本申請(qǐng)涉及信號(hào)處理，尤其涉及一種差分譜驅(qū)動(dòng)的短時(shí)傅里葉窗長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法、裝置及存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、時(shí)頻分析（time-frequency?representation，tfr）能夠?qū)⒁痪S的時(shí)域信號(hào)變換為二維的時(shí)頻域信號(hào)。目前，時(shí)頻分析已經(jīng)在生物編碼序列識(shí)別、地震電信號(hào)分析、故障檢測(cè)、干擾監(jiān)測(cè)等多個(gè)信號(hào)處理場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。然而，時(shí)頻分析的結(jié)果受限于海森堡不確定性原理，信號(hào)的時(shí)域分辨率和頻域分辨率不可能同時(shí)達(dá)到最佳，時(shí)域分辨率提升的代價(jià)是頻域分辨率的下降，反之亦然。

2、為同時(shí)兼顧時(shí)域分辨率和頻域分辨率并在二者之間作出較好的折衷，不少時(shí)頻分析方法相繼被提出。其中，短時(shí)傅里葉變換（short?time?fourier?transform，stft）作為一種簡(jiǎn)單有效的線性時(shí)頻分析工具，長(zhǎng)期以來(lái)備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)短時(shí)傅里葉變換由于其固定的時(shí)頻分辨率，在處理非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)存在局限性。為了克服這一限制，優(yōu)化窗口長(zhǎng)度以提升短時(shí)傅里葉變換的性能成為了研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者針對(duì)此問(wèn)題提出自適應(yīng)短時(shí)傅里葉變換（adaptive?short?time?fourier?transform，astft）。

3、自適應(yīng)短時(shí)傅里葉變換能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整窗口大小，靈活適應(yīng)信號(hào)的局部時(shí)頻特性，提供更好的時(shí)頻表示。然而，目前的astft算法仍存在以下缺點(diǎn)：大多數(shù)方法只能從有限的窗口集合中選擇相對(duì)合適的窗口，此外，在對(duì)窗口參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中計(jì)算復(fù)雜度較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種復(fù)雜度低、能夠自適應(yīng)性地調(diào)整變換窗長(zhǎng)的差分譜驅(qū)動(dòng)的短時(shí)傅里葉窗長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，所述方法包括：確定自適應(yīng)窗長(zhǎng)的初始值；基于所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)對(duì)待分析信號(hào)的第一幀進(jìn)行變換，得到所述第一幀對(duì)應(yīng)的幅值譜；基于所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)對(duì)所述待分析信號(hào)的第二幀進(jìn)行變換，得到所述第二幀對(duì)應(yīng)的幅值譜，其中，所述第二幀和所述第一幀之間存在預(yù)設(shè)比例的重疊；基于所述第二幀對(duì)應(yīng)的幅值譜和所述第一幀對(duì)應(yīng)的幅值譜，確定所述第二幀和所述第一幀之間的差分譜，基于所述差分譜更新所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)；基于更新后的自適應(yīng)窗長(zhǎng)依次對(duì)所述待分析信號(hào)的剩余幀進(jìn)行變換，在每次變換之后，根據(jù)最新變換的兩幀之間的差分譜再次更新所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)，其中，各相鄰幀之間存在所述預(yù)設(shè)比例的重疊；在所述待分析信號(hào)的全部幀變換完成的情況下，生成時(shí)頻分析結(jié)果。

2、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述基于所述第二幀對(duì)應(yīng)的幅值譜和所述第一幀對(duì)應(yīng)的幅值譜，確定所述第二幀和所述第一幀之間的差分譜，包括：分別對(duì)所述第二幀的幅值譜和所述第一幀的幅值譜進(jìn)行歸一化處理，得到所述第二幀對(duì)應(yīng)的第二標(biāo)準(zhǔn)值以及所述第一幀對(duì)應(yīng)的第一標(biāo)準(zhǔn)值；計(jì)算所述第二標(biāo)準(zhǔn)值與所述第一標(biāo)準(zhǔn)值的差值，得到所述第二幀和所述第一幀之間的差分譜。

3、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述基于所述差分譜更新所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)，包括：提取所述差分譜的最大值；比較所述最大值與頻率變化閾值的大小關(guān)系，基于所述大小關(guān)系對(duì)所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)進(jìn)行更新。

4、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述基于所述大小關(guān)系對(duì)所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)進(jìn)行更新，包括：在所述最大值大于所述頻率變化閾值的情況下，減小所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)；在所述最大值小于所述頻率變化閾值的情況下，增大所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)；在所述最大值等于所述頻率變化閾值的情況下，不改變所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)。

5、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述根據(jù)最新變換的兩幀之間的差分譜再次更新所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)之前，包括：獲取當(dāng)前變換幀的幅值譜，以及上一幀的幅值譜；基于所述當(dāng)前變換幀的幅值譜和所述上一幀的幅值譜，計(jì)算最新變換的兩幀之間的差分譜。

6、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述確定自適應(yīng)窗長(zhǎng)的初始值，包括：獲取時(shí)頻分析的采樣率和掃頻速率；

7、基于以下公式確定所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)的初始值，

8、；

9、其中，表示所述掃頻速率，表示所述采樣率，表示窗函數(shù)長(zhǎng)度；

10、選擇符合所述窗函數(shù)長(zhǎng)度范圍的值作為所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)的初始值。

11、本申請(qǐng)還提供一種差分譜驅(qū)動(dòng)的短時(shí)傅里葉窗長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整裝置，所述裝置包括：確定模塊，用于確定自適應(yīng)窗長(zhǎng)的初始值；第一變換模塊，用于基于所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)對(duì)待分析信號(hào)的第一幀進(jìn)行變換，得到所述第一幀對(duì)應(yīng)的幅值譜；第二變換模塊，用于基于所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)對(duì)所述待分析信號(hào)的第二幀進(jìn)行變換，得到所述第二幀對(duì)應(yīng)的幅值譜，其中，所述第二幀和所述第一幀之間存在預(yù)設(shè)比例的重疊；更新模塊，用于基于所述第二幀對(duì)應(yīng)的幅值譜和所述第一幀對(duì)應(yīng)的幅值譜，確定所述第二幀和所述第一幀之間的差分譜，基于所述差分譜更新所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)；第三變換模塊，用于基于更新后的自適應(yīng)窗長(zhǎng)依次對(duì)所述待分析信號(hào)的剩余幀進(jìn)行變換，在每次變換之后，根據(jù)最新變換的兩幀之間的差分譜再次更新所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)，其中，各相鄰幀之間存在所述預(yù)設(shè)比例的重疊；生成模塊，用于在所述待分析信號(hào)的全部幀變換完成的情況下，生成時(shí)頻分析結(jié)果。

12、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述更新模塊，還用于：分別對(duì)所述第二幀的幅值譜和所述第一幀的幅值譜進(jìn)行歸一化處理，得到所述第二幀對(duì)應(yīng)的第二標(biāo)準(zhǔn)值以及所述第一幀對(duì)應(yīng)的第一標(biāo)準(zhǔn)值；計(jì)算所述第二標(biāo)準(zhǔn)值與所述第一標(biāo)準(zhǔn)值的差值，得到所述第二幀和所述第一幀之間的差分譜。

13、在一個(gè)實(shí)施方式中，所述更新模塊，還用于：提取所述差分譜的最大值；比較所述最大值與頻率變化閾值的大小關(guān)系，基于所述大小關(guān)系對(duì)所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)進(jìn)行更新。

14、本申請(qǐng)還提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施方式的方法的步驟。

15、本申請(qǐng)?zhí)峁┑牟罘肿V驅(qū)動(dòng)的短時(shí)傅里葉窗長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，采用信號(hào)局部幅值譜的變化作為頻率變化的指示，避免了直接頻率估計(jì)所需的高計(jì)算成本和復(fù)雜算法，使得整個(gè)過(guò)程更加簡(jiǎn)便高效。通過(guò)差分譜的形式評(píng)估相鄰時(shí)間點(diǎn)之間的幅值差異，可以有效地識(shí)別出信號(hào)中的快速變化部分與相對(duì)平穩(wěn)的部分，從而動(dòng)態(tài)地為每個(gè)時(shí)間點(diǎn)選擇合適的窗長(zhǎng)。此外，本文提出的方法允許在最佳窗長(zhǎng)附近存在一定范圍的選擇自由度，在降低計(jì)算負(fù)擔(dān)的同時(shí)確保了時(shí)頻表示的質(zhì)量。

技術(shù)特征：

1.一種差分譜驅(qū)動(dòng)的短時(shí)傅里葉窗長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第二幀對(duì)應(yīng)的幅值譜和所述第一幀對(duì)應(yīng)的幅值譜，確定所述第二幀和所述第一幀之間的差分譜，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述差分譜更新所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述大小關(guān)系對(duì)所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)進(jìn)行更新，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)最新變換的兩幀之間的差分譜再次更新所述自適應(yīng)窗長(zhǎng)之前，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定自適應(yīng)窗長(zhǎng)的初始值，包括：

7.一種差分譜驅(qū)動(dòng)的短時(shí)傅里葉窗長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整裝置，其特征在于，所述裝置包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述更新模塊，還用于：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述更新模塊，還用于：

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及一種差分譜驅(qū)動(dòng)的短時(shí)傅里葉窗長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法、裝置及存儲(chǔ)介質(zhì)。該方法包括：確定自適應(yīng)窗長(zhǎng)的初始值；基于自適應(yīng)窗長(zhǎng)對(duì)待分析信號(hào)的第一幀進(jìn)行變換，得到第一幀對(duì)應(yīng)的幅值譜；基于自適應(yīng)窗長(zhǎng)對(duì)待分析信號(hào)的第二幀進(jìn)行變換，得到第二幀對(duì)應(yīng)的幅值譜，其中，第二幀和第一幀之間存在預(yù)設(shè)比例的重疊；基于第二幀對(duì)應(yīng)的幅值譜和第一幀對(duì)應(yīng)的幅值譜，確定第二幀和第一幀之間的差分譜，基于差分譜更新自適應(yīng)窗長(zhǎng)；基于更新后的自適應(yīng)窗長(zhǎng)依次對(duì)待分析信號(hào)的剩余幀進(jìn)行變換，在每次變換之后，再次更新自適應(yīng)窗長(zhǎng)；在待分析信號(hào)的全部幀變換完成的情況下，生成時(shí)頻分析結(jié)果。本申請(qǐng)能夠快速、準(zhǔn)確地獲取信號(hào)的時(shí)頻特性。

技術(shù)研發(fā)人員：賀銀輝,李柏渝,趙小宇,陽(yáng)湘源,魯祖坤,劉文祥,肖偉,宋捷,李相君,劉嘉俊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15