基于频谱特征提取的轨道移频信号检测的兼容性设计与实现

提出了一种基于频谱特征提取的轨道移频信号检测的兼容性算法,并在单芯片的微控制器STM32F405RGT6上利用该算法实现了对国产18信息移频信号和ZPW-2000移频信号的兼容性检测。通过综合分析两类移频信号的时频域特征,将过采样、ZFFT频谱细化、频率校正及频谱特征提取结合起来,通过两类不同的数字滤波器适应不同的算法设计需要,通过频谱特征提取实现不同频谱状态下的频率计算方式,有效地提高了频率的检测精度,拓展了调制频率的测量范围。实验结果证明,对国产18信息移频信号和ZPW-2000移频信号的中心频率、上下边频的检测误差不超过±0.1Hz,调制频率的检测误差小于±0.01Hz,在采样数据小于1S情况下,调制频率的测量范围可达到6~30Hz。     

基于全相位快速傅里叶变换谱分析的激光动态目标实时测距系统

针对传统的激光测距仪测量速度慢、抗干扰能力低以及实时性差等问题,提出了基于并行数字信号处理器(DSP)的多通道发射和接收的测距系统。在系统中实现了多个调制频率激光的同时发射和同时接收,压缩了测量时间,避免了因目标运动造成的测量数据无法正确融合的问题;根据全相位快速傅里叶变换(FFT)获得的频谱信息,提出了一种将信号幅度谱按泰勒级数展开以求取频率泄露值进行频谱校正的方法。蒙特卡罗(Monte-Carlo)仿真实验证明,该方法较双谱线(Rife)法和能量重心法有较高的精度和良好的稳定性。系统中,AD转换器采样频率为937.5 kHz、进行全相位FFT变换的点数1024时,相位测量精度为0.003°,频率测量精度为0.033 Hz。实验证明,该系统能满足相位法测距系统对实时动态目标测距的需要。     

基于Hilbert变换的水下多源声信号频率的相干探测

为实现水下中低频声信号的探测识别,通过研究水下多声源相干探测信号的特征,理论上给出了相干探测信号频谱混叠情况下的特征表达式,并提出了一种基于Hilbert变换的信号解调处理方法,实现了水下多声源相干探测信号频谱混叠情况下各声源发声频率的解调.该方法将探测信号经过滤波平滑处理之后进行Hilbert变换,得到信号的解析形式,然后对解析信号模值的平方进行二次滤波平滑等处理,分离混叠在一起的频带,将得到的信号进行频谱分析,根据频移值计算得到水下各个声源的发声频率.在光学暗室下搭建激光相干探测系统,对2~6kHz的水下声信号进行实验,实验结果表明,该方法可以有效分离探测信号中混叠在一起的信号频带,并准确提取各水下声信号的发声频率,频率提取重复性不大于2.5Hz.     

一种面向信息带宽的频谱感知方法研究

本文利用频带宽度先验信息,提出一种面向信息带宽的自适应调制宽带转换器结构.该结构的总采样率为信号信息带宽的四倍,远小于信号的奈奎斯特采样频率,从而更有效利用采样资源,降低采样数据量,提高处理实时性.通过对该结构中随机波形函数周期的选择,可以实现对系统采样率和系统物理实现复杂度的权衡取舍,从而适应不同场合中的应用.本文通过理论分析给出了该结构实现信号精确重构的充分条件.引入多重信号分类算法,分析了该结构适用此算法的充分条件.本文通过仿真实验对上述分析进行了有效性验证.该系统可以应用于隐形装备的吸波材料的前端特性分析、认知无线电的频谱感知.     

线性调频Z变换在舱音背景声的特征频率分析中的应用

舱音背景声特征频率的确定是调查失事飞机事故原因的重要依据之一。基于舱音译码辨听和音频分析的传统方法难以准确获得舱音背景声的特征频率。本文提出采用基于FFT的线性Z变换(CZT)来获取舱音背景声的特征频率的新方法,该方法适用于高采样频率的信号,计算中可以调整频率的分辨率,增加了FFT和频谱分析的灵活性。通过仿真和对用舱音记录器测录的真实舱音背景声计算分析得出:CZT方法是一种适合于确定舱音背景声特征频率的实用、有效方法,用以区分不同舱音在频率上的差别,满足飞机事故原因调查的需要。     

Hilbert-Huang变换分析THz脉冲信号的时频特性

提出一种基于Hilbert-Huang变换的THz时域光谱分析方法,将THz时域脉冲信号分解成有限数目的单分量信号之和,利用Hilbert变换求得瞬时频率来获得幅值的时频分布——Hilbert-Huang变换谱,实现了通过水蒸气的THz脉冲信号的时频分析,揭示了THz波与水蒸气相互作用的频谱时域分布特性,并与基于小波变换的时频图进行了对比分析。结果表明,该方法可以同时提高THz脉冲时频分布的时间分辨率和频率分辨率,具有局部化分析和自适应选择的特点,还能直观地表现出各频率成分之间的相对时间延迟。     

基于液晶空间光调制器的全息显示

在传统的纯相位全息显示系统中, 一般基于快速傅里叶变换(FFT)算法来计算相位全息图, 在FFT的计算中需要遵循Nyquist采样定理, 因此, 重建图像的尺寸往往受限于空间光调制器的固定采样率. 这个限制可以通过卷积算法或者两步菲涅耳衍射算法来解决, 但是需要使用多个FFT的计算, 导致计算量增大. 鉴于此, 提出了一种基于透镜的纯相位全息图计算方法. 在全息图的计算中, 通过透镜的成像原理建立一个采样率可变的虚拟全息面, 通过调节相应的距离参数使得在全息图的计算中可以任意调节原始图像的采样率, 摆脱了传统方法中液晶空间光调制器带宽积对重建图像尺寸的限制, 并且这种算法只需使用一次FFT就能达到变采样率的衍射计算, 大幅提高了全息图的计算速度. 数值模拟及光学实验结果证明了此方法可以在全息显示光学系统中清晰地重建不同尺寸的图像. 同时该系统可以有效地消除由空间光调制器的像素化结构带来的零级衍射.     

中子脉冲序列核信号相关和功率谱实时计算

 为解决基于PC机平台、高达1 GHz采样率下之相关计算和频谱分析对实时性要求的关键技术问题,针对中子脉冲序列核信号本身所具有的特殊的“0,1”结构特点,采用快速移动的方法,借助于内存管理及SSE优化设计,创建了优化频谱分析的流程,构造了高速、实时的相关计算和功率谱分析算法,实现了1 GHz采样率下的中子脉冲序列核信号的实时相关计算和频谱分析。性能测试结果表明,在计数率为3×106 s^-1,单个块（长度为1 024）时,研究的相关算法的计算时间为0.29 μs,相应的英特尔数学内核库的相关计算时间为129.95 μs。现场实际试验表明,该算法达到了对中子脉冲序列核信号进行相关计算和频谱分析的实时性要求。     

相关峰细化的精确时延估计快速算法研究

研究精确计算相关峰的方法,提高时延估计精度,改进传统的CZT算法,计算细化的频谱,降低了标准FFT计算带来的栅栏效应,利用互谱的前后两段计算相关函数的主峰波形,并建立了新的快速变换算法(FICP),相关峰可以任意“插值”而不增加计算量。采用该方法和模型,可以有针对性地利用有限范围频谱,抑制宽带噪声对时延估计的影响,提高相关峰的检测精度。     

傅里叶变换实时红外光谱复原的FPGA实现

为实时获取战场激光、大气污染物气体、毒气等待测物光谱信息的光谱复原,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA) 的实时光谱采集分析系统。该系统选用迈克尔逊干涉具和碲镉汞探测器获取待测光谱信息,将采集到的数据传入FPGA。利用硬件描述语言VerilogHDL在Xilinx FPGA芯片上依据傅里叶变换(FFT)实现干涉条纹到光谱数据的实时处理。实验结果表明,FPGA实际计算1 024点基2-FFT频谱分布信息与Matlab理论计算结果相同,可满足实时光谱探测的要求。     

基于希尔伯特变化的微小振动激光多普勒信号处理

为了实现对固体目标微小振动参数的测量,建立了微小振动的激光多普勒信号模型。采用希尔伯特数字运算,将激光多普勒振动信号的即时信号采样转化为信号的谱采样。通过频谱计算得到每个振动周期中瞬时频率的平均数,应用差值采样序列积分计算得到振动频率,最后根据振动信号频率变化与振幅的关系得到振幅。采用希尔伯特方法对实验测试结果进行处理验证,并分析了误差来源。实验结果表明：实验测量目标的振动振幅约为1.85×10-4m,转动的圆频率约为170 Hz。因此,应用希尔伯特变换方法处理测量的目标微小振动信号,获取目标运动的参数是可行的。     

浅海中利用单水听器的声源被动测距

针对浅海声波导中远距离脉冲声源被动测距问题,提出了一种利用单水听器接收信号自相关函数进行warping变换的声源被动测距方法。理想水下声波导中,接收信号warping变换输出的傅里叶变换频谱中具有不变性频率特征,即与声源距离无关的各简正波截止频率;信号自相关函数中不同简正波相干成分也存在不变性频率特征;推导了未知声源距离时特征频率提取值与不变性频率特征之间的近似关系式。这些规律可推广到实际浅海声波导,并用于声源被动测距。利用声场计算模型来提供具有不变性频率特征的频谱,对2011年12月北黄海海域水声实验中单水听器接收的脉冲声数据进行了处理,验证了方法的有效性,测距结果和实际距离符合良好,平均测距误差在10%以内。      

人耳垂直面定向原理简易实验装置及其实验分析

采用硅胶注塑的等比人耳模型、垂直面转动机构、声卡、麦克风和便携式音箱等设备设计搭建了简易的实验装置,利用该装置进行了人耳垂直定向的原理实验,在人耳垂直面从0°～180°范围内,以5°为间隔,在每一角度发送并采集500～20 000Hz的线性调频音频信号,并编写了Matlab程序对实验装置采集的数据进行频谱分析,分析结果显示,不同垂直面角度得到的频谱有很大差异,并且可以从频谱的形状上区分声源的垂直面角度,验证了人耳垂直面定向原理来源于耳廓效应.     

复调制Zoom-FFT方法的LabVIEW实现与应用

为了对信号频谱中多个频率接近的分量进行检测,提出在LabVIEW平台上使用复调制Zoom-FFT方法,通过移频、滤波、重采样、FFT和频率调整几个步骤实现对频谱的细化。仿真表明,该方法能够灵活的选择细化频带,提高频带内的频域分辨率并有较小的计算量。将其应用到异步电机故障诊断中,实现了对转子断条故障分量的有效检测。     

差分吸收光谱FFT+FT频谱细化方法研究

利用差分吸收光谱法（DOAS）可以实现污染气体的在线监测。为了提高监测精度,通常利用傅里叶变换滤波法（FFT）处理差分吸收光谱数据,但是因其频率分辨率的限制,影响其幅值精度,导致气体浓度的测量误差较大。提出了一种将FFT和FT相结合的差分光谱数据处理方法（FFT+FT）,首先对差分吸收光谱数据做FFT变换,得到其全景谱,再对峰值点附近的频谱用改进的连续FT进行细化,提高特征吸收频段的分辨率,对幅值误差进行补偿,从而提高气体浓度在线监测的精度。实验配制了不同浓度的SO₂和NO₂气体,当细化倍数为15时,SO₂和NO₂气体的最大测量误差不超过3.68%和3.17%,相对于FFT法,平均误差分别降低了1.82%和1.45%;相对于传统的多项式拟合法,平均误差分别降低了14.9%和1.80%;对恒定浓度的SO₂和NO₂气体分别进行了多次测量,验证了FFT+FT方法的稳定性。分析了细化倍数对测量精度的影响,当细化倍数小于15时,浓度测量误差随着细化倍数的增加而降低;当细化倍数从15增加到20时,误差反而逐渐变大,在大于20以后,误差出现波动,且都大于细化倍数为15时的测量误差。由于细化倍数太大,使谱线过于密集,找到频谱序列最大值的概率降低了,因此在有噪声的情况下采用该法进行频谱校正时,会出现细化倍数加大而测量精度反而降低的现象。确定了最优细化倍数,在确保测量精度前提下,使频谱细化的计算量最小,满足DOAS法实时在线监测气体浓度的要求。     

CZT和ZFFT频谱细化性能分析及FPGA实现

快速傅里叶变换在信号的频谱分析中应用广泛,而在工程实际中往往只对信号频谱中一段区间感兴趣,需要对频谱进行细化分析。常用的频谱细化方法有线性调频Z变换(Chirp-Z Transform, CZT)算法和基于复调制的细化(Zoom-FFT, ZFFT)算法,在给出了两种频谱细化方法的计算流程后,通过MATLAB仿真说明两种算法都能提高信号频率的测量精度,最后给出了这两种算法在FPGA具体工程实现中的实现步骤。     

基于FICP算法提高对低频噪声时延的估计精度

针对非平稳随机噪声（直升机飞行声音，导弹喷流噪声）信号，研究了提高时延估计计算精度的方法，通过计算信号的细化频谱，并避免了标准FFT计算带来的栅栏效应，从而使得对于超短取样信号的频谱计算精度与信号长度无关，采用快速计算方法FICP由N点互谱计算2N点相关波形，提高了相关波形的分辨率，使得时延估计精度得以提高。对实测直升机飞行噪声和导弹噪声计算了不同取样长度和不同采样率下的时延估计，得出了谱分辨率越高，时延估计精度越高的结论。     

煤田隐伏断层的超低频频谱特征研究

利用超低频电磁探测技术开展煤田隐伏断层超前探测研究目前仍处于探索阶段,但该技术在煤矿生产设计方面具有较强的实际意义。本文首先通过实地布设测线,采集超低频电磁探测信号,利用小波变换对超低频信号进行频谱分析,去除高频噪声;然后,分析横穿断层的测线剖面图,进行地质解译,研究隐伏断层的超低频频谱特征;最后,结合研究区地质和地震资料,对比验证矿区断层构造的特征与分布。结果表明：超低频电磁探测能快速探明隐伏断层信息,是一种辅助探测煤田隐伏断层的有效方法。     

基于小波变换的紫外光通信信号工频干扰去除方法研究

在无线紫外光通信系统中,日光灯等会对系统产生工频干扰,干扰会以正弦波形式叠加到经光电倍增管接收的有用信号上,并对后续的抽样判决产生影响。首先分析了小波变换去除工频干扰噪声的原理,给出了基于接收信号波形计算信噪比的方法,并基于该方法对小波变换的去工频性能进行了分析,最后讨论了小波去除工频干扰时最优小波基的选取问题。频谱分析表明,小波变换可有效消除100 Hz和200 Hz的工频干扰,当小波基选为sym40时小波去除工频干扰的性能最好,去噪后信噪比为12.22 dB。     

基于Nuttall窗三谱线插值的激光多普勒信号处理方法研究

快速傅里叶变换(FFT)是主要的激光多普勒测速系统信号处理方法,由于受到频谱泄露和栅栏效应的影响,其处理精度并不理想。基于Nuttall窗三谱线插值法的激光多普勒信号处理方法就是一种好的处理方法,它可以有效地抑制频谱泄漏和栅栏效应,改善信号分析精度,提高速度测量精度。由于Nuttall四项余弦窗的能量集中在主瓣,旁瓣非常小,因此加Nuttall四项余弦窗的FFT三谱线插值算法能够极大地减小频谱泄漏的影响,谱间干扰也很小,能很好地减小频谱泄漏和栅栏效应。