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時頻的分析窗口

我們先來求ψa,b(t)的傅氏變換

地球物理信息處理基礎

如果母小波ψ(t)的傅氏變換Ψ(ω)是中心頻率為ω0、寬度為Dω的帶通函數,那麽Ψa,b(ω)是中心為ω0/a、寬度為Dω/a的帶通函數,如圖6-4所示。根據Parseval恒等式,由式(6-21)得到

地球物理信息處理基礎

因此,連續小波變換給出了信號頻譜在頻域窗Ψa,b(ω)或Ψ(aω)內的局部信息。

圖6-4 母小波和小波的頻率特性

設ω0>0,a為正實變量,那麽可以把ω0/a看成頻率變量。Ψa,b(ω)的帶寬與中心頻率之比為相對帶寬,即[(Dω/a)/(ω0/a)]=Dω/ω0。相對帶寬與尺度參數a或中心頻率的位置ω0/a無關,這就是所謂“恒Q性質”(Constant Q Property)。把ω0/a看成頻率變量後,“時間-尺度”平面等效於“時間-頻率”平面。因此,連續小波變換的時間-頻率定位能力和分辨率也可以用時間-尺度平面上的矩形分析窗口(時頻窗)來描述,該窗口的範圍是:

地球物理信息處理基礎

窗口寬為aDt(即ψa,b(t)的有效寬度),高為Dω/a(即Ψab(ω)的有效寬度),面積為aDt×(Dω/a)=DtDω,與a無關,僅取決於ψ(t)的選擇。因此,壹旦選定了母小波,分析窗口的面積也就確定了。

小波變換的時頻局部化機理:對於參數a固定、參數b變化的情形,小波變換(CWTψ)(a,b)是關於變量b的時域函數;由於Ψa,b(ω)是頻窗函數的緣故,小波變換(CWTψ)(a,b)實際上是被限制在 的子頻帶範圍內的時域函數。

對於參數a和參數b都固定的情形,由於ψa,b(t)是時窗函數和Ψa,b(ω)是頻窗函數的緣故,(CWTψ)(a,b)的時域和頻域表現實際上被限制在 範圍內。由於(CWTψ)(a,b)是與f(t)對應的壹種積分變換,所以小波變換(CWTψ)(a,b)實際上是在積分變換機制下將f(t)和F(ω)限制在時頻窗內的壹種局部化表現。換句話說,(CWTψ)(a,b)在時窗內的表現對應著f(t)在時窗內的表現, [(CWTψ)(a,b)]在頻窗內的表現對應著F(ω)在頻窗內的表現。

小波變換的時頻窗(分析窗口)的自適應性:從小波窗函數ψa,b(t)的參數選擇方面觀察。b僅僅影響分析窗口在相平面時間軸上的位置,而a 不僅影響分析窗口在頻率軸上的位置,也影響分析窗口的形狀。當a較小時,頻窗中心ω0/a調整到較高的頻率中心的位置,且時頻窗形狀變窄;因為高頻信號在很短的時域範圍內的幅值變化大,頻率含量高,所以這種“窄”時頻窗正好符合高頻信號的局部時頻特性,尺度參數a越小,小波ψa,b(t)的有效寬度將越窄,因而小波分析的時域分辨率將越高。同樣,當a較大時,頻窗中心ω0/a調整到較低位置,且時頻的分析窗口形狀變寬;因為低頻信號在較寬的時域範圍內僅有較低的頻率含量,所以這種“寬”的時頻窗正好符合低頻信號的局部時頻特性。這樣小波變換對不同的頻率在時域上的取樣步長是具有調節性的,即在低頻時小波變換的時間分辨率較差,而頻率分辨率較高;在高頻時小波變換的時間分辨率較高,而頻率分辨率較低,這正好符合低頻信號變化緩慢而高頻信號變化迅速的特點。這正是它優於經典的傅氏變換與短時傅氏變換的地方。

圖6-5 小波變換的分析窗寬度隨頻率升高(尺度減小)而變窄

從總體上來說,小波變換比短時傅氏變換具有更好的時頻分析窗口特性。WFT僅具有不變時頻分析窗口,無論頻窗中心處於何處,其時窗形狀不改變,該時頻分析窗口顯得很單壹,相比之下,小波變換的時頻分析窗口是靈活可調的。小波變換具有的這壹寶貴性質稱為“變焦距”性質(Zooming),圖6-5說明了這壹性質,它與圖6-2恰成鮮明對照。