非平穩(wěn)信號聯(lián)合時頻分析方法的若干問題研究與應(yīng)用.pdf

1、自然界中廣泛存在著各種形式各異，性質(zhì)不同的非平穩(wěn)信號。如何對這些信號進行有效地分析，并給出其參數(shù)的估計，是測試領(lǐng)域的專家學(xué)者研究的熱門話題之一。 傳統(tǒng)的信號分析方法從單一的時域或頻域?qū)π盘栠M行描述，然而對于非平穩(wěn)信號，其參數(shù)隨時間在不斷變化。因此，單一的時域或頻域的分析法不能對其進行有效的處理。 聯(lián)合時頻分析(Time-Frequency Joint Analysis，TFJA)是非平穩(wěn)信號分析的有效方法。時頻分析改變了

2、傳統(tǒng)的單一的從時域或頻域(如：傅立葉變換)表征信號特征的思路，而同時從時頻域聯(lián)合分析的角度來對信號進行研究。從時頻域同時分析非平穩(wěn)信號得到的信息與非平穩(wěn)信號一階或高階統(tǒng)計量隨時間變化的基本特征相吻合，從而可以有效提取非平穩(wěn)信號參數(shù)的時變特征。 本文在研究了典型的時頻表示方法的基礎(chǔ)上，針對不同非平穩(wěn)信號的不同分析方法，從以下幾個方面進行了研究和探討： (1)短時傅立葉變換分析有限帶寬非平穩(wěn)信號的混疊問題研究首先討論了短時傅

3、立葉變換(Short Time Fourier Transform，STFT)分析非平穩(wěn)信號的針對性，討論了STFT分析有限帶寬非平穩(wěn)信號的有效性。 文中針對STFT分析有限帶寬非平穩(wěn)信號過程中產(chǎn)生的混疊現(xiàn)象，研究了優(yōu)化抑制混疊干擾的算法。首先，深入研究了STFT分析非平穩(wěn)信號時混疊產(chǎn)生的物理本質(zhì)，從信號的有限和無限帶寬角度對信號進行劃分，并分別討論了混疊產(chǎn)生的原因。其次，文中研究了不同窗函數(shù)的分析性能。然后，通過對以漢明窗為基

4、礎(chǔ)的STFT在頻域內(nèi)通過插值算法實現(xiàn)了混疊的有效抑制。最終利用迭代的方法實現(xiàn)了算法的快速求解，并用仿真實例對算法進行了驗證。 (2)小波包變換的頻帶泄漏和振蕩問題研究首先分析了小波包變換分析非平穩(wěn)信號的特點，指出了其在提取非平穩(wěn)暫態(tài)信號特征時具有其他分析方法所不具有的優(yōu)勢。 文中針對小波包變換分析非平穩(wěn)暫態(tài)信號過程中，由于其時頻域基函數(shù)的非緊支性導(dǎo)致的頻帶泄漏問題，深入研究了基于時域優(yōu)化的泄漏抑制算法。該方法在保留小波包

5、函數(shù)頻域緊支性的前提下，通過改寫其表達式，提升其時域的緊支性能，可以有效抑制頻帶泄漏的發(fā)生。 (3)小波包變換中“有限數(shù)據(jù)長度效應(yīng)”問題研究由于小波包變換的“加窗”本質(zhì)，使其在對信號分析過程中，必然要進行數(shù)據(jù)的截斷。數(shù)據(jù)的截斷會造成“有限數(shù)據(jù)長度效應(yīng)”，導(dǎo)致變換結(jié)果的頻帶泄漏。 針對這一問題，根據(jù)Gibbs理論，本文研究了通過對小波包濾波器頻域插值的算法，從而抑制“有限數(shù)據(jù)長度效應(yīng)”。文中給出了插值算法的快速實現(xiàn)，討論了

6、插值點數(shù)的確定方法。 (4)Wigner-Hough變換(WHT)分析多分量線性調(diào)頻信號的輸出性能研究首先從WHT的本質(zhì)入手，深入分析了WHT在多份量線性調(diào)頻信號分析過程中的優(yōu)勢和不足。 針對Wigner-Hough變換分析多分量線性調(diào)頻信號(Multi-Components Linear Frequency Modulation Signal)過程中，由于信號輸入信噪比和信號采樣點數(shù)變化導(dǎo)致的變換輸出信噪比的惡化問題，

7、本文進行了深入研究。分析了輸入數(shù)據(jù)點數(shù)(data number)、輸入信號信噪比(Input SNR)和變換輸出信噪比(Output SNR)之間的聯(lián)系，得出了三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，研究使用PWV提高WHT變換輸入信噪比，建立了PWHT算法模型。同時，研究使用數(shù)據(jù)域插值提高PWHT變換可用數(shù)據(jù)點數(shù)的算法。 通過上述改進算法，有效改善了Wigner-Hough變換分析LFM信號輸出性能。 (5)優(yōu)化的時頻分析方法

8、在工程中的實際應(yīng)用結(jié)合工程項目實例，將本文的算法進行了有效應(yīng)用，具體包括： 其一：工業(yè)電機控制系統(tǒng)中電網(wǎng)電流電壓的非平穩(wěn)特征分析本小節(jié)中對于電機整流調(diào)速控制系統(tǒng)中由于整流系統(tǒng)和電機運行狀態(tài)的變化引起的電網(wǎng)電壓電流非平穩(wěn)信號進行分析。 通過第三章所述的小波包算法及其優(yōu)化過程，對電機整流調(diào)速控制系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓的暫降、電流的時變及其諧波成分進行了有效的分析。 其二：強噪聲背景下LFM信號的分析本小節(jié)對于工程實例中強噪聲