Filtering in fractional Fourier domains and their relation to chirp transforms

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基于聚类分析的分数阶Fourier变换信号分离与检测

基于聚类分析的分数阶Fourier变换信号分离与检测

基于聚类分析的分数阶Fourier变换信号分离与检测分数阶Fourier变换(Fractional Fourier Transform,简称FrFT)是一种新兴的信号处理方法,广泛应用于语音识别、图像处理和信号分离中。

聚类分析是又一种经典的数据分析方法,基于聚类分析可以有效的将信号分离出来,为信号的检测提供重要的支持。

本文旨在探讨基于聚类分析的分数阶Fourier变换信号分离与检测的相关内容。

首先,介绍分数阶Fourier变换的基本原理。

FrFT是基于傅里叶变换的一种广义变换,可以对信号进行多种角度的频域转换,这些角度可以通过选择FrFT的特定参数来控制。

在信号分离与检测中,选择合适的FrFT参数可以有效提取信号的不同特征,实现信号的区分和分离。

其次,介绍聚类分析的基本原理及其在信号分离中的应用。

聚类分析是将一组对象划分为若干个类别的过程,目标是让同一类别内的对象越接近,不同类别之间的距离越远。

在信号分离中,可以将不同特征的信号分别聚类,从而实现信号的有效分离与提取。

基于以上原理,可以将基于聚类分析的FrFT信号分离与检测分为以下几个步骤:1. 数据预处理:对原始数据进行去噪、降采样等处理,以提高信号处理的效果。

2. FrFT变换:选择合适的FrFT参数,对数据进行多角度的频域转换,得到多个FrFT系数。

3. 聚类分析:根据FrFT系数的不同特征,将信号分为若干个类别,并对不同类别的信号进行分离和提取。

4. 信号检测:利用模型拟合、模式识别等方法,对信号进行检测和分类,从而实现信号的自动化处理。

综上所述,基于聚类分析的分数阶Fourier变换信号分离与检测是一种基于新兴的信号处理方法,可在多种领域内实现信号处理和分类,如语音识别、图像处理等。

该方法不仅能够提高信号处理的效果,同时对于解决实际问题具有重要的应用价值。

分数阶Fourier变换与新型时频滤波器设计

分数阶Fourier变换与新型时频滤波器设计

分数阶Fourier变换与新型时频滤波器设计闫格;刘开华;罗蓬;吕西午【摘要】To realize ,the lossless recovery of non-stationary signal in complicated noise environment, a novel design method based on fractional Fourier transform of time-frequency filter is proposed, in which the time-fre- quency distribution of incident signal is obtained by Gabor transform first, and then based on support vector machine (SVM) and technique of image segmentation, the regions of signal and noise on the time-frequency plane are separated and the optimal separating line is drawn, finally the order number and transfer function of the time-frequency filter can be determined by the optimal separating line equation. For the case of linearly in- separable signal and noise time-frequency distribution, the pieeewise linear fitting based on global least square criterion is performed to the separating curved line, and the parallel filter banks are constructed from the linear fitting equation. To meet the real-time requirement in engineering application, the computational complexity was optimized, and the simulation results demonstrated the validity of this method.%为了无失真地恢复复杂噪声环境中的非平稳信号,提出一种新型分数阶Fourier变换时频滤波器设计方法.该方法先利用Gabor变换得到信号在时频域的分布状况,然后用支撑向量机(SVM)分类算法结合图像分割得到分离时频图像上信号和噪声区域所需的最优分类线,最后用此最优分类线方程确定时频滤波器的阶数和传递函数.在信号和噪声时频域线性不可分的情况下,对SVM分类曲线进行了全局最小二乘分段线性拟合,然后根据拟合生成的方程构造并行多阶滤波器组.为满足实际应用中实时性的要求,对算法的计算复杂度进行了优化.计算机仿真结果验证了该方法的有效性.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2012(044)009【总页数】6页(P138-143)【关键词】时频滤波;Gabor变换;图像分割;支持向量机;分数阶Fourier变换【作者】闫格;刘开华;罗蓬;吕西午【作者单位】天津大学电子信息工程学院,天津300072;天津大学电子信息工程学院,天津300072;天津大学电子信息工程学院,天津300072;天津大学电子信息工程学院,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TN911.72现今非平稳信号处理是现代信号处理领域一个重要分支,尤其是非平稳信号的滤波技术,一直是学术界研究的热点.由于非平稳信号的频率分布具有时变特性,因此无法单独在时域或频域上对信号进行滤波处理.近年来,随着时频分析理论的蓬勃发展[1-3],尤其是离散分数阶 Fourier变换(fractional Fourier transform,FrFT)在数字信号处理中的应用,使得新型时频滤波器设计有了新的解决方案.FrFT 作为Fourier变换的广义形式,可以描述为时频平面的旋转算子[4]在统一的时频域上对信号进行分析.利用该特点,时频滤波器的设计[5-6]中可以采用FrFT 技术实现对非平稳信号的参数检测和估计及某些形式的干扰和噪声的消除.在文献[7]和[8]中,提出了基于最小均方误差准则的分数阶Fourier域最优滤波算法.在文献[9]中,给出了分数阶Wiener滤波算子的离散化求解算法.然而,这些算法是现代滤波器设计理论在分数阶Fourier域上的延伸和推广,在设计时需要信号和噪声的统计先验知识,并且只局限于单个旋转角度上的滤波.在文献[10]中,利用Fr-FT的旋转可加性,实现了多个阶次上的迭代滤波.但该方法运算复杂且无法保证迭代过程收敛到全局最优解.文献[11]中,利用时频变换先确定时频滤波器阶次和传递函数,然后将分数阶Fourier域滤波器等效于时频面上的一条分类线.此方法为时频滤波器设计提供了良好的思路,但在文献中没有提出具体的设计方法和合理的分类线选择依据.本文提出了一种新型FrFT时频滤波器设计方法.该方法根据信号和噪声的时频分布采用Gabor变换(Gabor transform,GT)、图像分割、支持向量机(support vector machine,SVM)等技术,自动地获取区域间的分类线,然后根据分类线方程确定时频滤波器的参数.该方法设计过程无需任何信号和噪声的统计先验知识,且能够保证滤波器的最优性能.在信号和噪声的形式、强度、分布均未知的情况下,该方法依然适用,具有良好的可靠性和通用性.对任意信号s(t),旋转角度为α的FrFT定义为[4]式中:定义 FrFT 的阶为p;α =pπ/2,Kα(t,u)为变换的核函数,则有一般称u域为分数阶Fourier变换域,其中α=0与α=π/2分别表示信号的时域和频域.FrFT可以被描述为时频面上的旋转算子,即1个信号的FrFT的Wigner分布(Wigner distribution,WD)是原信号Wigner分布的坐标旋转形式,用公式表示为式中WD定义为考虑一组含有加性噪声的非平稳信号x(t)=s(t)+n(t).其中s(t)和n(t)分别表示有用的非平稳信号和加性噪声,假设其时频分布如图1所示.可以看到有用信号和噪声在时域和频域同时存在耦合但不交叠,即无法单独通过时域或频域滤波完全滤除噪声,但由于两者的封闭性可通过切割分离.利用FrFT将坐标轴旋转到合适的角度,构造分数阶Fourier域滤波器即可实现噪声的完全滤除和信号的无失真恢复.该滤波器可以表示为式中r(t)为恢复信号,H(u)为时频滤波器传递函数.可将式(1)所示的时频滤波器等效于时频面上的一条分类线,有用信号和噪声的分布区域可以通过该分类线完全分离.时频滤波器的变换阶次p可以由所得分类线的斜率k确定,即p=-2arccot k/π,而滤波器的截止频率u0等于原点到分类线的距离.对于更加一般的信号分布,需要将时频平面多次旋转才能逐步消除信号和噪声的耦合.此时可将单阶时频滤波器扩展为连续变化阶次的时频滤波器组,即显然,分数阶Fourier域滤波器的设计重点是有用信号和噪声区域间的时频分类线的确定方法.通过图1可以看出,能够将两个区域完全分离的直线不具备唯一性.因此,如何制定约束条件,并根据信号和噪声的分布,寻找一条最优的分类线将成为分类线确定方法的关键.为了在时频面上准确定位各信号和噪声分量,需要对观测信号进行时频变换.本文通过计算信号的Gabor变换获取信号和噪声的时频分布,即由于GT是一种线性变换,不受交叉项干扰,对于观测信号x(t)=s(t)+n(t),有通过Gabor变换,可以得到一幅观测信号的时频图像,该图像由信号区域、噪声区域以及背景区域三部分组成,且各像素点的像素值对应于该时频点的Gabor系数.这里假设各信号和噪声分量的分布区域没有重叠.为了实现不同区域的分离,特别是有用信号和噪声区域的分离,本文采用区域生长图像分割技术[12]对Gabor图像进行处理.该方法能够获得良好的边界信息和分割结果,对于各信号分量的强度和分布边缘差异较大的情况依然适用.最后,对所得的各时频区域附加不同的区域标识,即可实现各区域的分离.SVM是一种通用机器学习方法,在信号分类和识别等领域有着广泛的应用.本文利用SVM的学习机制获取信号和噪声区域间的唯一分类线,并根据分类线方程设置合理的时频滤波器参数.考虑如下形式的点的集合:其中:i=1,2,…,N.xi为二维位置向量,代表Gabor变换生成的时频图像中的1个像素;ci为xi的类别标识,取值区间为1或-1,取1表示该向量属于信号区域,取-1则表示信号属于噪声区域.将集合D所包含的点作为SVM分类器的训练集,优化目标是寻找一条区分两个区域的最优分类线.此分类线的设计准则是不但能将所有向量xi正确分类,而且使得分类间隔最大.分类线定义如下:上式中,定义w为系数向量.为使对于训练集D,满足如下正确分类条件:对式(3)进行归一化,可得归一化分类间隔为Mmargin=2/‖w‖.综合以上可定义SVM最优分类线为满足条件(4)且使得分类间隔最大的分类线.有用信号区域和噪声区域中距离分类线最近的向量称为支持向量.上述问题可以通过二次规划理论寻求最优解,本文采用文献[13]提出的优化算法对分类线参数进行求解.对于线性可分情况,可以直接根据SVM分类线方程确定时频滤波器各项参数,然后利用式(1)即可进行噪声的滤除以及有用信号的恢复.对于线性不可分情况,通过合理选取SVM核函数,可以得到一条曲线形式的最优分类线.该分类线无法直接用于滤波器参数选择.在这种情况下,为方便滤波器设计,本文提出在全局最小二乘误差准则下,对非线性SVM分类线进行分段线性拟合,形成一组首尾相接的线段,进而根据各线段的参数分别设计相应的多阶时频滤波器组.已知非线性分类线上的M个数据点式中f=I(t)为曲线分类线方程.对于数据组ym,求解满足最小二乘误差准则的分段线性拟合折线方程f=I'(t)的方法即最小二乘拟合.所生成的分段线性拟合折线方程表示为点(tn,fn),(n=1,2,…,N+1)为时频面内分段线性拟合折线段的起点和拐点.N为分段数,选择合适的N值,保证完全分离有用信号和噪声.然后根据每段的拟合方程确定相应阶的时频滤波器组的参数,进而利用式(2)逐次滤波即可实现噪声的完全滤除.实际应用中,采用并行时频滤波器组实现方式更为高效.首先根据拟合的曲线分类线,将观测信号在时域分成N段,每段信号对应于拟合折线段中的一段,即根据拟合结果确定各子滤波器的参数,并对对应的观测信号段进行滤波处理,将所有输出信号叠加,作为最终的恢复信号,即上述并行结构相比于式(2)所示的串行滤波器组具有明显的优势.首先,每段观测信号仅进行一次FrFT正逆变换,避免了多次FrFT所引入离散化误差.其次,各段信号的分段滤波过程可以设计并行硬件单元结构实现,提高了计算速度.由此可见并行时频滤波器组结构拥有精度和计算速度两方面优势.算法的流程如图2所示.在实际应用中,需要计算离散分数阶Fourier变换.本文选用Pei Soo-Chang等[14]提出的采样型快速算法.该算法满足FrFT的周期性、可逆性以及分数阶Fourier域采样定理[15],并且可以较为准确的逼近连续FrFT的结果.这种快速算法利用工程中常用的FFT来实现.算法的计算复杂度为O(Nlg N).本文所提出的时频滤波器设计方法的前提假设是:信号和噪声的时频分布有耦合但无交叠.因而该方法对信号和噪声的先验性要求较低,在雷达等应用领域,感兴趣信号多为非合作信号,干扰信号形式复杂且随机性强,没有先验知识可以利用,此时利用该方法可以获得良好的滤波效果.然而对于信号畸变及信噪无法分离的情况,则需要引入一定的现代滤波方法实现信号的有效恢复.工程应用中,需要对接收信号高速、实时地进行滤波处理.在本文所提设计方法中的SVM分类算法占据了大部分的运算量.为了降低运算量,可采用下述措施进行优化:1)Gabor-Wigner变换.Gabor变换的分辨率低,在时频图像上表现为信号和噪声区域占据的面积增大.而有效像素点的增加必然导致SVM训练集的扩大.SVM分类器的运算量又取决于训练集数据的个数.因此时频图像的分辨率是影响算法复杂度的重要因素.文献[11]提出了 Gabor-Wigner变换(GWT)的定义如下:式中:Gs(t,f)和Ws(t,f)分别表示信号的 Gabor变换和Wigner分布;h(x,y)表示任意二元函数.合理的选取h(x,y)的形式,可以使GWT在避免交叉项干扰的同时保持和Wigner分布具有相同的高分辨率.综合以上特点,通过GWT获取信号的时频图像表示,可以有效减小SVM训练集的规模,达到降低运算复杂度的目的. 2)图像边缘提取技术.根据SVM的原理,只有支持向量对训练结果产生影响,因此支持向量可以唯一地确定分类线的方程.由于本文假设信号和噪声在时频面上的分布均为连通闭合区域,所以所需的支持向量必然位于两区域的边缘.由此可以推出,采用图像边缘提取技术[12],由各区域的边缘像素组成训练集,可以有效降低SVM分类器的训练复杂度.本实验为信号和噪声线性可分情况.假设信号和噪声均为高斯调幅的线性调频信号,表达式为信号的观测区间为-2 s到2 s,采样率为fs=100 Hz.观测信号x(t)=s(t)+n(t)的Gabor时频分布如图3所示.由图3可以看出,耦合同时存在于信号和噪声的时域和频域.如图4所示,对Gabor变换后的图像进行区域分割,利用不同区域内像素构成的训练集,训练SVM分类线.图4中,SVM训练得到的最优分类线方程为然后利用分类线的参数确定时频滤波器的阶数及传递函数对观测信号进行滤波,所得到恢复信号的时域波形和恢复残差如图5所示.根据实验结果,时频滤波器的信噪比改善因子由式(5)计算得FIF=29.049 5 dB,信号恢复均方误差由式(6)计算得EMSE=0.124 46%.在上述实验的基础上,构造4条典型非最优分类线,用于考察SVM分类线的最优特性对滤波器性能的影响.如图6所示,4条分类线同样可以达到将两个区域完全分离的效果,直线分类线方程分别为分别对上述4条分类线构造对应的时频滤波器,并用其对观测信号进行滤波处理,滤波性能统计结果如表1所示.由上述结果可以看出,本文方法在信号和噪声分布线性可分的情况下,可以实现噪声的有效的滤除.同其它时频分类线的滤波效果对比可以看出,SVM分类线设计的时频滤波器具有最优的性能.由于SVM以最大化分类间隔作为优化目标,克服了观测信号的时域截断以及离散谱分析的栅栏效应造成信号和噪声的能量向整个时频平面泄露,在时频面上表现为可以最大程度地分离信号和噪声,从而提高滤波器的性能.本实验为有用信号和噪声线性不可分情况.考虑线性不可分情况,信号和噪声方程如下:信号观测时间段为-10 s到10 s,采样率为fs=30 Hz.信号的Gabor时频分布如图7所示.信号和噪声区域间的非线性SVM最优分类线如图8所示.对图8中的SVM分类曲线进行全局最小二乘分段线性拟合,拟合段数为N=4(拟合的段数等于滤波器的阶数),其拟合结果如图9所示.图9中,折线段的拟合方程组为利用SVM折线段拟合的方程参数确定并行时频滤波器组的参数,并对输入信号进行4阶滤波,所得恢复信号的时域波形以及恢复残差如图10所示.根据图10所示实验结果,由式(5)~(6)分别计算时频滤波器的信噪比改善因子和信号恢复均方误差,其结果为:FIF=28.180 8 dB,EMSE=0.1520 3%.由上述结果可以看出,本文方法在信号和噪声分布线性不可分的的情况下,仍可实现噪声的有效滤除.由于非线性分类线的拟合的误差和多阶滤波器组引入了额外的FrFT离散化误差的影响,同线性可分情况相比,此时频滤波器的性能略有下降. 本文针对非平稳信号的波形恢复问题,提出了一种基于FrFT的新型时频滤波器设计方法.该方法属于经典滤波器在分数阶Fourier域上的扩展,设计过程无需信号和噪声的先验知识,简单直观且具有良好的信噪比改善性能,适合工程实现.仿真结果显示,在信号和噪声耦合但不交叠的前提下,该方法针对信号和噪声区域线性可分和线性不可分两种情况都能实现噪声的滤除和信号的无失真恢复.如何在该方法中融合现代滤波的相关思想,解决信号畸变以及信噪交叠难分离的问题,且进一步优化运算的复杂度,都是今后需要进一步研究的课题.刘开华(1956—),男,教授,博士生导师.【相关文献】[1]MILLIOZ F,MARTIN N.Circularity of the STFT and spectral kurtosis for time-frequency segmentation in Gaussian environment[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2011,59(2):515 -524.[2]LU W K,ZHANG Q.Deconvolutive short-time Fourier transform spectrogram [J].IEEE Signal Processing Letters,2009,16(7):576 -579.[3]XING M,WU R,LI Y,et al.New ISAR imaging algorithm based on modified Wigner-Ville distribution [J].IET Radar,Sonar and Navigation,2009,3(1):70 -80. [4]ALMEIDA L B.The fractional Fourier transform and time-frequency representations [J].IEEE Transactions on Signal Processing,1994,42(11):3084-3091.[5]OZAKTAS H M,BARSHAN B,ONURAL L,et al.Filtering in fractional Fourier domains and their relation to chirp transforms[C]//Proceedings of the7thMediterranean Electrotechnical Conference,Antalya.Antalya:[s.n.],1994:77 -79. [6]OZAKTAS H M,BARSHAN B,MENDLOVIC D.Convolution and filtering in fractional Fourier domains[J].Optical Review,1994,1(1):15-16.[7]ZALEVSKY Z,MENDLOVIC D.Fractional Wiener filter[J].Applied Optics,1996,35(20):3930 -3936.[8]KUTAY M A,OZAKTAS H M,ONURAL L,et al.Optimal filtering in fractional Fourierdomains[J].IEEE Transactions on Signal Processing,1997,45(5):1129-1143.[9]齐林,陶然,周思永,等.LFM信号的一种最优滤波算法[J].电子学报,2004,32(9):1464-1467.[10]ERDEN M F,KUTAY M A,OZAKTAS H M.Repeated filtering in consecutive fractional Fourier domains and its application to signal restoration[J].IEEE Transactions on Signal Processing,1999,47(5):1458 -1462.[11]PEI S C,DING J J.Relations between Gabor transforms and fractional Fourier transforms and their applications for signal processing[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2007,55(10):4839-4850.[12]GONZALEZ R C,WOODS R E.Digital image processing[M].New York:Prentice Hall,2002.[13]CHAPELLE O.Training a support vector machine in the primal[J].Neural Computation,2007,19(5):1155-1178.[14]PEI S C,DING J J.Closed-form discrete fractional and affine Fourier transforms [J].IEEE Transaction on Signal Processing,2000,48(5):1338-1353.[15]TAO R,DENG B,ZHANG W Q,et al.Sampling and sampling rate conversion of band limited signals in the fractional Fourier transform domain[J].IEEE Transaction on Signal Processing,2008,56(1):158 -171.。

分数阶傅里叶变换的英文

分数阶傅里叶变换的英文

分数阶傅里叶变换的英文English:Fractional Fourier transform (FrFT) is a generalization of the classical Fourier transform, where the exponent in the integral kernel is replaced by a fractional exponent. This transformation provides a more versatile tool for analyzing non-stationary signals and systems compared to the traditional Fourier transform. The FrFT can be used to decompose a signal into its constituent frequency components and also allows for a better understanding of the time-frequency characteristics of the signal. It has applications in signal processing, communication systems, image processing, and optical signal processing. The FrFT has also found applications in areas such as radar and sonar signal analysis, medical imaging, and quantum mechanics.中文翻译:分数阶傅里叶变换(FrFT)是经典傅里叶变换的推广,其中积分核中的指数被分数指数所替代。

与传统傅里叶变换相比,这种转换工具为分析非平稳信号和系统提供了更灵活的工具。

分数阶Fourier 变换在信号处理领域的研究进展

分数阶Fourier 变换在信号处理领域的研究进展

中国科学E辑信息科学 2006, 36(2): 113~136 113分数阶Fourier变换在信号处理领域的研究进展*陶然1**邓兵1,2王越1(1.北京理工大学电子工程系, 北京 100081; 2. 海军航空工程学院电子工程系, 烟台 264001)摘要分数阶Fourier变换是对经典Fourier变换的推广. 最早由Namias以数学形式提出, 并很快在光学领域得到了广泛应用. 而其在信号处理领域的潜力直到20世纪90年代中期才逐渐得到发掘. 尽管分数阶Fourier变换的定义式直观上看仅是chirp基分解, 而实质上分数阶Fourier变换更具有时频旋转的特性, 它是一种统一的时频变换, 随着变换阶数从0连续增长到1而展示出信号从时域逐步变化到频域的所有特征. 从信号处理的角度对分数阶Fourier变换的研究进展作全面的总结和系统的归纳, 力图将分数阶Fourier变换从定义到应用的全程都清晰地刻画出来, 既能为相关的专业研究人员提供参考, 又可以为感兴趣的读者提供入门的阶梯.关键词分数阶Fourier变换信号处理时频分析自从法国科学家Fourier在1807年为了得到热传导方程简便解法首次提出Fourier分析技术以来, Fourier变换迅速得到了广泛应用, 在科学研究与工程技术的几乎所有领域发挥着重要的作用. 但随着研究对象和研究范围的不断扩展, 也逐步暴露了Fourier变换在研究某些问题的局限性. 这种局限性主要体现在: 它是一种全局性变换, 得到的是信号的整体频谱, 因而无法表述信号的时频局部特性, 而这种特性正是非平稳信号的最根本和最关键的性质. 为了分析和处理非平稳信号, 人们提出并发展了一系列新的信号分析理论: 分数阶Fourier变换、短时Fourier变换、Wigner分布、Gabor变换、小波变换、循环统计量理论和调幅-调频信号分析等. 而分数阶Fourier变换作为Fourier变换的广义形式, 由于其独有的特点(本文后续部分将逐步展开阐述)而受到了众多科研人员的青睐, 近10年来关收稿日期: 2005-05-23; 接受日期: 2005-10-18*国家自然科学基金资助项目(批准号: 60572094)和高校青年教师奖资助项目及国家部委基金资助项目(6140445) ** E-mail: rantao@114 中国科学 E 辑 信息科学 第36卷于分数阶Fourier 变换理论与应用的研究成果层出不穷, 掀起了一个不小的高潮.1980年Namias 从特征值和特征函数的角度, 以纯数学的方式提出了分数阶Fourier 变换(fractional Fourier transform, FRFT)的概念[1], 用于微分方程求解. 其后, McBride 等用积分形式为分数阶Fourier 变换作出了更为严格的数学定义[2], 为其后从光学角度提出分数阶Fourier 变换的概念奠定了基础. 1993年Mendlovic 和Ozaktas 给出了分数阶Fourier 变换的光学实现, 并将之应用于光学信息处理[3,4]. 由于分数阶Fourier 变换采用光学设备容易实现, 所以在光学领域很快便得到了广泛应用[5]. 尽管在信号处理领域分数阶Fourier 变换具有潜在的用途, 但是由于缺乏有效的物理解释和快速算法, 使得分数阶Fourier 变换在信号处理领域迟迟未得到应有的认识. 直到1993年Almeida 指出分数阶Fourier 变换可以理解为时频平面的旋转, 1996年Ozaktas 等提出了一种计算量与FFT 相当的离散算法后, 分数阶Fourier 变换才吸引了越来越多信号处理领域学者的注意, 并出现了大量的相关研究文章. 国内开始分数阶Fourier 变换的研究并不算晚, 但是从发表的论文数量和质量来看, 尚处于起步阶段[6]. 尽管国内1996年便有过关于分数阶Fourier 变换的综述文章[7,8], 但是那时分数阶Fourier 变换在信号处理领域的潜力才刚刚得到挖掘. 而迄今国际上也未有从信号处理角度对分数阶Fourier 变换的综述. 本文的目的是总结近年来分数阶Fourier 变换在信号处理领域的研究成果, 从基础、应用基础、应用三个层面对分数阶Fourier 变换的理论体系进行阐述, 供相关研究人员参考.本文组织如下: 首先介绍了分数阶Fourier 变换的定义及其含义: 第二部分阐述了分数阶Fourier 变换的基本性质及分数阶Fourier 变换与传统时频分析工具的关系, 认为分数阶Fourier 域可以理解为一种统一的时频变换域, 并给出了其不确定性原理; 第三部分对基于分数阶Fourier 变换而定义的一些信号分析工具作了系统归纳; 第四部分给出了基于分数阶Fourier 变换的采样定理, 并总结了分数阶Fourier 变换的离散定义和算法; 有关分数阶Fourier 变换在信号处理领域中的应用放在第五部分进行阐述; 最后, 总结了全文.1 分数阶Fourier 变换定义接下来给出分数阶Fourier 变换的定义式:[]()()()(,)d ,p p p X u F x u x t K t u t +∞−∞==∫ (1)其中()()22j πcot 2csc cot , π, (,)(), 2π, (), 21π,t ut u p n K t u t u n t u n ααααδαδα−+≠=−=+=±⎨⎪⎪⎩(2)第2期 陶 然等: 分数阶Fourier 变换在信号处理领域的研究进展 115其中π2,p α= p 为分数阶Fourier 变换的阶数, F p 表示分数阶Fourier 变换算子, 本文后续部分将沿用这种表达. 可以发现分数阶Fourier 变换以4为周期, 且当p = 4n +1 (即2ππ2n α=+)时, 分数阶Fourier 变换便成了Fourier 变换.经变量代换u =和t = (1)式可以化为[]22j cot j cot csc 22()d , π, ()()(), 2π, (), u t jut p p x t e t n X u F x u x u n x u ααααα−+∞−∞≠===−∫() 21π,n α⎨⎪=±⎪⎪⎩ (3)由(3)式可以看出分数阶Fourier 变换分解为如下三步[9]:1) 乘以chirp 信号, ()2j cot 2();t g t α=x t2) Fourier 变换(自变量存在尺度转变), ()()csc ,pX u G u α= 其中G (u )= ()j d ;ut g t e t +∞−−∞3) 乘以chirp 信号, 2j cot 2()().u p pX u e X u α= 可以发现信号()x t 存在分数阶Fourier 变换与存在Fourier 变换的条件是相同的. 也就是说, 如果()X ω存在, 则()p X u 也存在. 利用上述分解步骤, Zayed 等得到了分数阶Fourier 域的带限信号采样定理[10]; Erseghe 等基于chirp 周期(chirp-periodicity)信号将Fourier 变换所具有的时、频域连续和离散的四种对应关系推广到了时域、分数阶Fourier 域连续和离散的四种对应关系, 也同样得到了分数阶Fourier 域的带限信号采样定理[11].分数阶Fourier 变换也可以理解为chirp 基分解[9], 因为分数阶Fourier 变换的逆变换如()()()(,)d .p p p p x t F X t X u K t u u +∞−−−∞⎡⎤==⎣⎦∫ (4)可以发现()x t 由一组权系数为()p X u 的正交基函数所表征, 这些基函数是线性调频的复指数函数. 不同u 值的基函数间存在着不同的时移和相位因子 (,)p K t u − 2j tan 2(,)(sec ,0).u p p K t u e K t u αα−=− (5)116 中国科学 E 辑 信息科学 第36卷2 分数阶Fourier 变换的主要性质2.1 主要性质由于分数阶Fourier 变换是Fourier 变换的推广形式, 所以Fourier 变换的大部分性质在分数阶Fourier 变换都具有相应的推广, 分数阶Fourier 变换的基本性质请参看附录A. 注意到Fourier 变换中的一个重要性质——卷积定理并没有出现在附录A 中, 这是因为该性质并不能简单地推广过来, 感兴趣的读者可以参看文献[12, 13].接下来介绍一个十分重要的性质: 分数阶Fourier 变换是角度为α的时频面旋转. 这个性质建立起分数阶Fourier 变换与时频分布间的直接联系, 并且为分数阶Fourier 域理解为一种统一的时频变换域奠定了理论基础, 同时也为分数阶Fourier 变换在信号处理领域中的应用提供了有利条件. 以Wigner 分布为例, 令R φ表征二维函数作角度为φ的顺时针旋转算子, 即[]()()cos sin sin cos ,R y t,y t ,t φωφωφφωφ=+−+(6)那么存在如下关系:()[](),x u W t,R W t,αωω= (7) 其中()j d ,22τu p p ττW t,X t X t e τωω+∞∗−−∞⎛⎞⎛⎞=+−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠∫ ()22x ττW t,x t x t ω+∞∗−∞⎛⎞⎛⎞=+−⎜⎟⎜⎝⎠⎝∫⋅⎟⎠ 分别表征j d τe τω−(),p X u ()x t 的Wigner 分布. 类似的关系对于模糊函数、修正的短时Fourier 变换和谱图依然成立[9]. Lohmann 将(7)式作了进一步推广, 得出分数阶Fourier 变换的模平方与Radon-Wigner 变换间的关系[14]:[]()()2,x p W u X u αℜ=(8) 其中αℜ为Radon 变换算子, 表征二维函数对与t 轴夹角为πp α=的坐标轴的积分投影算子. (8)式也可以理解为坐标旋转α 后的边缘积分, 即 ()()2cos sin sin cos d , πx p W u v ,u v v X u ϕϕϕϕϕα+∞−∞−+==+∫ (9) 既然分数阶Fourier 变换与这些常用的时频表示存在上述关系, 那么是否存在更具普遍意义的表达形式呢?令()()()d d ,x x t,f t τ,f θW ,τθξψτθ=−−∫∫τθ (10) 其中()t,f ψ为变换核, ()x W ,τθ为()x t 的Wigner 分布, ()x t,f ξ表征()x t 的Cohen 类时频分布. 那么只要变换核()t,f ψ关于原点旋转对称, 则()x t,f ξ与分数阶Fourier 变换一样, 也满足上述时频旋转关系[15]. 需要留意的是(10)式与基于模糊第2期 陶 然等: 分数阶Fourier 变换在信号处理领域的研究进展 117函数的Cohen 类时频分布定义(见(27)式)不尽相同.由上述分数阶Fourier 变换与时频分布的关系可以看出, 分数阶Fourier 变换提供了信号从时域到频域全过程的综合描述, 随着阶数从0连续增长到1, 分数阶Fourier 变换展示出信号从时域逐步变化到频域的所有变化特征(如图1). 可见, 分数阶Fourier 变换实际上体现了一种统一的时频观, 是介于时域和频域之间的信号时频分析方法, 可以为信号的时频分析提供更大的选择余地[6,16].图1 矩形脉冲信号的分数阶Fourier 变换2.2 不确定性原理既然分数阶Fourier 域是一个统一的时频变换域[17], 那么时频域的不确定性原理扩展到分数阶Fourier 域会是什么呢?利用第1节中分数阶Fourier 变换的三步分解法及传统时频域的不确定性原理, 可以得到信号的两个不同阶数分数阶Fourier 变换间不确定性原理如下:()2221sin ,4u u αβαβΔΔ−≥ (11)其中()()2202πd ,u u u X u u γγγ+∞−∞Δ=−∫ ()202πd ,u u X u γγ+∞−∞=∫u ,.γαβ= Shinde等在(11)式的基础上, 给出了更为严格的表示[18].分数阶Fourier 域的不确定性原理. 设()x t 为具有单位能量的实信号, 则 ()22222sin sin sin cos cos ,44u u t t αβαβαβαβ−⎛⎞ΔΔΔ++⎜⎟Δ⎝⎠≥(12) 其中()()220d ,t t t x t t +∞−∞Δ=−∫() 20d ,t t x t +∞−∞=∫2,u αΔt 2u βΔ如(11)式所示. 当 ()()214221,πt x t e σσ−= (13)118 中国科学 E 辑 信息科学 第36卷σ 为任取的实常数时, (12)式等号成立.3 分数阶算子及变换因为分数阶Fourier 变换是一种统一的时频分析方法, 可以理解为角度α 的时频面旋转, 因此依据分数阶Fourier 变换可以定义一些有用的分数阶算子和变换[19~32].3.1 分数阶算子卷积和相关是常用的两种信号处理算子, 文献[19, 20]分别从时域和变换域的角度定义了分数阶卷积和分数阶相关, 前者定义如(14)式所示[19], 适于信号检测和参数估计, 后者定义如(15)式所示[20], 适于滤波器设计、波束形成、模式识别.[]()()()[]()()()22j πcos sin j2πsin conv j πcos sin j2πsin corr ,cos d ,μμ,cos d ,p rμr p μx y r e x μy r e x y e x μy e αααηααηαΓαμΓημηα−∗−=−=−∫∫π2,p α= (14) [][]123312conv ,,corr ,()(),,()().p p p P p p p p p P x y u F X Y u x y u F X Y u ΓΓ−∗⎡⎤=⋅⎣⎦⎡⎤=⋅⎣⎦ (15)在时频分析理论中, 酉算子和Hermite 算子是比较重要的两类算子, 酉性是设计变换算子时经常需要考虑的要素之一, 而不同的变换域表示往往能够通过某种Hermite 算子联系起来, 因此, 推导分数阶酉算子和Hermite 算子也吸引了人们的浓厚兴趣. 基于时移算子和频移算子的概念(这是两种基本的酉算子), Akay 定义了分数阶位移算子 即分数阶酉算子,,τT φ[21], 如[]()()2j πcos sin j2πsin cos τt τ,τT x t x t e φφφτφ−+=−φ (16) 所示. 然后利用Stone’s Theorem 可以得到分数阶Hermite 算子, 如[]()()()j d cos sin 2πd Z x t tx t x t tφφφ−=+⋅ (17) 所示.分数阶酉算子,τT φ对信号的作用既有时移分量cos ,τφ 又有频移分量sin ,τφ 它是将信号在时频平面上沿着角度为φ的轴移动径向距离,τ 所以将之称为分数阶位移算子. 它与分数阶Fourier 变换的关系, 如(18)式所示, 可以看出信号范数保持不变. 对比(14)和(16)式不难发现, (14)式所定义的分数阶卷积和分数阶相关与算子,τT φ的关系如(19)式所示, 这个关系将在第5节应用部分的一种无源雷达动目标检测新算法中用到.第2期 陶 然等: 分数阶Fourier 变换在信号处理领域的研究进展 119[]()[]()[]()[]()j2π11,,u p ,τp p ,τp F T x u e F x u F T x u F x u τφφτ−++==− π2,p φ= (18) []()[]()[]*conv 2corr ,,(,,(),p ,τp ,τ),x y r x T F y u x y x T y u φφΓΓη⎡⎤=⎣⎦= π2,p φ= (19)(19)式中符号,⋅⋅表示内积.3.2 分数阶变换本节所研究的分数阶变换是指基于分数阶Fourier 变换而定义的一些信号分析工具, 主要包含两大类, 一类是利用分数阶Fourier 变换是Fourier 变换的广义形式, 而将原来基于Fourier 变换的信号分析工具作了相应的推广; 另一类是利用分数阶Fourier 变换的时频旋转性质来设计新的时频分析工具. 接下来对主要的分数阶变换做了总结, 阐述了其各自的特点和优势.3.2.1 基于Fourier 变换的广义形式Hilbert 变换是一种重要的信号处理工具, 已经在通信调制、图像边缘检测等领域得到了广泛应用. 通过将Hilbert 变换的频域传递函数推广到分数阶Fourier 域, 便得到了分数阶Hilbert 变换[22]:[]()Hil (),p p p P x t F X H t Γ−⎡⎤=⋅⎣⎦ (20) 其中为p 阶分数阶Hilbert 变换算子, Hil p Γj π2j π2, 0 (). , 0p P p e u H u e u −⎧⎪=⎨<⎪⎩≥ 其实质仍然是对负谱的抑制, 只是谱由频谱扩展为分数阶Fourier 谱. 在此基础上, Pei 利用分数阶Fourier 变换的特征分解型离散算法给出了分数阶Hilbert 变换的一种离散表达形式[23], 并对数字图像的边缘检测做了仿真验证. 在文献[24]中, 有关分数阶Hilbert 变换器的设计和应用问题得到了进一步的探讨, 提出了多种FIR 和IIR 分数阶Hilbert 变换器的设计方法, 并基于分数阶Hilbert 变换对信号分数阶Fourier 变换负谱分量的抑制, 提出了一种单边带(SSB)通信系统, 利用分数阶Hilbert 变换的变换阶数作为解调密钥来实现安全通信.正弦变换、余弦变换和Hartley 变换都属于酉变换, 已经在图像压缩和自适应滤波方面得到了广泛应用, 利用它们与Fourier 变换的关系, 我们可以得到分数阶的正弦变换、余弦变换和Hartley 变换[6,25]. 需要注意的是: 第一, 与分数阶Fourier 变换周期为4不同, 分数阶正弦变换、余弦变换和Hartley 变换的周期都是2; 第二, 分数阶正弦变换没有偶特征函数, 而分数阶余弦变换没有奇特征函数, 因此, 最好用分数阶正弦变换来处理奇函数, 而用分数阶余弦变换来处理偶函数.120 中国科学 E 辑 信息科学 第36卷[]()[]()[]()(j π21,2p p p p S x u e F x u F x u =−)− (21) []()[]()[]()(1,2p p p C x u F x u F x u =+)− (22) []()[]()[]()j πj π2211,22p p p p p e e Ψx u F x u F x +−=+u − (23),p S ,p C p Ψ依次表示分数阶的正弦变换、余弦变换和Hartley 变换算子.短时Fourier 变换和模糊函数是比较常用的两种时频工具, 通过对定义式进行直观的替换, 我们就得到了两种新的时频工具[26,27], 如(24)和(25)式所示, 本文中称之为短时分数阶Fourier 变换和分数阶模糊函数, 两者都适于处理多项式相位信号. 其中, 分数阶模糊函数对三次相位信息十分敏感, 在某阶分数阶Fourier 域三次相位信息将形成一个冲激[27], 而短时分数阶Fourier 变换是线性变换, 没有交叉项, 且不会对原时频结构在解线调时产生压缩扭曲, 因此, 适于解析信号的时频结构. 但前提条件是信号局部需要相似于chirp 信号, 这个问题在一定程度上可以通过选择合适的窗函数来解决.[]()()()()()()()()()S I ,d ,p p p ST x t,u X t,u F x w t t,u x t F X t,u w t t t,t t σσ∗−⎡⎤==⋅−⎣⎦′′′=⋅−⎡⎤⎣⎦∫()()S I d 1,w t w t t ∗=∫ (24) []()(,)d ,22p ττAF x u,τp x t x t K t u +∞∗−∞⎛⎞⎛⎞=+−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠∫t (25) (24)式给出了短时分数阶Fourier 正变换和反变换及完全重构条件表达式, 表示短时分数阶Fourier 变换算子. (25)式是分数阶模糊函数的定义式, p ST (,)p K t u 是分数阶Fourier 变换核.3.2.2 基于时频旋转性质Alieva 等人利用分数阶Fourier 变换的时频旋转性对传统二次型时频工具(Cohen 类时频分布和S 法时频分布[28])的核函数作时频旋转来减少交叉项而极少降低自项的聚集性[29,30]. 实质上他们所做的努力就是确定合适的分数阶Fourier 域使得信号的分数阶Fourier 谱宽度最小, 再在该域上用传统的二次型时频工具进行分析就能够在一定程度上减少交叉项而不怎么损失自项聚集性. 仿真结果来看, 时频旋转S 法时频分布[30]的效果要好于时频旋转Cohen 类时频分布[29], 且都好于相应的不旋转的结果. 但是, 如果信号没有明显的谱聚集分数阶Fourier 域或存在不止一个这样的分数阶Fourier 域, 那么, 时频旋转所获得的好处将极为有限. 此外, 为了确定分数阶Fourier 谱聚集域的阶数 他们提出了一种基于分数阶ˆ,p第2期 陶 然等: 分数阶Fourier 变换在信号处理领域的研究进展 121Fourier 变换二阶矩极值点的方法, 对分数阶Fourier 变换二阶矩以阶数p 求一次导的零值来确定ˆp [29]:()()0.501012ˆtan π,w w w pw w −+=− (26) []()2222010ππ()d cos sin sin π,22p p p p w F x u u u w w p μ+∞−∞⎛⎞⎛⎞==++⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠∫ (27) 其中表示阶分数阶Fourier 变换二阶矩, p w p p μ表示阶分数阶Fourier 变换二阶中心矩p [29]. 从(27)式不难看出, 对求一次导, 并令其等于零, 再将(27)式中所得到的p w 0.5p =()00.5012w w w μ=−+代入, 我们便得到了如(26)式. 通过比较和ˆp()ˆcos πp10μμ−的符号可以确定阶分数阶Fourier 域是谱聚集域还是谱发散域ˆp [30].利用(8)式所展示的分数阶Fourier 变换与Radon-Wigner 变换间的关系, 容易想到: 当Wigner 分布不好直接求取时, 通过对信号的分数阶Fourier 变换做逆Radon 变换就可能成为分析信号时频结构的一种有效方法. Zhang 等就对该问 题作了仔细研究, 提出了一种新的时频分析方法——TTFT(tomography time-fre- quency transform), 并通过分数阶Fourier 域的自适应滤波来抑制交叉项[31].自适应信号扩展是把信号扩展到一组有限的、具有较好时频局部化的基函数上. 该方法具有较好的时频分辨率, 且无窗效应、交叉项干扰. 文献[32]研究了以Gauss 函数的分数阶Fourier 变换为基函数的信号扩展方法, 之所以选择Gauss 函数, 是因为它可以满足时-频域不确定性原理的边界条件(时宽带宽积最小). 而分数阶Fourier 变换的介入, 可以通过阶数的变化使得基函数的选择更为灵活, 也就能够更为准确地描述信号的时频特征.时频分布所希望的数学性质之一就是边缘特性, Xia 将(9)式定义为广义边缘特性, 并推导了相应具有广义边缘特性的Cohen 类时频分布(如(28)式所示)的充要条件为: 任取实数τ, 均有()sin cos 1.τ,τψϕϕ−= 显而易见, 传统的时域、频域边缘特性就成为了广义边缘特性0,π2ϕ=的两个特例, 而Wigner-Ville 分布满足所有角度的广义边缘特性. 需要满足的广义边缘特性越多, 则对核函数的选择限制越多, 极限情况下的核函数是1, 所得到的分布就是Wigner-Ville 分布. 依据上述充要条件, 不难得到满足角度,1,2,,k k N ϕ="的广义边缘特性的Cohen 类时频分布, 限于篇幅, 本文不再一一列出, 感兴趣的读者可以查阅文献[33].()()()()j2πd d ,t ντf x z νt,f τ,A τ,e τξψνντν−+=∫∫ (28) 其中(z A τ,)ν表示模糊函数, ()τ,ψν为核函数.122 中国科学 E 辑 信息科学 第36卷4 离散分数阶Fourier 变换 随着数字信号处理在工程应用中的蓬勃发展, 采样和离散算法已经成为了分数阶Fourier 变换应用于工程实践中一个难以回避的问题.4.1 分数阶Fourier 域的采样定理[34]设模拟信号()x t 被一冲激脉冲串以采样周期s T 均匀采样, 则()()(),s s n x t x t t nT δ+∞=−∞=−∑ (29)22cot cot j j 2212πsin []()(),u u p s p s n F x t e X u e u n T T αααδ+∞−=−∞⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎜⎟⎜⎟=∗−⎜⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠∑⎟ (30) 其中∗表示卷积算子, π2.p α= 由(30)式可以看到, 在分数阶Fourier 域上, 2cot j 2()u p X u e α−以周期2πsin s T α延拓. 如果信号()x t 是分数阶Fourier 域上的带限信号, 即 且,l h ΩΩ∃,h 0l ΩΩ<≤使得()0,p X u = h u Ω> 或 .l u Ω< (31) 那么就能在1int hlN ΩΩ⎛⎞⎜⎝⎠≤≤⎟范围内选择到合适的N , ()int ⋅表示取整, 使得下式成立:2πsin 2,h s N T αΩ≥ ()2πsin 1l s N T α2.Ω−≤ (32) 这样采样后信号的分数阶Fourier 谱就不会发生混叠。

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参考文献第一章——第五章1M.波恩 E.沃耳夫箸,杨葭荪等译光学原理(上册). 北京: 科学出版社,19792M.波恩 E.沃耳夫箸,黄乐天等译光学原理(下册). 北京: 科学出版社,19813J.W.顾徳门箸, 詹达三等译. 傅里叶光学导论. 北京:科学出版社,19764吕迺光陈家璧毛信祥. 傅里叶光学(基本概念和习题). 北京: 科学出版社,19855母国光战元龄. 光学. 北京:人民教育出版社,19786 E.赫克特A.赞斯箸, 詹达三等译. 光学. 北京:人民教育出版社,19817杨振寰箸,母国光等译. 光学信息处理. 天津:南开大学出版社,19868戚康男秦克诚程路. 统计光学导论. 天津:南开大学出版社,19879刘培森. 应用傅里叶变换. 北京:北京理工大学出版社,199010J.W.顾徳门箸, 秦克诚等译. 统计光学. 北京:科学出版社,199211陈家璧方强. 统计光学(基本概念和习题). 武汉: 华中理工大学出版社,199212麦伟麟. 光学传递函数及其理论基础. 北京:国防工业出版社,197913庄松林钱振邦. 光学传递函数. 北京:机械工业出版社,198114吕迺光. 傅里叶光学. 北京:机械工业出版社,198815苏显渝李继陶. 信息光学. 北京:科学出版社,199916朱伟利盛嘉茂. 信息光学基础. 北京:中央民族大学出版社,199717梁铨廷. 物理光学. 北京:机械工业出版社,198018羊国光宋菲君. 高等物理光学. 合肥:中国科技大学出版社,199119宋菲君S.Jutamulia. 近代光学信息处理. 北京:北京大学出版社,199820金国藩严瑛白邬敏贤. 二元光学. 北京: 国防工业出版社,199821于美文等. 光学全息及信息处理. 北京: 国防工业出版社,198422虞祖良金国藩. 计算机制全息图. 北京: 清华大学出版社,198423于美文. 光全息学及其应用. 北京: 北京理工大学出版社,199624陶世荃等. 光全息存储. 北京: 北京工业大学出版社,199825辛企明孙雨南谢敬辉. 近代光学制造技术. 北京: 国防工业出版社,199726于美文张存林杨永源. 全息记录材料及其应用. 北京: 高等教育出版社,199727于美文张静方. 光全息术. 北京:北京教育出版社等联合出版,199528Condon E.U.. Immersion of the Fourier transform in a continuous group of functional transformation. Acad. A. 23. P158. (1937)29Bargmann V.. On a Hilbert space of analytic function and an associated integral transforms, PatrI. Comm.Pure Appl.Math..14. P187. (1961)30Namias V.. The fractional order Fourier transform and its application to quantum mechanics.J.Inst.Maths Applics. 25. P241. (1980)31Mcbride A.C.,Ker F.H.. On Namias fractional Fourier transforms. IMA J.Appl.Maths..39.P159. (1987)32Mendlovic D., Ozaktas H.M.. Fractional Fourier transforms and their implementation,I.J.Opt.Soc.Am.. A10 P1875. (1993)33Bernardo L., Soares O.D.D.. Fractional Fourier transforms and optical systems. Opt. Comm..110. P517. (1994)34Lohman A.W.. A fake zoom lens for Fractional Fourier experiments. Opt. Comm..115.P437.(1995)35Lormann A.W.. Image rotation, Wigner rotation and fractional Fourier transform.J.Opt.Soc.Am.. A10 P2181. (1993)36Bernardo L.M. Soares O.D.D.. Fractional Fourier transforms and imaging. J.Opt.Soc.Am..A11 P2622. (1994)37Mendlovic D. etc.. Optical illustration of varied fractional Fourier-transform order and Radon-Wigner display. Appl. Opt. 35. P3925. (1996)38Mendlovic D. etc.. New signal representation based on the Fractional Fourier transforms: definitions. J.Opt.Soc.Am.. A12 P2424. (1995)39Mendlovic D. etc.. Optical fractional correlation: experimental results. J.Opt.Soc.Am.. A12 P1665. (1995)40Ozaktas H.M. etc.. Convolution, filtering, and multiplexing in fractional Fourier domain and their relation to chirp and wavelet transform. J.Opt.Soc.Am.. A11 P547. (1994)41Pellat-Finet P.. Fresnel diffraction and the fractional-order Fourier transform. Opt. Lett.. 19.P1388. (1994)第六章6-1 Ichioka Y, Iwaki T and Matsuoka K. ,"Optical Information Processing and Beyond", IEEE Proc. V ol.84, 1996, p.694-719.6-2秦秉坤,孙雨南,朱伟利,《光计算机》,北京理工大学出版社,1989, p.112-1236-3赵达尊,张怀玉,《空间光调制器》,北京理工大学出版社,19926-4李育林,傅晓理,《空间光调制器及其应用》,国防工业出版社,19966-5陈益新等编译,《集成光学》,上海交通大学出版社,,1985,p.188-1966-6金锋,范俊清。

基于分数阶Fourier变换的LFM类信号的DOA估计的开题报告

基于分数阶Fourier变换的LFM类信号的DOA估计的开题报告

基于分数阶Fourier变换的LFM类信号的DOA估计的开题报告一、研究背景与意义随着现代电子技术的迅速发展,通信、雷达、声纳等领域对于高精度定位和定向识别的需求日益增强。

方位角估计是计算机视觉、语音信号处理、雷达感知、移动通信等领域中的重要问题之一。

传统的方位角估计方法主要基于Fourier变换,例如利用傅里叶变换来提取频域中的信息。

但是,傅里叶变换仅适用于处理平稳信号,而对于非平稳信号,傅里叶变换的效果则会受到限制。

为了解决这一问题,分数阶Fourier变换(Fractional Fourier Transform,简称FRFT)得到了广泛的关注。

FRFT可处理非平稳信号的能力得到了广泛的应用,特别是在方位角估计、目标识别和声源定位领域中。

LFM类信号作为一种非平稳信号,具有宽带性、抗多径衰落、具有良好的压缩特性等优点,在雷达通信和声纳信号处理中被广泛应用。

因此,研究基于分数阶Fourier变换的LFM类信号的DOA估计将具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、研究内容本文主要研究基于分数阶Fourier变换的LFM类信号的DOA估计问题。

具体来说,研究内容包括以下几个方面:1. LFM类信号的特点与分数阶Fourier变换的基本原理分析。

LFM类信号的脉宽具有很好的压缩性,信号频谱随着时间的变化而变化。

FRFT 可将时频域的信息融合在一起,提高信号分析的效果。

2. 基于FRFT的LFM类信号模型的建立。

将LFM类信号转换到分数阶域,并在此基础上建立基于FRFT的LFM类信号模型,获得更加精确的信号信息。

3. 基于稀疏表示的DOA估计方法。

利用信号在FRFT域中的稀疏性进行DOA估计,将信号分解为若干个分量并进行分别处理,提高方向角的估计精度。

4. 算法实现及性能仿真分析。

采用MATLAB等软件实现算法,并通过对比传统基于傅里叶变换的方法进行性能仿真分析,验证本文提出方法的有效性与优越性。

三、预期成果1. 建立基于分数阶Fourier变换的LFM类信号模型,分析LFM类信号在FRFT域中的稀疏表示。

基于频域滤波的分数阶Fourier变换的目标检测

基于频域滤波的分数阶Fourier变换的目标检测

基于频域滤波的分数阶Fourier变换的目标检测尹德强;李文海;宋有为【摘要】A FRFT weak target detection method based on filtering in frequency-domain is proposed through analyzing the echo signal of the target in sea. The method intercalated a band-pass filter in frequency-domain to filter the echo signal in frequency-domain and filter clutter, and then transformed the signal from FRFT domain to time domain, at this time, FRFT detected the target preferably. Experiment using the IPIX data shows that the method has remarkably advantages in increasing the signal-clutter FRFT peak value difference and enhancing the SCR. When the SCR is reduced to -10 dB, the method can still detect targets easily.%在分析海面运动目标回波的基础上提出了一种基于频域滤波的FRFT海面运动弱目标检测方法.该方法通过在频域设置一带通滤波器,对频域回波信号进行滤波,滤除部分杂波,然后逆变换到时域,此时再进行FRFT检测,就能够较好地检测到目标.利用IPIX 实测数据实验表明,在相同信杂比条件下所提方法在增加目标与杂波FRFT峰值差方面都明显优于仅对回波作FRFT变换.设置适当的恒虚警检测门限,该检测方法能够达到更好的检测效果.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)019【总页数】4页(P7-10)【关键词】分数阶Fourier变换;杂波抑制;滤波;海杂波【作者】尹德强;李文海;宋有为【作者单位】海军航空工程学院,山东烟台 264001;海军航空工程学院,山东烟台264001;中南财经政法大学工商管理学院,湖北武汉 430060【正文语种】中文【中图分类】TN911-340 引言在信号处理领域中,传统的Fourier变换是一个研究最为成熟、应用最为广泛的数学工具。

分数阶Fourier变换在水声信号处理中的应用研究

分数阶Fourier变换在水声信号处理中的应用研究

分数阶 Fourier 变换在水声信号处理中的应用研究
冷龙龙 覮,肖业伟,胡军
(湘潭大学 信息工程学院,湖南 湘潭 411105)
摘 要:线性调频(LFM)信号瞬时频率随时间呈线性变化,当干扰噪声与其强耦合时,经典的滤波方法
难以有效的滤除噪声。针对水声通信中采用 LFM 信号作为载体时滤波效果不明显的问题,提出了一种改进
Key words:linear frequency modulation signal;underwater acoustic communication;fractional fourier transform;separate noises from signal
水声信道因其特殊的时空频变特性,水声通信 的发展远远滞后。对水声通信技术的研究已成为各 国科学家和工程技术人员研究的热点。水声信号提 取优劣将会直接影响水下目标探测、定位、跟踪等 技术的发展。线性调频(LFM)信号瞬时频率随时间 呈线性变化,将其作为载波信号应用于水声通信
的分数阶 Fourier 变换(FRFT)滤波方法。水听器接收到的 LFM 信号在最佳变换域经 FRFT 变换后,同时对
期望信号进行 FRFT 变换,系数修正后再对信号进行窄带滤波处理。仿真结果表明,在信噪比高于-12dB
时,新算法能够有效的实现信噪分离,还原出信号。
关键词:线性调频信号;水声通信;分数阶 Fourier 变换;窄带滤波
数阶傅里叶变换(FRFT)自适应滤波方法,通过拟 合频率曲线来确定 FRFT 滤波算法的各个参数。文 献[3]提出了一种简洁的分数阶傅立叶变换(CFRFT) 方法,降低了分数阶 Fourier 变换滤波算法的复杂 度。文献[4]利用分数阶傅里叶变换在分析线性调频 信号时的优良特性,在分数阶变换域上进行自适应 滤波处理,提高信号检测估计效果。文献[5] 利用调 频步进雷达的粗距离像信号为慢时间域的线性调 频信号的特点,通过对若干个连续子脉冲串的分数 阶傅里叶变换谱图进行等距滑动叠加的方法,解决 了单个子脉冲串的 FRFT 谱图在被噪声淹没的问 题。但当信噪比较低时,且干扰噪声与待观测信号 具有较强的时频耦合,经典的滤波方式难以实现有 效的信噪分离。

基于双通道 DFRFT 互谱法的 Chirp 信号时延估计

基于双通道 DFRFT 互谱法的 Chirp 信号时延估计

基于双通道 DFRFT 互谱法的 Chirp 信号时延估计李昕【摘要】针对脉冲Chirp类信号的时延估计问题,理论推导了基于离散分数阶Fourier变换的脉冲Chirp信号的特性,分析了当时延参量等效的分数阶Fourier 域的频率大于采样率时,脉冲Chirp信号的分数阶Fourier域谱产生混叠,造成时延估计模糊的问题,并提出基于离散分数阶Fourier变换(DFRFT )双通道互谱法进行时延估计,给出两个通道采样率选取的原则及算法的性能分析,实验结果表明,在一定的采样率下,算法能够快速精确地估计脉冲Chirp信号的时延参数。

%For the problem of time-delay estimation for Chirp pulse signals ,the characteristics of Chirp pulse signals based on the discrete fractional Fourier transform was theoretically derived .When time-delay equivalent frequency parameter was greater than the sampling rate in fractional Fourier domain ,the spectrum of Chirp pulse signals in fractional Fourier domain produced aliasing , which caused the delay estimation ambiguity problem .In order to solve this problem ,the time-delay estimation of Chirp signal based on double-channel DFRFT cross-spectral method was proposed ,then the principles of the two-channel sampling rate selection and the performance analysis was given .The experimental results show that ,in a certain sampling rate ,the proposed algorithm is able to quickly and accurately estimate the time-delay parameters of Chirp pulse signals .【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】6页(P1068-1073)【关键词】离散分数阶Fourier变换(DFRFT);互谱;时延估计;脉冲chirp信号【作者】李昕【作者单位】北京理工大学信息与电子学院,北京 100081; 安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南 232001【正文语种】中文【中图分类】TN957.511 引言Chirp类信号也称线性调频信号,因其具有大时宽带宽积的特性,被广泛应用于雷达、声纳等通信系统之中,对Chirp类信号的检测和参数估计具有重要意义,如脉冲Chirp类信号时延估计就是信号处理领域中参数估计的一项重要内容,时延估计的性能直接影响着线性调频体制雷达定位系统的性能.随着新的时频分析工具分数阶Fourier变换(FRactional Fourier Transform,FRFT)理论的出现与不断发展,作为傅里叶变换广义形式的分数阶Fourier变换,因其对Chirp信号具有良好的能量聚集性,且具有与快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)计算量相当离散算法,近年来被广泛应用于Chirp类信号的检测与参数估计的分析[1~9].Sharam等人于2007年提出了基于分数阶傅里叶变换的时延估计算法,给出算法的输出信噪比与估计精度分析[1].针对线性调频脉冲,Tao等人证明了该算法在特定的分数阶Fourier域对Chirp信号进行时延估计是最优的,时延估计子可达到克拉美罗下界(CRLB)[2].文献[3,4]以传统相关处理算法脉冲压缩的时域特性为参照,分析了基于FRFT的线性调频脉冲时延估计的分数阶Fourier域特性,并对比两者在数字信号处理上的差异,说明了基于FRFT的时延估计精度往往更高,所需数据率可以更低,运算复杂度更低.文献[1~3]仅针对连续分数阶Fourier变换时延估计的理论分析仿真,未对实际工程应用的离散分数阶Fourier变换(Discrete FRactional Fourier Transform,DFRFT)的应用进行分析.文献[2]中指出基于FRFT的时延估计是将时延信息转换为分数阶Fourier域的频率参数进行估计,采样率对时延等效分数阶Fourier域的频率参数是否会有影响文中也未讨论.采用传统相关算法对脉冲Chirp信号时延估计时,当采样率低于奈奎斯特采样率即欠采样,信号会在频域产生混叠,导致处理后相关峰在时域出现多个峰值,干扰存在的情况下会造成时延估计错误.尤其对于Chirp超宽带系统,若以满足奈奎斯采样定理的采样率即2倍的信号带宽采样,会因信号带宽较大造成采样芯片的负担,欠采样技术是解决这一问题的有效方法之一.文献[5]针对线性调频信号离散分数阶Fourier变换后的特性,提出了利用欠采样Chirp信号的最佳FRFT旋转角度估计原始信号的调频率,实现欠采样情况下的线性调频信号的快速检测.本文针对脉冲Chirp类信号的时延估计问题,分析了基于DFRFT的脉冲Chirp信号的特性,分析采样率与时延参量间的关系,当时延参量等效分数阶Fourier域的频率大于采样率时,脉冲Chirp信号的分数阶Fourier域谱会产生混叠,无法分辨出真实时延,产生时延模糊问题;针对该问题提出基于DFRFT双通道互谱法进行时延估计,理论分析双通道采样率与发射脉冲Chirp信号的脉宽和脉冲重复周期间的关系,给出两个通道采样率选取的原则;并从时域分辨力和时延估计的计算精度两方面,与基于FRFT的时延估计算法和传统相关处理算法进行了比较分析.最后通过仿真验证了基于DFRFT双通道互谱法脉冲Chirp信号的检测与时延的快速精确估计算法的有效性.2 基于DFRFT的Chirp信号时延估计信号连续分数阶Fourier变换基本定义[10]:Xp(u)=Fp[x(t)]=x(t)Kα(t,u)dt=Aαejπ(u2cotα-2utcscα+t2cotα)x(t)dt(1)其中,Aα=|sin α|-1/2ejπ sgn(sin α)/4+j α/2,式中 p 为分数阶Fourier变换阶次,α=pπ/2为p阶分数阶Fourier域相对于时域的逆时针旋转角度.在众多离散分数阶Fourier变换算法中,Pei S.C.等人于2000年提出采样型算法[11],计算结果与连续FRFT接近,计算复杂度与快速傅里叶变换相当,且在数据处理前无需对数据进行量纲归一化,因此得到广泛的认可与应用.算法是通过直接对输入输出变量实现采样,限定输入输出采样间隔实现变换可逆性,将连续FRFT表达式分解成两次Chirp乘积和一次尺度变化FFT运算.2.1 基于FRFT的chirp信号时延估计原理分数阶Fourier变换的时延特性表明,时延τ与分数阶Fourier域的谱峰位置有密切联系,即:=Fα[s(t-τ)](u)=ejπτ2sinαcosαe-j2πuτsinαSα(u-τcosα)(2)分数阶Fourier变换可以理解为信号在Chirp基上的分解,因此对Chirp信号具有非常好的能量聚焦性能,特别适合用于处理Chirp类信号.利用这一特点和分数阶Fourier变换的时延特性,文献[2]提出了分数阶Fourier域的脉冲Chirp信号的时延估计方法,将传统的时延估计转化为分数阶Fourier域的参数估计,根据含时延的信号在分数阶Fourier域最大谱相对于参考信号在分数阶Fourier域Sα(u)最大谱的位置得到时延τ.(3)2.2 基于DFRFT的时延估计原理及时延模糊设发射脉冲Chirp信号的时域表达为:s(t)=rect(t/Tr)e-jπKt2(4)其中,Tr为发射脉冲Chirp信号的脉宽,K为调频率,T为脉冲重复周期.接收到的目标反射回波信号表达式为:sr(t)=s(t-τ)+v(t)(5)其中,v(t)为接收机接收回波信号中所含的高斯白噪声,τ为目标回波信号产生的时延.设以Δt为采样时间间隔,采样离散后的回波信号表达式为:sr(n)=rect[(n-τ/Δt)/M]e-jπK(n-τ/Δt)2+v(n)(6)其中,M=Tr/Δt为脉内信号采样点数,n=0~L-1,L=T/Δt为脉冲重复周期内采样点数.根据基于FRFT的脉冲Chirp信号时延估计原理,发射脉冲Chirp信号初始频率为0,经匹配阶次(cotα=K)的离散分数阶Fourier变换后,Sα(u)最大谱峰在分数阶Fourier域的0点处..式(3)表示的时延估计可简化为:(7)离散化后,最大谱峰所在点数即为:(8)其中,m=0~L,L为一个脉冲重复周期内的信号采样总数.如果Kτ/Δf>N,即τ>fs/K 时(fs=Δf N),假设τ=l fs/K+τ0,l为整数,此时,时延τ与τ0在分数阶Fourier域中最大谱峰位置相同,无法估计出信号真实的时延.脉冲Chirp信号在分数阶Fourier 域的时频特性造成基于DFRFT时延估计算法出现时延无法分辨,产生了时延模糊问题.3 基于DFRFT互谱法的时延估计原理根据以上原理分析可知直接采用DFRFT实现脉冲Chirp信号时延估计时,如果时延导致的分数阶Fourier域的等效的频率大于信号采样率,就会造成分数阶Fourier域的频谱混叠,导致时延无法分辨,产生时延模糊的问题.本文通过分析Pei提出的采样型DFRFT离散算法每一步的脉冲Chirp信号的特性,提出利用两个独立采样通道,计算线性调频信号调制后两个通道输出采样信号的互谱函数,再做尺度傅里叶变换和乘以调频信号,实现基于DFRFT互谱法的时延无模糊估计.具体算法与理论分析如下:(1)将接收到的回波信号采样后再乘以匹配阶次(cot α=K)线性调频信号进行解调:=sr(n)ejπcotα·t2(9)双通道采样时,设采样时间分别Δt1和Δt2,则采样后且解线性调频后的信号为:(10)其中,M1=Tr/Δt1,M2=Tr/Δt2,L1=T/Δt1,L2=T/Δt2,为了保证信息不丢失,取L=max(L1,L2),n=0~L-1.设采样间隔Δt1>Δt2,则L=L2.将通道1大于L1后数据补零加至到L2的长度,双通道采样时刻对照表如表1所示.表1 双通道采样时刻对照表采样计数值p123……L1……L2通道1Δt12Δt13Δt1……L1Δt1(T)00通道2Δt22Δt23Δt2……L1Δt2……L2Δt2(T)计算两个通道信号采样后对应点的互谱:(11)由于Δt1>Δt2,则(τ-Tr/2)/Δt1<(τ-Tr/2)/Δt2,且(τ+Tr/2)/Δt1<(τ+Tr/2)/Δt2.为了保证双通道采样后的信号互谱不为零,则必须保证两个通道采样的脉内信号有重叠,即必须保证满足式(12)的n值存在.(12)实际应用中能够检测出的发射脉冲Chirp信号的目标回波信号时延大于脉宽且小于脉冲重复周期(Tr/2<τ<T-Tr/2),即0<τ/Tr-1/2<T/Tr-1.联合式(16),可得:Δt2/(Δt1-Δt2)≥T/Tr(13)本文提出的算法实际应用时只有保证双通道采样后的信号互谱值不为零,后续处理才有意义,因此在选择两个通道的采样率时,必须满足式(13).(2)离散后信号做尺度变化的FFT:通道2做尺度变化的FFT为:(14)计算双通道互谱后的信号做尺度变化的FFT为:(15)其中n=floor⎣(τ-Tr/2)/Δt2」~floor⎣⎣·」为取整运算.(3)再乘以线性调频信号和复系数:(16)则其信号分数阶Fourier域的谱幅值为:(17)其中,Bα=|Aα|D.只要Δt′足够小,即Δf ′足够大,就能够保证Kτ/(Δucscα)=Kτ/Δf ′<L,解决时延模糊问题.基于DFRFT脉冲Chirp时延估计的时延分辨率是指脉冲Chirp信号分数阶Fourier域压缩后的主辨宽度在时域的等效宽度.sinc(γx)函数-3dB宽度等于|1/γ|,由式(14)可得单通道信号经DFRFT算法处理后的分数阶Fourier变换域的分辨率为:|1/γ|=1/|Tr cscα|(18)由于分数阶傅里叶变换是在匹配阶次下进行,即cotα=K,再根据式(3)可知道时延在时域的分辨率为分数阶Fourier域的secα倍.将式(18)所得的分数阶Fourier域的时延分辨率等效到时域为:|1/γ|secα=|secα|/|Tr cotα secα|=1/|Tr K|=1/B(19)与文献[3,4]结论一致.根据式(17)可得基于DFRFT的双通道互谱算法处理后的分数阶Fourier域的分辨率为:|1/γ|=1/|DcscαΔt′|(20)由于是采样后对应点的互谱,矩形脉冲的宽度减小,即D·Δt′<Tr,则1/|DcscαΔt′|>1/|Tr cscα|,即双通道求互谱后的信号在分数阶傅里叶域的分辨率大于单通道的分辨率,等效到时域的分辨率大于1/B,所以双通道DFRFT互谱法时延估计会降低目标回波信号的分辨率.为了不降低时延估计精度,可以通过单通道的信号的分数阶Fourier变换进行校正,实现分辨率不会降低的基于DFRFT的双通道互谱法脉冲Chirp的联合时延估计.校正后时延估计可以用式(21)表示(21)由以上分析得到双通道抽样条件下脉冲Chirp信号无模糊时延估计实现结构见图1.4 算法估计性能分析4.1 含噪Chirp信号时延估计的峰值信噪比式(17)表明两个通道采样时间差值会影响脉冲Chirp信号在匹配阶次的分数阶Fourier域的最大谱峰值的大小,进而影响含噪信号检测概率与估计的准确性,因此有必要讨论基于DFRFT互谱法时延估计的两个通道的采样率对脉冲Chirp信号的输出信噪比的影响.依据文献[2]基于FRFT的脉冲Chirp信号检测以匹配滤波的优化准则,定义基于DFRFT双通道互谱法时延估计的输出信噪比为:(22)根据式(17),可得:(23)令噪声是与发射信号不相关的高斯白噪声,其均值为0,设噪声方差为σ,则:(24)SNRout(25)由于Δt1>Δt2,所以M1<M2,τ/Δt1-τ/Δt2>0.本文算法中设回波信号幅值为1的信号,所以通道2中的脉内输入SNRin=M2/Lσ2,由式(25),可得:SNRout< M2 SNRin,依据文献[2],通道2基于DFRFT算法的脉冲Chirp信号时延估计的输出信噪比为:SNRout=M2SNRin,显然,对于给定的含噪脉冲Chirp信号,双通道的采样率的选择将直接影响其在匹配阶次的分数阶Fourier域的输出信噪比,进而影响脉冲Chirp信号的检测效果.4.2 时域目标分辨率邓兵等[3]人验证了基于分数阶Fourier变换的时延估计与脉冲压缩估计的分辨率相同,本文提出的双通道DFRFT互谱的时延估计算法,通过单通道采样得到的信号进行的时延估计分辨校正,实现了与理论分析以及传统脉冲压缩所具有相同的时域分辨率,且本算法解决了时延模糊问题.4.3 时延计算精度DFRFT在分数阶Fourier域进行,其时域计算精度为:Δt=Δu|secα|=Δf|sinα|·|secα|=1/|Tcotα|=1/|λTrK|=1/|λB|,其中,λ=T/Tr>>1,基于DFRFT的时延估计通过增加脉冲重复宽度T来减少时域步长,提高时域估计精度.传统经典的Chirp类信号时延估计处理算法脉冲压缩,它的时域估计精度为Δt=1/fs,为了保证Chirp信号非欠采样要求fs>2B,脉冲压缩算法通过提升采样频率来减少时域步长,提高时域估计精度.因此前者的精度往往更高,所需的数据率会更低.本文提出的算法采用DFRFT时延估计时的计算精度可以通过增加脉冲重复周期提高计算精度,同时利用互谱消除了时延模糊问题.4.4 计算复杂度单通道采用Pei提出的采样型DFRFT运算,运算复杂度为O[L log(L)2].互谱通道在Pei提出的采样DFRFT运算的基础上仅增加了一步L点的点乘运算.本文所提出的基于DFRFT双通道互谱法脉冲Chirp信号的时延估计运算复杂度近似为O[2L log(L)2].5 仿真结果仿真数据如下:Chirp信号脉宽Tr=10μs,脉冲重复周期为T=100μs,调频带宽B=10MHz,假定在时延τ0=5μs,τ1= 61μs处各有一个目标,回波信号SNR=10dB 时,采样率为8MHz.图2为采用基于DFRFT的脉冲Chirp信号时延估计和传统相关算法欠采样时的时延估计结果.从图2(a)可以看出以fs=8MHz采样率对信号采样时,采用传统相关处理方法时,由于欠采样信号在频域发生频谱混叠,造成相关峰在时域出现多个峰值,无法准确估计时延.采用分数阶傅里叶域时延估计算法时,由于τ1=τ0+7 fs/K,此时在分数阶Fourier域最大谱混叠,无法分辨出两个目标信号真实时延.采用双通道采样,通道1以采样率fs1=8MHz采样,通道2以采样率fs2=8.4MHz 采样,两个通道的采样率满足双通道DFRFT互谱分析所需式(13)的采样条件.以采样率fs2=8.4MHz做DFRFT分析结果如图2(b)所示.由于τ0<fs2/K,图2(b)中右边谱峰所在的位置为5.02μs.由于τ1>fs2/K,左边谱峰位置所对应时延值并不是61μs,而且τ1和τ0之间的时延差并不是fs2的整数倍,因此谱峰没有产生混叠,但因为τ1>fs2/K,此时直接采用DFRFT估计的结果对于时延为τ1的信号仍出现了时延模糊.通过双道DFRFT互谱法估计的时延如图3所示.从图3中可看出信号主瓣变宽,这正是由于互谱计算相当于提高了信号采样率,导致了时域分辨率的降低.时延为τ的信号也因为互谱法造成输出信噪比的下降.为了保证时延在时域的分辨率不变,采用式(21)进行时延估计,可得正确时延分别为:5μs,61.1μs.采用信噪比分别由10dB至-10dB,间隔2dB,分别做100次蒙特卡洛仿真估计时延均方误差如图4所示.与传统相关处理算法和文献[2]提出的时延估计的克拉美罗下界(CRLB)对比.随着信噪比增加,估计误差逐渐靠近CRLB.6 结束语本文通过研究基于DFRFT的脉冲Chirp信号检测原理,提出了基于DFRFT双通道互谱法的时延估计,解决基于DFRFT的时延估计算法,因时延参量等效的分数阶Fourier域的频率参量大于采样率而导致的时延模糊问题;并从理论上证明算法不会降低时延估计时域分辨率和计算精度,且可以通过降低采样率来减少计算量,算法可以实现欠采样条件下的脉冲Chirp信号的快速精确检测与时延估计.本文算法适用于Chirp超宽带定位系统,可以解决Chirp超宽带系统低成本工程实现时,采样芯片的采样率难以满足系统需求的问题.参考文献【相关文献】[1]Sharma K K,Joshi S D.Time delay estimation using fractional Fourier transform[J].Signal Processing,2007,87(5):853-865.[2]Ran Tao,Xue-mei Li,Yan-lei Li,et al.Time-delay estimation of chirp signals in the fractional Fourier domain[J].IEEE Trans Signal Processing,2009,57(7):2852-2855.[3]邓兵,王旭,陶然,等.基于分数阶傅里叶变换的线性调频脉冲时延估计特性分析[J].兵工学报,2012,33(6):764-768.Deng Bing,Wang Xu,Tao Ran,et al.Performance analysis of time delay estimation for linear frequency-modulated pulse based on fractional Fourier transform[J].Acta Armamentaria,2012,33(6):764-768.(in Chinese)[4]李昕,李良光,姜媛媛.基于DFRFT的脉压方法及与匹配滤波性能对比[J].计算机工程与应用,2012(11):16-21.Li Xin,Li Liang-guang,Jiang Yuan-yuan.Performance comparison between pulse compression based on DFRFT and match filtering[J].Computer Engineering and Applications,2012,48(11):16-21.(in Chinese)[5]仇兆炀,陈蓉,汪一鸣.基于FRFT的线性调频信号欠采样快速检测方法[J].电子学报,2012,40(11):2165-2170.Qiu Zhao-yang,Chen Rong,Wang Yi-ming.Fast detection of LFM signal based on FRFT and sub-Nyquist sampling[J].Acta Electronica Sinica,2012,40(11):2165-2170.(in Chinese) [6]张南,陶然,王越.基于变标处理和分数阶傅里叶变换的运动目标检测算法[J].电子学报,2010,38(3):683-688.Zhang Nan,Tao Ran,Wang Yue.A target detection algorithm based on scaling processing and fractional Fourier transform[J].Acta Electronica Sinica,2012,38(11):2165-2170.(in Chinese)[7]常虹,石海城,赵国庆,等.基于全相位频谱插值的欠采样频率估计[J].宇航学报,2010,31(12):2771-2775.Chang Hong,Shi Hai-cheng,Zhao Guo-qing,et al.Frequency estimation based on interpolated all phase spectrum with sub-Nyquist sampling[J].Journal of Astronautics,2010,31(12):2771-2775.(in Chinese)[8]张南,陶然,单涛,等.基于分数阶傅里叶变换的线性调频信号分辨率分析[J].电子学报,2007,35(12):8-13.Zhang Nan,Tao Ran,Shang Tao,et al.Analysis of the resolution of the linear frequency modulated signal based on the fractional Fourier transform[J].Acta ElectronicaSinica,2007,35(12):8-13.(in Chinese)[9]邓兵,陶然,曲长文.分数阶Fourier域中多分量chirp信号的遮蔽分析[J].电子学报,2007,35(6):1094-1098.Deng Bing,Tao Ran,Qu Chang-wen.Analysis of the shading between multicomponent Chirp signals in the fractional Fourier domain[J].Acta Electronica Sinica,2007,35(6):1094-1098.(in Chinese)[10]陶然,邓兵,王越.分数阶傅里叶变换及其应用[M].北京:清华大学出版社,2009.105-106.[11]S C Pei,J J Ding.Closed-form discrete fractional and affine Fourier transforms[J].IEEE Trans Signal Processing,2000,48(5):133-1353.。

数学专业英语词汇(F)

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数学专业英语词汇(F)f distribution f分布f ratio 方差比f space f空间f test f检定face 面face centered 面心的face centered cubic 面心立方体的face of a polyhedron 多面体面face operator 面算子factor 因子factor analysis 因子分析factor combination 因子组合factor group 商群factor groupoid 商广群factor loading 因子载荷factor matrix 因子矩阵factor model 因子模型factor module 商模factor of a polynomial 多项式的因子factor of proportionality 比例系数factor out 提出撰因子factor ring 商环factor set 商集factor space 商空间factor system 因子组factor theorem 因子定理factorability 因子可分解性factorable 可因子分解的factorial 阶乘factorial cumulant 阶乘累积量factorial design 因子设计factorial experiment 析因实验factorial notation 阶乘记号factorial of an integer 整数的阶乘factorial polynomial 阶乘多项式factorial series 阶乘级数factoring 因式分解factorizable 可因子分解的factorization 因式分解factorization method 因子分解方法factorization theorem 因子分解定理factorize 因子分解fair game 适当对策faithful anti representation 一一反表示faithful functor 一一的函子faithful module 一一的模faithful representation 一一表示faithfully flat ring 一一平坦环false 假的false conclusion 假结论family 族family of curves 曲线族family of elements 元素族family of functions 函数族family of orthogonal curves 正交曲线族family of planes 平面族family of sets 集族family of solutions 解族family of surfaces 曲面族fan 扇形farey series 法雷级数fast fourier transformation 快速傅里叶变换fatou lemma 法都引理favorable case 有利情形favorable event 有利事件feasible base 可行基feasible constraint 可行约束feasible control 可行控制feasible direction 可行方向feasible point 可行点feasible region 可行区域feasible restriction 可行约束feasible solution 可行解feeble solution 弱解fermat last theorem 费马最后定理fermat number 费马数fermat spiral 费马螺线fermat theorem 费马定理feynman integral 费曼积分fiber 纤维fiber bundle 纤维丛fiber map 纤维映射fiber preserving mapping 保纤映射fiber space 纤维空间fibonacci number 斐波那契数fibring 纤维空间fiducial distribution 置信分布fiducial estimation 置信估计fiducial inference 置信推理fiducial limit 置信限fiducial probability 置信概率fiducial region 置信区域field 域;场field of algebraic functions 代数函数域field of constants 常数域field of definition 定义域field of events 事件场field of extremals 极值曲线场field of forces 力场field of numbers 数域field of rational functions 有理函数域field of rationals 有理数域field of real numbers 实数域field of scalars 系数域field of sets 集域field theory 域论;场论figure 图形filter 滤子filter base 滤子基filtered category 滤子化范畴filtered degree 滤子化次数filtered group 过滤群filtering 过滤filtration 过滤final decision 最后判决final functor 尾函子final state 终态final topology 终拓扑fine sheaf 强层fine topology 细拓扑fineness 细度finer topology 较细拓扑finish time 终止时间finite automaton 有限自动机finite base 有限基finite cardinal 有限基数finite constructibility 有限可构成性finite continued fraction 有限连分数finite cyclic group 有限循环群finite definability 有限可定义性finite difference approximation 有限差分逼近finite difference equation 有限差分方程finite dimensional 有限维的finite dimensional extension field 有限维扩张域finite dimensional operator 有限维算子finite discontinuity 有限不连续性finite element method 有限元法finite equation 有限方程finite extension 有限维扩张域finite field 有限域finite function 有限函数finite game 有限对策finite group 有限群finite induction 有限归纳法finite mathematics 有限数学finite measure 有限测度finite model 有限模型finite multiplier 有限乘数finite nilpotent group 有限幂零群finite number plane 有限数平面finite ordinal number 有限序数finite part 有限部分finite partition 有限划分finite point 有限点finite presentation 有限表示finite progression 有限级数finite quantity 有限量finite sequence 有限序列finite series 有限级数finite set 有限集finite sum 有限和finite valued function 有限值函数finitely additive 有限加性的finitely additive measure 有限加性测度finitely cocomplete category 有限共完全范畴finitely complete category 有限完全范畴finitely generatable vector space 有限可生成向量空间finitely generated abelian group 有限生成阿贝耳群finitely generated algebra 有限生成代数finitely generated extension field 有限生成扩张域finitely generated group 有限生成群finitely generated ideal 有限生成理想finitely generated module 有限生成模finitely presented 有限出现的finitely presented group 有限出现群finitely representable 有限可表示的finitely valued function 有限值函数finiteness 有限性finiteness principle 有限性原理finiteness theorem 有限性原理finsler manifold 芬斯莱廖first approximation 首次近似first axiom of countability 第一可数性公理first boundary condition 狄利克雷边界条件first boundary value problem 狄利克雷问题first class 第一类first comparison test 第一比较检验first derivative 一阶导数first fundamental form 第一基本形式first fundamental form of surface 曲面的第一基本形式first integral 初积分first isomorphism theorem 同态定理first mean value theorem 平均值定理first obstruction 第一障碍类first order theory 一阶理论first quadrant 第一象限first quartile 第一四分位数first term 首项first theorem of the mean 第一平均值定理fisher z distribution 费歇耳z分布fitted curve 拟合曲线fitting 拟合five color theorem 五色定理five figure 五位数的five point finite difference scheme 五点有限差分格式five sided 五面的fix 固定fixed element 不变元fixed error 偏倚fixed point 定点fixed point calculation 定点计算fixed point method 不动点法fixed point of mapping 映射的不动点fixed point representation 定点表示法fixed point theorem 不动点定理fixed sample 固定样本fixed vector 固定向量flabby resolution 松弛分解flabby sheaf 散射层flag 旗flag manifold 旗廖flat morphism 平坦射flat point 平坦点flat space 平坦空间flat surface 平面flatness 平坦性flecnode 拐结点flex 拐点floating point 浮点floating point calculation 浮点记数法floating point notation 浮点记数法floating point representation 浮点记数法flow 流flow line 吝flow of scalar field 纯量场的流flow problem 潦题fluctuation 起状fluent 变数fluid 铃fluid dynamics 铃动力学fluid mechanics 铃力学flux 量flux of the vector 量fluxion 导数focal axis 焦轴focal chord 焦弦focal circle 焦圆focal conic 焦点圆锥曲线focal distance 焦距focal length 焦距focal line 焦线focal plane 焦平面focal point 焦点focal radius 焦半径focal strip 焦带focal surface 焦曲面focus 焦点focus of a parabola 抛物线的焦点fold singularity 折奇性folding 卷积foliated manifold 叶状廖foliation 叶状结构folium 叶形线folium of descartes 笛卡儿叶形线follow 跟foot 垂足foot of a perpendicular 垂足force 力force function 力函数force of gravity 重力force of inertia 惯性力force polygon 力的多角形force triangle 力三角形force vector 力向量forced oscillation 受迫振动forced vibration 受迫振动forcing method 力迫法forecasting 预报form 形式formal 形式的formal derivative 形式导数formal language 形式语言formal logic 形式逻辑formal model 形式模型formal power series 形式幂级数formal system 形式系统formally real field 形式实域formation 形成formation rule 形成规则formless 无形状的formula 公式formula language 公式语言formula of computation 计算公式formula of propositional logic 命题逻辑公式formulate 公式化formulation 用公式表示forward difference 前向差分forward difference operator 前向差分算子forward difference quotient 前向差商forward solution 前向解法foundation 基础foundation of geometry 几何基础foundations of geometry 几何基础foundations of mathematics 数学基础four address 四地址的four address instruction 四地址指令four color conjecture 四色猜想four color problem 四色问题four color theorem 四色定理four digit 四位的four dimensional 四维的four dimensionality 四维性four fold table 四重表four vector 四元向量four vertex theorem 四顶点定理fourier analysis 傅里叶分析fourier analyzer 傅里叶分析仪fourier bessel series 傅里叶 贝塞耳级数fourier bessel transformation 汉克尔变换fourier coefficient 傅里叶系数fourier cosine transform 傅里叶余弦变换fourier expansion 傅里叶展开fourier integral 傅里叶积分fourier integral equation 傅里叶积分方程fourier integral theorem 傅里叶积分定理fourier kernel 傅里叶核fourier series 傅里叶级数fourier sine transform 傅里叶正弦变换fourier synthesis 傅里叶综合法fourier transform 傅里叶变换fourierstieltjes transform 傅里叶 斯蒂尔吉斯变换fractal 分形fractal dimension 分形维数fraction 分数fraction in lowest terms 最简分数fractional derivative 分数导数fractional equation 分数方程fractional exponent 分式指数fractional function 分数函数fractional ideal 分式理想fractional integral 分数次积分fractional number 分数fractional part 分数部分fractional rational function 分数有理函数fractional replication 分数配置fractionary ideal 分式理想frame 架frechet derivative 弗雷谢导数frechet differentiable function 弗莱谢可微函数frechet differential 弗雷谢微分frechet space f空间fredholm alternative 弗雷德霍姆择一fredholm alternative theorem 弗雷德霍姆择一定理fredholm determinant 弗雷德霍姆行列式fredholm integral equation 弗雷德霍姆积分方程fredholm operator 弗雷德霍姆算子fredholm point 弗雷德霍姆点fredholm radius 弗雷德霍姆半径fredholm type integral equation 弗雷德霍姆型积分方程free decision variable 自由决策变量free end 自由端free group 自由群free groupoid 自由广群free index 自由指标free liberty 自由可动性free mobility 自由可动性free monoid 自由独异点free optimization problem 自由最优化问题free product 自由积free semigroup 自由半群free subscript 自由添标free ultrafilter 自由超滤子free variable 自由变量free vector 自由向量frequency 频率frequency curve 频率曲线frequency diagram 频率图frequency distribution 频率分布frequency function 频率函数frequency polygon 频数多边形frequency theory of probability 概率的频率论fresnel integral 菲涅耳积分friction 摩擦frobenius algebra 弗罗宾尼斯代数frobenius automorphism 弗罗宾尼斯自同构frobenius group 弗罗宾尼斯群front 前面frontier 边界frontier point 边界点frustum of a paraboloid 平截头抛物面体frustum of cone 平截头圆锥体frustum of pyramid 截棱锥fubini theorem 富比尼定理fuchsian function 富克斯函数fuchsian group 富克斯群fulcrum 支点full inhomogeneous lorentz group 完全非齐次洛伦茨群full line 实线full linear group 全线性群full solid angle 完全立体角full subcategory 完全子范畴full unimodular group 完全幺模群fully faithful 完全一一的fully faithful functor 完全一一函子fully normal space 仿紧空间fully reducible star body 完全可约星形体fully transitive group 全可迁群function 函数function algebra 函数代数function chart 函数尺function code 操纂function constant 函数常数function continuous on the right 右连续函数function field 函数域function of bounded variation 有界变差函数function of class 类函数function of complex variable 复变函数function of confluent type 合镣函数function of function 合成函数function of n variables n元函数function of one variable 一元函数function of several real variables 多实元函数function of several variables 多元函数function of third order 三阶函数function of unbounded variation 无界变差函数function representation 函数表示function sequence 函数序列function series 函数级数function space 函数空间function symbol of n arguments n变数函数符号function theoretic 函数论的function theoretic null set 函数论的零集function theory 函数论function value 函数值function variable 函数变数functional 泛函functional analysis 泛函分析functional calculus 函项演算functional constant 函数常数functional dependence 函数相关functional determinant 函数行列式functional differential equation 泛函微分方程functional equation 函数方程functional expression 函数式functional matrix 函数矩阵functional relation 函数关系functional scale 函数尺functional space 函数空间functional symbol 函数符号functional transformation 泛函变换functionelement 函数元素functor 函子fundamental 基本的fundamental class 基本类fundamental cocycle 基本上循环fundamental conjunction 基本合取fundamental constants 基本常数fundamental curve 基本曲线fundamental cycle 基本闭链fundamental determinant 基本行列式fundamental discriminant 基本判别式fundamental domain 基本域fundamental element 基本元素fundamental equations 基本方程fundamental form 基本形式fundamental formulae 基本公式fundamental frequency 基频fundamental function 特寨数fundamental group 基本群fundamental groupoid 基本广群fundamental homology class 基本同掂fundamental identity 基本恒等式fundamental invariant 基本不变量fundamental law 基本律fundamental lemma 基本引理fundamental lemma of calculus of variation 变分法的基本引理fundamental matrix 基本矩阵fundamental net 基本有向点族fundamental parallelepipedon 基本平行六面体fundamental period 基本周期fundamental period parallellogram 基本周期平行四边形fundamental period parallelogram 原始周期平行四边形fundamental point 基本点fundamental polygon 基本多角形fundamental sequence 柯悟列fundamental set 基本集fundamental solution 基本解fundamental surface 基本曲面fundamental system of solutions 基本解组fundamental tensor 基本张量fundamental tetrahedron 基本四面体fundamental theorem 基本定理fundamental theorem of algebra 代数基本定理fundamental theorem of calculus 微积分基本定理fundamental transformation 基本变换fundamental unit 基本单位fundamentals 原理fuzzy set 模糊集。

分数阶Fourier域带限信号多通道采样定理

分数阶Fourier域带限信号多通道采样定理

中国科学 E辑: 技术科学 2008年 第38卷 第11期: 1874~1885 1874 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS分数阶Fourier域带限信号多通道采样定理张峰, 陶然*, 王越北京理工大学电子工程系, 北京 100081* 联系人, E-mail: rantao@收稿日期: 2007-11-01; 接受日期: 2008-03-20国家杰出青年科学基金(批准号: 60625104)、国家自然科学基金(批准号: 60890072, 60572094)和国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号: 2009CB724003)资助项目摘要提出了分数阶Fourier域带限信号多通道采样定理, 是已有采样定理的广义形式. 利用上述结果, 并结合分数阶Fourier变换所特有的时移相移性质, 得到具有重要应用价值的周期非均匀采样序列重构原始信号的表达式. 此外, 通过设计不同的分数阶Fourier域滤波器, 可以得到分数阶Fourier域带限信号不同采样策略的重构公式. 关键词分数阶Fourier变换分数阶Fourier域带限信号分数阶Fourier域滤波器插值公式周期非均匀采样近年来, 分数阶Fourier变换(FRFT)在光学、量子力学、模式识别、信号处理等领域得到了越来越广泛的应用[1~7]. 分数阶Fourier变换可以看作是时频平面的旋转, 同其他时频分布具有密切的联系, 这为分数阶Fourier变换理解为一种统一的时频变换奠定了理论基础[7~12]. 分数阶Fourier变换的很多性质都可以看作是Fourier变换的一般化, 一些重要的性质比如分数阶Fourier域卷积和乘积定理都已经得到并在不同的领域中应用[12~16].传统的带限信号和采样定理在信号处理领域扮演着极其重要的角色. 随着分数阶Fourier 变换在信号处理领域的广泛应用, 基于分数阶Fourier域带限信号采样理论的研究引起了国内外学者广泛的关注. 文献[17]证明了传统Fourier域非带限信号可能在某个角度的分数阶Fourier域带限. 同时文献[17~21]分别从不同角度给出了分数阶Fourier域带限信号的均匀采样插值公式. 文献[22, 23]得到了分数阶Fourier域带限信号均匀采样的分数阶Fourier谱同原始信号的分数阶Fourier谱的关系. 以上考虑的采样方案都是均匀采样, 这些结论是分数阶Fourier 变换离散化的基础; 同时也给出了实际中对分数阶Fourier域带限信号进行均匀采样时, 采样序列的分数阶Fourier谱的特征, 以及如何从均匀采样序列重构原始连续信号.然而在一些实际应用中, 需要用到基于分数阶Fourier域带限信号的多通道采样系统. 比如针对分数阶Fourier域带限信号(包括chirp信号和其它非平稳信号)的多路并行模拟/数字转换器(A/D)[24]; 针对时频选择性信道、基于分数阶Fourier变换的正交频分多路复用(OFDM)系中国科学 E 辑: 技术科学 2008年 第38卷 第11期1875统[25,26]. 不仅如此, 当只能通过多路响应的采样序列重构原始信号, 以及其它一些更为复杂的采样方案时, 需要设计相应的多通道采样系统.本文提出了基于分数阶Fourier 域带限信号的多通道采样定理, 该采样定理可以看作已有分数阶Fourier 域带限信号采样定理的一般形式. 同时利用多通道采样定理得到由时域非均匀采样序列直接重构原始信号的插值表达式. 更为重要的是, 此多通道采样定理可以把多种采样方式统一起来; 通过设计不同的分数阶Fourier 域滤波器, 可以得到不同采样方式的时域插值公式.1 基本知识1.1 分数阶Fourier 变换定义与性质分数阶Fourier 变换作为传统Fourier 变换的一种广义形式,可以看作信号在时频平面上的旋转. 信号()x t 的α角度连续分数阶Fourier 变换积分形式定义为[1~5]()[()]()(,)()d ,X u F x t u K u t x t t ααα∞−∞==∫(1)其中积分核为22j cot j csc 2e ,π,(,)(),2π,(),(21)π,u t ut A k K u t u t k u t k αααααδαδα+−⎧⎪≠⎪⎨=−=⎪⎪+=+⎩ (2)(2)式中α 被看作时频平面旋转的角度,A α= k 取整数. F α表示α 角度分数阶Fourier 变换算子. 可以看出, 当/2α=π时, 分数阶Fourier 变换将变为Fourier 变换; 而且α角度分数阶Fourier 逆变换就是−α 角度分数阶Fourier 变换.分数阶Fourier 变换具有以下重要的时移和相移性质[1,5] []2jsin cos j sin 2()(cos )e,u F x t X u τααταααττα−−=− (3)2jsin cos j sin j 2()(sin )e,v uv vt F x t e X u v αααααα−+⎡⎤=−⎣⎦ (4)其中,v τ分别表示时移和相移参数. 关于分数阶Fourier 变换的其它性质, 可以参考文献[1~5].1.2 分数阶Fourier 域带限信号和其插值公式对于信号()x t , 如果其α角度分数阶Fourier 变换满足()0, ||,X u u B αα=> (5)则称()x t 为α角度分数阶Fourier 域带限信号, 其分数阶Fourier 域带宽为B α[17~23].Xia [17]证明了: 如果一个非0信号()x t 在α角度分数阶Fourier 域是带限的, 那么该信号不可能同时还在β角度分数阶Fourier 域是带限的, 其中n βα≠±+π, n 为任意整数. 也就是说, 在α角度(/2α≠π)分数阶Fourier 域带限的信号不可能同时在Fourier 域带限, 那么对这类信号的处理就适合在分数阶Fourier 域.张峰等: 分数阶Fourier 域带限信号多通道采样定理1876理想采样信号的FRFT 和原始信号的FRFT 关系为[22,23]222sin j cot j cot 2212()()esin e ,u n u T n n F x t t nT X u n TT αααααδαπ⎛⎞−⎜⎟⎝⎠∞∞−=−∞=−∞⎡⎤π⎛⎞−=−⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎣⎦∑∑(6)其中T 为采样间隔. 从(6)式可以看出, 信号在时域被均匀冲击串采样, 相当于在FRFT 域上的周期化(伴随有相位的变化). 那么对于α角度分数阶Fourier 域带宽为B α带限信号()x t , 当采样率为1/csc /T B αα=π时, 信号可以通过其采样完全重建, 其重建公式为[17~23][]222j cot jcot 22sin (csc )()()e()e.(csc )()t m T m B t mT x t x mT B t mT αααααα∞−=−∞−=⋅−∑(7)由于下面考虑的都是α角度分数阶Fourier 域带限信号()x t , 为了方便, 不再标记分数阶Fourier 域角度α .2 分数阶Fourier 域带限信号多通道采样定理设1(),H u 2(),,H u L ()M H u 表示M 个分数阶Fourier 域滤波器. 把分数阶Fourier 域带限信号()x t 作为这M 个分数阶域滤波器的输入, 得到M 个输出22jcot csc 2()()()ed ,t u ut Bk k Bg t A X u H u u ααα+−+−−=∫j 1,,.k M =L (8)下面我们证明: 对于分数阶Fourier 域带限信号()x t , 可以完全由这M 个输出的采样0(),k g nT 1,,k M =L , ,,n =−∞∞L (9)准确重建, 而对()k g t 所需要的采样间隔变为原来的M 倍(采样率变为原来的1/M )0.csc M T MT B απ==(10) 定理1 设带宽为B α 的α 角度分数阶Fourier 域带限信号x (t )通过M 个α角度分数阶Fourier 域滤波器1(),H u 2(),,H u L ()M H u . 构建如下M 个线性方程11j csc 11j(1)csc 11()(,)()(,)1,()(,)()(,)e, [(1)](,)[(1)](,)e ,M M ct M M M ct M MH u Y u t H u Y u t H u c Y u t H u c Y u t H u M c Y u t H u M c Y u t αα−++=⎧⎪++++=⎪⎨⎪⎪+−+++−=⎩L L M L (11) .B u B c −−+≤≤ 其中2Bc M=(12) 定义为分数阶Fourier 域子带宽度参数.通过求解上述线性方程组, 得到M 个函数1(,),,(,).M Y u t Y u t L (13)那么x (t )可以表示为中国科学 E 辑: 技术科学 2008年 第38卷 第11期187722200()()j cot j cot j cot 222101000()e()e()()e (),nT nT t M M n x t g nT y t nT g nT y t nT ααα∞−=−∞⎡⎤⎢⎥=−++−⎢⎥⎣⎦∑L (14) 其中()k g t , 1,,,k M =L 为M 个分数阶Fourier 域滤波器的输出, y k (t )由下式确定j csc 1()(,)e d ,1,,,B cut k k By t Y u t u k M c α−+−==∫L (15) 02(csc )/(csc )T c M B αα=π=π/. 令()[()],k kY u F y t α=% (16) 定理1可以用图1表示.图1 分数阶Fourier 域带限信号的多通道采样系统框图证明 根据(10)式和(12)式, 有00()csc csc csc csc 2c t T ct cT ct αααα+=+=+π. (17)对于(11)式, 为了便于讨论, 写成矩阵形式j csc j(1)csc 1e ()(,),e ct M ct u u t αα−⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦M H Y (18) 其中121212()()()()()()(),((1))[(1)][(1)]M M M H u H u H u H u c H u c H u c u H u M c H u M c H u M c ⎡⎤⎢⎥+++⎢⎥=⎢⎥⎢⎥+−+−+−⎣⎦L L M M M M L H (19)张峰等: 分数阶Fourier 域带限信号多通道采样定理187812(,)(,)(,),(,)M Y u t Y u t u t Y u t ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦M Y (20) 由于(,)u t Y 前的系数()u H 与变量t 无关; 并且根据(17)式可知, (18)式右端是变量t 的周期函数, 其周期为T 000j ()csc j csc j(1)csc j(1)()csc 11e e e e c t T ct M ct M c t T αααα+−−+⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦M M, (21) 因此, (,)u t Y 也是变量t 的周期函数, 且周期大小为T 00(,)(,)k k Y u t Y u t T =+. (22)因此, 根据(15)式有00j ()csc 00j csc j csc 1()(,)e d 1(,)e e d .B cu t nT k k BB c unT ut k By t nT Y u t nT u c Y u t u c ααα−+−−−+−−−=−=⋅∫∫(23)利用Fourier 级数的定义, 从(23)式可以得到j csc (,)eut k Y u t α=0j csc 0()e ,unT k n y t nT α∞=−∞−∑.B u B c −−+≤≤ (24)对(11)式两边同时乘以j csc e ut α, 并利用(24)式, 可以得到00000j csc j csc j csc 1100j csc j csc j()csc 1100j csc 110()()e()()e e ,()()e ()()e e ,[(1)]()e [unT unT ut M M n n unT unT u c t M M n n unT M n H u y t nT H u y t nT H u c y t nT H u c y t nT H u M c y t nT H u ααααααα∞∞=−∞=−∞∞∞+=−∞=−∞∞=−∞−++−=+−+++−=+−−+++∑∑∑∑∑L L M L 0j csc 0j[(1)]csc (1)]()e e,unT M n u M c t M c y t nT αα∞=−∞+−⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪−−⎪⎪=⎩∑ (25) .B u B −−+≤≤ 因为有00j csc j()csc e e unT u c nT αα+=, (26)这样可以把(25)式统一为一个式子00j csc j csc j csc 1100()()e()()e e unT unT ut M M n n H u y t nT H u y t nT ααα∞∞=−∞=−∞−++−=∑∑L , (27)中国科学 E 辑: 技术科学 2008年 第38卷 第11期1879相应地, u 所在的区间变为.B u B −≤≤根据分数阶Fourier 变换的定义, 并利用(27)式, 分数阶Fourier 域带限信号()x t 可以写为22220022jcot j csc 2jcot jcot j csc 22110j csc 0jcot j cot 22101()()ed e ()e ()()e ()()e d e ()()()e e u t ut BBt u BunT Bn unT M M n t u BBn x t A X u uA X u H u y t nT H u y t nT uy t nT A X u H u ααααααααααα+−+−−∞−−−−=−∞∞=−∞∞−−−−=−∞=⎡=−+⎢⎣⎤+−⎥⎦⎡=−⎢⎣∫∑∫∑∑∫L 020j csc j cot j csc 20d ()()()e e d .unT u B unT M M B n u y t nT A X u H u u αααα∞−−−=−∞+⎤⎥+−⎥⎦∑∫L (28)而(8)式可以写为22jcot jcot j csc 22()e ()()ed ,t u ut Bk k Bg t A X u H u u αααα−+−−=∫1,,k M =L , (29)所以有2200()j cot jcot j csc 220()e()()ed ,nT u unT Bk k Bg nT A X u H u u αααα−+−−=∫1,,kM =L . (30)把(30)式带入(28)式得到22200()()j cot j cot j cot 222101000()e()e()()e ()nT nT t M M n x t g nT y t nT g nT y t nT ααα∞−=−∞⎡⎤⎢⎥=−++−⎢⎥⎣⎦∑L . 证毕.对定理1的几点讨论.1) 从定理1可以看出, 分数阶Fourier 域带限信号()x t 的重建, 可以由M 个分数阶Fourier域滤波器的响应采样完成; 如果原始信号的采样不能直接获得, 但是原始信号经过分数阶Fourier 系统的响应序列可以得到, 那么根据定理1, 依然可以准确重建出原始信号;2) 在文献[22]中, 我们导出了分数阶Fourier 域上带通信号采样定理, 所得到的重构公式(也就是公式(7))只是定理1的特殊形式. 令1M =, 1()1H u =. 根据(8)式和(11)式, 得到 1()()g t x t =,(31)1(,)1Y u t =, (32)进而根据(15)式得到1sin[(csc )]()(csc )B t y t B tαα=. (33)张峰等: 分数阶Fourier 域带限信号多通道采样定理1880把(31)式和(33)式代入(14)式就得到了分数阶Fourier 域带限信号插值公式(7);3) 通过构造不同的分数阶Fourier 域滤波器()k H u , 我们可以得到不同形式的重构公式,以适合不同的采样场合. 因此定理1给出的分数阶Fourier 域多通道采样定理可以看作是已有分数阶Fourier 域带限信号采样定理的扩展;4) 当/2α=π时, (14)式将变成传统Fourier 域结论, 因此从这个方面看, 定理1是传统Fourier 域带限信号采样理论的推广[27~29].分数阶Fourier 域多通道采样在实际中有着广泛的应用. 实际中多路并行采样系统通过多通道采样, 可以获得比单通道更高速的采样速率. 由于非平稳信号, 尤其是chirp 信号, 在传统的Fourier 域是非带限的, 而在分数阶Fourier 域带限, 因此定理1指出应该如何对非平稳信号进行多通道采样以及如何从多通道采样重构原始非平稳信号. 在基于分数阶Fourier 变换的多输入多输出(MIMO)系统中, 信号通过多路分数阶Fourier 域滤波器得到多个输出. 根据分数阶Fourier 域多通道采样定理可以得到由多路输出重建原始信号的方法. 此外, 针对非平稳信号的周期非均匀采样的时域重构方法也可以通过分数阶Fourier 域多通道采样理论得到. 下面我们利用定理1的结论推导分数阶Fourier 域带限信号周期非均匀采样的重构表达式.3 分数阶Fourier 域带限信号周期非均匀采样重建基于分数阶Fourier 域带限信号的周期非均匀采样用在基于chirp 信号以及其它非平稳信号的多路并行A/D 中. 在许多工程实际应用中, 需要利用并行交替和复用技术来扩展单路A/D 的功能, 由于各路时间基准的偏差, 而导致周期非均匀信号的产生. 由于非平稳信号, 比如宽带chirp 信号, 雷达以及声纳信号, 将更适合在分数阶Fourier 域进行处理, 因此, 在文献[24]中, 我们研究了周期非均匀采样信号的分数阶Fourier 谱的特征, 包括周期非均匀采样信号的分数阶Fourier 谱的形式; 周期非均匀采样信号和原始信号的分数阶Fourier 谱的关系; 并给出了根据周期非均匀采样信号的分数阶Fourier 谱重构原始信号的分数阶Fourier 谱的算法; 其中, 重点针对chirp 信号的非均匀采样以及其连续分数阶Fourier 谱重构进行了分析. 这里, 我们利用分数阶Fourier 域多通道采样定理推导信号的周期非均匀采样直接重构原始信号的插值表达式.这里考虑如下周期非均匀采样模型[24,30,31]: 相邻采样点之间不必是均匀的, 但是每一点与其后第M 个采样点之间的间隔为0T , 也就是说总的采样间隔为0T MT =, /(csc )T B α=π. 如图2所示, 每个周期的M 个非均匀采样点标记为k t , 1,,k M =L . 那么所有的非均匀采样点为0,k t nT + 1,,k M =L , Z n ∈, (34)图2 非均匀采样信号模型中国科学 E 辑: 技术科学 2008年 第38卷 第11期1881为了得到这种非均匀采样重构原始信号的公式, 我们令2jcot j csc 2()e ,1,,.kk t ut k H u k M αα−+==L (35)利用分数阶Fourier 变换的时移和相移性质, 根据(3)式和(4)式, 可以知道, 当,v τ满足cos sin 0,v ταα+= (36)我们有222jsin cos j(sin )sin jsin cos j sin j 22jcot j csc 2()e (cos sin )ee()e.v u v uv vt u F x t X u v X u τααατααααατατατταα−−−+−−⎡⎤−=−−⎣⎦=(37)对于(37)式, 根据(8)式和(35)式得到j ()()e ,1,,,k v t k k g t x t t k M =+=L (38)其中k v 由(39)式确定cossin 0.k k t v αα+= (39) 把(18)式写成矩阵形式22212122221212221212j cot j csc jcot j csc jcot j csc 222j cot j()csc j cot j()csc j cot j()csc 222j cot j[(1)]csc j cot j[(1)]csc j 22e e ee e ee e e MM M M t t t ut ut ut t t t u c t u c t u c t t tu M ct u M ct αααααααααααααααα−+−+−+−++−++−++−++−−++−−L L M M M M L 212cot j[(1)]csc 2(,)(,)(,)M M M t u M ct Y u t Y u t Y u t αα++−⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦Mj csc j(1)csc 1e .e ct M ct αα−⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦M (40) 为了求解的方便, 记2jcot j csc 2e,1,,.kk t ut k A k M αα−+==L (41)那么(40)式可以写作1212121j csc j csc j csc j csc 122j(1)csc j(1)csc j(1)csc j(1)csc 121(,)e e e (,)e ,(,)ee e e M M Mct ct ct ct M M ct M ct M ct M ct MM A A A Y u t A A A Y u t Y u t A A A αααααααα−−−−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⋅=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦LL M M M M M M L (42)张峰等: 分数阶Fourier 域带限信号多通道采样定理1882进一步可以写作121211j csc j csc j csc j csc 22j(1)csc j(1)csc j(1)csc j(1)csc 111100(,)00(,)e e e e .(400(,)e e e e M M ct ct ct ct M ct M ct M ct M ct M M A Y u t A Y u t A Y u t αααααααα−−−−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⋅=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦LL L L M M M M M M M M M M L L 3)再记j csc e k ct k q α=, 1,,k M =L , 那么(43)式可以写作11j csc 1222111j(1)csc 121111(,)(,)e .(,)e ct M M M M M ct M M M A Y u t q q q A Y u t A Y u t q q q αα−−−−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⋅=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦LL M MM M M ML (44) 所以有111j csc 1222111j(1)csc 121111(,)(,)e .(,)e ct M M M M M ct M M M A Y u t q q q A Y u t A Y u t q q q αα−−−−−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦L L M MM M M M L (45) 可以看出1211112111M M M M M q q q q q q −−−⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦LL M MM M L Q 是一个Vander Monde 矩阵, 它的逆为[32] 1−=Q1123223111222211321321221221233311121(,,)(,,)1(1)()()()(,,)(,,)1(1)()()()()()()(,,(1)M M M M M MMMk kkk k k M M M M M k k k k k k M M M q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q δδδδδ+−−===+−−===+−−−−−−−−−−−−−−−−∏∏∏∏∏∏L L LL L L M M M ML 22121111111,)(,,)1(1)()()()M M M M M M M k M k M k k k k q q q q q q q q q δ+−−−−−===⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎢⎥−−−⎣⎦∏∏∏L L(46)也就是1−Q 的每一个元素可以表示为T11111111,,; 1,,,(,,,)(,)(1).()()m n M m n n M n M n k k n k k n m M n M q q q q m n q q q q δ−+−−+−==+==⎛⎞⎜⎟=−⎜⎟−−⎝⎠∏∏L L L L Q (47) 其中12(,,,)k M q q q δL 定义为变量12,,,M q q q L 的如下k 阶多项式中国科学 E 辑: 技术科学 2008年 第38卷 第11期1883012112122121213123211212(,,,)1,(,,,),,(,,,)(,,,),.M M M M M M M M M M M q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q δδδδ−=⎧⎪=+++⎪⎪=++++++++⎨⎪⎪=⎪⎩L L L L L L L M L L (48) 因此, 综合(45)~(48)式, 可以对矩阵方程求解得到(,)u t Y , 其第m 个元素(,)m Y u t 为j (1)csc 1111111(,,,,,)1(,)(1)e .()()Mm lc l t M l m m M m m Ml mm k k m k k m q q q q Y u t A q q q q αδ+−−−+−===+=−⋅−−∑∏∏L L (49)令j (1)csc 1111111(,,,,,)()(1)e ,()()Mm lc l t M l m m M m m Ml m k k m k k m q q q q z t q q q q αδ+−−−+−===+=−⋅−−∑∏∏L L (50)再根据(41)式的A k 的定义, (49)式可以写作2jcot j csc 2(,)()ee ,mm t ut m m Y u t z t αα−=⋅ 1,,,m M =L (51)根据(15)式得到22csc j()j()csc jcot 2e e1()()e.2j ()csc m m mB t t t t B M t m m m M y t z t B t t αααα−−−⎡⎤−⎢⎥⎢⎥⎣⎦=⋅− (52) 结合(14)式, (38)式和(52)式得到非均匀采样的重建表达式为 ()x t =010122201102csc j()j()csc ()jcot jcot j cot j 222011001e e1e()e e()e 2j ()csc B t nT t t nT t B M nT t t v nT n M x nT t z tnT B t nT t αααααα−−−−−∞−=−∞⎡⎤−⎢⎥⎢⎥⎣⎦+−⋅−−∑0022002csc j()j()csc ()j cot j cot j 22000ee1()e e ()e 2j ()csc M M M M B t nT t t nT t B M nT t v nT M MM M x nT t zt nT B t nT t ααααα−−−−−⎡⎤−⎢⎥⎢⎥⎣⎦+++−⋅−−L22200()j cot jcot j jcot 222001e()e()emm nT t t Mv nT m m n m x nT t zt nT ααα∞−+=−∞==+−∑∑002csc j()j()csc 0e e1 .2j ()csc m m B t nT t t nT t B M m M B t nT t ααα−−−−−⎡⎤−⎢⎥⎢⎥⎣⎦⋅−− (53)上述公式(53)可以描述为张峰等: 分数阶Fourier 域带限信号多通道采样定理1884定理2 对于分数阶Fourier 域带限信号()x t , 可以由非均匀采样点0,m t nT + 1,,m M =L , 完全重构, 其重构公式为 2220000()j cot j cot j jcot 2220012csc j()j()csc 0()e()e ()e ee 1 .2j ()csc m m m m nT t t M v nT m m n m B t nT t t nT t B M m x t x nT t z t nT M B t nT t αααααα∞−+=−∞=−−−−−=+−⎡⎤−⎢⎥⎢⎥⎣⎦⋅−−∑∑ (54)对定理2的几点讨论.1) 定理2给出了从信号()x t 的非均匀采样点直接重构原始分数阶Fourier 域带限信号的公式;2) 从定理2的推导中可以看出, 通过构造合适的分数阶Fourier 域滤波器, 和利用分数阶Fourier 变换所特有的性质, 还可以得到基于分数阶Fourier 变换的其它采样和重建公式, 比如分数阶差分抽样等.4 结论本文得到了分数阶Fourier 域带限信号多通道采样定理. 该定理可以看作已有的分数阶Fourier 域带限信号采样定理的一般形式. 然后利用上述结论和分数阶Fourier 变换的性质, 通过构造合适分数阶Fourier 域滤波器, 得到了具有重要应用价值的分数阶Fourier 域带限信号周期非均匀采样直接重建原始信号的表达式. 研究发现, 通过构造合适的分数阶Fourier 域滤波器, 可以得到其他基于分数阶Fourier 变换的采样和插值公式.参考文献1 Almeida L B. The fractional Fourier transform and time-frequency representations. IEEETrans Signal Process, 1994, 42(11): 3084―30912 Ozaktas H M, Zalevsky Z, Kutay M A. The fractional fourier transform with applications inoptics and signal processing. New York: Wiley, 2000. 1―5133 Namias V. The fractional order Fourier transform and its application to quantummechanics. J Inst Math Appl, 1980, 25(3): 24―2654 Tao R, Deng B, Wang Y. Research progress of the fractional Fourier in signal processing.Sci China Ser F-Inf Sci, 2006, 49(1): 1―255 陶然, 齐林, 王越. 分数阶Fourier 变换的原理与应用. 北京: 清华大学出版社, 20046 Lohmann A W. Image rotation, Wigner rotation, and the fractional Fourier transform. JOpt Soc Amer A, 1993, 10(10): 2181―21867 Ozaktas H M, Barshan B, Mendlovic D, et al. Convolution, filtering, and multiplexing infractional Fourier domains and their relationship to chirp and wavelet transform. J Opt Soc Amer A, 1994, 11(2): 547―5598 Lohmann A W, Soffer B H. Relationship between the Radon-Wigner and the fractionalFourier transform. J Opt Soc Amer A. 1994, 11(6): 1798―18019 Mustard D A. The fractional Fourier transform and the Wigner distribution. J Aust Math Soc B, 1996, 38: 209―219中国科学E辑: 技术科学 2008年第38卷第11期10 Pei S C, Ding J J. Relations between fractional operations and time-frequencydistributions, and their applications. IEEE Trans Signal Process, 2001, 49(8): 1638―165511 Ozaktas H M, Aytur O. Fractional Fourier domains. Signal Process, 1995, 46(1): 119―12412 Cariolaro G, Erseghe T, Kraniauskas P, et al. A unified framework for the fractionalFourier transform. IEEE Trans Signal Process, 1998, 46(12): 3206―321913 Almeida L B. Product and convolution theorems for the fractional Fourier transform. IEEESignal Process Lett, 1997, 4(1): 15―1714 Zayed A I. A convolution and product theorem for the fractional Fourier transform. IEEESignal Process Lett, 1998, 5(5): 101―10315 Ozaktas H M, Arikan O, Kutay M A, et al. Digital computation of the fractional Fouriertransform. IEEE Trans Signal Process, 1996, 44(9): 2141―215016 Mendlovic D, Ozaktas H M, Lohmann A W. Fractional correlation. Appl Opt, 1995, 34(2):303―30917 Xia X. On bandlimited signals with fractional Fourier transform. IEEE Signal Process Lett,1996, 3(12): 72―7418 Zayed A I. On the relationship between the Fourier transform and fractional Fouriertransform. IEEE Signal Process Lett, 1996, 3(12): 310―31119 Zayed A I, Garcia A G. New sampling formulae for the fractional Fourier transform. SignalProcess, 1999, 77(1): 111―11420 Erseghe T, Kraniauskas P, Cariolaro G. Unified fractional Fourier transform and samplingtheorem. IEEE Trans Signal Process, 1999, 47(12): 3419―342321 Candan C, Ozaktas H M. Sampling and series expansion theorems for fractional Fourierand other transforms. Signal Process, 2003, 83(11): 2455―245722 张卫强, 陶然. 分数阶傅里叶变换域上带通信号的采样定理. 电子学报, 2005, 33(7): 1196―119923 Torres R, Pellat-Finet P, Torres Y. Sampling theorem for fractional bandlimited signals: Aself-contained proof. Application to digital holography. IEEE Signal Process Lett, 2006, 13(11): 676―67924 Tao R, B Li Z, Wang Y. Spectral analysis and reconstruction for periodic nonuniformlysampled signals in fractional Fourier domain. IEEE Trans Signal Process, 2007, 55(7): 3541―354725 Martone M. A multicarrier system based on the fractional Fourier transform fortime-frequency selective channels. IEEE Trans Commun, 2001, 49(6): 1011―102026 陈恩庆, 陶然, 张卫强, 等. 一种基于分数阶傅里叶变换的OFDM系统及其均衡算法. 电子学报, 2007,35(3): 409―41427 Vaidyanathan P P, Liu V C. Classical sampling theorems in the context of multirate andpolyphase digital filter band structures. IEEE Trans Signal Process, 1988, 36(9): 1480―149528 Figueiras A R, Marino J B, Gomez R G. On generalized sampling expansions fordeterministic signals. IEEE Trans Circuits Syst, 1981, cas-28(2): 153―15429 Papoulis A. Generalized sampling expansion. IEEE Trans Circuits Syst, 1977, cas-24(11):652―65430 Jenq Y C. Digital spectra of nonuniformly sampled signals: Fundamentals and high-speedwaveform digitizers. IEEE Trans Instrum Meas, 1988, 37(2): 245―25131 Jenq Y C. Perfect reconstruction of digital spectrum from nonuniformly sampled signals.IEEE Trans Instrum Meas, 1997, 46(3): 649―65232 Neagoe V E. Inversion of the Vander Monde matrix. IEEE Signal Process Lett, 1996, 3(4):119―1201885。

基于聚类分析的分数阶Fourier变换信号分离与检测

基于聚类分析的分数阶Fourier变换信号分离与检测

基于聚类分析的分数阶Fourier变换信号分离与检测邵亚勇;竺小松【摘要】针对应用分数阶Fourier变换检测多分量信号计算量大、效率低的问题,提出在分数阶Fourier域采取混沌-多步拟牛顿法和聚类分析相结合的方法分离与检测信号.在保证全局快速搜索最强信号的条件下,实现一次检测多个较强信号,并将已检信号逐次消去,减小对剩余信号检测的影响.仿真结果表明,该方法能快速分离检测多种调制的频谱混叠信号.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2012(052)002【总页数】6页(P180-185)【关键词】信号检测;频谱混叠信号;分数阶Fourier变换;拟牛顿法;聚类分析;逐次相消【作者】邵亚勇;竺小松【作者单位】解放军电子工程学院,合肥230037;解放军电子工程学院,合肥230037【正文语种】中文【中图分类】TN911.71 引言宽带信号侦察往往存在多个信号同时到达接收通道的情况,若不同信号分量频带相互重叠,很难准确地检测出各个分量。

时频分析为解决这类问题提供了一种很好的途径,其基本思想是设计时间和频率的联合函数,用它同时描述信号在不同时间和频率的能量密度或强度[1]。

常用的时频分析方法有短时傅里叶变换(STFT)、Wigner-ville分布(WVD)、小波变换(WT)、分数阶Fourier变换(FRFT)等。

STFT 窄的观察窗和WT宽度变化的时间窗影响了时频域的分辨率;在非线性时频分布中,WVD对LFM信号具有最好的时频聚集性,但是其变换过程的非线性会受到交叉项的困扰[2]。

FRFT变换首先由Namias V从纯数学的角度提出,之后Almeida L B将其解释为时频平面上的旋转算子并分析了它和Wigner-Vile分布的关系。

由于FRFT变换计算非常复杂,直到Ozaktas提出FRFT的两种离散计算方法[3],才使其得以广泛应用于信号处理和光学分析。

文献[4]和文献[5]从不同角度应用分数阶Fourier变换进行信号检测和估计,但每次只能检测一个信号,效率较低。

基于分数阶Fourier变换的一种新的非均匀采样方法

基于分数阶Fourier变换的一种新的非均匀采样方法

基于分数阶Fourier变换的一种新的非均匀采样方法邹世杰;刘锋【摘要】由于采样设备和被采样信号的限制,完全均匀采样是无法实现的,因此不得不进行非均匀采样.根据信号的时变特征,在信号的低频部分,用较低的频率对信号进行采样;在信号的高频部分,用较高的频率对信号进行采样.在此基础上,应用分数阶Fourier变换对非均匀采样Chirp信号进行分析,得到非均匀采样Chirp信号在分数阶Fourier变换域的频谱表达式,并分析其在分数阶域的频谱性质.该方法解决了整个采样时段内由于过采样造成的数据冗余性,满足了实时性要求,且具有较好的抗噪声能力.这里提出的非均匀采样方法满足了采样定理的要求,并得到了均匀采信号在分数阶域的频谱表达式.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2009(032)013【总页数】4页(P69-72)【关键词】非均匀采样;分数阶Fourier变换;Chirp信号;采样频率;分数阶谱【作者】邹世杰;刘锋【作者单位】海军航空工程学院,山东,烟台,264001;海军航空工程学院,山东,烟台,264001【正文语种】中文【中图分类】TN9110 引言随着高速采样技术的发展,对非均匀采样信号的研究已成为信号处理领域一个重要的研究内容。

非均匀采样是相对于均匀采样的一种采样方法[1]。

现实中,由于受到采样设备和被采样信号的限制,均匀采样是相对的,而非均匀采样是绝对的。

针对工程实践中经常遇到的Chirp信号,文献[2-4]利用周期性非均匀采样方法给出了非均匀采样Chirp信号在分数阶Fourier变换下的频谱表达式,分析了其在分数阶域的频谱的特点。

该文提出一种新的非均匀采样方法,利用此法得到了这类非均匀采样信号在分数阶域的频谱表达式,进一步得到了非均匀采样Chirp信号在分数阶Fourier变换下的频谱表达式,研究了非均匀采样Chirp信号在分数阶的频谱的特点。

本文结论丰富了分数阶Fourier变换域的非均匀采样理论体系。

机械工程测试技术论文综述

机械工程测试技术论文综述

机械工程测试技术文献综述姓名:***班级:机电二班学号:********傅里叶变换、测不准原理、HHT应用论文综述2011级机电一体化二班 20116347 舒梦江摘要:从对傅里叶变换的局限性分析入手,揭示了窗口傅里叶变换、小波变换和分数傅里叶变换的出现是傅里叶变换本身发展的必然,阐明了其改进方法产生的原因及其优缺点,分析了其改进方法与傅里叶变化的关系,这些有助于加深对傅里叶变换的认识。

关键词:傅里叶变换的局限;小波变换;测不准原理;HHT的应用0引言傅里叶变换是一个十分有用的工具,无论在一般的科学研究中还是在工程技术应用中,它都发挥着基本工具作用[1]。

傅里叶分析方法早在19世纪20年代初便成功地应用于光学领域成为现代光学一个重要分支———傅里叶光学,且成为光学信息处理的重要理论基础[2]。

随着它的应用领域的不断扩大,其局限性就逐渐暴露出来了,主要表现在:(1)非局域性[3];(2)光学傅里叶变换需要物在透镜的前焦面才能在透镜后焦平面上准确频谱[4]。

尤其是它的非局域性缺陷严重限制了它的应用范围。

这些局限性迫使人们去寻找一些改进方法,Gabor变换[5]、Morlet小波变换[6]以及分数傅里叶变换[7]这几种有效的改进方法就是在这种背景下产生的,这些改进方法在工程技术中已得到了广泛的应用[8,9]。

因此小波变换、分数傅里叶变换受到广大理论研究和工程技术人员的欢迎。

1傅里叶变换的特点及其局限性设函数f(t)在(- ∞,+ ∞)内有定义,且使广义积分=)(F i-)((1)tdtefw与 dw e w F t f i )(21)(π= (2) 都收敛,则称(1)式定义的广义积分为函数f(t)的傅里叶变换,记为F{f(t)},(2)式定义的广义积分为逆傅里叶变换,记为F-1{F(ω)}。

傅里叶变换可以完成从时域到频域的转换(正变换),也可以完成从频域到时域的转换(逆变换),但不能同时具有时域和频域信息。

FRFT域的数字图像chirp噪声抑制方法

FRFT域的数字图像chirp噪声抑制方法

FRFT域的数字图像chirp噪声抑制方法孙延鹏;王勃;张赢硕【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2012(048)010【摘要】A method based on fractional Fourier domain removing the chirp noise of digital image is proposed, as. The traditional filtering methods are difficult to realize signal-noise separation effectively. This method is a new measure to improve the quality of image. It introduces fractional Fourier domain filtering algorithm of chirp signal into the process of digital images. The simulation results show that, for this particular image interfered by chirp noise of degradation model, compared with the common Fourier domain filter and Linear smoothing filter, adopting the Fractional Fourier Transform filter under the best estimate has a better effect of recovery. This method can remove the chirp noise of digital image effectively.%针对含有chirp噪声的图像,应用传统的滤波方法难以实现有效的信噪分离,提出了一种基于分数阶傅里叶变换域的数字图像chirp噪声的抑制方法.该方法是将chirp信号分数阶傅里叶域的滤波算法引入到数字图像的处理中,是一种新的改善图像质量的手段.仿真结果表明,对于含有chirp噪声干扰这一特定退化模型的图像,采取最优估计下的分数阶傅里叶变换相比普通傅里叶变换和线性平滑滤波,图像恢复的效果更佳,它能有效地去除图像中的chirp噪声.【总页数】4页(P200-203)【作者】孙延鹏;王勃;张赢硕【作者单位】沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳 110136;沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳 110136;沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TP391.41【相关文献】1.基于FRFT的对流层散射Chirp信号重构方法 [J], 王峰;雷志勇;薛坚;李婧;2.基于FRFT的对流层散射Chirp信号重构方法 [J], 王峰;雷志勇;薛坚;李婧3.一种基于Frft的BOK-Chirp信号扩频通信方法 [J], 周昱昕;包卫东4.一种基于Arnold置乱的FRFT数字图像水印方法 [J], 高宁宁;杨文考5.基于FRFT域归一化方差比的压制干扰识别方法 [J], 彭荣硕;董鹏曙;孟藏珍因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

局部频率域SVD压制随机噪声方法

局部频率域SVD压制随机噪声方法

局部频率域SVD压制随机噪声方法刘志鹏;赵伟;陈小宏;朱振宇;郝振江【摘要】常规SVD技术去除随机噪声是在时间域进行的,对水平同相轴有较好的去噪效果;但对同相轴是倾斜或弯曲的情况,则要进行局部倾角扫描校正,从而限制了其在实际中的应用。

为此,本文研究了局部频率域SVD压制随机噪声方法,有效克服了时间域局限性。

首先对时空域滑动窗口内地震数据进行傅氏变换,并对每个频率切片构建Hankel矩阵,再对Hankel矩阵进行SVD滤波(降秩重构),最后反变换到时间域,得到去除随机噪声的结果。

通过构建块Hankel矩阵,将该方法扩展到三维地震数据体的噪声压制处理中。

模型及实际资料处理结果对比表明,该方法在有效压制随机噪声的同时,能够较好地保留有效信号,优于常规频域预测滤波结果。

【期刊名称】《石油地球物理勘探》【年(卷),期】2012(047)002【总页数】5页(P202-206)【关键词】SVD;Hankel矩阵;随机噪声;频率切片【作者】刘志鹏;赵伟;陈小宏;朱振宇;郝振江【作者单位】中海油研究总院,北京100027;中海油研究总院,北京100027;中国石油大学北京油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中海油研究总院,北京100027;中海油研究总院,北京100027【正文语种】中文【中图分类】P631噪声一直是影响地震资料精度的重要因素之一,而地震资料处理的主要任务之一就是消除地震记录中的各种噪声,最大程度提高地震资料的信噪比。

为此地球物理学家们进行了大量的试验和研究,并发展了许多针对性去噪处理技术。

奇异值分解(SVD)技术为其中之一[1],在地震勘探中已经有了多项应用,如倾角滤波、VSP上、下波场分离,以及地震信号增强(压制相干和随机噪声)等[2,3]。

SVD技术本质上是一种正交分解方法,可利用二维空间中信号相关性增强有效信号,压制不相关的噪声,从而提高地震资料的信噪比。

常规SVD方法是在时间域进行的,要求地震反射波为水平同相轴(如动校正后CMP道集或叠加剖面等);对倾斜或弯曲同相轴的情况,首先要对含噪剖面进行局部倾角扫描,将相干同相轴校正到水平方向,然后用SVD方法对其进行信号增强,输出数据再放到校正前的位置,这极大限制了此法在实际生产中的应用[4~7]。

分数阶Fourier变换在水声通信中的应用的开题报告

分数阶Fourier变换在水声通信中的应用的开题报告

分数阶Fourier变换在水声通信中的应用的开题报告一、选题背景水声通信是指利用水作为信息传递的媒介,进行信息传输的通信方式。

在海洋探测、水下油田、水下机器人等多个领域,水声通信都得到广泛应用。

而在水声通信中,为了实现高效、准确的信息传输,需要对信号进行有效地处理和分析。

Fourier变换是信号处理中的一个重要工具,广泛应用于信号滤波、频谱分析、数字信号处理等多个领域。

然而,传统的Fourier变换只能处理时域和频域均为整数的信号,难以处理非整数阶信号的频谱分析问题。

为了解决这一问题,分数阶Fourier变换应运而生,其可以处理任意阶数的信号,扩展了Fourier变换的应用范围。

在水声通信中,水声信号波形不规则,频率带宽较窄,且被水体和杂音等环境干扰较大,因此使用分数阶Fourier变换进行处理可以更好地分析水声信号的特征,提升水声通信的传输效率和可靠性。

二、研究内容和方法本文将针对分数阶Fourier变换在水声通信中的应用进行研究。

具体内容和方法如下:1.分数阶Fourier变换的理论基础:介绍分数阶Fourier变换的基本原理、定义和性质,以及其与传统Fourier变换的区别。

2.水声信号的分析与处理:对水声信号进行预处理、滤波、降噪等步骤,提取信号的特征并确定分数阶Fourier变换的阶数。

3.分数阶Fourier变换的实现:使用Matlab工具,实现具体的分数阶Fourier变换算法,并对水声信号进行频谱分析。

4.实验结果分析:对分数阶Fourier变换处理后的水声信号进行分析,得出相应的实验结论并对比传统Fourier变换的应用效果。

三、研究意义本文的研究旨在探索一种新的信号处理方法,拓展水声通信频谱分析的应用范围。

具体的,本文的研究意义如下:1.丰富了水声通信的信号处理手段,提高了水声通信的传输效率和可靠性。

2.拓展了Fourier变换的应用范围,为分数阶系统的分析提供了新的方法和思路。

分数阶Fourier变换域极值搜索的混沌优化算法研究

分数阶Fourier变换域极值搜索的混沌优化算法研究

分数阶Fourier变换域极值搜索的混沌优化算法研究吴倩;聂建栋;卫红凯【摘要】正如傅里叶变换采用正弦基,单频信号能够在频域形成峰值,分数阶Fourier变换采用线性调频基,线性调频(LFM)信号能够在分数阶Fourier域上实现聚焦,利用此聚焦性通过搜索峰值可实现LFM信号检测和参数估计.通常采用步进式搜索方法,效率低下.为了克服该缺点,通过对分数阶Fourier域优化问题本质的研究,将混沌优化算法引入到分数阶Fourier域极值搜索中.仿真结果表明:本文的方法优于传统的步进式搜索法.【期刊名称】《动力学与控制学报》【年(卷),期】2013(011)003【总页数】4页(P221-224)【关键词】混沌优化算法;分数阶Fourier变换;极值搜索【作者】吴倩;聂建栋;卫红凯【作者单位】海军工程大学振动与噪声研究所,船舶振动噪声重点实验室,武汉430033;海军驻武汉四三八厂军事代表室,武汉430033;海军工程大学电子工程学院,武汉430033【正文语种】中文传统的傅立叶变换(FFT)采用正弦基,适合于处理平稳信号.但实际中,许多信号的统计特性往往随时间变化,表现出非平稳特性.为了表征非平稳信号的时变特征,需要寻求新的时频分析工具,分数阶 Fourier变换(FRFT)[1]-[3]是近年来基于此出现的一种新的信号处理方法.FRFT采用线性调频基,特别适合于处理Chirp类信号.线性调频(LFM)信号在特定的分数阶Fourier域上能够实现聚焦,称为LFM信号在分数阶Fourier域具有聚焦性.常用此聚焦特性检测在通信、雷达、声纳等领域中应用广泛的LFM信号.目前,常用的LFM信号检测方法是步进法[4]-[6].即设定参数步长,在分数阶Fourier 域二维平面对LFM信号进行步进搜索.但步进式搜索算法效率低下,尤其是当精度要求高时,更是如此.通常离散采样信号经FRFT后,除了对应LFM信号的最大峰值外,在分数阶Fourier域平面还会出现多个局部峰值.因此,分数阶Fourier域的极值搜索本质上是全局寻优问题.混沌优化算法[7]-[10]是近年来出现的一种全局优化算法,该法利用混沌的遍历性进行搜索,具有所需函数信息少、不依赖于初始值等优点.因此,本文将混沌优化算法引入到FRFT中,提出了一种基于混沌优化算法的分数阶Fourier域极值优化算法,从而实现LFM信号的检测.通过仿真实例,验证了本文所提方法的效率优于传统的步进式搜索方法.分数阶 Fourier变换由 Namias于1980年提出[1],可理解为信号在时频平面的旋转算子.其定义如下:其中,Kp(u,t)为核函数,如式(2)所示:信号在分数阶Fourier域上的旋转角度为:α=pπ/2,Aα为相应的幅度因子,其表达式为:Aα=实际中,信号由离散化采样值表示.因此,需要将连续分数阶Fourier变换离散化,本文采用Ozaktas[3]提出的离散化快速算法,即:则分数阶Fourier域二维极值搜索问题可描述为:在分数阶Fourier域二维平面(p,u)内,寻找合适的(p0,u0),使得分数阶Fourier域目标函数f(p,u)=|Xp(u)|2达到最大,其数学表达式为:由式(3)和(4)可知,分数阶Fourier域目标函数形式复杂,为多个二维复杂指数函数的非线性叠加.这使得信号经FRFT后,目标函数呈现出非凸、多峰等特性.进一步增加了分数阶Fourier域二维寻优的难度.混沌是存在于非线性动力学系统中的一种普遍的行为.混沌的变化过程看似杂乱无章,实则有其内在的规律性.混沌变量具有随机性、遍历性、规律性等特点.利用混沌变量的遍历性作为函数极值搜索过程中避免陷入局部极小值的优化机制,李兵[9]等提出了一种新的全局优化算法-混沌优化算法.混沌优化算法的基本思想是根据一定的混沌映射,产生混沌序列,通过载波方式将混沌序列载入到参变量区间,并比较各序列的目标函数值.通常以一定步数内,函数值不发生变化作为终止条件,以满足终止条件时的当前值作为最优值输出.其基本步骤为:(1)根据具体待优化问题,得到解空间,并根据一定的混沌映射,产生各解空间的混沌序列,各混沌序列数为M,同时令计数变量m=1.(2)一次载波.设解空间维数为D,以y=[y1,…,yD]表示解空间向量,各变量 yd|d=1,…,D范围为ad到bd.将各解空间的混沌序列通过下式所示的载波方式载入到各解空间变量所对应的范围内.其中,xdm对应第d(d=1,…,D)维解空间的第m(m=1,…,M)个混沌变量.(3)选择合适的度量函数f,并计算ym(第m个混沌变量对应的解向量)的度量函数值f(ym).当初始状态即m=1时,以其对应的y1及f(y1)作为初始最好解fb及最佳变量yb.否则,将ym与fb比较,找出其中的最佳值,与此对应,将最佳变量yb做相应变化.(4)判断是否达到设定搜索步数,若是,则往下运行步骤(5).否则,计数变量m增加1,运行步骤(2)-(4).(5)缩小搜索空间,并对混沌变量进行二次载波,继续搜索,,将当前搜索值与以前搜索的历史最好解比较,若当前值由于历史最好解,则将当前值作为最好解,同时更新最佳变量.(6)判断是否满足终止条件,若满足,则停止运算,并以当前解作为最优解输出,否则,重复步骤(5),继续进行搜索.对于分数阶Fourier域极值寻优问题,以式(4)中的最小化目标函数作为混沌优化算法中度量函数.典型的混沌映射序列有式(6)所示的Logistic映射、式(7)所示无限折叠映射等.由于无限折叠映射的遍历性更均匀,因此,本文中采用无限折叠映射.算法流程如图1所示.下面通过几个实例来说明混沌优化算法的良好性能.1、信号x(t)=ei2πf0t+iπμt2+w(t),t∈[0,T].信号脉宽 T=0.1s,采样频率 fs=2500Hz,带宽为 150 -300Hz.w(t)是高斯白噪声,信噪比-5dB.步进法(直接法)和混沌优化算法的优化结果如表1所示.2、信号x(t)=ei2πf0t+iπμt2+w(t),t∈[0,T].信号脉宽 T=0.2s,采样频率 fs=2500Hz,带宽为 150 -350Hz.w(t)是高斯白噪声,信噪比-5dB.步进法(直接法)和混沌优化算法的优化结果如表2所示.3、信号 x(t)=+w(t),t∈[0,T].信号脉宽 T=0.4s,采样频率 fs=2500Hz,带宽为 150 -370Hz.w(t)是高斯白噪声,信噪比-5dB.步进法(直接法)和混沌优化算法的优化结果如表3所示.4、信号 x(t)=+w(t),t∈[0,T].信号脉宽 T=0.6s,采样频率 fs=2500Hz,带宽为150-360Hz.w(t)是高斯白噪声,信噪比-5dB.步进法(直接法)和混沌优化算法的优化结果如表4所示.表1-4中,估计值和理论值有偏差,这是由于信号的离散化采样及噪声的影响导致的.直接法的计算时间和估计精度与步长有关,随着步长的增加,尽管其估计精度提高,但以牺牲运算效率为代价.混沌优化算法不仅耗时少于直接法,且其精度高.本文通过研究分数阶Fourier域极值优化问题的本质,将混沌优化算法引入到分数阶Fourier域极值搜索中,和传统步进式搜索算法相比,提高了搜索速度和精度.研究表明:(1)线性调频信号在分数阶Fourier域具有聚焦性,其目标函数表现出非凸、多峰等特性,增加了极值搜索的难度.(2)混沌优化算法利用混沌的遍历性进行全局搜索,分数阶Fourier域极值搜索中采用混沌算法,其搜索效率和精度优于传统步进式搜索算法(3)文中思想对于混沌在优化领域的应用,提供了典型案例,具有推广价值.2013-04-24 收到第 1 稿,2013-06-05 收到修改稿.【相关文献】1 Namias V.The fractional order Fourier transform and its application to quantum mechanics.Journal of the Institute of Mathematics and its Applications,1980,25(3),241 ~2652 Ozaktas H M,Mendlovic D.Fractional Fourier transforms and their optical implementation.Journal of the Optical Society America A,1993,10(12),2522~25313 Ozaktas H M,Arikan O,Kutay A.Digital computation of the fractional fourier transform.IEEE Transactions on Signal Processing,1996,44,2141~21504 张淑宁,赵惠昌,吴冰.基于分数阶傅立叶变换的伪码体制引信线性调频干扰抑制技术.兵工学报,2006,27(1):32~36(Zhang S N,Zhao H C,Wu B.LFM interference excision technique in pseudo~random code fuse based on fractional Fourier transform.Acta Armamentarll,2006,27(1):32~36(in Chinese))5 赵兆,是湘全.一种基于分数阶Fourier变换的雷达运动目标检测算法.电讯技术,2007,47(4):95~98(Zhao Z,Shi X Q.A moving targets detection algorithm based on fractional Fourier transform.Telecommunicaiton Engineering,2007,47(4):95~98(in Chinese))6 董永强,陶然,周思永,王越.含未知参数的多分量Chirp信号的分数阶傅里叶分析.北京理工大学学报,1999,19(5):612~616(Dong Y Q,Tao R,Zhou S Y,Wang Y.The fractionalFourier analysis of multicomponent chirp signals with unknown parameters.Journal of Beijing Insti-tute of Technology,1999,19(5):612 ~ 616(in Chinese))7 Liu S S,Hou Z J.Weighted gradient direction based chaos optimization algorithm for nonlinear programming problem.In:Proceedings of 4th World Congress on Intelligent,Control and Automation,2002,1779~17838 高雷阜,胡行华.不同混沌序列对全局最优解的搜索影响.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008,27(4):629~631(Gao L F,Hu X H.Effect of different chaotic sequences on seeking overall optimal solution.Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2008,27(4):629~631(in Chinese))9 李兵,蒋慰孙.混沌优化方法及其应用.控制理论与应用,1997,14(4):613~615(Li B,Jiang W S.Chaos optimization method and its application.Control Theory and Application,1997,14(4):613~615(in Chinese))10 单梁,强浩,李军,王执铨.基于Tent映射的混沌优化算法.控制与决策,2005,20(2):179~182(Shan L,Qiang H,Li J,Wang Z Q.Chaotic optimization algorithm based on tent map.Control and Decision,2005,20(2):179~182(in Chinese))† Corresponding author E-mail:wuqian0930@qq.com。

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C.
d.
Fig. 3: and can be blocked out by another simple mask. Finally, we take the 0.5th transform to come back to our home domain (part d), where we have recovered our Gaussian signal, with a small error. The examples above have been limited to chirp distortions which are particularly easy to separate in a fractional Fourier domain (just as pure harmonic distortion is particularly easy to separate 'in the ordinary Fourier domain). However, it is possible to filter out more general types of distortion as well. In some cases this may require several consecutive filtering operations in severalfractional domains of different order [6]. There is nothing special about our choice of Gaussian signals other than the fact that they allow easy analytical manipulation. Also, there is nothing special about the 0.5th domain. It just turns out that this is the domain of choice for the examples considered above.. In the above examples we have demonstrated that the method works, but did not discuss what led us to transform to a particular domain and what gave us the confidence that doing so will get rid of the distortion.
Filtering in fractional Fourier domains and their relation to chirp transforms
Haldun M. Ozaktas, Billur Barshan, Levent Onural Bilkent University Electrical Engineering Department, 06533 Bilkent, Ankara, TURKEY David Mendlovic Tel-Aviv University Faculty of Engineering, 69978 Tel-Aviv, ISRAEL
2. FILTERING IN FRACTIONAL DOMAINS
exp[ir(x2 cot Q - 2x2’ csc Q for 0 < 141< r (i.e. 0 <1.1
+ xn cot Q)],Leabharlann < 2), where
6 =ar/2
and
4= sgn(sin 4).
0-7803-1772-6/94/$3.00@ 1994 IEEE
-
The relationship of fractional Fourier transforms to chirp transforms provides the basis of the concept of fractional domains, which are generalizations of the conventional space and frequency domains. The relationship to wavelet transforms is discussed in [6].
1. INTRODUCTION
Whenever we a r e confronted with an operator, it is quire into the effect of repeated applicatiom of that operator, which might be considered as its integer powers. A further extension is to inquire what meaning may be attached to fractional powers of that operator. The fractional Fourier transform was defined mathematically by McBride and Kerr [I]. In n how the twc+dimensional fractional can be realized optically and various mathematical and physical properties are discussed. The definition of the ath order fractional Fourier transform F“[fl can be cast in the form of a general linear transformation with kernel Ba(x, 2‘):
Abst+act-fiactional Fourier transforms, w h i c h concept of filtering of signals in fractional dois developed, revealing that under certain conditions one can improve upon the special cases of these operations in the conventional space and frequency domains. Because of the ease of performing the fractional Fourier transform optically, these operations are relevant for optical information processing.
77
a
b.
C.
d
Fig. 1:
a
Fig.
20
b.
the noise easily. Now let us give some more concrete examples. Con1 sider the signal exp[-r(z - 4)2] distorted additively by exp(-irz2)rect (z/16). The magnitude of their sum is displayed in part a of Fig. 2. These signals overlap in the frequency domain as well. In part b, we show their a = 0.5th fractional Fourier transform. We observe that the signals are separated in this domain. The chirp distortion is transformed into a peaked function which does not exhibit significant overlap with the signal transform, so that it can be blocked out by a simple mask (part c). Inverse transforming to the original domain, we obtain the desired signal nearly perfectly cleansed of the chirp distortion (part d). Now we consider a slightly more involved example in which the distorting signal is also real. The signal exp( -rx2) is distorted additively by cos[2r(x2]2
mains
are related to chirp and wavelet transforms, lead to the notion of fractional Fourier domains. The
The kernel is defined separately for a = 0 and a = 2 as Bo(2,t’) = a(x - 2 ‘ ) and B2(2,2’) = a(2 x ‘ ) respectively. The kernel B , ( t , 2 ’ ) is a chirp function, allowing the above transformation to be interpreted as a coordinate transformation in which the chirp functions play the role of basis functions. Based on this concept, a formulation of fractional Fourier transforms can be characterized by the following properties:
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