一种时域信号的数字时频测量方法及相应的目标识别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子与时频测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种时域信号的数 字时频测量方法。
【背景技术】
[0002] 频谱仪是一种典型的频谱测量装置，它广泛应用于电工电子、物理化学、生物医学 与国防安全等各领域。随着应用水平和要求的逐步提高，人们对频谱仪功能的要求也越来 越高。例如超声波诊断、心电图和脉冲雷达方面的应用，频谱仪不仅需要具有优良的频谱分 辨能力，还应当具备优良的时间分辨能力。
[0003] 目前国内外市场流行的频谱仪是基于傅里叶变换的频谱仪，对于幅度谱，它具备 良好的频谱分辨能力和时间分辨能力，能够在一定程度上处理复杂的瞬态响应的信号及其 衍生信号的演变。然而，傅里叶变换存在时域的窗口截断效应，它需要利用有限的时间窗口 内的信号来近似表示无限时长的信号，这造成相位测量与幅度测量存在明显偏差。即现有 的基于傅里叶变换的频谱仪在准确测出信号的幅度谱的同时，其同时所测出的相位谱存在 较大的偏差甚至错误。而相位谱能够反映被测信号的大量特征，如果不能准确地同步测出 幅度谱和相位谱，就难以完整地分析信号（尤其是复杂的瞬态响应的信号及其衍生信号） 中所携带的信息。
[0004] 为克服上述缺陷，中国专利申请CN 101308175A提出了一种在傅里叶变换基础上 的改进方案，该方案在傅里叶变换过程中引入了一些参数对其相位谱进行修正，从而在一 定程度上缩小了相位偏差。然而这种方案不能从根本上改变傅里叶变化中的时域窗口截断 效应，并且这种方案有可能因人为引入参数带来额外的偏差，因此其相位谱的准确度仍然 存在不足，有待提1?。
[0005] 因此，当前迫切需要一种能够准确地同步测出时域信号的幅度谱和相位谱的解决 方案。
【发明内容】
[0006] 本发明的任务是提供一种能够准确地同步测出时域信号的幅度谱和相位谱的解 决方案。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明提供了一种数字时频测量方法，包括下列步骤：
[0008] 1)设定时间窗口长度Δ T，根据所设定的时间窗口长度Δ T和待测信号的米样率 V确定能够测量的频谱范围，该频谱范围是：1/△ T到v/2 ;
[0009] 2)用时间窗口截取待测信号，得到当前时间点对应的待处理信号分片；
[0010] 3)在步骤1)确定的范围内设定离散频点序列，对于频点序列中的每个频点，用 频率值等于当前频点，且相位差恒定为90度的两个正弦参考信号，分别对当前待处理信号 分片进行相关计算；将所述两个参考信号对应的相关计算结果分别作为实部和虚部组成复 数，计算所组成的复数模与幅角，将所述模与幅角分别作为当前时间点、当前频点的幅度值 和相位值；
[0011] 4)将下一个时间点设定为当前时间点，重复执行步骤2)至3)，直到得到被测信号 每个时间点和频点组合所对应的幅度值和相位值。
[0012] 其中，所述步骤1)中，所确定的所述频谱范围是：2/ΛΤ到v/5。
[0013] 其中，所述步骤3)还包括：对于每个当前频点f，计算其所对应的当前周期k/f，从 当前的所述待处理信号分片中舍去待处理信号分片末尾的一段数据，以保证参与相关计算 的待处理信号的时间长度是当前频点对应周期长度Ι/f的整数倍；并且，每个所述参考信 号的时间长度均与所述参与相关计算的待处理信号的时间长度一致。
[0014] 其中，所述步骤3)还包括：通过在所述步骤1)确定的范围内线性取点或非线性取 点设定所述的离散频点序列。
[0015] 其中，所述步骤3)中，所述非线性取点包括：对数均匀取点，多项式函数均匀取点 或者倒数均匀取点。即在步骤1)确定的范围内，沿着对数，多项式或者倒数函数在横坐标 轴上进行均匀取点，所取点的纵坐标就是所取的频点值，这样所得到的离散频点序列就会 沿着对数，多项式或者倒数函数排列，从而更加灵活地获得所需的时频谱。
[0016] 其中，所述步骤3)中，当设定所述的离散频点序列采用线性取点时，对于离散频 点序列中的任意一个频点f，使时间窗口长度Λ T是该频点f对应的周期长度Ι/f的整数 倍。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：
[0018] 1、能够在准确测出幅度时频谱的同时准确测出相位时频谱。
[0019] 2、抗噪能力强。
[0020] 3、响应速度快。
[0021] 4、时间分辨力高。
【附图说明】
[0022] 图1示出了本发明技术原理的示意图；
[0023] 图2示出了本发明一个实施例的流程图；
[0024] 图3示出了本发明一个实施例中的一个待分析信号的时域波形图；
[0025] 图4示出了对于图3的被分析信号，根据本发明一个实施例所测的幅度与相位频 谱（灰线表示）与传统的傅里叶变换方案所测的幅度与相位频谱（黑色方框连线表示）的 对照示意图；
[0026] 图5示出了本发明一个实施例中的另一个待分析信号的时域波形图；
[0027] 图6示出了对于图5的被分析信号，根据本发明一个实施例所测的幅度频谱；
[0028] 图7示出了对于图5的被分析信号，根据本发明一个实施例所测的时频联合分析 幅度谱图；
[0029] 图8示出了对于图5的被分析信号，根据本发明一个实施例所测的时频联合分析 相位谱图；
[0030] 图9示出了本发明一个实施例中的又一个待分析信号的时域波形图；
[0031] 图10示出了对于图9的被分析信号，根据本发明一个实施例所测的幅度谱图；
[0032] 图11示出了对于图9的被分析信号，在较强噪声情形下根据本发明一个实施例所 测的116微秒到124微秒之间的信号分片的信号时域分布图和频谱分布图。
[0033] 其中a)b)分别为不含目标信号时背景噪声的时域和频域谱；c)d)分别为单次测 量的带噪声目标信号的时域和频域谱；e) f)分别为10次带噪声目标信号测量的平均时域 和频域谱；g)h)分别为100次带噪声目标信号测量的平均时域和频域谱；i)j)分别为1000 次带噪声目标信号测量的平均时域和频域谱。
【具体实施方式】
[0034] 下面，结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
[0035] 为便于理解，首先介绍本发明的测量原理。图1示出了本发明技术原理的示意图， 本发明提出锁相环与相关器组合的方法来实现高密度频谱的幅度和相位的快速准确测量， 此时相位的测量直接通过锁相环的两路信号分别与被测信号进行相关而获得，而无需反复 扫描相位，大大节省处理时间。具体来讲，本发明使用的锁相时频测量的基本原理是：首 先设定待测频率ω = 2 π f，由锁相环负责产生相位差恒定为90度的两路正弦波信号，如 cos (ω t)与sin (ω t)，即复数信号然后让相位被锁定的两路信号分别与被测信号进 行如公式（Ia)或（Ib)的相关运算，获得信号在该设定频率下的复数（实部和虚部，或幅度 和相位）。原理公式表达如下：
【主权项】
1. 一种时域信号的数字时频测量方法，包括下列步骤： 1) 接收待测数字信号，根据待测信号的采样率V设定时间窗口长度AT，确定时频测量 的频谱范围，所述频谱范围在1/AT到v/2之间，其中l/AT〈v/2 ; 2) 用时间窗口截取待测信号，得到当前时间点对应的待处理信号分片； 3) 在步骤1)确定的范围内设定离散频点序列，对于离散频点序列中的每个频点，用频 率值等于当前频点，且相位差恒定为90度的两个正弦信号作为参考信号，分别对当前待处 理信号分片进行相关计算；将两个所述参考信号对应的相关计算结果分别作为复数的实部 和虚部，然后计算所述复数的模与幅角，并将所述模与幅角分别作为当前时间点、当前频点 的幅度值和相位值； 4) 将下一个时间点设定为当前时间点，重复执行步骤2)至3)，直到得到被测信号每个 时间点和频点组合所对应的幅度值和相位值。
2. 根据权利要求1所述的时域信号的数字时频测量方法，其特征在于，所述步骤1)中， 所确定的所述频谱范围是：2/AT到v/5。
3. 根据权利要求2所述的时域信号的数字时频测量方法，其特征在于，所述步骤3)还 包括：对于每个当前频点f，计算其所对应的当前周期k/f，从当前的所述待处理信号分片 中舍去待处理信号分片末尾的一段数据，以保证参与相关计算的待处理信号的时间长度是 当前频点对应周期长度1/f的整数倍。
4. 根据权利要求3所述的时域信号的数字时频测量方法，其特征在于，所述步骤3)还 包括：每个所述参考信号的时间长度均与所述参与相关计算的待处理信号的时间长度一 致。
5. 根据权利要求3所述的时域信号的数字时频测量方法，其特征在于，所述步骤3)还 包括：通过在所述步骤1)确定的频谱范围内线性取点或非线性取点设定所述的离散频点 序列。
6. 根据权利要求5所述的时域信号的数字时频测量方法，其特征在于，所述步骤3)中， 所述非线性取点包括：对数均匀取点，多项式函数均匀取点或者倒数均匀取点。
7. 根据权利要求3所述的时域信号的数字时频测量方法，其特征在于，所述步骤3)中， 当设定所述的离散频点序列采用线性取点时，对于离散频点序列中的任意一个频点f，使时 间窗口长度A T是该频点f对应的周期长度1/f的整数倍。
8. 根据权利要求1所述的时域信号的数字时频测量方法，其特征在于，所述步骤3)中， 两个所述参考信号为：cos(wt)与sin〇t), t表示时间，W表示当前频点所对应的角频 率。
9. 一种目标识别方法，其特征在于，包括下列步骤： 1) 探测目标获得目标的反射信号； 2) 用权利要求1~6中任一项所述的时域信号的数字时频测量方法获取所述反射信号 的幅度时频谱和相位时频谱； 3) 根据步骤2)所得的幅度时频谱和相位时频谱计算目标的方位和速度。
【专利摘要】本发明提供一种时域信号的数字时频测量方法，包括：1)根据待测信号的采样率v设定时间窗口长度ΔT，确定时频测量的频谱范围，该频谱范围在1/ΔT到v/2之间；2)用时间窗口截取待测信号；3)在所确定的频谱范围内设定离散频点序列，对于每个频点，用频率值等于当前频点，且相位差恒定为90度的两个正弦信号作为参考信号，分别对当前待处理信号分片进行相关计算，将两个相关计算结果分别作为实部和虚部计算模与幅角，得到当前时间点、当前频点的幅度值和相位值；4)重复执行步骤2)至3)，直到得到被测信号每个时间点和频点组合所对应的幅度值和相位值。本发明能够在准确测出幅度时频谱的同时准确测出相位时频谱，且抗噪能力强，响应速度快，时间分辨力高。
【IPC分类】G01S13-58, G01S13-06, G01R23-16, G01R25-00
【公开号】CN104655929
【申请号】CN201510004030
【发明人】陆俊, 沈保根, 邵晓萍
【申请人】中国科学院物理研究所
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月4日