基于鎖相環(huán)的Duffing振子弱信號時域檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明請求保護(hù)一種基于鎖相環(huán)和Duffing振子檢測微弱周期信號的方法，屬于信號處理領(lǐng)域。該方法利用鎖相環(huán)和Duffing振子搭建聯(lián)合微弱信號檢測系統(tǒng)。通過鎖相環(huán)電路檢測信號頻率，從而實現(xiàn)未知頻率微弱周期信號的檢測。根據(jù)混沌信號的時間歷程曲線特征，并以時序圖法配合相平面圖法作為檢測系統(tǒng)狀態(tài)及系統(tǒng)狀態(tài)是否發(fā)生改變的判據(jù)。得到系統(tǒng)從混沌狀態(tài)跳變到周期狀態(tài)的精確閾值，提高了微弱信號檢測的門限和質(zhì)量。較之傳統(tǒng)做法，本方法可檢測未知頻率的信號，更易于實現(xiàn)且節(jié)省大量仿真時間，在實際應(yīng)用中具有重大意義，因此具有很好的應(yīng)用前景。
【專利說明】基于鎖相環(huán)的Duff i ng振子弱信號時域檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，具體為一種檢測微弱周期信號的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)微弱信號檢測方法在檢測信噪比極低的信號時效果很差，而DufTing振子混沌系統(tǒng)由于具備對初值極端敏感、對噪聲具有較好免疫力等優(yōu)點(diǎn)，在檢測微弱信號時能夠表現(xiàn)出良好檢測效果。作為一種新的微弱信號檢測方法，混沌振子方法不是消除噪聲，而是從噪聲背景中提取信號，針對其獨(dú)特性可將其應(yīng)用到實際的工程中，包括納伏級微弱信號檢測、轉(zhuǎn)子早期故障診斷、齒輪早期疲勞裂紋檢測、汽車飛輪殼檢測、數(shù)字水印、超聲檢漏、電網(wǎng)局部放電的窄帶干擾等方面。
[0003]在混沌系統(tǒng)的策動力為不同的數(shù)值時，系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)在固定點(diǎn)、同宿軌道、分岔、混沌、臨界周期、大尺度周期等各個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。基于混沌理論進(jìn)行信號檢測的原理就是構(gòu)造一個混沌系統(tǒng)，該系統(tǒng)只對特定信號敏感。設(shè)置該混沌系統(tǒng)參數(shù)使其處于臨界運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)外界出現(xiàn)系統(tǒng)所敏感的信號時，雖然信號很微弱，也會使系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生質(zhì)變。這樣，我們就可以根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變來檢測出要檢測的微弱信號。
[0004]精確快速地確定相變閾值是用Duffing振子檢測信號的先決條件，也直接關(guān)系到微弱信號檢測的門限和質(zhì)量。傳統(tǒng)上用梅爾尼科夫函數(shù)進(jìn)行理論計算得到混沌閾值r。的粗略估計值。但目前尚無解析方法求得從混沌狀態(tài)跳變到大尺度周期狀態(tài)的相變閾值rd，可以通過多次實驗觀測系統(tǒng)相變來確定系統(tǒng)閾值(Ma X M, Zhang B T.Weaksignal detecting of gas concentration based on Duffing chaotic oscillator[C]//Computer Application and System Modeling (ICCASM), 2010International Conferenceon.1EEE, 2010, 1:V1-183-V1-186.)，但這種方法效率很低，受人為因素的影響較大，經(jīng)常會出現(xiàn)誤判的情況。一些學(xué)者嘗試?yán)妹窢柲峥品蚝瘮?shù)及混沌狀態(tài)下的Lyapunov指數(shù)等方法確定相變閾值(Xian-Min M.Detecting of Coal Gas Weak Signals UsingLyapunov Exponent Under Strong Noise Background[C]//Intelligent System Designand Engineering Applications (ISDEA), 2013Third International Conferenceon.1EEE, 2013:583-586.)，方法較實驗方法在精度上有了很大的改進(jìn)，但求解過程較復(fù)雜，計算量較大且不直觀。
[0005]混沌振子檢測系統(tǒng)對與其策動力頻率相差不大的微弱信號敏感，對與其策動力頻率相差較大的信號具有極強(qiáng)的免疫作用。然而現(xiàn)有的基于DufTing振子檢測微弱信號的方法，只能檢測頻率已知的微弱周期信號。而現(xiàn)實中待測信號頻率往往是未知的。為了能夠檢測未知頻率的微弱信號，采用Duffing振子陣列的方法檢測未知頻率的信號，即用很多個不同參考頻率的杜芬振子來實現(xiàn)一個頻段的檢測(Li J, Shen Y.The Studyof Weak Signal Detection Using Duffing Oscillators Array[C]//Testing andDiagnosis, 2009.1CTD2009.1EEE Circuits and Systems International Conferenceon.1EEE, 2009:1-4.)，但這種方法需要較多杜芬振子組成的陣元，在寬頻信號檢測及實際工程中不易操作和實現(xiàn)。
[0006]由于混沌系統(tǒng)的復(fù)雜性，利用解析的方法來分析混沌檢測系統(tǒng)的狀態(tài)是很困難的，其判別方法整體上分為直觀方法和定量方法。定量方法是通過計算混沌吸引子的某個特征量，根據(jù)所得到的特征量數(shù)值判別混沌是否存在，但已有的通過特征量的判別方法需要在求解微分方程后進(jìn)行大量的計算。據(jù)此，有學(xué)者提出一種新的閾值判別法(Liu X1WangC，Xiao B.Research on Chaotic Threshold Criterion Based on the Difference ofSolution[C]//Control Engineering and Communication Technology (ICCECT), 2012International Conference on.1EEE, 2012:228-23),此種方法算法簡單,運(yùn)算量有所減少，但在臨界態(tài)不能精確辨認(rèn)系統(tǒng)所處狀態(tài)，很難在實際中應(yīng)用。直觀方法就是僅通過對被分析信號時域或頻率特征曲線的觀察確定混沌存在與否，通過觀察系統(tǒng)相變來測量待測信號幅值的傳統(tǒng)直觀方法缺乏量化判斷依據(jù)，花費(fèi)大量機(jī)器內(nèi)存，試驗中為了更準(zhǔn)確判斷還會盲目增加仿真時間。時序圖法具有運(yùn)算速度快，利用示波器可以一次檢測多個信號的輸出狀態(tài)，耗時少，效率高，但由于系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)時時序圖的波形多種多樣，有時難以分辨系統(tǒng)處于哪種狀態(tài)。
[0007]鑒于此，本發(fā)明提出一種新的檢測噪聲背景下微弱周期信號的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提出一種檢測噪聲背景下微弱信號的新方法，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:探究混沌信號在不同動力學(xué)狀態(tài)下的時域曲線特征，采用一種精確且直觀的方式準(zhǔn)確判定輸出信號狀態(tài)；快速找到檢測系統(tǒng)的精確相變閾值；確定待測微弱信號頻率。
[0009]本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是，利用鎖相環(huán)和杜芬(Duffing)振子構(gòu)成聯(lián)合微弱信號檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)中鎖相環(huán)電路實現(xiàn)待測微弱信號的頻率檢測；分析混沌信號在不同狀態(tài)下的時域波形曲線特征，采用時序圖配合相平面方法判斷系統(tǒng)狀態(tài)及其狀態(tài)是否發(fā)生改變；采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并對采集數(shù)據(jù)處理得到精確混沌閾值。從而實現(xiàn)未知頻率微弱周期信號頻率和幅值的精確檢測。
[0010]一種基于鎖相環(huán)和DufTing振子檢測微弱周期信號的方法，包括
[0011]以下步驟:
[0012]創(chuàng)建基于鎖相環(huán)和DufTing振子的微弱信號聯(lián)合檢測模型；調(diào)用梅爾尼科夫函數(shù)計算混沌閾值r。的粗略估計值；根據(jù)不同策動力幅值采集并獲取信號檢測系統(tǒng)精確相變閾值rd ;將待測信號送入鎖相環(huán)和DufTing振子組成的聯(lián)合檢測模型檢測信號頻率；設(shè)置信號檢測系統(tǒng)內(nèi)置策動力頻率與待測信號頻率相同，策動力幅度值與相變閾值rd相同，使得信號檢測系統(tǒng)處于臨界混沌狀態(tài)；將待測信號加入檢測系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)策動力幅值，使得系統(tǒng)再次處于臨界混沌狀態(tài)，獲取待測信號幅值。
[0013]鎖相環(huán)和Duffing振子聯(lián)合檢測模型檢測待測信號頻率具體包括:當(dāng)聯(lián)合檢測模型中鑒相器輸出控制信號是以X軸為對稱軸的正弦函數(shù)，且無調(diào)制信號特征時，待測信號頻率f即為壓控振蕩器(VCO)中心頻率f。。調(diào)用梅爾尼科夫函數(shù)計算混沌閾值的粗略估計
值具體包括:若系統(tǒng)策動力角頻率為w，根據(jù)公式
【權(quán)利要求】
1.一種基于鎖相環(huán)和DufTing振子檢測微弱周期信號的方法，其特征在于，包括以下步驟:創(chuàng)建基于鎖相環(huán)和杜芬DufTing振子的微弱信號聯(lián)合檢測模型；調(diào)用梅爾尼科夫函數(shù)計算混沌閾值r。的粗略估計值；根據(jù)信號檢測系統(tǒng)不同策動力幅值采集并獲取信號檢測系統(tǒng)精確相變閾值rd ;將待測信號送入聯(lián)合檢測模型的鎖相環(huán)環(huán)路部分以檢測信號頻率；設(shè)置信號檢測系統(tǒng)內(nèi)置策動力頻率與待測信號頻率相同，策動力幅度值與相變閾值!^相同，使得信號檢測系統(tǒng)處于臨界混沌狀態(tài)；將待測信號加入信號檢測系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)策動力幅值，使得系統(tǒng)再次處于臨界混沌狀態(tài)，獲取待測信號幅值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，聯(lián)合檢測模型檢測待測信號頻率具體包括:當(dāng)聯(lián)合檢測模型中鑒相器輸出控制信號是以X軸為對稱軸的正弦函數(shù)，且無調(diào)制信號特征時，待測信號頻率f即為壓控振蕩器VCO中心頻率f。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，調(diào)用梅爾尼科夫函數(shù)計算混沌閾值的粗略估計值具體包括:對于混沌區(qū)域在X軸以上的混度I區(qū)，根據(jù)公式
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)不同策動力幅值采集并獲取信號檢測系統(tǒng)精確相變閾值rd具體為:在未加待測信號之前，測量采集不同策動力幅度值下系統(tǒng)進(jìn)入混沌狀態(tài)的時間，獲得數(shù)據(jù)擬合曲線中平行于時間軸的漸近線，根據(jù)漸近線對應(yīng)的策動力幅度值得到系統(tǒng)從混沌狀態(tài)跳變到周期狀態(tài)的閾值為精確相變閾值rd。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將待測信號加入混沌檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)入周期狀態(tài)，調(diào)整策動力幅值，跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)，獲取系統(tǒng)從周期狀態(tài)突變?yōu)榛煦鐮顟B(tài)時的策動力幅值大小!^時，即此時系統(tǒng)再次處于臨界混沌狀態(tài)，根據(jù)公式:a= |rd-rx|確定待測信號的幅值。
【文檔編號】G01H17/00GK103913222SQ201410171624
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】張剛, 王穎, 張?zhí)祢U, 李波, 賀利芳, 王源 申請人:重慶郵電大學(xué)