本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法。
背景技术：
在射电天文观测中，宇宙天体辐射信号的谱线既可以分析天体的基本物理及化学组成，如激发温度、粒子密度、物质运动区的速度场、磁感应强度及各种元素的化学丰度等，又可以由分子云及恒星形成区的谱线数据获得天体的各种信息，在射电天文领域具有举足轻重的地位。快速傅里叶变换(fft)作为一种提取信号频谱的处理工具在射电天文观测领域得到广泛应用。但现有快速傅里叶变换在射电天文观测领域应用中存在下面的缺陷：一是如果要得到较高的频谱分辨率，时间序列长度必须足够长，这样会导致系统资源的大量消耗，以及需要大量处理时间；二是在有限资源条件下，为了得到高分辨率不得不降低采样率，这样导致信号处理增益减少，使射电天文望远镜探测天体灵敏度降低，同时，还存在着因采样率不足所导致的频谱混叠。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种对宇宙天体辐射信号进行分段快速傅里叶变换处理，既能处理高采样率数据，提升射电天文望远镜探测天体灵敏度，又能提高射电天文谱线分辨率的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法，包括以下步骤：
步骤1、将长度为n的宇宙天体辐射信号按时间顺序分为数目为ni的子段信号，每一子段信号长度为l；
步骤2、对步骤1所得到的长度为l的每一子段信号分别进行快速傅里叶变换得到各子段信号的l个频谱离散值；
步骤3、对步骤2所得到的l个频谱离散值进行阈值判别，对存在信号的频谱成份按时间顺序进行排列得到新的长度为ni的时间序列信号；对长度为ni的时间序列信号进行快速傅里叶变换得到关于此频谱成份的ni倍细化的频谱结果；
步骤4、遍历所有存在信号的频谱成份，得到各频谱成份的ni倍细化的频谱结果。
在上述的提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法中，步骤1中子段信号数目ni取值为以2为底的指数幂，子段信号长度l取值为以2为底的指数幂。
在上述的提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法中，子段信号长度l与子段信号数目ni之积等于宇宙天体辐射信号的长度n。
在上述的提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法中，时间连续的宇宙天体辐射信号的子段信号数目ni的取值应足够大。
本发明的有益效果：能使对宇宙天体辐射时间序列信号处理所要求的资源大为减少，耗时大为降低；能处理高采样率信号，这样提高宇宙天体微弱辐射信号的信噪比，提升射电天文望远镜探测天体灵敏度；对于一个连续的宇宙天体辐射信号，可以得到分辨率非常高的射电天文谱线。
附图说明
图1为本发明实施例1提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法流程图；
图2为本发明实施例1对宇宙天体辐射信号分段示意图；
图3为本发明实施例1未分段时间序列信号的fft结果示意图；
图4为本发明实施例1子段时间序列信号的fft结果示意图；
图5为本发明实施例1子段信号fft结果按同一频谱成分重排所得时间序列信号的fft结果示意图；
图6为本发明实施例1一种射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法的流程示意图；
图7为本发明实施例2时长为204.8秒65336点数据的快速傅里叶变换结果示意图；
图8为本发明实施例2时长为0.8秒256点的256个子段中的4个子段数据的快速傅里叶变换结果示意图；
图9为本发明实施例2中由256个子段快速傅里叶变换结果中的谱线成份为0的时间序列信号的快速傅里叶变换结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例通过对宇宙天体辐射信号进行分段快速傅里叶变换处理，能使对宇宙天体辐射时间序列信号处理所要求的资源大为减少，耗时大为降低；能处理高采样率信号，这样提高宇宙天体微弱辐射信号的信噪比，提升射电天文望远镜探测天体灵敏度；对于一个连续的宇宙天体辐射信号，可以得到分辨率非常高的射电天文谱线。
本实施例是通过以下技术方案实现的：如图1所示，一种射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法，包括：
第一步，将长度为n的宇宙天体辐射信号按时间顺序分为数目为ni的子段信号，子段信号数目ni一般取以2为底的指数幂，也可取其他值；子段信号的长度l一般取以2为底的指数幂，也可取其他值。一般数目ni大于等于长度l以保证分段处理结果与未分段结果一致。对于长度为n的宇宙天体辐射时间序列信号，子段信号的长度l与子段信号数目ni之积等于此时间序列信号长度n。对于时间连续的宇宙天体辐射序列子段信号数目ni的取值可以足够大。
第二步，对第一步所得到的长度为l的每一个子段信号分别进行快速傅里叶变换得到各子段信号的l个频谱离散值。
第三步，对第二步所得到的l个频谱离散值进行阈值判别，对存在信号的频谱成份按时间顺序进行排列得到新的长度为ni的时间序列信号。对某一频谱成份所形成的长度为ni的新时间序列信号进行快速傅里叶变换得到关于此频谱成份的ni倍细化的频率分辨率更高的频谱结果，遍历所有存在信号的频谱成份，得到各频谱成份的ni倍细化的频谱结果。
因为对于一个连续的宇宙天体辐射时间序列信号子段信号数目ni的取值可以足够大，所以可以得到分辨率非常高的射电天文谱线结果。
实施例1
如图2所示，本实施例1中的宇宙天体辐射时间序列信号x(n)，n＝1,2,…,n，不失一般性，序列长度n取16。将长度n＝16的时间序列信号分为了ni＝4的子段，每个子段的长度l为4。
如图3所示，本实施例1长度n为16的宇宙天体辐射时间序列信号的快速傅里叶变换频谱结果。其频谱序列为x(n)，n＝1,2,…,16。
如图4所示，本实施例1中4个子段序列信号的快速傅里叶变换频谱结果。第ni个子段序列信号的谱结果为xm(l,ni)，l＝1,2,3,4，其中l是子段信号的谱序号。
如图5所示，对每个子段序列信号的同一频谱成分l按时间顺序重排得到新的时间序列信号xm(l,ni)，ni＝1,2,3,4，所得新时间序列信号快速傅里叶变换频谱结果为x(n)，其中n＝(l-1)×ni ni-ni/2。由于频谱具有周期性，图5中的x(-1)，x(0)即为图3中的x(15)，x(16)。
如图6所示，为综合本实施例1提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法处理步骤的流程示意图。由于频谱具有周期性，图6中的x(-1)，x(0)就是图3中的x(15)，x(16)。
实施例2
下面提供一个提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法的仿真实例来说明时间分段快速傅里叶变换效果。
仿真实例中，所设定的信号频谱值分别是0.028赫兹，0.28赫兹和0.308赫兹，信号采样率为320，采样时长为204.8秒，得到宇宙天体辐射信号数据点数n为65536。
对204.8秒时长的65536点模拟宇宙天体辐射时间序列数据进行快速傅里叶变换的谱结果如图7所示，在频谱图上看到频率成份为0.0293,0.2783和0.3076的三个谱峰，考虑到频谱最小分辨率为320/65536＝0.00488，所得谱峰位置与所设定的吻合很好。
将204.8秒时长的65536点按时间顺序分为256个子段，每段数据时长0.8秒，数据点为256。对256个时长0.8秒数据点为256点的子段序列分别进行快速傅里叶变换，其中4个子段的结果如图8所示。可以看到图8结果的频率分辨率为1.25，比图7的65536点的频率分辨率0.00488粗了256倍。
从图8中结果看，可以认为0谱点存在信号，其他点的是0谱点的泄露信号。将256个0谱点结果按时间顺序排列成点数为256的时间序列信号，进行快速傅里叶变换得到图9的结果。图9结果将图8的0谱点细化成了256个谱点，谱点间距为0.00488，即频率分辨率提高了256倍，与图7的65536点fft的分辨率一致，但这个结果只是两个256点fft。因此极大减少计算量和系统资源消耗情况下，达到了非常高的频率分辨率。从图7和图9可以看到，分为子段后的处理结果与不分段情况的是一致的，从而证明了分段快速傅里叶变换处理的正确性。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
1.一种提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、将长度为n的宇宙天体辐射信号按时间顺序分为数目为ni的子段信号，每一子段信号长度为l；
步骤2、对步骤1所得到的长度为l的每一子段信号分别进行快速傅里叶变换得到各子段信号的l个频谱离散值；
步骤3、对步骤2所得到的l个频谱离散值进行阈值判别，对存在信号的频谱成份按时间顺序进行排列得到新的长度为ni的时间序列信号；对长度为ni的时间序列信号进行快速傅里叶变换得到关于此频谱成份的ni倍细化的频谱结果；
步骤4、遍历所有存在信号的频谱成份，得到各频谱成份的ni倍细化的频谱结果。
2.如权利要求1所述的提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法，其特征是，步骤1中子段信号数目ni取值为以2为底的指数幂，子段信号长度l取值为以2为底的指数幂。
3.如权利要求1所述的提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法，其特征是，子段信号长度l与子段信号数目ni之积等于宇宙天体辐射信号的长度n。
4.如权利要求1所述的提高射电天文谱线分辨率的快速傅里叶变换构造方法，其特征是，时间连续的宇宙天体辐射信号的子段信号数目ni的取值应足够大。
技术总结