一种基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法

技术领域

本发明涉及无线电信号处理技术领域，更具体的，涉及一种基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法。

背景技术

时频图是通过对时域信号作时频变换(如短时傅立叶变换、小波变换等)所获得的时频域二维矩阵进行平面可视化绘制得到的二维图像。时频图描述了信号频谱成分的幅值和相位随时间变化的关系，其颜色及纹理的变化规律是对信号的一种极为有效的表达。在(通信、雷达、导航等)无线电信号处理领域，采用检测与估计理论结合人工智能等技术对无线电信号时频图进行建模分析，可以用于解决无线电信号的检测、识别、降噪、分离、参数估计等大量信号处理问题。最典型的时频图是只携带幅度(或能量)信息的幅度(或能量)谱，它的平面化二维图像是单层(单通道)的灰度图。另一种常见的时频图则是仅携带相位信息的相位谱单通道灰度图。此外，也有将幅度谱、能量谱和相位谱进行一同或部分组合得到RGB表达模式下的(双通道)伪彩色图或(三通道)彩色图。

目前主流的时频图生成方法是对时域信号进行时频变换后得到的复数矩阵进行求幅度、能量和相位从而得到幅度矩阵、能量矩阵和相位矩阵，通过直接将这三个矩阵中的元素值映射为灰度值来得到单幅度谱、能量谱或相位谱的时频灰度图。或者是将这三个矩阵分别独立地量化后映射到RGB三通道，以获得RGB模式的时频彩色图。

现有的生成单幅度谱(能量谱)或相位谱的时频灰度图仅考虑了信号时频变换结果的幅度(能量)信息或相位信息。而有的方法虽然通过映射幅度(能量)和相位信息到RGB三通道以获得时频彩色图，但幅度(能量)及相位信息的量化和映射通常是独立分开的，并且是生硬地将幅度及相位与RGB的三个通道进行对应。RGB三通道间的对等关系导致时频图的呈现缺乏物理意义上的可解释性，此外也没有考虑到对时频图的噪声抑制及可视化呈现效果的优化。

发明内容

本发明为了解决以上现有技术在时频图生成过程中，对信号时频变换的幅度信息和相位信息利用不充分、不合理等问题，提供了一种基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法，其使生成的时频图能够在具备幅度谱和相位谱信息的同时，抑制噪声对时频图的影响，强化时频图中有用信号部分的色彩表达，提升时频图可视化效果。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：

一种基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法，所述的方法包括步骤如下：

S1：对时域信号进行短时傅里叶变换后取幅度值和相位值，获得初始的幅度矩阵和相位矩阵；

S2：对初始的幅度矩阵进行分段线性压扩处理，得到第一幅度矩阵；对初始的相位矩阵做差分正弦余弦变换，得到第一相位矩阵、第二相位矩阵，从而获得一组由第一幅度矩阵、第一相位矩阵、第二相位矩阵构成的三通道数据；

S3：将获得的三通道数据映射到LAB域，获得LAB颜色空间下的三通道时频域矩阵L、A、B；

S4：将三通道时频域矩阵L、A、B转换到RGB域生成可视化的时频图。

优选地，S1，具体地，

将无线电的时域信号表示为

则时域信号的时频矩阵所对应初始的幅度矩阵和相位矩阵分别表示为：

P＝∠S∈[-π,π]

其中，∠为求弧度角运算、M表示初始的幅度矩阵、P表示初始的相位矩阵。

进一步地，对初始的幅度矩阵进行分段线性压扩处理，得到第一幅度矩阵，具体如下：

对初始的幅度矩阵M的矩阵元素进行统计，选取第一阈值M

对于初始的幅度矩阵M的矩阵元素进行限幅的归一化，

其中，m

根据噪声估计的结果确定划分时频变换幅度值中噪声成分和有用信号成分的第二阈值M

将第二阈值以下判定为噪声，对噪声做线性压缩处理；第二阈值以上判定为有用信号，对有用信号做线性扩展处理；由此得到分段线性压扩处理后的第一幅度矩阵。

再进一步地，所述的分段线性压扩处理的函数公式表达式如下：

其中，k∈(0,1)为线性压缩部分的斜率，m″

再进一步地，对初始的相位矩阵做差分正弦余弦变换，具体如下：

采用在频率维度对初始的相位矩阵P进行一阶前向差分变换来增大目标信号与噪声在相位谱图上的区分度，获得差分相位矩阵ΔP∈[-2π,2π]

Δp

其中，Δp

对差分相位矩阵进行三角变换以消除-2π、+2π的弧度角跳变；所述的三角变换后的相位矩阵表示为：

P

P

其中，cos(·)表示三角余弦变换，sin(·)表示三角正弦变换，P

再进一步地，将获得的三通道数据映射到LAB域，具体如下：

结合L、A、B三通道，以及第一幅度矩阵M

将第一幅度矩阵M

将第一相位矩阵P

再进一步地，对第一幅度矩阵M

先对第一幅度矩阵M

定义l

对于L通道矩阵的任意元素l

其中，色度平面最大圆的半径

定义

再进一步地，将三通道时频域矩阵L、A、B转换到RGB域生成可视化的时频图，具体地，

将L通道矩阵的元素值范围线性映射到[0,100]，将A、B通道矩阵A、B的元素值范围线性映射到[-110,110]，得到基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图Ψ＝cat(3,L,A,B),其中cat函数cat(dim,A1,A2,…,An)表示沿其dim维度的A1,A2,…,An矩阵串联；

采用经典LAB转sRGB的转换公式，将LAB颜色空间下的时频图Ψ转换到RGB颜色空间，得到RGB颜色空间下的可视化时频图Ψ′。

一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时，实现如所述的方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时，实现如所述的方法的步骤。

本发明的有益效果如下：

本发明对时频信号变换得到初始的幅度矩阵进行分段线性压扩处理以强化有用信号，同时抑制噪声的表达。本发明生成的时频图有着对比更为明显、信息更为丰富的纹理和色彩细节，并且具备很强的抑制噪声呈现的能力。

本发明采用本发明生成的时频图能有效提高无线电信号目标检测和识别的准确率。

本发明使生成的时频图能够在同时具备幅度谱和相位谱信息的同时，抑制噪声对时频图的影响，强化时频图中有用信号部分的色彩表达，提升时频图可视化效果。

附图说明

图1是本发明所述的基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法的步骤流程图。

图2是本发明所述的基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法的具体工作原理图。

图3是幅度矩阵元素的统计直方图以及幅度归一化上第一阈值M

图4是分段线性压扩处理的函数输入输出关系。

图5是LAB颜色空间坐标系下的颜色分布示意图。

图6是单载波数字调制通信信号的幅度谱时频图。

图7是单载波数字调制通信信号的幅度谱和相位谱直接对应RGB三通道的彩色图。

图8是单载波数字调制通信信号的基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图。

图9是mAP随训练轮次变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

如图1、图2所示，一种基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法，所述的方法包括步骤如下：

S1：对时域信号进行短时傅里叶变换后取幅度值和相位值，获得初始的幅度矩阵和相位矩阵；

S2：对初始的幅度矩阵进行分段线性压扩处理，得到第一幅度矩阵；对初始的相位矩阵做差分正弦余弦变换，得到第一相位矩阵、第二相位矩阵，从而获得一组由第一幅度矩阵、第一相位矩阵、第二相位矩阵构成的三通道数据；

S3：将获得的三通道数据映射到LAB域，获得LAB颜色空间下的三通道时频域矩阵L、A、B；

S4：将三通道时频域矩阵L、A、B转换到RGB域生成可视化的时频图。

在一个具体的实施例中，S1，具体地，

将无线电的时域信号表示为

则时域信号的时频矩阵所对应初始的幅度矩阵和相位矩阵分别表示为：

P＝∠S∈[-π,π]

其中，∠为求弧度角运算、M表示初始的幅度矩阵、P表示初始的相位矩阵。

在一个具体的实施例中，对初始的幅度矩阵进行分段线性压扩处理，得到第一幅度矩阵，具体如下：

对初始的幅度矩阵M的矩阵元素进行统计，选取第一阈值M

对于初始的幅度矩阵M的矩阵元素进行限幅的归一化，

其中，m

如图3所示，根据噪声估计的结果确定划分时频变换幅度值中噪声成分和有用信号成分的第二阈值M

将第二阈值以下判定为噪声，对噪声做线性压缩处理；第二阈值以上判定为有用信号，对有用信号做线性扩展处理；由此得到分段线性压扩处理后的第一幅度矩阵。

在一个具体的实施例中，如图4所示，用M

其中，k∈(0,1)为线性压缩部分的斜率，m″

在一个具体的实施例中，

对初始的相位矩阵做差分正弦余弦变换，得到第一相位矩阵、第二相位矩阵，具体如下：

由于时频矩阵S在求相位的过程中，将取值范围为(-∞,+∞)的连续相位矩阵的元素压缩到[-π,+π]的范围，导致相位在-π与+π间存在跳变，即在-π,+π的区间边界上即使相位差较小也可能在周期相位表达上出现相邻相位跳变2π的情况，进而导致相位谱图出现相位跳变和相位模糊。此外，时频矩阵的相位也通常较幅度受噪声的影响更剧烈，使得有用信号与噪声在相位矩阵上的区分度较低。

因此，考虑到目标信号部分与噪声部分相位的变化分布的不同，采用在频率维度对初始的相位矩阵P进行一阶前向差分变换来增大目标信号与噪声在相位谱图上的区分度，获得差分相位矩阵ΔP∈[-2π,2π]

Δp

其中，Δp

差分变换增大了目标信号与噪声在相位谱图上的区分度，但差分相位在-2π与+2π间仍然可能存在跳变的情况。因此，对差分相位矩阵进行三角变换以消除-2π、+2π的弧度角跳变；所述的三角变换后的相位矩阵表示为：

P

P

其中，cos(·)表示三角余弦变换，sin(·)表示三角正弦变换，P

在一个具体的实施例中，将获得的三通道数据映射到LAB域，具体如下：

LAB颜色空间中如图5所示，其L、A、B三个通道对颜色呈现的影响不是对等关系。

结合L、A、B三通道，以及第一幅度矩阵M

将第一幅度矩阵M

将第一相位矩阵P

在一个具体的实施例中，对第一幅度矩阵M

先对第一幅度矩阵M

定义l

对于L通道矩阵的任意元素l

其中，色度平面最大圆的半径

定义

在一个具体的实施例中，将三通道时频域矩阵L、A、B转换到RGB域生成可视化的时频图，具体地，

将L通道矩阵的元素值范围线性映射到[0,100]，将A、B通道矩阵A、B的元素值范围线性映射到[-110,110]，得到基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图Ψ＝cat(3,L,A,B),其中cat函数cat(dim,A1,A2,…,An)表示沿其dim维度的A1,A2,…,An矩阵串联；

采用经典LAB转sRGB的转换公式，将LAB颜色空间下的时频图Ψ转换到RGB颜色空间，得到RGB颜色空间下的可视化时频图Ψ′。

为了进一步证实本发明的技术效果。

本实施例提供了采用不同方法生成的时频图视觉呈现的效果对比，如下：

图6、7、8分别是采用单幅度谱的时频灰度图、幅度谱和相位谱直接对应RGB三通道的彩色图、以及本发明采用的方法生成的基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图。图6、7、8中呈现的是信噪比为0dB情况下，仿真合成单载波数字调制的通信信号的时频图。图6、7、8包含BPSK调制(位于时频图中左侧)和OOK调制(位于时频图中右侧)的两个信号成分，其中BPSK信号与OOK信号间的能量比为6dB。生成时频图采用的信号长度为2

对比图6至图8可知，采用本发明生成的时频图相较于其他另两种方法生成的时频图有着对比更为明显、信息更为丰富的纹理和色彩细节，并且具备其他另两种方法所没有的很强的抑制噪声呈现的能力。

本实施例还提供了采用不同方法生成的时频图用于信号检测和识别的性能对比，如下：

通过仿真合成包括BPSK，QPSK，OQPSK，8PSK，16QAM，16APSK，2ASK，2FSK，DSB-AM，SSB-AM，FM共11种单载波调制信号的IQ样本数据集，其中训练样本量为1600，测试样本量为400。每个样本长度为2

如图9所示，为采用基于深度学习的图像目标检测算法YOLO-v5s轻量化模型对幅度谱时频图样本集、幅度谱+相位谱直接对应RGB三通道时频图样本集、以及应用本发明生成的时频图样本集分别进行训练推理得到的平均识别精度(mean Average Precision，mAP)结果曲线。

从图9可知，将应用本发明生成的时频图样本集作为输入的YOLO-v5s识别精度，比幅度谱时频图样本集和幅度谱+相位谱直接对应RGB三通道时频图样本集的识别精度更高。应用本发明生成的时频图样本集收敛后的mAP达到了91.43％，相对于幅度谱时频图样本集88.31％的mAP提升了3.12％，相对于幅度谱+相位谱直接对应RGB三通道时频图样本集89.35％的mAP提升了2.08％，说明了采用本发明生成的时频图能有效提高无线电信号目标检测和识别的准确率。

实施例2

一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时，实现如实施例1所述的基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法的步骤。

实施例3

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时，实现如实施例1所述的基于LAB颜色空间映射的幅度相位时频图表达方法的步骤。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。