[发明专利]基于卡尔曼滤波器的信号实时时频谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能动态测控系统，尤其涉及一种基于卡尔曼滤波器的信号实时时频 谱生成系统。

背景技术

时频分析是通过设计时间和频率的联合函数来描述信号在不同时间和频率的能量密 度或强度。时间和频率的这种联合函数简称为时频分布。利用时频分布来分析信号，能给 出各个时刻的瞬时频率及其幅值，并且能够进行时频滤波和时变信号研究。对于时频分析 作为分析时变非平稳信号的有力工具，成为现代信号处理研究的一个热点，时频分析作为 一种新兴的信号处理方法，近年来受到越来越多的重视。在现代通讯、航空航天、装备制 造、医学等领域有广阔的应用前景。

信号时频处理方法主要有短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布、小波尺度分析等。 其中，短时傅里叶变换实质是分段FFT，其前提是信号在每个分段内平稳或基本平稳。为 了得到较高的频率分辨率，需要选择较大的窗长度，但是这却会影响到时域的分辨率，因 此，短时傅里叶变换不能同时满足时域和频域分辨率。Wigner-Ville分布在当信号只包 含单一的时频成分时，在时域和频域都能得到很高的分辨率，但在分析多频率成分信号时， 由于该信号为二次型变换，不可避免地会出现交叉项干扰。小波尺度分析虽然能够在一定 程度上改善上述干扰情况，但是小波尺度分析方法的时频分辨率会受到不确定性原理的限 制，因此利用小波尺度分析方法无法同时在时域和频域都得到很好的分辨率。

因此，如何能够将含有多成分的信号明显的区分出来，并且在时域和频域都能得到较 高的分辨率是目前时频分析领域中急需攻破的技术难题，解决该技术难题可以对后续的信 号处理带来了很大的便利，具有重大的实用价值和指导意义。

发明内容

针对上述现有技术，本发明运用卡尔曼滤波原理，提供一种基于卡尔曼滤波器的信号 实时时频谱仪，利用本发明频谱仪可以得到具有高分辨率且又无交叉项干扰的时频谱，从 而为后续的信号处理带来极大的便利。

为了解决上述技术问题，本发明基于卡尔曼滤波器的信号实时时频谱仪予以实现的技 术方案是：该时频谱仪包括传感器、A/D数据转换卡、处理器、控制面板、存储器和显示 器。所述处理器包括依次连接的预处理模块、预测模块、修正模块和平滑模块。通过控制 面板输入指令，将所述传感器获取的非平稳时变信号经过A/D数据转换卡进行采样和转换 后，依次经过预处理模块、预测模块、修正模块和平滑模块对信号采样点处的参数进行预 测、修正、平滑处理，通过运算后即可得到高分辨率的时频谱，最终在显示器上显示该时 频谱图。

本发明基于卡尔曼滤波器的信号实时时频谱仪，其中，所述预处理模块、预测模块、 修正模块和平滑模块分别是由运算放大器构成的模拟电路，所述运算放大器包括加法器、 减法器、乘法器、矩阵转置单元和矩阵求逆单元。其中，所述预处理模块运用最大似然法 对信号的白噪声方差σ²和参数的高斯随机噪声方差Q_r进行估计，并根据具体信号来确定 最佳阶数，在保证运算速度的前提下使拟合残差最小；所述预测模块用于根据上一采样点 处得到的参数来预测下一个采样点处的参数；所述修正模块用于根据卡尔曼增益对上一环 节得到的预测参数进行修正以提高参数的准确度；所述平滑模块用于对参数进行固定区间 平滑。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于本发明是基于卡尔曼滤波技术获得时频谱，非常适合非平稳时变信号的处理，得 到的时频谱分辨率高，并且没有交叉项干扰，能够将信号中不同成分清晰分辨出来。另外， 由于卡尔曼滤波中方差的不断更新，因此所需要的存储空间更小，处理速度也大为提高， 可以实现时频谱的实时生成。因而，本发明基于卡尔曼滤波器的信号实时时频谱仪能够对 信号进行实时、动态、连续的处理。

附图说明

图1是本发明基于卡尔曼滤波器的信号实时时频谱仪的构成框图；

图2是传感器采集到的原始信号图；

图3是图2所示信号经本发明时频谱仪处理后得到的时频谱图；

图4是利用本发明时频谱仪生成高分辨率时频谱图的流程图；

图5为图1中所示修正模块模拟电路的逻辑原理图。

说明书附图中附图标记说明如下：

1.传感器，2.A/D数据转换卡，3.预处理模块，4.预测模块，5.修正模块，6.存储器， 7.平滑模块，8.显示器。

具体实施方式