[发明专利]调适性信号的时频分析装置及其方法

说明书

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。此外，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。