基于联合去噪和伪哈密顿量的Duffing振子弱信号检测方法技术

本发明专利技术请求保护一种利用自相关-小波阈值变换联合去噪和伪哈密顿量的变尺度Duffing振子来检测微弱周期信号的方法，该方法包括对高频工程信号进行频率/时间尺度变换，使其转换为固定角频率1rad/s的信号，从而方便了设置系统相变阈值；搭建相关与小波阈值变换的联合去噪系统，极大程度改善了信噪比，避免了待测信号初始相位和噪声对检测结果的不利影响；构造Duffing系统伪哈密顿量实时地表征系统动力学行为，解决了定量判断系统状态时计算量大，效率低的难题。理论分析及仿真结果表明，较之传统做法，检测过程更方便快速，在实际应用中具有重大意义，因此具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术请求保护一种利用自相关-小波阈值变换联合去噪和伪哈密顿量的变尺度Duffing振子来检测微弱周期信号的方法，该方法包括对高频工程信号进行频率/时间尺度变换，使其转换为固定角频率1rad/s的信号，从而方便了设置系统相变阈值；搭建相关与小波阈值变换的联合去噪系统，极大程度改善了信噪比，避免了待测信号初始相位和噪声对检测结果的不利影响；构造Duffing系统伪哈密顿量实时地表征系统动力学行为，解决了定量判断系统状态时计算量大，效率低的难题。理论分析及仿真结果表明，较之传统做法，检测过程更方便快速，在实际应用中具有重大意义，因此具有很好的应用前景。【专利说明】
本专利技术涉及到信号处理领域，具体为一种利用自相关-小波阈值变换联合去噪和伪哈密顿量的变尺度DufTing振子来检测微弱周期信号的方法。
技术介绍
信号检测技术在工程领域中有极其广泛应用，如果有用信号幅度相对于噪声很微弱，或者有用信号自身幅度非常小，那么它就很容易被噪声淹没，对其检测会极为困难。传统微弱信号检测方法在检测信噪比极低信号时效果很差，而Duffing振子混沌系统由于具有对初值极端敏感、对噪声具有较好免疫力等优点，在检测微弱信号时表现出良好效果。作为一种新的微弱信号检测方法，混沌振子方法不是消除噪声，而是从噪声背景中提取信号，针对其独特性可将其应用到实际工程中，包括纳伏级微弱信号检测、地震信号检测、GPS信号捕获、转子早期故障诊断、齿轮早期疲劳裂纹检测、汽车飞轮壳检测、超声检漏、电网局部放电窄带干扰等方面。在混沌系统的策动力为不同的数值时，系统的运动状态在固定点、同宿轨道、分岔、混沌、临界周期、大尺度周期等各个状态之间转变。基于混沌理论进行信号检测的原理就是构造一个混沌系统，该系统只对特定信号敏感。设置该混沌系统参数使其处于临界运动状态，当外界出现系统所敏感的信号时，虽然信号很微弱，也会使系统的运动状态发生质变。这样，我们就可以根据系统状态的转变来检测出要检测的微弱信号。Duffing振子微弱周期信号检测方法只对低率参数信号比较敏感，并且系统临界阈值会随待测信号频率改变，利用混沌阵列方法检测不同频率信号(郭阳明，翟正军，姜红梅，等.基于互相关和混沌振子阵列的转子早期碰擦故障检测.航空动力学报，2008，23(12):2219-2223.)，这种方法需要较多杜芬振子组成的阵元，在宽频信号检测及实际工程中不易操作和实现。而且在实际工程应用中，待测信号大多是不同的高频信号。Duffing振子检测方法相比其它检测方法有最低检测下限，但当信噪比很低时，系统不稳定，检测率降低，如果能改善待测信号信噪比将提高DufTing振子的检测能力。采用自相关方法去噪(李健，周激流，孙涛，等.自相关级联混沌振子法实现随相弱正弦信号的检测.四川大学学报(工程科学版)，2010，1:035.)，故意失掉待测信号相位信息同时抑制了部分噪声，但检测信噪比门限并不理想。在判断有无信号时，相图和时序图的定性分析方法(李月，杨宝俊，石要武.色噪声背景下微弱正弦信号的混沌检测.物理学报，2003, 52(3):526-530.)有很强主观性，且当所能获得的数据量较小时，很容易产生误判(刘海波，吴德伟，戴传金，毛虎.基于DufTing振子的弱正弦信号检测方法研究.电子学报,2013, 41 (I): 8-12.)。利用 Duffing 振子的 Lyapunov 特性指数(Lyapunov CharacterExponent, LCE)定量判断系统状态时计算较复杂，实时性差，不符合工程应用要求。利用Floquet指数判别系统状态(杨红英，叶昊，王桂增，吕琢.Dufing振子的Lyapunov指数与Floquet指数研究.仪器仪表学报，2008:29(5): 927-932)，计算量有所减小，但其在临界状态的特征不明显且受噪声影响较大，这极大限制了 Duffing振子在工程领域的应用。因此迫切需要寻求能在低信噪比条件下快速判别有无高频工程信号的方法。鉴于此，本专利技术提出一种利用自相关-小波阈值变换联合去噪和伪哈密顿量的变尺度DufTing振子来检测微弱周期信号的方法。
技术实现思路
针对以上现有技术中的不足，本专利技术的目的在于提供一种降低检测复杂度；提高强噪声背景下待测信号信噪比；实时准确的定量判断检测系统输出状态，判断有无待测信号的子弱信号检测方法，本专利技术的技术方案如下:一种，其包括以下步骤:101、对待测高频工程信号经过二次采样，即将采样频率为fs的高频工程信号信号变换为二次采样频率为fs’的低频参数信号，其中低频参数信号X (t) =s (t)+n (t)，s(t)是周期信号，n(t)是均值为零的高斯白噪声；102、将步骤101中得到的低频参数信号x(t)=s(t)+n(t)通过自相关器得到输出信号的函数表达式为:【权利要求】1.一种基于联合去噪和伪哈密顿量的DufTing振子弱信号检测方法，其特征在于包括以下步骤: 101、对待测高频工程信号经过二次采样，即将采样频率为fs的高频工程信号信号变换为二次采样频率为fs’的低频参数信号，其中低频参数信号X (t) =s (t)+n (t)，s(t)是周期信号，n(t)是均值为零的高斯白噪声； 102、将步骤101中得到的低频参数信号X(t) =S (t)+n (t)通过自相关器得到输出信号的函数表达式为: 2.根据权利要求1所述的基于联合去噪和伪哈密顿量的DufTing振子弱信号检测方法，其特征在于:步骤103中得到信号x(t)’ ’采用信噪比改善因子SNIR衡量去噪效果，其计算式如下: SNIR=SNRtjut-SNRin式中=SNRin为输入信噪比，SNRout为输出信噪比。3.根据权利要求1所述的基于联合去噪和伪哈密顿量的DufTing振子弱信号检测方法，其特征在于:步骤104中检测系统驱动力临界阈值NI设为0.8257694，Duffing振子阻尼比设为k=0.5，系统初始状态4) = (0,0) 04.根据权利要求1所述的基于联合去噪和伪哈密顿量的DufTing振子弱信号检测方法，其特征在于:步骤105中伪哈密顿量门限阈值μ =0.35。【文档编号】G01H17/00GK103884421SQ201410110813【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日 【专利技术者】张刚, 王颖, 张天骐, 李波, 王源, 贺利芳 申请人:重庆邮电大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于联合去噪和伪哈密顿量的Duffing振子弱信号检测方法，其特征在于包括以下步骤：101、对待测高频工程信号经过二次采样，即将采样频率为fs的高频工程信号信号变换为二次采样频率为fs'的低频参数信号，其中低频参数信号x(t)=s(t)+n(t)，s(t)是周期信号，n(t)是均值为零的高斯白噪声；102、将步骤101中得到的低频参数信号x(t)=s(t)+n(t)通过自相关器得到输出信号的函数表达式为：Rxx(τ)=limT0→∞1T0∫-T0/2T0/2x(t)x(t-τ)dt=Rss(τ)+Rsn(τ)+Rns(τ)+Rnn(τ),]]>其中，T0为待测周期信号周期，τ为延迟时间，Rss(τ)和Rnn(τ)分别为周期信号与白噪声的自相关函数，Rsn(τ)为周期信号与白噪声的互相关函数，Rns(τ)为白噪声与周期信号的互相关函数，进行噪声抑制得到自相关信号x(t)'，所述自相关信号x(t)'中去掉了低频参数信号的相位信息；103、对步骤102中得到的自相关信号x(t)'进行小波阈值变换，去除自相关信号x(t)'中剩余的噪声得到信号x(t)''；104、将步骤103中去噪后得到的信号x(t)''输入Duffing振子检测系统，设置Duffing振子检测系统的初始状态参数，包括Duffing振子检测系统驱动力的临界阈值N1、Duffing振子阻尼比及系统初始状态位置；105、计算步骤104中输入Duffing振子检测系统的平均伪哈密顿量APH，用T表示其大小，其中，N为动力系统的时间序列长度，i为系统的第i个状态，xi，yi表示Duffing振子在系统的第i个状态下的相图位置，设定系统伪哈密顿量门限阈值为μ，当T≥μ时，则判断系统处于大周期状态，且有信号存在；若T<μ时，则判断信号处于混沌状态，且没有信号存在。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张刚，王颖，张天骐，李波，王源，贺利芳，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85