專利名稱：用于信息檢測(cè)的級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于檢測(cè)技術(shù)與信號(hào)處理，具體涉及一種利用級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)和變尺度隨機(jī)共振技術(shù)的信號(hào)檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
基于雙穩(wěn)系統(tǒng)(雙穩(wěn)系統(tǒng)是指具有兩個(gè)不同穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)，系統(tǒng)處于哪一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)由其初始條件決定。)的隨機(jī)共振技術(shù)起源于上世紀(jì)八十年代初，在信號(hào)處理的增強(qiáng)放大、檢測(cè)識(shí)別、傳輸還原等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已普遍應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、天體、生命等學(xué)科中。近年來(lái)，利用一個(gè)雙穩(wěn)系統(tǒng)進(jìn)行這方面的研究已有很多報(bào)道(見(jiàn)參考文獻(xiàn))，主要用于周期信號(hào)的檢測(cè)識(shí)別。然而，利用兩個(gè)或更多個(gè)雙穩(wěn)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)(或串聯(lián))來(lái)研究隨機(jī)共振及其信息檢測(cè)和信號(hào)分析的技術(shù)尚未見(jiàn)到，特別是對(duì)于非周期信號(hào)，單個(gè)雙穩(wěn)系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)還遠(yuǎn)不成熟，而利用多級(jí)雙穩(wěn)系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)則更是無(wú)人問(wèn)津。究其原因在于，由于雙穩(wěn)系統(tǒng)的噪聲響應(yīng)頻譜具有羅倫茲的分布形式，即頻譜能量向低頻區(qū)域集中，因此頻譜的高頻幅值逐漸減弱，而低頻幅值卻被放大，這意味著雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出波形的高頻抖動(dòng)有所消除，而波形的低頻基本輪廓卻被突出。通常，被突出的基本波形輪廓中常常包含一些有用的特征信息，而這些特征信息往往因?yàn)閱蝹€(gè)雙穩(wěn)系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)能力限制，很難被檢測(cè)提取出來(lái)。利用多級(jí)雙穩(wěn)系統(tǒng)來(lái)提高和擴(kuò)充單個(gè)雙穩(wěn)系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)能力是一條有效的途徑。然而，多級(jí)雙穩(wěn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單串聯(lián)，雖使系統(tǒng)最終輸出頻譜的高頻幅值進(jìn)一步降低，低頻幅值進(jìn)一步增大，即能量進(jìn)一步向低頻區(qū)域集中，但同時(shí)更重要的是，能量集中的低頻區(qū)域會(huì)隨著雙穩(wěn)系統(tǒng)數(shù)量的增加而不斷縮小。當(dāng)雙穩(wěn)系統(tǒng)數(shù)量增加到一定數(shù)目時(shí)，縮小的能量集中低頻區(qū)域會(huì)把有用的特征信號(hào)排斥到高頻區(qū)域而進(jìn)行了壓縮，結(jié)果導(dǎo)致信號(hào)波形的失真。因此，如何利用級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)不失真地檢測(cè)出特征信號(hào)是攻破此項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)所在。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是將級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)和變尺度隨機(jī)共振技術(shù)相結(jié)合，為弱信號(hào)特別是非周期信號(hào)的檢測(cè)提供了一種有效的解決方法，為精細(xì)信息分析和信號(hào)處理提供一種新的信息檢測(cè)技術(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案為用于信息檢測(cè)的級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)主要由，傳感器1、A/D轉(zhuǎn)換卡2、雙穩(wěn)電路3、D/A轉(zhuǎn)換卡4組成。關(guān)鍵在于由變尺度調(diào)節(jié)器5、D/A轉(zhuǎn)換卡4、雙穩(wěn)電路3、A/D轉(zhuǎn)換卡2、以及信號(hào)恢復(fù)器6依次串接構(gòu)成一個(gè)多級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)。被檢測(cè)的原始信號(hào)經(jīng)傳感器1及第一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換卡2-1輸入至第一級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特征信號(hào)的第一次提取并輸入至第二級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)，依此類推完成特征信號(hào)的復(fù)原檢測(cè)。每一級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)(圖1中的虛框部分)的前端均串接一個(gè)變尺度調(diào)節(jié)器5，以調(diào)節(jié)雙穩(wěn)系統(tǒng)形成變尺度的隨機(jī)共振，最后端串接一個(gè)信號(hào)恢復(fù)器6，以恢復(fù)雙穩(wěn)系統(tǒng)共振輸出信號(hào)的實(shí)際波形。變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)的個(gè)數(shù)由最終檢測(cè)到特征信號(hào)來(lái)決定。變尺度調(diào)節(jié)器5中對(duì)A/D轉(zhuǎn)換卡2-1輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值延遲，進(jìn)行變尺度參數(shù)調(diào)節(jié)運(yùn)算，并經(jīng)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)中的D/A轉(zhuǎn)換卡4來(lái)調(diào)節(jié)該級(jí)的雙穩(wěn)電路3而產(chǎn)生隨機(jī)共振。共振的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡2-2輸出給信號(hào)恢復(fù)器6，并在信號(hào)恢復(fù)器6中對(duì)A/D轉(zhuǎn)換卡2-2輸出的信號(hào)進(jìn)行延遲恢復(fù)。如果復(fù)原的信號(hào)中仍含有大量的噪聲而不清晰，則在第一級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)的信號(hào)恢復(fù)器6之后串接第二級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)，進(jìn)行第二級(jí)的信號(hào)共振和提取復(fù)原(注變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)中各部件的圖號(hào)依據(jù)其所在系統(tǒng)的級(jí)數(shù)而確定，如在第二級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)中D/A轉(zhuǎn)換卡為4-2。這樣依次類推，直至將淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲干擾中的弱特征信號(hào)充分提取顯示出來(lái)。在電路接法上(如圖2)A/D轉(zhuǎn)換卡2-1的1通道接至傳感器1，其余2、3、4～n通道分別依次接雙穩(wěn)電路3-1、雙穩(wěn)電路3-2、…雙穩(wěn)電路3-(n-1)的輸出端。A/D轉(zhuǎn)換卡2-1的輸出同時(shí)接入變尺度調(diào)節(jié)器5和信號(hào)恢復(fù)器6的輸入口，變尺度調(diào)節(jié)器5的輸出接D/A轉(zhuǎn)換卡4的輸入，D/A轉(zhuǎn)換卡4的輸出通道1、2、3～至n-1分別依次接雙穩(wěn)電路3-1、3-2～3-(n-l)的輸入端。雙穩(wěn)系統(tǒng)可由運(yùn)算放大器所組成的模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)(如圖3所示)，其中s(t)是雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸入，x(t)是雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出，該模擬電路包括積分器、反向器、乘法器、電阻分壓器以及電容和電阻。變尺度調(diào)節(jié)器5和信號(hào)恢復(fù)器6是根據(jù)流程圖4編程并固化在只讀存儲(chǔ)器中的運(yùn)算器，變尺度調(diào)節(jié)器完成采樣點(diǎn)之間的插值運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙穩(wěn)系統(tǒng)的變尺度隨機(jī)共振調(diào)節(jié)；信號(hào)恢復(fù)器的作用與變尺度調(diào)節(jié)器的相反，它刪除采樣點(diǎn)間的所有插入值而保留原采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)位置。
本發(fā)明的特點(diǎn)和有益的效果在于，這種檢測(cè)系統(tǒng)不僅突破了單個(gè)雙穩(wěn)系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)的局限性，而且克服了單純級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)導(dǎo)致信號(hào)壓縮而失真的問(wèn)題，充分發(fā)揮了級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)能力。它既可以用來(lái)檢測(cè)非周期信號(hào)，又可以用來(lái)檢測(cè)周期信號(hào)。由于此項(xiàng)技術(shù)從時(shí)域內(nèi)解決了強(qiáng)噪聲中弱信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題，因此可實(shí)現(xiàn)信息識(shí)別、信號(hào)放大、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等項(xiàng)功能，為后續(xù)更方便和更精細(xì)的信息分析和信號(hào)處理提供了必要的技術(shù)保障。


附圖1為級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)信息檢測(cè)過(guò)程原理圖。
附圖2為級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)信息檢測(cè)通道結(jié)構(gòu)圖。
附圖3為雙穩(wěn)系統(tǒng)模擬電路圖。
附圖4為級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)信息檢測(cè)流程圖。
附圖5非周期方波曲線圖。
附圖6非周期方波疊加噪聲的曲線圖。
附圖7第一級(jí)共振系統(tǒng)最佳隨機(jī)共振狀態(tài)曲線圖。
附圖8第二級(jí)共振系統(tǒng)最佳隨機(jī)共振狀態(tài)曲線圖。
具體實(shí)施例方式
以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容做進(jìn)一步的解釋。傳感器1實(shí)測(cè)信號(hào)中的特征信號(hào)被噪聲完全淹沒(méi)而不可分辨，此實(shí)測(cè)信號(hào)作為原始采樣數(shù)據(jù)先輸入A/D轉(zhuǎn)換卡2-1的1通道，然后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后送入變尺度調(diào)節(jié)器5。在變尺度調(diào)節(jié)器內(nèi)對(duì)所有相鄰采樣點(diǎn)進(jìn)行插值，插入的點(diǎn)數(shù)為N，N從1開(kāi)始遞增，這里采用線性等分插值算法，即插入點(diǎn)數(shù)據(jù)為兩采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的等分值。比如，假設(shè)相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值分別為xi＝1和xi+1＝7，其間要插入N＝3個(gè)點(diǎn)，則被插入的三個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)值依次為xi+(xi+1-xi)/(N+1)＝2.5，xi+2*(xi+1-xi)/(N+1)＝4，xi+3*(xi+1-xi)/(N+1)＝5.5。插值調(diào)節(jié)一次，插值后的采樣數(shù)據(jù)便經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換卡4-1的1通道輸入給雙穩(wěn)電路3-1，共振信號(hào)返回輸入到A/D轉(zhuǎn)換卡2-2的2通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并輸入給信號(hào)恢復(fù)器6。在信號(hào)恢復(fù)器內(nèi)，刪除N個(gè)插入點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)，恢復(fù)原采樣點(diǎn)共振數(shù)據(jù)，并顯示判斷。如果共振數(shù)據(jù)波形未達(dá)到最佳隨機(jī)共振狀態(tài)，那么插入的點(diǎn)數(shù)N加1并重復(fù)上述過(guò)程。當(dāng)?shù)谝患?jí)隨機(jī)共振系統(tǒng)在某一個(gè)插入點(diǎn)數(shù)N值的循環(huán)后達(dá)到最佳隨機(jī)共振狀態(tài)(即點(diǎn)數(shù)N的增加或減少都使隨機(jī)共振效果變差)，則第一級(jí)隨機(jī)共振系統(tǒng)完成信號(hào)的第一輪共振循環(huán)檢測(cè)。倘若此時(shí)檢測(cè)出的信號(hào)仍被噪聲干擾不可分辨，那么以第一輪檢測(cè)出的信號(hào)為原始采樣數(shù)據(jù)，插值點(diǎn)數(shù)N＝1開(kāi)始，進(jìn)行第二級(jí)隨機(jī)共振系統(tǒng)(第二輪)的變尺度隨機(jī)共振循環(huán)檢測(cè)，即上一級(jí)檢測(cè)出的信號(hào)進(jìn)行N點(diǎn)插值，之后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換卡4-2的2通道輸入給雙穩(wěn)電路3-2進(jìn)行隨機(jī)共振，共振信號(hào)返回輸入到A/D轉(zhuǎn)換卡2-3的3通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并輸入給信號(hào)恢復(fù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)和判斷。如果第二級(jí)雙穩(wěn)系統(tǒng)的變尺度隨機(jī)共振循環(huán)檢測(cè)仍然不能有效檢測(cè)出信號(hào)，則可依次繼續(xù)進(jìn)行第三輪的變尺度隨機(jī)共振循環(huán)檢測(cè)。
下面是一個(gè)具體實(shí)例。
假設(shè)傳感器實(shí)測(cè)到的信號(hào)是由一個(gè)非周期方波曲線圖5和噪聲組成，且方波信號(hào)被噪聲完全淹沒(méi)而不可分辨，如曲線圖6。方波的幅值為1，噪聲的強(qiáng)度為5，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡2-1的1通道的采集長(zhǎng)度為4000點(diǎn)。當(dāng)插入點(diǎn)數(shù)N＝49時(shí)，第一級(jí)隨機(jī)共振系統(tǒng)達(dá)到最佳隨機(jī)共振狀態(tài)，如曲線圖7；當(dāng)插入點(diǎn)數(shù)N＝16時(shí)，第二級(jí)隨機(jī)共振系統(tǒng)達(dá)到最佳隨機(jī)共振狀態(tài)，如曲線圖8，以后各級(jí)隨機(jī)共振系統(tǒng)的最佳隨機(jī)共振狀態(tài)均與第二級(jí)的曲線圖8相差不大。可以看出，通過(guò)兩級(jí)雙穩(wěn)系統(tǒng)，淹沒(méi)在噪聲中的非周期方波信號(hào)被清晰地放大提取出來(lái)。
雙穩(wěn)電路圖3參數(shù)為R＝10KΩ，R1＝R2＝110KΩ，C＝150pf，乘法器A、B系數(shù)的乘積取為0.0031。對(duì)于每一次插值調(diào)節(jié)，信號(hào)在雙穩(wěn)系統(tǒng)中的隨機(jī)共振狀態(tài)由分壓器K1進(jìn)行調(diào)節(jié)產(chǎn)生，K2固定在一個(gè)適當(dāng)位置不變。
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權(quán)利要求
1.用于信息檢測(cè)的級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)，主要由傳感器(1)、A/D轉(zhuǎn)換卡(2)、雙穩(wěn)電路(3)、D/A轉(zhuǎn)換卡(4)組成，其特征在于由變尺度調(diào)節(jié)器(5)、D/A轉(zhuǎn)換卡(4)、雙穩(wěn)電路(3)、A/D轉(zhuǎn)換卡(2)以及信號(hào)恢復(fù)器(6)依次串接構(gòu)成一個(gè)多級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)，原始信號(hào)經(jīng)傳感器(1)及A/D轉(zhuǎn)換卡(2-1)輸入至第一級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特征信號(hào)的第一次提取并輸入至第二級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)，依此類推完成特征信號(hào)的復(fù)原檢測(cè)。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于信息檢測(cè)的級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)，其特征在于在所述的變尺度調(diào)節(jié)器(5)中對(duì)A/D轉(zhuǎn)換卡(2-1)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值延遲，進(jìn)行變尺度參數(shù)調(diào)節(jié)運(yùn)算，雙穩(wěn)電路(3)產(chǎn)生隨機(jī)共振。
3.按照權(quán)利要求1所述的用于信息檢測(cè)的級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)，其特征在于在所述的信號(hào)恢復(fù)器(6)中對(duì)A/D轉(zhuǎn)換卡(2-2)輸出的信號(hào)進(jìn)行延遲恢復(fù)。
4.按照權(quán)利要求1至3所述的用于信息檢測(cè)的級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)，其特征在于A/D轉(zhuǎn)換卡(2-1)的1通道接至傳感器(1)，其余2、3、4～n通道分別依次接雙穩(wěn)電路(3-1)、雙穩(wěn)電路(3-2)、…雙穩(wěn)電路(3-(n-1))的輸出端，A/D轉(zhuǎn)換卡(2-1)的輸出同時(shí)接入變尺度調(diào)節(jié)器(5)和信號(hào)恢復(fù)器(6)的輸入口，變尺度調(diào)節(jié)器(5)的輸出接D/A轉(zhuǎn)換卡(4)的輸入，D/A轉(zhuǎn)換卡(4)的輸出通道1、2、3～至n-1分別依次接雙穩(wěn)電路(3-1)、(3-2)～(3-(n-1))的輸入端。
全文摘要
用于信息檢測(cè)的級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)，涉及到級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)系統(tǒng)和變尺度隨機(jī)共振技術(shù)。由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換卡、雙穩(wěn)電路、D/A轉(zhuǎn)換卡等部件加之變尺度調(diào)節(jié)器和信號(hào)恢復(fù)器依次串接構(gòu)成一個(gè)多級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)。信號(hào)經(jīng)傳感器及A/D轉(zhuǎn)換卡輸入至第一級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特征信號(hào)的第一次提取并輸入至第二級(jí)變尺度隨機(jī)共振系統(tǒng)，依此類推完成特征信號(hào)的檢測(cè)。變尺度調(diào)節(jié)器對(duì)A/D轉(zhuǎn)換卡的數(shù)據(jù)插值延遲、變尺度調(diào)節(jié)運(yùn)算，使雙穩(wěn)電路產(chǎn)生隨機(jī)共振。信號(hào)恢復(fù)器對(duì)A/D轉(zhuǎn)換卡的信號(hào)做延遲恢復(fù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，從時(shí)域內(nèi)解決了強(qiáng)噪聲中弱信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)信息識(shí)別、信號(hào)放大、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等功能，為后續(xù)更精細(xì)的信息分析和信號(hào)處理提供了必要的技術(shù)保障。
文檔編號(hào)G01R23/16GK1595179SQ20041001993
公開(kāi)日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月9日
發(fā)明者冷永剛, 王太勇, 郭焱 申請(qǐng)人:天津大學(xué)