
[0013] 2數(shù)據(jù)運算簡便且數(shù)據(jù)量小，有效避免系統(tǒng)數(shù)據(jù)冗余。
[0014] 3多分量信號檢測精準，不存在交叉項干擾。
[0015] 4數(shù)據(jù)處理模塊只需采用常規(guī)器件，成本低、功耗低，便于推廣應用。
【附圖說明】
[0016]圖1-聲光頻譜分析系統(tǒng)空域傅里葉變換示意圖。
[0017]圖2-聲光頻譜分析系統(tǒng)建立時-空原始數(shù)據(jù)矩陣示意圖。
[0018] 圖3-聲光頻譜分析儀提取信號時頻幅參數(shù)流程圖。
[0019] 圖4-聲光頻譜分析儀實測數(shù)據(jù)的時頻窗口顯示圖。
【具體實施方式】
[0020] 由聲光頻譜分析儀的工作原理可知，當輸入電信號轉(zhuǎn)換為超聲波在介質(zhì)中建立衍 射光柵使入射光波被調(diào)制時具有固定孔徑時間。超聲波陸續(xù)通過聲光偏轉(zhuǎn)器的有效孔徑發(fā) 生聲光互作用，輸出衍射光再通過透鏡進行空域傅里葉變換，即相當于在時域上對信號進 行滑動窗口的短時空域傅立葉變換。所以，后續(xù)采用恰當?shù)墓怆娹D(zhuǎn)換時序和數(shù)據(jù)處理，使光 信號空域與電信號時域數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)輸出，便可以利用短時傅立葉變換理論對瞬變信號進行時 頻幅參數(shù)的分析提取。
[0021] 下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
[0022] 1、分析建立聲光頻譜分析儀短時空域傅里葉變換的等效數(shù)學模型。
[0023] 如圖1所示，在聲光頻譜分析系統(tǒng)中，當入射光入射到由被測信號s(t) =A(t) C〇s2 31fet驅(qū)動的聲光器件時，產(chǎn)生聲光互作用。若產(chǎn)生沿聲光器件長度x方向的空間調(diào)制 光分布為f(x，t)，則根據(jù)傅里葉光學可知，經(jīng)過聲光器件后的光信號在透鏡L的后焦平面P 上實現(xiàn)一維傅里葉變換，其傅里葉變換表達式為
[0024]
(13
[0025] 式中u為空間頻率。介質(zhì)中的超聲波陸續(xù)通過孔徑D(0<x<D)發(fā)生聲光互作 用，離開聲光器件的一級布喇格衍射光振幅分布可表示為（只需考慮衍射復振幅的相對分 布，入射光與光軸傾斜角的影響可不計入表達式）：
[0026]f+(x,t)=ma(x)s(t-x/v) (2)
[0027] 式中m是調(diào)制度（常數(shù)），v是聲光介質(zhì)中的聲速（常數(shù)），a(x)為聲光孔徑內(nèi)振 幅權(quán)函數(shù)。將（2)式代入（1)式得
[0028]
[0029] 眾所周知，信號s(t)時間域的短時傅里葉變換定義式為：
[0030]
[0031] 式中，h(t)為移動窗函數(shù)。
[0032] 對比公式（3)和（4)可見運算形式基本相同，差異僅在公式（3)的積分變量為空 間窗參數(shù)x(被測電信號陸續(xù)轉(zhuǎn)換成超聲波進入聲光介質(zhì)的有效孔徑完成分段空域傅里葉 變換），公式（4)的積分變量為時間窗參數(shù)t(人為將連續(xù)信號按時間窗截斷進行分段傅 里葉運算）。由聲光偏轉(zhuǎn)器工作原理可知，空間窗參數(shù)x與時間窗參數(shù)t具有正比對應關(guān) 系：x=vt，將其代入公式⑶可得
[0033]
[0034] 只考慮衍射復振幅的相對分布時，