一种基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法与流程

本发明涉及无线电信号处理，更具体的，涉及一种基于lab颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法。

背景技术：

1、时频图是通过对时域信号作时频变换(如短时傅立叶变换、小波变换等)所获得的时频域二维矩阵进行平面可视化绘制得到的二维图像。时频图描述了信号频谱成分的幅值和相位随时间变化的关系，其颜色及纹理的变化规律是对信号的一种极为有效的表达。在(通信、雷达、导航等)无线电信号处理领域，采用检测与估计理论结合人工智能等技术对无线电信号时频图进行建模分析，可以用于解决无线电信号的检测、识别、降噪、分离、参数估计等大量信号处理问题。最典型的时频图是只携带幅度(或能量)信息的幅度(或能量)谱，它的平面化二维图像是单层(单通道)的灰度图。另一种常见的时频图则是仅携带相位信息的相位谱单通道灰度图。此外，也有将幅度谱、能量谱和相位谱进行一同或部分组合得到rgb表达模式下的(双通道)伪彩色图或(三通道)彩色图。

2、目前主流的时频图生成方法是对时域信号进行时频变换后得到的复数矩阵进行求幅度、能量和相位从而得到幅度矩阵、能量矩阵和相位矩阵，通过直接将这三个矩阵中的元素值映射为灰度值来得到单幅度谱、能量谱或相位谱的时频灰度图。或者是将这三个矩阵分别独立地量化后映射到rgb三通道，以获得rgb模式的时频彩色图。

3、现有的生成单幅度谱(能量谱)或相位谱的时频灰度图仅考虑了信号时频变换结果的幅度(能量)信息或相位信息。而有的方法虽然通过映射幅度(能量)和相位信息到rgb三通道以获得时频彩色图，但幅度(能量)及相位信息的量化和映射通常是独立分开的，并且是生硬地将幅度及相位与rgb的三个通道进行对应。rgb三通道间的对等关系导致时频图的呈现缺乏物理意义上的可解释性，此外也没有考虑到对时频图的噪声抑制及可视化呈现效果的优化。

技术实现思路

1、本发明为了解决以上现有技术在时频图生成过程中，对信号时频变换的幅度信息和相位信息利用不充分、不合理等问题，提供了一种基于lab颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法，其使生成的时频图能够在具备幅度谱和相位谱信息的同时，抑制噪声对时频图的影响，强化时频图中有用信号部分的色彩表达，提升时频图可视化效果。

2、为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：

3、一种基于lab颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法，所述的方法包括步骤如下：

4、s1：对时域信号进行短时傅里叶变换后取幅度值和相位值，获得初始的幅度矩阵和相位矩阵；

5、s2：对初始的幅度矩阵进行分段线性压扩处理，得到第一幅度矩阵；对初始的相位矩阵做差分正弦余弦变换，得到第一相位矩阵、第二相位矩阵，从而获得一组由第一幅度矩阵、第一相位矩阵、第二相位矩阵构成的三通道数据；

6、s3：将获得的三通道数据映射到lab域，获得lab颜色空间下的三通道时频域矩阵l、a、b；

7、s4：将三通道时频域矩阵l、a、b转换到rgb域生成可视化的时频图。

8、优选地，s1，具体地，

9、将无线电的时域信号表示为其中l是信号的样本长度；时域信号的短时傅立叶变换表示为复数时频矩阵其中t和f对应于时间帧和频率点的数量；

10、则时域信号的时频矩阵所对应初始的幅度矩阵和相位矩阵分别表示为：

11、

12、p＝∠s∈[-π,π]t×f

13、其中，∠为求弧度角运算、m表示初始的幅度矩阵、p表示初始的相位矩阵。

14、进一步地，对初始的幅度矩阵进行分段线性压扩处理，得到第一幅度矩阵，具体如下：

15、对初始的幅度矩阵m的矩阵元素进行统计，选取第一阈值mmax使得mmax不小于98％初始的幅度矩阵m的矩阵元素值；

16、对于初始的幅度矩阵m的矩阵元素进行限幅的归一化，

17、

18、其中，mt,f为初始的幅度矩阵m的矩阵元素，t∈{1,…,t},f∈{1,…,f}；m′t,f为归一化后幅度矩阵mnormal∈[0,1]t×f的矩阵元素；

19、根据噪声估计的结果确定划分时频变换幅度值中噪声成分和有用信号成分的第二阈值mth；

20、将第二阈值以下判定为噪声，对噪声做线性压缩处理；第二阈值以上判定为有用信号，对有用信号做线性扩展处理；由此得到分段线性压扩处理后的第一幅度矩阵。

21、再进一步地，所述的分段线性压扩处理的函数公式表达式如下：

22、

23、其中，k∈(0,1)为线性压缩部分的斜率，m″t,f表示第一幅度矩阵mcompand中第t行f列的矩阵元素；mcompand∈[0,1]t×f表示归一化后幅度矩阵mnormal进行分段线性压扩后的第一幅度矩阵。

24、再进一步地，对初始的相位矩阵做差分正弦余弦变换，具体如下：

25、采用在频率维度对初始的相位矩阵p进行一阶前向差分变换来增大目标信号与噪声在相位谱图上的区分度，获得差分相位矩阵δp∈[-2π,2π]t×f，即

26、δpt,f＝pt,f+1-pt,f

27、其中，δpt,f为差分相位矩阵δp的矩阵元素，pt,f为初始相位矩阵p的矩阵元素，t∈{1,…,t},f∈{1,…,f}；

28、对差分相位矩阵进行三角变换以消除-2π、+2π的弧度角跳变；所述的三角变换后的相位矩阵表示为：

29、psin＝sin(δp)∈[-1,1]t×f

30、pcos＝cos(δp)∈[-1,1]t×f

31、其中，cos(·)表示三角余弦变换，sin(·)表示三角正弦变换，psin表示通过三角正弦变换后得到的第一相位矩阵、pcos表示通过三角余弦变换后得到的第二相位矩阵。

32、再进一步地，将获得的三通道数据映射到lab域，具体如下：

33、结合l、a、b三通道，以及第一幅度矩阵mcompand和第一相位矩阵psin、第一相位矩阵pcos的物理含义，以及psin2+pcos2＝1的约束关系；

34、将第一幅度矩阵mcompand映射到l通道，以控制时频图的亮度；

35、将第一相位矩阵psin、第二相位矩阵pcos分别映射到a、b通道相对应，以控制时频图的色度。

36、再进一步地，对第一幅度矩阵mcompand、第一相位矩阵psin、第二相位矩阵pcos进行映射，获得lab颜色空间下的三通道时频域矩阵l、a、b；

37、先对第一幅度矩阵mcompand线性映射到±1得到归一化的l通道矩阵l＝2mcompand-1∈[-1,1]t×f；

38、定义lt,f∈[-1,1]、at,f∈[-1,1]、bt,f∈[-1,1]分别对应归一化的l、a、b通道时频域矩阵l、a、b的矩阵元素，其中t∈{1,…,t},f∈{1,…,f}，则最大化色度变化的lab颜色空间映射到对应lab颜色空间的边界球表面，此时有：

39、

40、对于l通道矩阵的任意元素lt,f，其对应的色度平面最大圆的方程为：

41、

42、其中，色度平面最大圆的半径

43、定义分别对应为第一相位矩阵psin、第二相位矩阵pcos的矩阵元素，其中t∈{1,…,t},f∈{1,…,f}，则以如下方法确定a、b通道矩阵的元素取值：

44、

45、

46、再进一步地，将三通道时频域矩阵l、a、b转换到rgb域生成可视化的时频图，具体地，

47、将l通道矩阵的元素值范围线性映射到[0,100]，将a、b通道矩阵a、b的元素值范围线性映射到[-110,110]，得到基于lab颜色空间映射的幅度相位时频图ψ＝cat(3,l,a,b),其中cat函数cat(dim,a1,a2,…,an)表示沿其dim维度的a1,a2,…,an矩阵串联；

48、采用经典lab转srgb的转换公式，将lab颜色空间下的时频图ψ转换到rgb颜色空间，得到rgb颜色空间下的可视化时频图ψ′。

49、一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时，实现如所述的方法的步骤。

50、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时，实现如所述的方法的步骤。

51、本发明的有益效果如下：

52、本发明对时频信号变换得到初始的幅度矩阵进行分段线性压扩处理以强化有用信号，同时抑制噪声的表达。本发明生成的时频图有着对比更为明显、信息更为丰富的纹理和色彩细节，并且具备很强的抑制噪声呈现的能力。

53、本发明采用本发明生成的时频图能有效提高无线电信号目标检测和识别的准确率。

54、本发明使生成的时频图能够在同时具备幅度谱和相位谱信息的同时，抑制噪声对时频图的影响，强化时频图中有用信号部分的色彩表达，提升时频图可视化效果。