现代时频分析方法及其应用

经典信号分析工具Fourier变换对时变信号分析存在较大的局限性,从Fourier分析的加窗处理入手,逐步介绍几类现代时频分析方法及其应用领域。     

HRB400焊接试样拉伸全过程声发射信号 时频能量特征*

为了深入研究螺纹钢拉伸全过程声发射信号特征,开展了完整和焊接试样的拉伸实验,通过SAEU2S型数字声发射系统对损伤特性进行实时监测。结合金属材料力学行为特性,根据计数率将全过程划分成不同的阶段,采用伪Margenau-Hill(PMH)分布进行了时频分析并利用小波包变换对信号进行了能量分析。结果表明：声发射特性参数能够很好的描述焊接对材料力学性能的影响,PMH分布具有良好的时频聚集性,频域和能量分析能够很好地描述焊接对材料力学性能的影响。实验结果为声发射技术应用于钢结构工程损伤定量、寿命预测、实时监测的研究提供了参考依据。     

实验研究贯流风扇气动噪声源特性

复杂流动系统中气动噪声源特性的研究是研究噪声传播及建立气动噪声模型的基础.本文采用实验的手段研究了贯流风扇的气动噪声源特性。实验在本底噪声为19 dB(A)的静音室中进行,采用高精度,高频响的声压传感器分别测量了室内机进口,蜗舌壁面,近叶轮出口,远场等位置的声压波动.对得到的原始压力脉动数据进行了快速傅里叶变换,基于FFT变换的联合时频分析,基于连续小波变换的联合时频分析.分别在时间域和频率域进行了不同测量点的对比分析。结果表明,实验机表现为明显的宽频噪声特性,其主要噪声源为流场中的涡流.基于连续小波变换的时频分析方法能更精确地表现信号的非定常特性,能对信号进行不同层次的深入分析,得到更精确的结果.     

时频分析在超宽带散射信号处理中的应用

 简要介绍了伪Wigner分布和小波变换信号处理中的分析方法，描述了在超宽带散射信号分析中的应用情况，对一些简单形状的金属散射体的双站背向散射信号作了实际测量，并且用伪Wigner分布和小波分析方法对这些信号进行了时频分析，由此验证了超宽带信号在目标探测和识别方面的优越性。     

时频-Radon变换在激光微多普勒效应特征提取中的应用

鉴于激光微多普勒效应探测运动目标复合振动的重要性,利用离散小波多分辨分析对激光微多普勒效应探测运动目标复合振动的实验数据进行分解,研究不同尺度下的信号特征。将Radon变换与时频分析结合在一起,对实验所得信号在时频域中进行分析,结果表明:时频-Radon变换适合于微多普勒信号的识别,应用该方法能够抑制多分量信号时频分布产生的交叉项干扰,有效地提取微动目标的特征,为目标特征的识别、分类和探测提供了便利。     

Wigner分布的模糊处理

针对Ｗｉｇｎｅｒ分布在应用中物理意义含混不清等特点，提出时频分布具有模糊性的观点。将模糊集的概念和方法引入对时频分析结果的理解和再处理，提出了模糊时频点的概念和对Ｗｉｇｎｅｒ分布进行模糊点处理的方法，将此方法用于实际信号的处理，效果良好。     

扩展性微动目标回波模拟与特征参数提取研究

研究了微动目标的多普勒回波模拟及特征参数提取技术. 提出了一种基于物理光学法和等效电磁流法的扩展性微动目标回波模拟方法. 将在目标坐标系下计算得到的后向散射场通过坐标转换, 成为雷达坐标系下的目标回波, 通过与解析信号模型对比验证方法的正确性. 分析了圆锥与带翼弹头的进动特性, 为获得较好的时频聚集性同时避免交叉项采用S-method方法对获取的回波信号进行时频分析, 分析了不同雷达波入射角度, 不同运动状态及不同几何外形的时频分布特点. 对时频分布图进行逆Radon变换, 将正弦曲线映射到参数空间, 从而获取目标的微动参数. 该研究结合电磁散射与信号处理技术, 通过对典型弹道目标的仿真, 获得一些不同于传统微动模型的结果, 结合电磁散射理论, 对这些现象进行了解释分析. 该研究成果在弹道目标的探测识别领域具有重要的理论与应用价值.     

空间域和空间频率域中的对称变换

引入了一类新的积分变换,即对称变换.这类变换在空间域和空间频率域中实现的变换操作是相同的.换句话说,如果一个积分变换器对信号本身及其Fourier频谱作相同的变换操作,那么这种变换即为对称变换.给出了对称变换的成立条件,即当积分变换核是所谓的类自Fourier变换函数时,此变换即为对称变换.并提出了类自Fourier变换函数的一种构造方式.同时还指出,光学中的分数Fourier变换即是一种对称变换.     

空间域和空间频率域中的对称变换

引入了一类新的积分变换,即对称变换。这类变换在空间域和空间频率域中实现的变换操作是相同的。换句话说,如果一个积分变换器对信号本身及其Fourier频谱作相同的变换操作,那么这种变换即为对称变换。给出了对称变换的成立条件,即当积分变换核是所谓的类自Fourier变换函数时,此变换即为对称变换。并提出了类自Fourier变换函数的一种构造方式。同时还指出,光学中的分数Fourier变换即是一种对称变换。     

基于多项式调频Fourier变换的信号分量提取方法

为了从含有噪声的混合信号中有效提取各个信号分量, 提出一种基于多项式调频Fourier变换的分量提取方法. 通过研究Fourier变换和分数阶Fourier变换的信号能量积累方式及变换基函数的时频表示, 提出利用时频平面上的多项式调频曲线族代替Fourier变换和分数阶Fourier 变换的调频直线族, 将变换的适用范围扩展到非线性调频信号. 采用粒子群智能优化算法搜索调频曲线族的最优多项式参数, 使混合信号中的某一分量在多项式调频Fourier域上能量谱集中. 最后对能量谱集中的分量进行窄带滤波, 并利用多项式调频逆Fourier变换重构信号分量. 仿真实验结果表明, 该方法不仅能够提取混合信号中的线性调频分量, 还能够实现非线性调频分量的能量谱集中、信号分离和时频特征提取.     

Dispersion-based short-time Fourier transform applied to dispersive wave analysis

Although time-frequency analysis is effective for characterizing dispersive wave signals, the time-frequency tilings of most conventional analysis methods do not take into account dispersion phenomena. An adaptive time-frequency analysis method is introduced whose time-frequency tiling is determined with respect to the wave dispersion characteristics. In the dispersion-based time-frequency tiling, each time-frequency atom is adaptively rotated in the time-frequency plane, depending on the local wave dispersion. Although this idea can be useful in various problems, its application to the analysis of dispersive wave signals has not been made. In this work, the adaptive time-frequency method was applied to the analysis of dispersive elastic waves measured in waveguide experiments and a theoretical investigation on its time-frequency resolution was presented. The time-frequency resolution of the proposed transform was then compared with that of the standard short-time Fourier transform to show its effectiveness in dealing with dispersive wave signals. In addition, to facilitate the adaptive time-frequency analysis of experimentally measured signals whose dispersion relations are not known, an iterative scheme for determining the relationships was developed. The validity of the present approach in dealing with dispersive waves was verified experimentally.     

时间—频率分析在声学中的主要应用

时频分析已在信号分析、建模、合成、重构、滤波、压缩编码以及信号检测与参数估计、模式识别等得到了广泛应用。本文在简要介绍时－频分布的有关内容之后，综述了该方法在声学中的主要应用及研究进展。     

飞机舱音记录器背景声的联合时频分析研究

飞机舱音记录器记录的舱音主要是由话语音、噪声和具有不同物理意义的背景声组成的复杂混合体,用传统的辨听和分析方法难以获取较多的舱音特征参数。本文以一个舱音记录器记录的主告警声为例,针对传统短时傅立叶变换在舱音辨听、分析的不足,将联合时频分析引入到飞机舱音分析中,扩展了舱音分析方法。对比分析结果表明:时频分布及其重排,在时频分辨率、时频凝聚性、交叉项干扰的抑制上各有所长,都适合分析非平稳舱音背景声,从而为飞行事故调查提供一种值得采用的方法。     

小波时-频变换的高强钢丝弹性波传播模态分析

超声导波是近年来桥梁拉索无损检测研究的重要方法之一。针对弹性波在高强钢丝介质中传播的多模态频散问题,采用单点时域波形的小波时频变换进行混叠信号的模态识别分离。通过数值求解Pochhammer频率超越方程,计算得到0~1.5 MHz范围内纵向导波模态理论频散曲线;采用有限元模拟半波正弦脉冲激励导波在钢丝中传播过程,由小波时-频变换得到导波模态分布,并进行了不同腐蚀程度钢丝实验对比分析。结果表明,经小波时-频变换得到的第1、2、3阶纵向导波模态与理论值对应吻合,单点时域波形的小波时-频变换结果能够有效识别高强钢丝中的导波模态;钢丝在无腐蚀状态下,一阶纵向导波模态能量占比达57.74%,随腐蚀程度增加,能量更为集中到一阶纵波模态,二阶模态能量逐渐减小。     

基于频散特征的单水听器模式特征提取及距离深度估计研究

针对浅海环境中低频宽带水声脉冲信号, 研究基于频散特征结合时频分析的单水听器距离和深度估计方法. 以简正波理论为依据, 将单水听器上的接收信号表示成一系列传播模式之和的形式, 分析了经典波导环境下的频散现象, 采用自适应径向高斯核函数的时频分析方法来表征接收信号的频散特征. 为提高时频分辨率, 采用自适应径向高斯核函数的时频分布来提取频散关系曲线中传播模式的到达时间差, 利用模式的到达时间差估计声源的距离. 采用多模式联合匹配的方式, 通过二值掩模滤波的时频滤波方法, 提取所需的模式. 通过计算实际提取出的模式能量与预测的模式能量之间的误差, 建立代价函数, 并通过模式能量匹配的方式, 确定声源的深度. 通过对基于Pekeris波导模型的浅海环境进行仿真验证, 结果表明: 自适应径向高斯核函数的时频分析方法能够很好地反映信号本身的频散特征, 具有较高的时频分辨率, 克服了传统短时傅里叶变换时频表征的限制, 使得模式在时频域更加容易辨识和分离; 从测距效果来看, 不同模式组合下的距离估计结果不同, 采用在时频面上具有较高能量的模式, 可得到较为准确的距离估计; 选用高能量的模式所得的距离估计的相对误差小于2%. 在定深方面, 参与联合匹配的模式个数越多, 代价函数的峰值更加地尖锐, 同时具有低的伪峰, 深度估计的性能会进一步有所提升. 该工作对于研究低频水声脉冲信号的分离和提取具有重大意义. 关键词： 频散信道 时频分析 单水听器 定位     

基于声源方位信息和非线性时频掩蔽的语音盲提取算法

针对欠定卷积混合的语音信号模型,提出一种基于声源方位信息和非线性时频掩蔽的语音盲提取算法。首先对低频段混合语音信号进行时频分析估计瞬时相对时延(ITD)并采用势函数聚类分析方法估计出声源个数及其ITD,接着锁定目标提取准确的目标语音方位信息,最后利用独立语音在时频域上的近似W一分离正交性,采用非线性时频掩蔽的方法提取目标语音。仿真实验表明,该方法能锁定任意感兴趣目标方位,能有效提取目标语音,文中实验条件下信噪比增益平均达9.5 dB。      

Leak Detection of Gas Pipelines Based on Characteristics of Acoustic Leakage and Interfering Signals

When acoustic method is used in leak detection for natural gas pipelines, the external interferences including operation of compressor and valve, pipeline knocking, etc., should be distinguished with acoustic leakage signals to improve the accuracy and reduce false alarms. In this paper, the technologies of extracting characteristics of acoustic signals were summarized. The acoustic leakage signals and interfering signals were measured by experiments and the characteristics of time-domain, frequency-domain and time-frequency domain were extracted. The main characteristics of time-domain are mean value, root mean square value, kurtosis, skewness and correlation function, etc. The features in frequency domain were obtained by frequency spectrum analysis and power spectrum density, while time-frequency analysis was accomplished by short time Fourier transform. The results show that the external interferences can be removed effectively by the characteristics of time domain, frequency domain and time-frequency domain. It can be drawn that the acoustic leak detection method can be applied to natural gas pipelines and the characteristics can help reduce false alarms and missing alarms.     

针对磁共振射频脉冲的时频域分析方法比较研究

射频脉冲可实现样本自旋体系的精确操控,进而产生预期的核磁共振(NMR)信号,在NMR信号产生过程中扮演重要角色.该文分别采用短时傅里叶变换(STFT)、连续小波变换(CWT)和维格纳-威利分布(WVD)几种时频域分析方法对射频脉冲(优化形状脉冲)进行特性分析和比较.结果表明,三种方法各自具有优缺点,结合各自优势对射频脉冲进行各种方法分析,可以更好地理解复杂脉冲的幅度、相位特性在时频域的分布情况.该文的研究方法将为直观理解复杂射频脉冲对自旋体系的作用机制提供参考.     

Analysis of underwater mammal vocalisations using time-frequency-phase tracker

One of the most challenging applications of time-frequency representations deals with the analysis of the signal issued from natural environment. Recently, the interest for passive underwater context increased, basically due to the rich information carried out by the natural signals. Taken into account the non-linear multi-component time-frequency behaviour of such signals, their analysis is a challenging problem.In this context, the analysis of underwater mammal’s whistles is aimed to extract, accurately and adaptively, their main time-frequency components. In this paper, we define a time-frequency-phase tracker which is composed of three steps. The first one consists of modelling the short-time segments of the vocalization by a set of third order polynomial phase modulations. The second step consists in the fusion of local polynomial phase modulations according to a local phase continuity criterion. Finally, in the third step, the detected time-frequency track is used to design the time-frequency filter, in charge of extracting the samples corresponding to the detected track. This procedure is then iterated until all component of interest are extracted.Tests provided for realistic scenarios and real data taken in Bay of Biscay at September 2009 containing whistles of common dolphin Delphinus delphis illustrate the potential and the benefits of the proposed approach.     

气液两相流波动信号的时频谱分析研究

为了研究气液两相流不同流型的动态特性,通过小波变换、希尔伯特-黄变换及自适应最优核三种时频方法对气液两相流动态差压信号进行处理.通过对时频谱的分析,可以清晰看出当流型从泡状流向弹状流、塞状流的转化过程中,信号的主要能量由15—35 Hz之间的频带向0—8 Hz频带转移,在弹状流时出现了两个谱峰.实验结果表明:希尔伯特-黄变换及自适应最优核方法的时频分辨率比小波分析高.基于自适应最优核方法的脊信息的提取,克服了模糊平面加窗效应的影响,对气液两相流动态信号表现出更高的时频分辨率,并增强了时频平面信息的可读性. 关键词： 气液两相流 流型识别 希尔伯特-黄变换 自适应最优核