一種基于參數(shù)補(bǔ)償多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于參數(shù)補(bǔ)償多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)方法，包括以下步驟：(1)對(duì)含噪微弱信號(hào)進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償，即在多穩(wěn)Langevin方程中加入一個(gè)放大環(huán)節(jié)，抵消信號(hào)經(jīng)過(guò)多穩(wěn)系統(tǒng)后幅值變小的趨勢(shì)，從而可以用于檢測(cè)高頻微弱信號(hào)；(2)將補(bǔ)償后信號(hào)輸入到多穩(wěn)系統(tǒng)，多穩(wěn)系統(tǒng)比雙穩(wěn)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的檢測(cè)能力，可用于檢測(cè)更低信噪比下的微弱信號(hào)；(3)對(duì)多穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析，分析包絡(luò)譜圖，從而提取出微弱信號(hào)的特征，完成微弱信號(hào)的檢測(cè)。本發(fā)明方法可以很好的把微弱信號(hào)在極低信噪比情況下提取出來(lái)，而在不知信號(hào)頻率的情況下也可完成對(duì)低頻和中高頻微弱信號(hào)的檢測(cè)，大幅提升處理信號(hào)的能力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于參數(shù)補(bǔ)償多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種低信噪比下低頻和中高頻微弱信號(hào) 的提取方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微弱信號(hào)即淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲背景下的低能量信號(hào)，在機(jī)械故障診斷、通信、地震勘 探、石油探井、生物醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域都需要通過(guò)檢測(cè)微弱信號(hào)來(lái)提取有用信號(hào)，因此微弱信 號(hào)的檢測(cè)一直是人們研究的熱點(diǎn)。
[0003] 現(xiàn)有微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)主要通過(guò)消除、抑制噪聲來(lái)獲取有用信號(hào)，在去除噪聲的 同時(shí)，也會(huì)不可避免的削弱有用信號(hào)，并且只能用于信噪比較高的微弱信號(hào)檢測(cè)，在極低信 噪比下提取微弱信號(hào)，效果不明顯，不能滿足實(shí)際的需求。
[0004] 研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用隨機(jī)共振方法檢測(cè)微弱信號(hào)取得了較好的效果。隨機(jī)共振是一種利 用噪聲來(lái)增強(qiáng)微弱信號(hào)的理論，當(dāng)噪聲、非線性系統(tǒng)、信號(hào)三者達(dá)到最佳匹配關(guān)系時(shí)，噪聲 能量會(huì)轉(zhuǎn)移到信號(hào)能量上，信號(hào)能量增強(qiáng)，使得輸出信噪比大于輸入信噪比，該方法通過(guò)利 用噪聲而不是消除噪聲使信號(hào)得到了增強(qiáng)。然而隨機(jī)共振有一定的局限性，即隨機(jī)共振方 法對(duì)大頻率微弱信號(hào)增強(qiáng)效果不明顯。雖然可以先利用二次采樣把大頻率轉(zhuǎn)換為小頻率信 號(hào)，但是在不知道微弱信號(hào)頻率時(shí)，很難確定尺度因子。
[0005] 另外，利用參數(shù)補(bǔ)償原理可以提高微弱信號(hào)的處理效果。但是在實(shí)際處理極低信 噪比的微弱信號(hào)時(shí)，雙穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的效果往往達(dá)不到我們的預(yù)期目標(biāo)，很容易造成診 斷結(jié)果不精確，甚至發(fā)生錯(cuò)誤診斷。
[0006] 綜上所述，現(xiàn)階段采用的參數(shù)補(bǔ)償雙穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)來(lái)提取微弱信號(hào)的方法無(wú)法 達(dá)到人們要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，提供一種可提高微弱信號(hào)處理效果、 轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)、可檢測(cè)出更低信噪比微弱信號(hào)的基于參數(shù)補(bǔ)償多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的微弱信號(hào) 檢測(cè)方法。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述檢測(cè)方法包括以下步驟：
[0009] (1)將含噪信號(hào)引入一個(gè)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)；所述多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)通過(guò) Langevin 方程 dx/dt = _dU (X) /dx+s (t) + η (t)進(jìn)行描述；
[0010] 式中，U(x)為多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)，

【權(quán)利要求】
1. 一種基于參數(shù)補(bǔ)償多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)方法，其特征在于，所述檢測(cè) 方法包括以下步驟： (1) 將含噪信號(hào)引入一個(gè)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)；所述多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)通過(guò)Langevin方 程 dx/dt = -dU (x) /dx+s (t) + n (t)進(jìn)行描述； 式中，U(x)為多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)，
a、b、c為參數(shù)， 參數(shù)a、c與固有參數(shù)b無(wú)關(guān)；s(t)為微弱信號(hào)；n (t)是均值為0、方差為1、強(qiáng)度為D的白 噪聲； (2) 在固有參數(shù)b確定的情況下，再確定多穩(wěn)隨機(jī)共振中系統(tǒng)參數(shù)a和c，確保系統(tǒng)為 多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)； (3) 在多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)中采用參數(shù)補(bǔ)償法提高含噪信號(hào)中微弱信號(hào)的能量，即在 Langevin方程dx/dt = -dU(x)/dx+s(t)+ n (t)中加入一個(gè)放大環(huán)節(jié)，加入放大環(huán)節(jié)后， Langevin方程變?yōu)? dx/dt = K[_dU(x)/dx+s(t)+ n (t)] 其中，K為放大倍數(shù)，即補(bǔ)償因子；理論上K = max{2 fj，但在實(shí)際仿真分析中，K的 取值略大于maxUjifJ 為輸入信號(hào)的頻率； (4) 初始化多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的固有參數(shù)b = 5和參數(shù)補(bǔ)償因子K= 1，產(chǎn)生多穩(wěn)隨機(jī) 共振系統(tǒng)的頻率fs ; (5) 把含噪信號(hào)進(jìn)行參數(shù)因子為K彡max {2 nfj的參數(shù)補(bǔ)償，得到信號(hào)P(t)= KX [s(t)+n (t)]； (6) 把多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的固有參數(shù)a、b、c進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償，分別變?yōu)閍'，b'，c'; (7) 信號(hào)P(t)通過(guò)四階龍格庫(kù)塔數(shù)值計(jì)算方法求解langevin方程，求得的解即為多穩(wěn) 隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出信號(hào)x(t); (8) 將輸出信號(hào)x(t)做包絡(luò)解調(diào)，得到Z(f) ;f為頻率值；Z(f)為在頻率f?處的包絡(luò)譜 幅值；通過(guò)Z(f)檢測(cè)分離出微弱信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于參數(shù)補(bǔ)償多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢 測(cè)方法，其特征在于：所述步驟⑵中，b確定后，當(dāng)a = 20+5c (0〈c〈l)或者當(dāng)a = 27. 5-2. 5c (l〈c〈3)時(shí)表不該系統(tǒng)為多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于參數(shù)補(bǔ)償多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè) 方法，其特征在于：所述步驟（6)中，多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償后，滿足a' =a/K，
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于參數(shù)補(bǔ)償多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)方法， 其特征在于，所述步驟（8)具體為： 先對(duì)信號(hào)x (t)做Hilbert變換， 信號(hào)x(t)的解析信號(hào)為，
其中幅值A(chǔ)(t)為，
A(t)便為x(t)的包絡(luò)，對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行FFT，得到Z(f)。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104281775SQ201410468250
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】時(shí)培明, 李培, 韓東穎 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)