级联程控频率随机共振方波检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于信息检测的级联程控频率随机共振方波检测系统。该系统由ｎ个单级程控频率随机共振系统依次串联相接构成，每级程控频率随机共振系统都是由相对应的频率变距模块、双稳模拟电路信号判断模块和频率复距模块组成。由传感器实测原始数据先依次输入至第一级程控频率随机共振系统、频率变距模块、双稳电路和信号判断模块。根据信号判断模块中的波形判断条件，或者输入至第一个频率复距模块，到达监视器７终止；或者继续输入至第二级程控频率随机共振系统中的频率变距模块、双稳电路、信号判断模块，……，依次类推。直至来自于实测的数据信号经第ｎ级程控频率随机共振系统后进入第ｎ个频率复距模块输出至监视器终止。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于检测技术与信号处理，具体涉及利用级联程控频率随机共振技术对方波 信号进行检测的技术。
技术介绍
双稳系统是指具有两个不同稳定状态的系统，系统处于哪一个稳定状态由其初始条 件来决定。双稳系统的随机共振技术起源于上世纪八十年代初，在信号处理的增强放大、 检测识别、传输还原等方面有着独特的优势，已普遍应用于多学科中。近年来随机共振 技术广泛应用于故障诊断、图象处理、目标跟踪等工程方面。在小参数条件下通过输入信号、噪声和双稳系统三者协调作用可以产生随机共振现 象。其原因在于双稳系统改变了均匀分布的白噪声频谱结构，使得大部分噪声能量集中 于低频区域，形成罗伦兹(Lorentz)分布的响应谱特征。当输入信号的频率位于噪声 能量集中的低频区域，就会使输入信号被适量的噪声选择而产生随机共振现象。 一旦输 入信号的频率离开噪声能量集中的低频区域，那么随机共振现象会迅速弱化消失，而增 大噪声强度虽然可以扩展低频能量区域，但这种扩展不仅非常有限，而且很难重新选择 到信号使之达到随机共振。因此相对而言，随机共振对输入信号的频率更敏感一些。由 于随机共振理论研究的是小参数信号，即信号的幅度和频率以及噪声的强度都是小参 数，因此当面对大强度的噪声或大频率的信号时，特别是含有多个频率成分的大频率信 号，小参数的随机共振理论将失效而无法使用。因此，如何利用随机共振技术不失真地 检测出大频率、多成分的弱方波(以下简称方波，不是指非周期方波)信号，并能将此 信号进行后续分析应用是攻破此项技术的难点所在，也对在强噪声背景下的方波信号检 测分析具有很强的实用价值。因此，如何利用随机共振技术不失真地检测出大频率、多成分的弱方波信号，并能 将此信号进行后续分析应用是攻破此项技术的难点所在，也对在强噪声背景下的方波信 号检测分析具有很强的实用价值和指导意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是将级联双稳系统和程控频率随机共振技术相结合， 为弱方波信号检测提供-种级联程控频率随机共振方波检测系统。以下结合附图对本专利技术的技术结构进行说明。级联程控频率随机共振方波检测系 统，具有程控频率随机共振系统、传感器和监视器等。具体的技术方案是程控频率随机共振系统是由n个单级程控频率随机共振系统1-1、卜2、…、1-n依次串联相接构成， 每级程控频率随机共振系统卜l、 1-2、…、1-n，都是由相对应的n个频率变距模块2-1、 2-2、、 2-n中的一个、n个双稳模拟电路3-l、 3-2、…、3-n中的一个、n个信号判 断模块4-l、 4-2、…、4-n中的一个和n个频率复距模块5-1、 5-2、…、5-n中的一个 组成。由传感器6实测原始数据先依次输入至第一级程控频率随机共振系统1-1、第一 个频率变距模块2-l、第一个双稳电路3-l和第一个信号判断模块4-l，根据信号判断模 块4-l中的波形判断条件，或者输入至第一个频率复距模块5-l，到达监视器7终止； 或者继续输入至第二级程控频率随机共振系统1-2中的第二个频率变距模块2-2、第二 个双稳电路3-2、第二个信号判断模块4-2，…，依次类推，直至来自于实测的数据信号 经第n级程控频率随机共振系统l-n后进入第n个频率复距模块5-n输出至监视器7终 止(如图l)。其中n个频率变距模块2-1、 2-2、…、2-n，每个频率变距模块均是由参 考分频器8、相位比较器9、环路滤波器10和压控振荡器11依次串接而成；手动N分 频器12作为反馈元件设置在相位比较器9和压控振荡器11之间(如图3)。 n个频率复 距模块5-l、 5-2、、 5-n，每个频率复距模块均是由阶跃管脉冲发生器电路13、可调 谐振网络14和带通滤波器15依次串接构成(如图4)。手动N分频器12的N值大于等 于32。具体工作过程是被检测的原始弱方波信号经传感器6输入至程控频率随机共振系 统的第一级l-l以及第一个频率变距模块2-l，实现特征信号的第一次提取。第一个频 率变距模块2-1对传感器6输入的数据进行频率变距，再经第一个双稳电路3-1产生随 机共振信号。每一级或每一个信号判断模块均存有波形判断条件，判断的条件是"残余 噪声幅度与整体信号有效平均幅度的比小于预先设定的要求精度值"。首先由第一个信 号判断模块4-l对第一次提取的特征信号进行判断，决定是否将第一级随机共振波形输 入至第二级程控频率随机共振系统1-2。如果随机共振信号不满足信号判断模块4-1的 波形判断条件，则将第一级程控频率随机共振系统1-1的信号由信号判断模块4-1控制 接通一级与二级之间的通道后，直接串接到第二级程控频率随机共振系统1-2，进行第二级的信号随机共振，这样依次类推，直至实现最佳随机共振状态，将淹没在强噪声背 景的弱方波信号充分提取显示出来。信号判断模块决定了程控频率随机共振系统1的最 佳级数w。每一级程控频率随机共振系统(图l中的虚框部分)的前端均串接一个频率变距模块，对传感器信号或上一级系统传来的信号进行频率变距，以使双稳模拟电路产 生随机共振。每一级程控频率随机共振系统的后端均串接一个频率复距模块，根据信号 判断模块对随机共振输出信号进行恢复，完成特征方波信号的复原检测。最佳随机共振 状态的信号可以直接被监视器7显示或被其他分析装置进行利用，以便实现最终的精细 分析和进一步的信号处理。双稳模拟电路3-l、 3-2、…、3-n，每一个都是由运算放大器所组成的模拟电路来 实现(如图2)，其中s(/)是双稳系统的输入，x(O是双稳系统的输出，该模拟电路包括 积分器、反向器、乘法器、电阻分压器以及电容和电阻。频率变距模块2-l、 2-2、…、 2-n和频率复距模块5-l、 5-2、…、5-n，每个也都是根据图3和4所示的原理框图所 制作的电路模块。附图说明图1为本专利技术各部件连接的逻辑原理框图。 图2为双稳模拟电路图。 图3为频率变距模块电路框图。 图4为频率复距模块电路框图。图5为原始周期方波曲线图。图中横坐标为时间轴，其刻度为2ms;纵坐标为电 压值，其刻度为100mV。图6为原始强噪声波形曲线图(噪声强度有效值0.67V)。图中横坐标为时间轴， 其刻度为2ms;纵坐标为电压值，其刻度为500mV图7为原始周期方波叠加噪声的曲线图。图中横坐标为时间轴，其刻度为2ms;纵 坐标为电压值，其刻度为500mV图8为第一级程控频率随机共振系统输出随机共振波形曲线图。图中横坐标为时 间轴，其刻度为2ms;纵坐标为电压值，其刻度为5V图9为第二级程控频率随机共振系统输出随机共振波形曲线图。图中横坐标为时 间轴，其刻度为2ms;纵坐标为电压值，其刻度为10mV具体实施例方式以下通过实施例对本专利技术的技术原理做进一步的解释。传感器6实测信号中的特征 方波信号被噪声完全淹没而不可分辨(如图7所示)，此实测信号作为原始采样数据送 入程控频率随机共振系统中的第一级l-l以及相应的第一个频率变距模块2-l。经频率 变距模块中的手动iV分频器12根据频率增量递减原则(即第一次以1/2倍的频率增量，以后逐级以1/2"递减，其中w为iV分频器的阶数)对压控振荡器11的输出信号进行分 频，分频之后返回到相位比较器9输入端与参考分频器8进行比较，直到分频后信号和 参考信号相本文档来自技高网...

【技术保护点】
级联程控频率随机共振方波检测系统，具有程控频率随机共振系统、传感器和监视器，其特征在于程控频率随机共振系统是由ｎ个单级程控频率随机共振系统（１－１、１－２、…、１－ｎ）依次串联相接构成，每级程控频率随机共振系统（１－１、１－２、…、１－ｎ），都是由相对应的ｎ个频率变距模块（２－１、２－２、…、２－ｎ）中的一个、ｎ个双稳模拟电路（３－１、３－２、…、３－ｎ）中的一个、ｎ个信号判断模块（４－１、４－２、…、４－ｎ）中的一个和ｎ个频率复距模块（５－１、５－２、…、５－ｎ）中的一个组成，由传感器（６）实测原始数据先依次输入至第一级程控频率随机共振系统（１－１）、第一个频率变距模块（２－１）、第一个双稳电路（３－１）和第一个信号判断模块（４－１），根据信号判断模块（４－１）中的波形判断条件，或者输入至第一个频率复距模块（５－１），到达监视器７终止；或者继续输入至第二级程控频率随机共振系统（１－２）中的第二个频率变距模块（２－２）、第二个双稳电路（３－２）、第二个信号判断模块（４－２），…，依次类推，直至来自于实测的数据信号经第ｎ级程控频率随机共振系统（１－ｎ）后进入第ｎ个频率复距模块（５－ｎ）输出至监视器（７）终止。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冷永刚，邓辉，张莹，郭焱，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]