随机共振的微弱特征信息恢复装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种随机共振的微弱特征信息恢复装置，该装置由传感器、双稳模拟电路、恢复模拟电路和滤波模块组成，传感器实测信号作为原始数据送入双稳模拟电路等装置。恢复模拟电路由３个模拟乘法器芯片搭建及直流电源和反馈放大器组成，第三个乘法器的输出端接到反馈放大器，对信号进行反馈输出。其原理是传感器实测到的信号被噪声完全淹没而不可分辨，通过随机共振、波形恢复、滤波等处理，使输入的原始弱信号的信噪比得到较大增强。本实用新型专利技术解决了强噪声中弱信号的精细检测问题，突破了以往低通滤波器对强噪声中弱信号的信息检测失真的局限性，可实现多周期、多频率、多成分的复杂微弱特征信息识别与信号还原等功能。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种利用随机共振技术在强噪声背景下对多周期任意波形进行恢 复的装置。
技术介绍
传统的低通滤波器在对一定噪声强度下的信号滤波后会使信号出现较大程度的失 真(如图1~5所示)，图1是原始标准正弦波，其幅值为0.2V，频率为100Hz;图2是 有效值为0.35V的白噪声；图3是图2强噪声叠加图l正弦波后的混合信号波形图；图 4为该混合信号经过500Hz低通滤波器后的信号图；图5为该混合信号经过1500Hz低 通滤波器后的信号图。由图1 5可看出，在一定噪声强度下的信号滤波后会出现较大 的失真，这将给较弱信号的提取带来极大的困难，所以目前在工程上需要研究一种能够 进行信号恢复的方法与装置。随机共振概念是1981年Benzi等人研究古气象冰川问题时提出的，从那之后，随 机共振以其在信号处理的增强放大、检测识别、传输还原等方面所特有的优势，」下在越 来越多的应用于多学科之中。近年来，随机共振技术在机械、电子、信息等工程领域也 引起广泛的关注，并开始广泛应用于故障诊断、图象处理、目标跟踪等工程方面，在信 号处理领域，随机共振主要用来研究微弱信息的检测、放大、传输、恢复等特性。对于 随机共振来说，其信号共振过程可以看作是在驱动力为单频正弦信号^(/) = J sin(2;^0和白噪声(0的作用下，一个粒子在方程^/00 = -1/20^2 +1/4&C4的双稳势阱内进行震 荡运动；而其信号恢复的过程可以看作是经过双稳方程t/(x)后的粒子在由 /2(x) = t/'0:)=-似+ 6x3决定的系统中运动的结果。两个过程系统分别称为双稳系统 i/(力和恢复系统力(力。从整体上看，共振和恢复过程实质上是粒子顺次经过双 稳系统f/(x)和恢复系统/K力的运动结果。因此，如何准确应用随机共振的共振和恢复原理从而不失真地恢复检测出混杂在一 定噪声中的原始信号，以得到真实的微弱信号，它对在强噪声背景下的信号检测具有极 强的实用价值。
技术实现思路
针对上述问题，本技术的目的是提供一种基于随机共振的微弱特征信息恢复装 置，为信号处理提供一种新的信息检测技术。以下结合附图对本技术的技术方案予以说明。基于随机共振的微弱特征信息恢 复装置包括传感器、双稳模拟电路、恢复模拟电路和滤波模块等。被检测的含噪原始弱 信号经传感器输入至双稳模拟电路，实现信号的随机共振提取，恢复模拟电路及其后续 的滤波模块完成对信号的恢复和低通滤波。传感器实测信号中的原始弱信号被噪声完全 淹没而不可分辨(如图11或图16或图21所示)，该实测信号作为原始采样数据送入双 稳模拟电路。双稳模拟电路的作用是对含噪信号进行随机共振。双稳模拟电路输出的信 号由恢复模拟电路进行信号恢复。恢复模拟电路主要由三个乘法器芯片、放大器以及直 流电源组成(图8)。恢复模拟电路的作用是将已经产生随机共振现象的信号进行去噪恢 复，其电路结构是第一个乘法器的两个输入端分别与双稳模拟电路的输出端相连；第二个乘法器的一个输入端与第一个乘法器的输出端相连，另一个输入端也与双稳模拟电路的输出端相连；第三个乘法器的一个输入端仍与双稳模拟电路的输出端相连，另--个 与直流电源相连。第二个乘法器与第三个乘法器的输出端同时接到反馈放大器，并由反 馈放大器对第二个乘法器与第三个乘法器的输出端输出的信号进行反馈输出。此种连接方式完成如前所述恢复装置中/ (力的-^+&3连接，并对已经产生随机共振现象的信号进行恢复，随后恢复模拟电路的输出信号输入滤波模块进行低通滤波，最终得出 混杂在噪声中的原始弱信号(如图13或图18或图23所示)。同时可以看出图13、图 18和图23分别与图9、图24和图19波形基本一样，说明滤波效果非常好。传感器实测的信号是含噪的振动信号、力信号等，经双稳模拟电路进行随机共振后， 信号进入双稳状态，之后信号进入恢复模拟电路，经恢复模拟电路的3个乘法器共同作 用输出后，再经滤波模块低通滤波输出得到纯净的信号。附图说明图1是原始标准正弦波图形。 图2是有效值为0.35V的白噪声。图3是图2强噪声叠加图1正弦波后的混合信号波形图。 图4是混合信号经过500Hz低通滤波器后的信号图。 图5是混合信号经过1500Hz低通滤波器后的信号图。 图6为本技术的连接原理图。 图7为双稳模拟电路原理图。图8为恢复模拟电路原理图。图9为原始正弦信号波形曲线图。图中横坐标为时间轴，其刻度为10ms;纵坐 标为电压值，其刻度为200mV。正弦波幅值为0.2V，周期为O.Ols。图IO为原始强噪声的波形图。图中横坐标为时间轴，其刻度为10ms;纵坐标为 电压值，其刻度为500mV。噪声强度有效值0.35V。图11为图10强噪声叠加图9正弦波后的波形图。图中横坐标为时间轴，其刻度 为10ms;纵坐标为电压值，其刻度为500mV。图12为经过本技术恢复输出的正弦信号波形曲线图。图中横坐标为时间轴， 其刻度为10ms;纵坐标为电压值，其刻度为500mV。图13为图12经过滤波后输出的正弦波波形曲线图。图中横坐标为时间轴，其刻 度为10ms;纵坐标为电压值，其刻度为200mV。图14为原始调频信号波形曲线图。图中横坐标为时间轴，其刻度为10ms;纵坐 标为电压值，其刻度为200mV。图15为原始强噪声的波形图。图中横坐标为时间轴，其刻度为10ms;纵坐标为 电压值，其刻度为500mV。噪声强度有效值0.35V。图16为图15强噪声叠加图H调频波后的波形图。图中横坐标为时间轴，其刻 度为10ms;纵坐标为电压值，其刻度为500mV。图17为经过本技术恢复输出的调频波形曲线图。图中横坐标为时间轴，其 刻度为10ms;纵坐标为电压值，其刻度为500mV。图18为图17经过滤波后输出的调频波形曲线图。图中横坐标为时间轴，其刻度 为10ms;纵坐标为电压值，其刻度为200mV。图19为原始调幅信号波形曲线图。图中横坐标为时间轴，其刻度为10ms;纵坐 标为电压值，其刻度为200mV。图20为原始强噪声的波形图。图中横坐标为时间轴，其刻度为10ms;纵坐标为 电压值，其刻度为500mV。噪声强度有效值0.35V。图21为图20强噪声叠加图19调幅波后的波形图。图中横坐标为时间轴，其刻 度为10ms;纵坐标为电压值，其刻度为500mV。图22为经过本技术恢复输出的调幅波波形曲线图。图中横坐标为时间轴， 其刻度为10ms;纵坐标为电压值，其刻度为500mV。图23为图22经过滤波后输出的调幅波波形曲线图。图中横坐标为时间轴，其刻度为10ms;纵坐标为电压值，其刻度为200mV。具体实施方式以下结合附图并通过实施例对本技术的技术方案做进一歩的说明。 本技术器件的连接方案为由传感器1、双稳模拟电路2、恢复模拟电路3、 滤波模块4按所述顺序串联连接(如图6所示)。双稳模拟电路2由运算放大器、乘法 器等所组成的模拟电路来实现(如图7所示)，其中s(O是双稳系统的输入，x(O是双稳 系统的输出。恢复模拟电路3可由模拟乘法器、反馈放大器等所组成的模拟电路来实现 (如图8所示)，其电路连接为第一个乘法器5-1的两个输入端分别与双稳模拟电路2 的输出端相连；第二个乘法器5-2的一个输本文档来自技高网...

【技术保护点】
随机共振的微弱特征信息恢复装置，具有传感器（１）、双稳模拟电路（２）、恢复模拟电路（３）和滤波模块（４），其特征在于由传感器（１）、双稳模拟电路（２）、恢复模拟电路（３）和滤波模块（４）按所述顺序串联连接，由传感器（１）实测的信号作为原始数据依次送入双稳模拟电路（２）、恢复模拟电路（３）和滤波模块（４），由滤波模块（４）得出待提取具有实用价值的原始弱信号，恢复模拟电路（３）由３个模拟乘法器芯片及直流电源（６）和反馈放大器（７）组成，第一个乘法器（５－１）芯片的两个输入端与双稳模拟电路（２）的输出端相连；第二个乘法器（５－２）芯片的一个输入端与第一个乘法器５－１的输出端相连，另一个输入端接于双稳模拟电路（２）的输出端；第三个乘法器（５－３）芯片的一个输入端与双稳模拟电路（２）的输出端相连，另一个输入端与直流电源（６）相连，第二个乘法器（５－２）与第三个乘法器（５－３）的输出端同时接到反馈放大器（７），由反馈放大器（７）进行反馈输出。

【技术特征摘要】
1.随机共振的微弱特征信息恢复装置，具有传感器(1)、双稳模拟电路(2)、恢复模拟电路(3)和滤波模块(4)，其特征在于由传感器(1)、双稳模拟电路(2)、恢复模拟电路(3)和滤波模块(4)按所述顺序串联连接，由传感器(1)实测的信号作为原始数据依次送入双稳模拟电路(2)、恢复模拟电路(3)和滤波模块(4)，由滤波模块(4)得出待提取具有实用价值的原始弱信号，恢复模拟电路(3)由3个模拟乘法器芯片及直流电源(6)和反馈放大器(7)组成，第一个乘法器(5-1)芯片的两个输入端与双稳模拟电路(2)的输出端相连；第二个乘法器(5-2)芯片的一个输入端与第一...

【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：实用新型
国别省市：12[中国|天津]