三值噪声下级联非饱和双稳随机共振的微弱信号检测制造技术

本发明专利技术请求保护一种三值噪声下级联非饱和双稳随机共振的微弱信号检测，属于信号处理领域。利用四阶龙格库塔方法，验证级联非饱和双稳系统克服了经典双稳系统的饱和特性。以信噪比增益为性能指标，探究经典双稳系统与级联非饱和双稳系统的输出信噪比增益随三值噪声参数的变化，结果表明，级联非饱和双稳系统抗噪性能优于经典双稳系统。将输入信号与级联非饱和双稳随机共振系统的输出信号进行对比，结果表明：级联双稳随机共振系统有波形滤波和整形的性能。输出信号在待测信号处的谱峰值远远高于输入信号谱峰值。且单级输出信噪比增益小于第二级输出信噪比增益。本方法对于微弱信号的检测具有重要的研究意义与良好发展前景。

【技术实现步骤摘要】
三值噪声下级联非饱和双稳随机共振的微弱信号检测
本专利技术涉及微弱信号检测等相关领域，具体为三值噪声下级联非饱和双稳态随机共振的微弱信号检测方法，以输出信噪比增益为性能检测指标，对微弱周期信号进行检测。
技术介绍
微弱特征信号检测是研究如何从强噪声背景中把有用信号提取出来或非常微弱的信号检测出来的一种技术。微弱信号检测具有非常广泛的应用领域，涉及电子学、信息理论、非线性科学、信号处理及计算机技术等学科，这使得人们不断地探索研究的新方法与新理论。随机共振(StochasticResonance,SR)的概念最初是由Benzi等人在研究古气象冰川问题时提出。随机共振是指在一定噪声强度和外部信号激励的共同作用下，非线性系统的输出响应具有最大值的一种动力学现象。随机共振的出现改变了人们对于噪声的利用方式，在某些非线性系统中，噪声的增加不仅没有进一步恶化某些特定的频带范围内输出的特征信号，反而使得输出信噪比得到一定的改善，增强了信号的输出响应。应用随机共振原理检测强噪声信号中的微弱信号是一种具有实际应用价值的新技术，为微弱特征信号的增强检测开辟了一条新途径，在理论和应用上具有重要意义。随机共振在微弱信号检测中，当非线性系统、噪声与微弱外加驱动力三者之间的关系达到最佳协同作用时，噪声中的高频成分转移给低频信号，使得低频信号的能量得到增强，从而发生随机共振。但是大部分研究是在不同的输入信号与零均值、单位方差的高斯白噪声背景下进行研究。文献“级联双稳系统的随机共振特性”研究了白噪声下两个双稳系统级联的随机共振特性。级联双稳系统级数的增加，噪声能量聚集的低频区域会变窄，信号谱峰易被压缩和受到噪声干扰，因此并非级数越多微弱信号检测效果越好。文献“级联双稳Duffing系统的随机共振研究”研究了高斯白噪声下对级联双稳Duffing系统的参数进行调节实现比单级双稳Duffing系统更好的随机共振输出效果，并且对方波具有良好的滤波整形作用。相对于其它噪声而言，三值噪声更复杂，能更好的刻画自然界中的涨落波动。三值噪声包括双值噪声的所有情形，当平坦系数取值为3时为高斯色噪声，平坦系数取值为1时为对称双值噪声，三值噪声的平坦系数可以从1到无穷大的任何数，故范围更加广泛。经典双稳系统(ClassicalBistableSystemStochasticResonance,CBSR)由于其固有的输出饱和特性，限制了信号的增强与抗噪性能。文献“Faultdiagnosismethodandapplicationbasedonunsaturatedpiecewiselinearstochasticresonance”指出经典双稳系统的输出信噪比由于输出饱和性的存在而受到限制，并针对经典双稳系统的输出饱和性限制，提出分段线性双稳势函数，突破了经典双稳系统的饱和性，输出SNR得到增强。文献“StochasticResonanceinUnsaturatedPiecewiseNonlinearBistableSystemUnderMultiplicativeandAdditiveNoiseforBearingFaultDiagnosis”研究了加性与乘性噪声共同驱动下的新型双稳系统的非饱和特性。其大多数研究噪声选取过于理想。鉴于此，本专利技术提出对称三值噪声(一种非高斯噪声)下的级联非饱和双稳随机共振系统，将非饱和分段双稳系统级联结合三值噪声，对级联非饱和系统性能进行分析。分别分析了级联非饱和双稳系统的第一级及第二级的输出随输入振幅的关系，结果证明级联双稳第一级与第二级均克服了经典双稳系统的输出饱和特性，信号增强性能均提高。然后以输出信噪比增益为指标，分别分析了三值噪声参数与输出信噪比增益的关系，结果证明，级联非饱和双稳系统的第一级与第二级的抗噪性能均优于经典双稳系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于在已有的研究基础上，提出一种更好刻画实际自然界中真实涨落的三值噪声下，利用级联非饱和双稳随机共振模型，对低频弱信号进行检测。本专利技术所采用的技术方案是：将三值噪声加入到级联非饱和双稳随机共振系统，以级联的形式多次将噪声能量转移给信号，以实现对目标信号的检测。本专利技术选择两级级联系统进行分析与仿真。利用四阶龙格库塔法对系统进行数值求解，使得系统发生随机共振，实现对微弱信号的检测，分别研究了输出信号随输入信号幅值的变化以及三值噪声参数与输出信噪比增益的关系，并对比了经典双稳系统与本专利技术的级联非饱和双稳随机共振的两级输出的时域和频域波形。在随机共振测度指标中，信噪比占有重要的地位，信噪比是噪声强度的非单调函数，并且在一定噪声强度时出现一个峰值。信噪比增益则更能刻画系统对输入信号的增强性能。本专利技术选择信噪比增益作为衡量指标，对于检测出待检信号有重要意义。本专利技术采用级联非饱和双稳随机共振系统，在不理想的噪声——三值噪声环境下检测了微弱周期信号，本专利技术的检测结果值高于经典双稳系统，信号增强性能以及抗噪性能均优于经典双稳系统，从而提高了信号检测的灵活性。综上所述，本专利技术在实际应用中具有重大意义。附图说明图1本专利技术的对称三值噪声图；图2本专利技术的经典双稳系统(CBSR)与第一级输出和第二级输出振幅随输入振幅的变化曲线图；图3本专利技术的三值噪声参数q随输出信噪比增益(SNRI)的变化图；图4本专利技术的三值噪声参数a0随输出信噪比增益(SNRI)的变化图；图5本专利技术的三值噪声参数τcor随输出信噪比增益(SNRI)的变化图；图6本专利技术的加噪输入信号的时域和频谱图；图7本专利技术的经典双稳系统(CBSR)输出信号的时域和时域和频谱图；图8本专利技术的第一级输出信号的时域和频谱图；图9本专利技术的第二级输出信号的时域和频谱图；图10本专利技术的级联非饱和双稳系统对方波信号滤波整形作用图。具体实施方式以下结合附图和具体实例，对本专利技术的实施作进一步的描述。步骤一：论文提出一种新型的非饱和分段双稳系统，在三值噪声和周期信号的共同驱动下，其Langevin方程表示为：式(1)中，s（t)＝Acos(2πf0t)为输入信号，A为输入信号的幅度，f0为待检测信号频率，ξ(t)为对称三值噪声，取值分别为a0,0,-a0，各值发生的稳态概率密度分别为：Ps(a0)＝Ps(-a0)＝q,Ps(0)＝1-2q(2)ξ(t)＝a0，0，-a0三值之间的转移概率可表示为：其中t′,t代表不同时刻，0＜q≤1/2，v是三值噪声相关时间τcor的倒数。特别的，当q＝1/2时，噪声即为二值噪声。根据式(2)和(3)，三值噪声ξ(t)的均值和自相关函数可定义为：<ξ(t)>＝0(4)当s(t)＝0,ξ(t)＝0，U(x,y)为级联非饱和双稳系统的势函数，其表达式为:其中，参数a＞0、b＞0。由式(1)可得：式(7)表示的是由两个势阱和一个势垒组成的双稳系统。系统有两个相同的势本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三值噪声下级联非饱和双稳态随机共振的微弱信号检测，其特征在于，克服经典双稳随机共振系统的输出饱和特性，采用级联的方法增大输出信噪比。其步骤为：首先，利用四阶龙格库塔法算法，对输出信号幅值随输入信号幅值的变化，验证其饱和特性。然后，以输出信噪比增益为系统的衡量指标，探究三值噪声参数发生的随机共振现象，实现了对低频周期信号的检测。最后，对比级联非饱和双稳系统第一级与第二级的检测效果。/n

【技术特征摘要】
1.三值噪声下级联非饱和双稳态随机共振的微弱信号检测，其特征在于，克服经典双稳随机共振系统的输出饱和特性，采用级联的方法增大输出信噪比。其步骤为：首先，利用四阶龙格库塔法算法，对输出信号幅值随输入信号幅值的变化，验证其饱和特性。然后，以输出信噪比增益为系统的衡量指标，探究三值噪声参数发生的随机共振现象，实现了对低频周期信号的检测。最后，对比级联非饱和双稳系统第一级与第二级的检测效果。


2.根据权利要求1所述的三值噪声下级联非饱和双稳态随机共振的微弱信号检测，其特征在于，采用四阶龙格库塔算法，以信噪比增益作为衡量指标。


3.根据权利要求1所述的三值噪声下级联非饱和双稳态随机共振的微弱信号检测，其特征在于，取fs＝5Hz，采样...

【专利技术属性】
技术研发人员：张刚，王慧，刘小漫，曾玉洁，刘秋玲，朱星宇，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;50