专利名称：调适性信号的时频分析装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种信号的时频分析方法及装置，且特别涉及一种有关于处理非线性、非稳态信号的时频分析方法及装置。
背景技术：
黄锷等人提出的希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform, HHT)，可以作为分析非线性、非稳态信号的可行及有效的方法。HTT分为两个主要部分。首先，通过筛选 (sifting)程序对一信号进行经验模态分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)以求得一些本质模态函数(Intrinsic Mode Function, IMF)或简称模态；接着，对各个本质模态函数进行希尔伯特变换，将此信号表达为时间及频率的函数，以便产生希尔伯特振幅频谱 (或简称希尔伯特频谱)，能得以平面或三维图式呈现振幅在频率及时间平面上的分布。此夕卜，上述振幅的平方表能量密度可用以产生希尔伯特能量频谱。分析人员通过上述的分析方法，可以对各种现象所产生的非线性、非稳态的信号进行分析及意义。但是，HHT亦有关键的问题有待解决。例如EMD所求出的IMF可能产生有关低频的模态混迭、失真的问题。换句话说，模态混迭就失去本质模态的意义。如此，具有模态混迭的本质模态的情况下，后续的希尔伯特频谱呈现的结果及对其解读的正确性会受到严重的影响。此外，希尔伯特变换已知的做法是通过快速傅立叶变换及逆快速傅立叶变换为基础的处理程序，以获得各数据点的瞬时频率与振幅。此程序十分费时，并不能满足对于需要快速反应的应用场合。最重要的是，希尔伯特变换已知作法是假设信号为线性、稳态。不管在理论或实务上，都不能运用希尔伯特变换在真实的信号处理上，尤其已知是非线性的信号。根据Doppler的基础理论，入射波在具有运动速度的物体表面产生回波的频率会与与其速度成正比。因此Doppler频移是进行非接触的速度测量重要信号。要计算Doppler 频移，就必须精密解析入射波与回波的频率差异。过去采用FFT的技术，会遇到两个困难。 第一是回波是非线性问题，第二是回波是非稳态信号。这些问题都是造成FFT为基础的 Doppler效能较差(时间与速度解析度不佳)的原因。
发明内容
本发明涉及一种调适性信号的时频分析装置及其方法，适用于有关于处理非线性、非稳态信号的时频分析。根据本发明的一方面，提出一种调适性信号的时频分析方法，包括以下步骤。寻找一信号的一模态的多个极值位置。依据信号极值位置，估算每一个极值之间的平均频率以及其对应的平均能量分配。依据每一个极值之间的平均能量分配，以最佳化方式估算信号的完整瞬时能量分配。最后采用信号的完整瞬时能量分配估算其瞬时频率。根据本发明的另一方面，提出一种计算机可读取介质，当电子装置载入此计算机可读取介质并执行后，可达成上述的调适性信号时频分析方法。根据本发明的另一方面，提出一种调适性信号的时频分析装置，包括一输入单元、 一存储单元、一处理模块、以及一输出单元。输入单元用以读取一信号。存储单元用以存储此信号的一数据信号。处理模块用以据此数据信号决定估算的瞬时能量分配及估算的瞬时频率。输出单元用以输出此估算的瞬时能量分配及估算的瞬时频率。针对数据信号，处理模块决定数据信号的多个极值位置，并据以决定多个估算的平均频率及估算的平均能量分配。处理模块依据数据信号及估算的平均能量分配，通过一最佳化处理以决定对应数据信号的估算的瞬时能量分配及估算的瞬时频率。根据本发明的再一方面，提出一种调适性信号的时频分析装置，包括一寻找极值模块、一初步估算模块以及一最佳化估算模块。寻找极值模块用以寻找一信号的多个极值位置。初步估算模块，依据此信号及这些极值位置，决定多个估算的平均频率及估算的平均能量分配。最佳化估算模块，用以依据此信号及此估算的平均能量分配，通过一最佳化处理以决定估算的瞬时能量分配及估算的瞬时频率。根据本发明的再一方面，提出一种调适性信号的时频分析系统。此系统包括一第一信号时频分析装置、一第二信号时频分析装置以一比较单元。第一信号时频分析装置，用以寻找一第一信号的多个极值位置并据以通过一最佳化处理以估算该信号的瞬时能量分配，并据以决定第一信号的估算的瞬时频率，并据以决定第一信号的瞬时能量分配以及瞬时角速度信息。第二信号时频分析装置，用以寻找一第二信号的多个极值位置并据以通过最佳化处理以估算第二信号的瞬时能量分配，并据以决定第二信号的估算的瞬时频率，并据以决定第二信号的瞬时能量分配以及瞬时角速度信息。比较单元，用以依据第一信号及第二信号的瞬时角速度信息，决定第一信号及第二信号的瞬时多普勒频移。为让上述内容及其他方面能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下
图1绘示依据一第一实施例的一调适性信号的时频分析其方法。图2A绘示一信号的一模态的例子。图2B-图2C分别绘示依据第一实施例针对图2A的一模态决定估算的瞬时频率、 估算的瞬时能量的示意图。图2D是针对图2C的估算的瞬时能量作经最佳化后所得的瞬时能量的示意图。图3绘示用以调适性信号的时频分析装置300的一实施例的方块图。图4绘示用以作快速希尔伯特变换模块的一实施例的方块图。图5A绘示依据第二实施例的应用调适性信号的时频分析方法于多普勒频移处理的一例的流程图。图5B绘示依据图5A的方法的调适性信号的时频分析系统的方块图之一例。图6A绘示依据第二实施例的应用调适性信号的时频分析方法于多普勒频移处理的一第二例的流程图。图6B绘示依据图6A的方法的调适性信号的时频分析系统的方块图的一实施例。图7绘示依据第二实施例所得的瞬时频谱及瞬时能量图的一例子。
主要元件符号说明300 调适性信号的时频分析装置310 输入单元320 处理模块330 输出单元340 存储单元400 快速希尔伯特变换模块410 寻找极值模块 420 初步估算模块430 最佳化估算模块500,600 调适性信号的时频分析系统510、630 前置处理单元540、640 信号的时频分析装置610:信号接受单元 650:比较单元1001 低频项的多普勒信号1003 高频项的发射波信号S10、S20、S40、S120-S150、S510-S530、S610-S630 步骤
具体实施例方式以下公开的实施例有关于调适性信号的时频分析装置及其方法，适用于有关于处理非线性、非稳态信号的分析。一实施例中，提出调适性信号的时频分析装置及其方法，依据信号的模态以估算瞬时频率及瞬时能量分配。一实施例则将上述实施例应用于多普勒频移信号处理以求得欲知的瞬时物理量数值。上述实施例应用于一维信号，还可扩展至多维信号。以下实施例皆能以计算机程序、一般处理器、或专属的电路实施。中央大学数据中心，提出希尔伯特变换(Hilbert "Transform，HT)的改良，称为 「直接正交」(HT by direct quadrature)，来符合时频的计算。此技术目前宣称可运用在非线性与非稳态。它是一套数值方法直接估算信号的完整瞬时能量分配。最后采用信号的完整瞬时能量分配估算其瞬时频率。估算的原理是通过信号的极值位置与大小作为控制点， 并不考虑其它数据的信息。本申请发明人提出以下实施例，除了既有的控制点之外，考虑到其它的信息，最佳化处理加以约束以达到合理、可靠的估测。第一实施例本实施例提出调适性信号的时频分析装置及其方法，依据信号的模态以估算瞬时频率及瞬时能量分配。本实施例的方法，首先寻找一待分析的信号的多个极值位置。依据这些极值位置，通过一最佳化处理以估算信号的瞬时能量分配，并依据估算的瞬时能量分配， 决定估算的瞬时频率。请参照图1绘示的一调适性信号的时频分析方法的例子。本实施例假设待分析的信号是为符合进行希尔伯特变换的信号，即信号在中心线(例如0或平均值) 附近振荡，也就是说极大值位于中心线以上以及其极小值位于中心线以下。因为模态能满足上述条件，故为方便讨论，以一维信号(或数据组)的一模态y(t)为例作说明。此外，在其他实施例，还可推展应用于多维信号。如步骤SlO所示，待分析的信号为一模态y (t)，寻找此模态的多个极值位置。请参考图2A所示，模态极大值与极小值通常是配对出现，如一极大值之后接着出一个极小值， 反之亦然。步骤SlO找出极值位置模态y(t)所对应的时间(即自变量)的数值，(Ma^，Min0)、(Max1, Min1). . · (Maxn, Minn)，其中Max0, Min0代表第一组极大值与极小值的时间坐标。依据上述这些极值位置，通过一最佳化处理以估算信号的瞬时能量分配，并依据估算的瞬时能量分配，决定估算的瞬时频率。以下分别以初步估算及最佳化为例说明。如步骤S20所示，初步估算依据模态及这些极值位置，决定多个估算的平均频率及估算的平均能量分配，如子步骤S120及S130。在子步骤S120中，依据这些极值位置，决定多个估算的平均瞬时频率。例如利用越零点频率(Zero Crossing Frequency)为y (t) 的平均频率的观点，粗估y(t)所有数据点的极值之间的平均瞬时频率ω (t)。例如图2B 所示，利用相邻两极大值及极小值的时间坐标来决定此两时间坐标之间估算的平均瞬时频率
权利要求
1.一种调适性信号时频分析方法，包括a.寻找一信号的多个极值位置；以及b.依据这些极值位置，通过一最佳化处理以估算该信号的瞬时能量分配，并依据该信号的估算的瞬时能量分配，决定估算的瞬时频率。
2.如权利要求1所述的方法，其中该最佳化处理为一最小平方法。
3.如权利要求2所述的方法，其中该最小平方法利用最佳化云弧曲线插值，并使用二次、三次或多次曲线的内插法进行。
4.如权利要求1所述的方法，其中该步骤b包括依据这些极值位置，决定多个估算的平均瞬时频率；以及依据这些估算的平均瞬时频率，决定估算的平均能量分配。
5.如权利要求4所述的方法，其中这些估算的平均瞬时频率依据这些极值位置基于越零点频率定义而决定。
6.如权利要求5所述的方法，其中该估算的平均能量分配依据该信号及这些估算的平均瞬时频率而决定。
7.如权利要求4所述的方法，其中该步骤b还包括依据该估算的平均能量分配，通过该最佳化处理以决定估算的瞬时能量分配； 依据该估算的瞬时能量分配，决定估算的瞬时频率。
8.如权利要求7所述的方法，其中该估算的瞬时频率依据该信号及该估算的瞬时能量分配而决定。
9.如权利要求1所述的方法，其中该信号具有多普勒频移信息，该方法还包括依据该瞬时能量分配及该估算的瞬时频率，决定瞬时流速、平均流速以及能量加权流速。
10.如权利要求9所述的方法，其中该信号为一混合信号的一模态。
11.如权利要求1所述的方法，其中该信号为一回波的信号，该方法还包括c.依据该瞬时能量分配及该估算的瞬时频率，决定该回波的瞬时能量分配以及瞬时角速度信息。
12.如权利要求11所述的方法，该方法还包括al.针对一发射波的信号，寻找该发射波的信号的多个极值位置； bl.依据这些极值位置，通过一最佳化处理以估算该发射波的信号的瞬时能量分配，并依据该发射波的信号的估算的瞬时能量分配，决定估算的瞬时频率；cl.针对该发射波的信号从该步骤bl所得的该瞬时能量分配及该估算的瞬时频率，决定该发射波的瞬时能量分配以及瞬时角速度信息；以及d.依据该发射波及该回波的瞬时角速度信息，决定瞬时多普勒频移。
13.一种计算机可读取介质，当该电子装置载入该计算机可读取介质并执行后，可实现权利要求1至12中的任一项所述的方法。
14.一种调适性信号的时频分析装置，该装置包括 一输入单元，用以读取一信号；一存储单元，用以存储该信号的一数据信号；一处理模块，用以据该数据信号决定估算的瞬时能量分配及估算的瞬时频率；以及一输出单元，用以输出该估算的瞬时能量分配及估算的瞬时频率； 其中针对该数据信号，该处理模块决定该数据信号的多个极值位置； 该处理模块依据该数据信号及这些极值位置，决定多个估算的平均频率及估算的平均能量分配；该处理模块依据该数据信号及该估算的平均能量分配，通过一最佳化处理以决定对应该数据信号的估算的瞬时能量分配及估算的瞬时频率。
15.如权利要求14所述的装置，其中该信号具有多普勒频移信息，该处理模块还依据该瞬时能量分配及该估算的瞬时频率，决定瞬时流速、平均流速以及能量加权流速。
16.如权利要求15所述的装置，其中该信号为一混合信号的一模态。
17.如权利要求14所述的装置，其中该信号为一回波的信号，该处理模块还依据该瞬时能量分配及该估算的瞬时频率，决定该回波的瞬时能量分配以及瞬时角速度信息。
18.如权利要求17所述的装置，其中该处理模块还针对一发射波的信号，寻找该发射波的信号的多个极值位置； 依据这些极值位置，通过一最佳化处理以估算该发射波的信号的瞬时能量分配，并依据该发射波的信号的估算的瞬时能量分配，决定估算的瞬时频率；针对该发射波的信号所得的该瞬时能量分配及该估算的瞬时频率，决定该发射波的瞬时能量分配以及瞬时角速度信息；以及依据该发射波及该回波的瞬时角速度信息，决定瞬时多普勒频移。
19.一种调适性信号的时频分析装置，该装置包括 一寻找极值模块，寻找一信号的多个极值位置；一初步估算模块，依据该信号及这些极值位置，决定多个估算的平均频率及估算的平均能量分配；一最佳化估算模块，依据该信号及该估算的平均能量分配，通过一最佳化处理以决定估算的瞬时能量分配及估算的瞬时频率。
20.如权利要求19所述的装置，其中这些估算的平均瞬时频率依据这些极值位置基于越零点频率定义而决定。
21.如权利要求20所述的装置，其中该估算的平均能量分配依据该信号及这些估算的平均瞬时频率而决定。
22.如权利要求19所述的装置，其中该估算的瞬时能量分配依据该估算的平均能量分配通过一最小平方法处理而决定。
23.如权利要求22所述的装置，其中该估算的瞬时频率依据该信号及该估算的瞬时能量分配而决定。
24.一种调适性信号的时频分析系统，该系统包括一第一信号时频分析装置，用以寻找一第一信号的多个极值位置并据以通过一最佳化处理以估算该信号的瞬时能量分配，并据以决定该第一信号的估算的瞬时频率，并据以决定该第一信号的瞬时能量分配以及瞬时角速度信息；一第二信号时频分析装置，用以寻找一第二信号的多个极值位置并据以通过该最佳化处理以估算该第二信号的瞬时能量分配，并据以决定该第二信号的估算的瞬时频率，并据以决定该第二信号的瞬时能量分配以及瞬时角速度信息；一比较单元，用以依据该第一信号及该第二信号的瞬时角速度信息，决定该第一信号及该第二信号的瞬时多普勒频移。
25.如权利要求M所述的系统，其中该最佳化处理为一最小平方法。
26.如权利要求25所述的系统，其中该最小平方法利用最佳化云弧曲线插值，并使用二次、三次或多次曲线的内插法进行。
27.—种物体流速信号的分析方法，包括a.取得含有多普勒频移信息的该信号；b.针对该信号进行处理，以决定相对应的估算的瞬时能量分配及估算的瞬时频率；以及c.根据该估算的瞬时能量分配与该估算的瞬时频率，计算该物体的瞬间流速、平均流速或能量加权流速。
28.如权利要求27所述的方法，其中该步骤b是以快速希尔伯特变换进行处理，以决定该相对应的估算的瞬时能量分配及该估算的瞬时频率。
29.如权利要求27所述的方法，其中该步骤b是以希尔伯特变换进行处理，以决定该相对应的估算的瞬时能量分配及该估算的瞬时频率。
30.如权利要求观所述的方法，其中该快速希尔伯特变换还包括 bl.寻找该信号的多个极值位置；b2.依据这些极值位置，决定多个估算的平均频率及估算的平均能量分配；以及 b3.依据该信号及该估算的平均能量分配，通过一最佳化处理以决定该估算的瞬时能量分配及该估算的瞬时频率。
31.如权利要求30所述的方法，其中该最佳化处理为一最小平方法，且该最小平方法利用最佳化云弧曲线插值，并使用二次、三次或多次曲线的内插法进行。
全文摘要
一种调适性信号的时频分析装置及其方法，适用于有关于处理非线性、非稳态信号的分析。此方法包括以下步骤。寻找一信号的多个极值位置。依据信号极值位置，估算每一个极值之间的平均频率以及其对应的平均能量分配。依据每一个极值之间的平均能量分配，以最佳化方式决定信号的估算的瞬时能量分配。最后采用信号的估算的瞬时能量分配以估算其瞬时频率。
文档编号H04L25/03GK102457449SQ20101052619
公开日2012年5月16日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者包舜华, 杨杰能, 邵耀华 申请人:财团法人工业技术研究院