專利名稱：調適性信號的時頻分析裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種信號的時頻分析方法及裝置，且特別涉及一種有關于處理非線性、非穩(wěn)態(tài)信號的時頻分析方法及裝置。
背景技術：
黃鍔等人提出的希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform, HHT)，可以作為分析非線性、非穩(wěn)態(tài)信號的可行及有效的方法。HTT分為兩個主要部分。首先，通過篩選 (sifting)程序對一信號進行經驗模態(tài)分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)以求得一些本質模態(tài)函數(Intrinsic Mode Function, IMF)或簡稱模態(tài)；接著，對各個本質模態(tài)函數進行希爾伯特變換，將此信號表達為時間及頻率的函數，以便產生希爾伯特振幅頻譜 (或簡稱希爾伯特頻譜)，能得以平面或三維圖式呈現(xiàn)振幅在頻率及時間平面上的分布。此夕卜，上述振幅的平方表能量密度可用以產生希爾伯特能量頻譜。分析人員通過上述的分析方法，可以對各種現(xiàn)象所產生的非線性、非穩(wěn)態(tài)的信號進行分析及意義。但是，HHT亦有關鍵的問題有待解決。例如EMD所求出的IMF可能產生有關低頻的模態(tài)混迭、失真的問題。換句話說，模態(tài)混迭就失去本質模態(tài)的意義。如此，具有模態(tài)混迭的本質模態(tài)的情況下，后續(xù)的希爾伯特頻譜呈現(xiàn)的結果及對其解讀的正確性會受到嚴重的影響。此外，希爾伯特變換已知的做法是通過快速傅立葉變換及逆快速傅立葉變換為基礎的處理程序，以獲得各數據點的瞬時頻率與振幅。此程序十分費時，并不能滿足對于需要快速反應的應用場合。最重要的是，希爾伯特變換已知作法是假設信號為線性、穩(wěn)態(tài)。不管在理論或實務上，都不能運用希爾伯特變換在真實的信號處理上，尤其已知是非線性的信號。根據Doppler的基礎理論，入射波在具有運動速度的物體表面產生回波的頻率會與與其速度成正比。因此Doppler頻移是進行非接觸的速度測量重要信號。要計算Doppler 頻移，就必須精密解析入射波與回波的頻率差異。過去采用FFT的技術，會遇到兩個困難。 第一是回波是非線性問題，第二是回波是非穩(wěn)態(tài)信號。這些問題都是造成FFT為基礎的 Doppler效能較差(時間與速度解析度不佳)的原因。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及一種調適性信號的時頻分析裝置及其方法，適用于有關于處理非線性、非穩(wěn)態(tài)信號的時頻分析。根據本發(fā)明的一方面，提出一種調適性信號的時頻分析方法，包括以下步驟。尋找一信號的一模態(tài)的多個極值位置。依據信號極值位置，估算每一個極值之間的平均頻率以及其對應的平均能量分配。依據每一個極值之間的平均能量分配，以最佳化方式估算信號的完整瞬時能量分配。最后采用信號的完整瞬時能量分配估算其瞬時頻率。根據本發(fā)明的另一方面，提出一種計算機可讀取介質，當電子裝置載入此計算機可讀取介質并執(zhí)行后，可達成上述的調適性信號時頻分析方法。根據本發(fā)明的另一方面，提出一種調適性信號的時頻分析裝置，包括一輸入單元、 一存儲單元、一處理模塊、以及一輸出單元。輸入單元用以讀取一信號。存儲單元用以存儲此信號的一數據信號。處理模塊用以據此數據信號決定估算的瞬時能量分配及估算的瞬時頻率。輸出單元用以輸出此估算的瞬時能量分配及估算的瞬時頻率。針對數據信號，處理模塊決定數據信號的多個極值位置，并據以決定多個估算的平均頻率及估算的平均能量分配。處理模塊依據數據信號及估算的平均能量分配，通過一最佳化處理以決定對應數據信號的估算的瞬時能量分配及估算的瞬時頻率。根據本發(fā)明的再一方面，提出一種調適性信號的時頻分析裝置，包括一尋找極值模塊、一初步估算模塊以及一最佳化估算模塊。尋找極值模塊用以尋找一信號的多個極值位置。初步估算模塊，依據此信號及這些極值位置，決定多個估算的平均頻率及估算的平均能量分配。最佳化估算模塊，用以依據此信號及此估算的平均能量分配，通過一最佳化處理以決定估算的瞬時能量分配及估算的瞬時頻率。根據本發(fā)明的再一方面，提出一種調適性信號的時頻分析系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括一第一信號時頻分析裝置、一第二信號時頻分析裝置以一比較單元。第一信號時頻分析裝置，用以尋找一第一信號的多個極值位置并據以通過一最佳化處理以估算該信號的瞬時能量分配，并據以決定第一信號的估算的瞬時頻率，并據以決定第一信號的瞬時能量分配以及瞬時角速度信息。第二信號時頻分析裝置，用以尋找一第二信號的多個極值位置并據以通過最佳化處理以估算第二信號的瞬時能量分配，并據以決定第二信號的估算的瞬時頻率，并據以決定第二信號的瞬時能量分配以及瞬時角速度信息。比較單元，用以依據第一信號及第二信號的瞬時角速度信息，決定第一信號及第二信號的瞬時多普勒頻移。為讓上述內容及其他方面能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖，作詳細說明如下


圖1繪示依據一第一實施例的一調適性信號的時頻分析其方法。圖2A繪示一信號的一模態(tài)的例子。圖2B-圖2C分別繪示依據第一實施例針對圖2A的一模態(tài)決定估算的瞬時頻率、 估算的瞬時能量的示意圖。圖2D是針對圖2C的估算的瞬時能量作經最佳化后所得的瞬時能量的示意圖。圖3繪示用以調適性信號的時頻分析裝置300的一實施例的方塊圖。圖4繪示用以作快速希爾伯特變換模塊的一實施例的方塊圖。圖5A繪示依據第二實施例的應用調適性信號的時頻分析方法于多普勒頻移處理的一例的流程圖。圖5B繪示依據圖5A的方法的調適性信號的時頻分析系統(tǒng)的方塊圖之一例。圖6A繪示依據第二實施例的應用調適性信號的時頻分析方法于多普勒頻移處理的一第二例的流程圖。圖6B繪示依據圖6A的方法的調適性信號的時頻分析系統(tǒng)的方塊圖的一實施例。圖7繪示依據第二實施例所得的瞬時頻譜及瞬時能量圖的一例子。
主要元件符號說明300 調適性信號的時頻分析裝置310 輸入單元320 處理模塊330 輸出單元340 存儲單元400 快速希爾伯特變換模塊410 尋找極值模塊 420 初步估算模塊430 最佳化估算模塊500,600 調適性信號的時頻分析系統(tǒng)510、630 前置處理單元540、640 信號的時頻分析裝置610:信號接受單元 650:比較單元1001 低頻項的多普勒信號1003 高頻項的發(fā)射波信號S10、S20、S40、S120-S150、S510-S530、S610-S630 步驟
具體實施例方式以下公開的實施例有關于調適性信號的時頻分析裝置及其方法，適用于有關于處理非線性、非穩(wěn)態(tài)信號的分析。一實施例中，提出調適性信號的時頻分析裝置及其方法，依據信號的模態(tài)以估算瞬時頻率及瞬時能量分配。一實施例則將上述實施例應用于多普勒頻移信號處理以求得欲知的瞬時物理量數值。上述實施例應用于一維信號，還可擴展至多維信號。以下實施例皆能以計算機程序、一般處理器、或專屬的電路實施。中央大學數據中心，提出希爾伯特變換(Hilbert "Transform，HT)的改良，稱為 「直接正交」(HT by direct quadrature)，來符合時頻的計算。此技術目前宣稱可運用在非線性與非穩(wěn)態(tài)。它是一套數值方法直接估算信號的完整瞬時能量分配。最后采用信號的完整瞬時能量分配估算其瞬時頻率。估算的原理是通過信號的極值位置與大小作為控制點， 并不考慮其它數據的信息。本申請發(fā)明人提出以下實施例，除了既有的控制點之外，考慮到其它的信息，最佳化處理加以約束以達到合理、可靠的估測。第一實施例本實施例提出調適性信號的時頻分析裝置及其方法，依據信號的模態(tài)以估算瞬時頻率及瞬時能量分配。本實施例的方法，首先尋找一待分析的信號的多個極值位置。依據這些極值位置，通過一最佳化處理以估算信號的瞬時能量分配，并依據估算的瞬時能量分配， 決定估算的瞬時頻率。請參照圖1繪示的一調適性信號的時頻分析方法的例子。本實施例假設待分析的信號是為符合進行希爾伯特變換的信號，即信號在中心線(例如0或平均值) 附近振蕩，也就是說極大值位于中心線以上以及其極小值位于中心線以下。因為模態(tài)能滿足上述條件，故為方便討論，以一維信號(或數據組)的一模態(tài)y(t)為例作說明。此外，在其他實施例，還可推展應用于多維信號。如步驟SlO所示，待分析的信號為一模態(tài)y (t)，尋找此模態(tài)的多個極值位置。請參考圖2A所示，模態(tài)極大值與極小值通常是配對出現(xiàn)，如一極大值之后接著出一個極小值， 反之亦然。步驟SlO找出極值位置模態(tài)y(t)所對應的時間(即自變量)的數值，(Ma^，Min0)、(Max1, Min1). . · (Maxn, Minn)，其中Max0, Min0代表第一組極大值與極小值的時間坐標。依據上述這些極值位置，通過一最佳化處理以估算信號的瞬時能量分配，并依據估算的瞬時能量分配，決定估算的瞬時頻率。以下分別以初步估算及最佳化為例說明。如步驟S20所示，初步估算依據模態(tài)及這些極值位置，決定多個估算的平均頻率及估算的平均能量分配，如子步驟S120及S130。在子步驟S120中，依據這些極值位置，決定多個估算的平均瞬時頻率。例如利用越零點頻率(Zero Crossing Frequency)為y (t) 的平均頻率的觀點，粗估y(t)所有數據點的極值之間的平均瞬時頻率ω (t)。例如圖2B 所示，利用相鄰兩極大值及極小值的時間坐標來決定此兩時間坐標之間估算的平均瞬時頻率
權利要求
1.一種調適性信號時頻分析方法，包括a.尋找一信號的多個極值位置；以及b.依據這些極值位置，通過一最佳化處理以估算該信號的瞬時能量分配，并依據該信號的估算的瞬時能量分配，決定估算的瞬時頻率。
2.如權利要求1所述的方法，其中該最佳化處理為一最小平方法。
3.如權利要求2所述的方法，其中該最小平方法利用最佳化云弧曲線插值，并使用二次、三次或多次曲線的內插法進行。
4.如權利要求1所述的方法，其中該步驟b包括依據這些極值位置，決定多個估算的平均瞬時頻率；以及依據這些估算的平均瞬時頻率，決定估算的平均能量分配。
5.如權利要求4所述的方法，其中這些估算的平均瞬時頻率依據這些極值位置基于越零點頻率定義而決定。
6.如權利要求5所述的方法，其中該估算的平均能量分配依據該信號及這些估算的平均瞬時頻率而決定。
7.如權利要求4所述的方法，其中該步驟b還包括依據該估算的平均能量分配，通過該最佳化處理以決定估算的瞬時能量分配； 依據該估算的瞬時能量分配，決定估算的瞬時頻率。
8.如權利要求7所述的方法，其中該估算的瞬時頻率依據該信號及該估算的瞬時能量分配而決定。
9.如權利要求1所述的方法，其中該信號具有多普勒頻移信息，該方法還包括依據該瞬時能量分配及該估算的瞬時頻率，決定瞬時流速、平均流速以及能量加權流速。
10.如權利要求9所述的方法，其中該信號為一混合信號的一模態(tài)。
11.如權利要求1所述的方法，其中該信號為一回波的信號，該方法還包括c.依據該瞬時能量分配及該估算的瞬時頻率，決定該回波的瞬時能量分配以及瞬時角速度信息。
12.如權利要求11所述的方法，該方法還包括al.針對一發(fā)射波的信號，尋找該發(fā)射波的信號的多個極值位置； bl.依據這些極值位置，通過一最佳化處理以估算該發(fā)射波的信號的瞬時能量分配，并依據該發(fā)射波的信號的估算的瞬時能量分配，決定估算的瞬時頻率；cl.針對該發(fā)射波的信號從該步驟bl所得的該瞬時能量分配及該估算的瞬時頻率，決定該發(fā)射波的瞬時能量分配以及瞬時角速度信息；以及d.依據該發(fā)射波及該回波的瞬時角速度信息，決定瞬時多普勒頻移。
13.一種計算機可讀取介質，當該電子裝置載入該計算機可讀取介質并執(zhí)行后，可實現(xiàn)權利要求1至12中的任一項所述的方法。
14.一種調適性信號的時頻分析裝置，該裝置包括 一輸入單元，用以讀取一信號；一存儲單元，用以存儲該信號的一數據信號；一處理模塊，用以據該數據信號決定估算的瞬時能量分配及估算的瞬時頻率；以及一輸出單元，用以輸出該估算的瞬時能量分配及估算的瞬時頻率； 其中針對該數據信號，該處理模塊決定該數據信號的多個極值位置； 該處理模塊依據該數據信號及這些極值位置，決定多個估算的平均頻率及估算的平均能量分配；該處理模塊依據該數據信號及該估算的平均能量分配，通過一最佳化處理以決定對應該數據信號的估算的瞬時能量分配及估算的瞬時頻率。
15.如權利要求14所述的裝置，其中該信號具有多普勒頻移信息，該處理模塊還依據該瞬時能量分配及該估算的瞬時頻率，決定瞬時流速、平均流速以及能量加權流速。
16.如權利要求15所述的裝置，其中該信號為一混合信號的一模態(tài)。
17.如權利要求14所述的裝置，其中該信號為一回波的信號，該處理模塊還依據該瞬時能量分配及該估算的瞬時頻率，決定該回波的瞬時能量分配以及瞬時角速度信息。
18.如權利要求17所述的裝置，其中該處理模塊還針對一發(fā)射波的信號，尋找該發(fā)射波的信號的多個極值位置； 依據這些極值位置，通過一最佳化處理以估算該發(fā)射波的信號的瞬時能量分配，并依據該發(fā)射波的信號的估算的瞬時能量分配，決定估算的瞬時頻率；針對該發(fā)射波的信號所得的該瞬時能量分配及該估算的瞬時頻率，決定該發(fā)射波的瞬時能量分配以及瞬時角速度信息；以及依據該發(fā)射波及該回波的瞬時角速度信息，決定瞬時多普勒頻移。
19.一種調適性信號的時頻分析裝置，該裝置包括 一尋找極值模塊，尋找一信號的多個極值位置；一初步估算模塊，依據該信號及這些極值位置，決定多個估算的平均頻率及估算的平均能量分配；一最佳化估算模塊，依據該信號及該估算的平均能量分配，通過一最佳化處理以決定估算的瞬時能量分配及估算的瞬時頻率。
20.如權利要求19所述的裝置，其中這些估算的平均瞬時頻率依據這些極值位置基于越零點頻率定義而決定。
21.如權利要求20所述的裝置，其中該估算的平均能量分配依據該信號及這些估算的平均瞬時頻率而決定。
22.如權利要求19所述的裝置，其中該估算的瞬時能量分配依據該估算的平均能量分配通過一最小平方法處理而決定。
23.如權利要求22所述的裝置，其中該估算的瞬時頻率依據該信號及該估算的瞬時能量分配而決定。
24.一種調適性信號的時頻分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一第一信號時頻分析裝置，用以尋找一第一信號的多個極值位置并據以通過一最佳化處理以估算該信號的瞬時能量分配，并據以決定該第一信號的估算的瞬時頻率，并據以決定該第一信號的瞬時能量分配以及瞬時角速度信息；一第二信號時頻分析裝置，用以尋找一第二信號的多個極值位置并據以通過該最佳化處理以估算該第二信號的瞬時能量分配，并據以決定該第二信號的估算的瞬時頻率，并據以決定該第二信號的瞬時能量分配以及瞬時角速度信息；一比較單元，用以依據該第一信號及該第二信號的瞬時角速度信息，決定該第一信號及該第二信號的瞬時多普勒頻移。
25.如權利要求M所述的系統(tǒng)，其中該最佳化處理為一最小平方法。
26.如權利要求25所述的系統(tǒng)，其中該最小平方法利用最佳化云弧曲線插值，并使用二次、三次或多次曲線的內插法進行。
27.—種物體流速信號的分析方法，包括a.取得含有多普勒頻移信息的該信號；b.針對該信號進行處理，以決定相對應的估算的瞬時能量分配及估算的瞬時頻率；以及c.根據該估算的瞬時能量分配與該估算的瞬時頻率，計算該物體的瞬間流速、平均流速或能量加權流速。
28.如權利要求27所述的方法，其中該步驟b是以快速希爾伯特變換進行處理，以決定該相對應的估算的瞬時能量分配及該估算的瞬時頻率。
29.如權利要求27所述的方法，其中該步驟b是以希爾伯特變換進行處理，以決定該相對應的估算的瞬時能量分配及該估算的瞬時頻率。
30.如權利要求觀所述的方法，其中該快速希爾伯特變換還包括 bl.尋找該信號的多個極值位置；b2.依據這些極值位置，決定多個估算的平均頻率及估算的平均能量分配；以及 b3.依據該信號及該估算的平均能量分配，通過一最佳化處理以決定該估算的瞬時能量分配及該估算的瞬時頻率。
31.如權利要求30所述的方法，其中該最佳化處理為一最小平方法，且該最小平方法利用最佳化云弧曲線插值，并使用二次、三次或多次曲線的內插法進行。
全文摘要
一種調適性信號的時頻分析裝置及其方法，適用于有關于處理非線性、非穩(wěn)態(tài)信號的分析。此方法包括以下步驟。尋找一信號的多個極值位置。依據信號極值位置，估算每一個極值之間的平均頻率以及其對應的平均能量分配。依據每一個極值之間的平均能量分配，以最佳化方式決定信號的估算的瞬時能量分配。最后采用信號的估算的瞬時能量分配以估算其瞬時頻率。
文檔編號H04L25/03GK102457449SQ20101052619
公開日2012年5月16日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權日2010年11月1日
發(fā)明者包舜華, 楊杰能, 邵耀華 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院