專(zhuān)利名稱(chēng)：Duffing振子相案域分割檢測(cè)方法及檢測(cè)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混沌振子相圖的識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種分離信息的域分割檢測(cè)技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前，公知的用混沌振子檢測(cè)微弱信號(hào)的方法，均以分析混沌振子的相變狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即以觀測(cè)混沌振子是否呈現(xiàn)大尺度周期軌道現(xiàn)象(或間歇混沌現(xiàn)象)或混沌現(xiàn)象來(lái)判定待檢信號(hào)的有無(wú)。
至今為止，國(guó)內(nèi)外研究提出的主要方法有相圖分析法、李雅普諾夫指數(shù)法、Poincare截面法、功率譜法、非整數(shù)維分析法、Melnikov函數(shù)法等。
由于適合解析分析的混沌系統(tǒng)不多，故相圖分析法受到普遍的重視，這也源于它具有更好的普適性和簡(jiǎn)單直觀的優(yōu)點(diǎn)，特別是在辨別Duffing振子呈現(xiàn)的大尺度周期軌道現(xiàn)象或混沌現(xiàn)象時(shí)，它幾乎成為當(dāng)前一種不可或缺的分析手段。
但是，相圖分析法需憑肉眼觀察顯示在波形儀器上的混沌振子相軌跡圖進(jìn)行判斷，故存在識(shí)別效率不高的問(wèn)題，此外，對(duì)相圖模式隨時(shí)間快速切換的情況還存在無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題，因此，如何自動(dòng)識(shí)別混沌系統(tǒng)的相圖特征是當(dāng)前人們關(guān)切的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。
文獻(xiàn)《基于圖像識(shí)別理論的混沌特性判別方法》(李士林，尹成群，尚秋峰，戚銀城.基于圖像識(shí)別理論的混沌特性判別方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(10)47-50.)曾提出一種基于圖像識(shí)別理論的混沌特性判別方法，試圖解決上述問(wèn)題。但因它需要有較長(zhǎng)的相軌跡數(shù)據(jù)樣本來(lái)保證算法不發(fā)散和必須在獲得完整的相軌跡數(shù)據(jù)樣本后才能開(kāi)始解算，故存在無(wú)法實(shí)時(shí)提供處理信息的缺點(diǎn)。此外，從圖像拓?fù)涮卣饔?jì)算歐拉數(shù)仍較復(fù)雜，原理上也未跳出二維圖像處理的理論框架。因此，并未真正解決相圖分析法面臨的問(wèn)題，例如用于實(shí)時(shí)檢測(cè)通信信號(hào)時(shí)所面臨的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能把二維混沌振子相圖識(shí)別問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一維信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題的Duffing振子相案域分割檢測(cè)方法及檢測(cè)設(shè)備。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的1、一種Duffing振子相案域分割檢測(cè)方法1.1選擇一個(gè)歸一化方程具下列特征之一的典型Duffing振子d2ydt2+δdydt-y+y3=γcos(t)+x(t)]]>
或d2ydt2+δdydt-y3+[1+x(t)]y5=γsin(t)]]>1.2在典型Duffing振子前面插入一個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，在后面插入一個(gè)區(qū)域分割器；1.3輸入含噪待檢信號(hào)給模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；1.4以待檢信號(hào)的4～10分之一周期作為模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換周期和Duffing振子方程的解算步長(zhǎng)；1.5把經(jīng)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后數(shù)字化的含噪待檢信號(hào)作為擾動(dòng)量送入Duffing振子中，對(duì)Duffing振子采用四階龍格-庫(kù)塔算法解算，解算步長(zhǎng)與模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期相同，運(yùn)算結(jié)果以相軌跡橫、縱坐標(biāo)分量的形式實(shí)時(shí)地送給區(qū)域分割器；1.6區(qū)域分割器對(duì)域分界線內(nèi)是否包含了Duffing振子的相跡點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)判決，并以一維時(shí)間信號(hào)的形式給出判決結(jié)果并輸出攜帶待檢信號(hào)信息的檢出信號(hào)；2、一種Duffing振子相案域分割檢測(cè)設(shè)備，它包括差分放大單元U1、模-數(shù)轉(zhuǎn)換單元U2、后置配置單元U3、智能處理單元U4和時(shí)鐘源U5，差分放大單元U1電連接模-數(shù)轉(zhuǎn)換單元U2，模-數(shù)轉(zhuǎn)換單元U2、后置配置單元U3、和時(shí)鐘源U5電連接智能處理單元U4，智能處理單元U4和后置配置單元U3連接JTAG插座。
本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征1、所述的含噪待檢信號(hào)的幅值不超過(guò)±0.30～±0.40V；2、所述的區(qū)域分割器的區(qū)域分割線選取為方形或圓形；3、所述的區(qū)域分割線選取為方形區(qū)域，則區(qū)域分割器方程為y‾(t)=+1,|y1|<1,|y2|<1-1or0,|y1|≥1,|y2|≥1;]]>4、所述的區(qū)域分割線選取為圓形區(qū)域，則區(qū)域分割器方程為y‾(t)=+1,y12+y22<1-1or0,y12+y22≥1;]]>5、所述的智能處理單元U4為FPGA或SoPC芯片，F(xiàn)PGA芯片為20K系列40～200萬(wàn)門(mén)規(guī)模的芯片，SoPC芯片為StratixII系列2S30～2S90芯片。
本發(fā)明的關(guān)鍵特征是區(qū)域分割線可以采用方形或圓形。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是利用Duffing振子的相跡特點(diǎn)，把相圖劃分為兩個(gè)特殊區(qū)域，然后對(duì)落入不同區(qū)域的Duffing振子相跡點(diǎn)做一維映射。域分界線即為映射生成條件，可以取以2為邊的正方形，區(qū)域分割器方程為y‾(t)=+1,|y1|<1,|y2|<1-1or0,|y1|≥1,|y2|≥1]]>
也可以取半徑為1的圓形，區(qū)域分割器方程為y‾(t)=+1,y12+y22<1-1or0,y12+y22≥1]]>域劃分后，域分界線內(nèi)部對(duì)應(yīng)著混沌軌道，映射值取+1；域分界線外部對(duì)應(yīng)著大尺度周期軌道，映射值取-1或0。根據(jù)需要映射值還可以反轉(zhuǎn)選取。
結(jié)合圖1，本發(fā)明的具體工作過(guò)程和原理是第一步，幅值不超過(guò)±0.30V的含噪信號(hào)x(t)經(jīng)由模-數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換速率為待檢信號(hào)頻率的4～10倍；第二步，把數(shù)字化的x(t)作為擾動(dòng)量送入以四階龍格-庫(kù)塔算法進(jìn)行解算的Duffing振子中，送入方式由d2ydt2+δdydt-y+y3=γcos(t)+x(t)]]>或d2ydt2+δdydt-y3+[1+x(t)]y5=γsin(t)]]>確定，解算步長(zhǎng)與ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期相同，運(yùn)算結(jié)果以相軌跡橫、縱坐標(biāo)分量的形式實(shí)時(shí)地送給區(qū)域分割器；第三步，區(qū)域分割器對(duì)域分界線內(nèi)是否包含了Duffing振子的相跡點(diǎn)實(shí)時(shí)地進(jìn)行判決，并以一維時(shí)間信號(hào)的形式給出判決結(jié)果。
由于本發(fā)明可以快速準(zhǔn)確地給出直接反映Duffing振子大尺度周期軌道和混沌軌道信息的一維時(shí)域信號(hào)，因此，便能達(dá)到自動(dòng)識(shí)別混沌系統(tǒng)二維相圖特征的目的。
本發(fā)明的有益效果在于1.能夠徹底解決目前無(wú)法把相圖分析法直接用于檢測(cè)通信信號(hào)的問(wèn)題。現(xiàn)有的相圖分析法不適合檢測(cè)通信信號(hào)的原因是通信信號(hào)所攜帶的信息會(huì)使混沌振子的相案隨時(shí)間變化，這會(huì)使原本狀態(tài)不同的相圖隨時(shí)間的推移而重疊在一起，于是會(huì)給人為觀測(cè)或基于二維圖像處理理論識(shí)別相圖狀態(tài)增加難度并使實(shí)時(shí)處理困難，而本發(fā)明把混沌振子的二維相案快速直接地映射為一維時(shí)間信號(hào)，這就使后續(xù)信號(hào)處理變得更為簡(jiǎn)單和便利，因此特別適合用于檢測(cè)通信信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合。圖2-圖4可對(duì)上述效果提供進(jìn)一步地說(shuō)明。
圖2-圖4是本發(fā)明的主要波形關(guān)系圖，其中，s(t)為通信信號(hào)攜帶的信息；當(dāng)s(t)隨時(shí)間變化時(shí)，圖2和圖3將重疊。
2.從理論上給出了一種可實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)別Duffing振子二維相圖特征的新方案。本發(fā)明指出矩形線和圓形線可作為分割Duffing振子相圖的域分界線，這對(duì)構(gòu)建具體的區(qū)域分割器具有實(shí)際工程指導(dǎo)意義。


圖1是本發(fā)明硬件互連原理框圖；圖2是大尺度周期軌道波形關(guān)系圖3是混沌軌道波形關(guān)系圖；圖4是區(qū)域分割器的輸出信號(hào)波形關(guān)系圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例的電路原理圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例的電路圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的具體說(shuō)明結(jié)合圖1，本實(shí)施例的具體步驟為1.選擇一個(gè)歸一化方程具下列特征之一的典型Duffing振子d2ydt2+δdydt-y+y3=γcos(t)+x(t)]]>或d2ydt2+δdydt-y3+[1+x(t)]y5=γsin(t)]]>2.在典型Duffing振子前面插入一個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，在后面插入一個(gè)區(qū)域分割器。
3.輸入含噪待檢信號(hào)x(t)給模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，x(t)＝s(t)+n(t)為輸入的含噪待檢信號(hào)，s(t)為輸入信號(hào)，n(t)為噪聲信號(hào)；4.以待檢信號(hào)s(t)的4～10分之一周期作為模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換周期和Duffing振子方程的解算步長(zhǎng)；5.把經(jīng)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后數(shù)字化的含噪待檢信號(hào)x(t)作為擾動(dòng)量送入Duffing振子中，對(duì)Duffing振子采用四階龍格-庫(kù)塔算法解算，解算步長(zhǎng)與模-數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期相同，運(yùn)算結(jié)果以相軌跡橫、縱坐標(biāo)分量的形式實(shí)時(shí)地送給區(qū)域分割器；6.區(qū)域分割器對(duì)域分界線內(nèi)是否包含了Duffing振子的相跡點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)判決，并以一維時(shí)間信號(hào)的形式給出判決結(jié)果并輸出攜帶待檢信號(hào)s(t)信息的檢出信號(hào)s(t)。
本實(shí)施例采用的具體參數(shù)是1.含噪待檢信號(hào)x(t)為含噪通信信號(hào)，幅度峰-峰值不大于±0.35V。
2.模-數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為30MHz。
3.待檢通信信號(hào)載頻為3MHz，信息傳輸速率為25kHz，調(diào)制方式為BPSK。
4.Duffing振子模型為d2ydt2+δdydt-y+y3=γcos(t)+x(t).]]>5.Duffing振子解算采用四階龍格-庫(kù)塔法。
6.區(qū)域檢測(cè)器模型為y‾(t)=+1,|y1|<1|y2|<1-1,|y1|≥1|y2|≥1]]>7.輸出信號(hào)s(t)為具有TTL電平的數(shù)字信號(hào)。
結(jié)合圖5和圖6，本實(shí)施例檢測(cè)設(shè)備由差分放大單元U1、模-數(shù)轉(zhuǎn)換單元U2、后置配置單元U3、智能處理單元U4和時(shí)鐘源U5共同組成。
差分放大單元U1負(fù)責(zé)把輸入信號(hào)x(t)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)；模-數(shù)轉(zhuǎn)換單元U2負(fù)責(zé)把模擬信號(hào)x(t)轉(zhuǎn)換為14位的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由智能處理單元U4提供，頻率根據(jù)待檢信號(hào)確定；后置配置單元U3負(fù)責(zé)為智能處理單元U4提供后置配置，軟件下載使用JTAG方式；智能處理單元U4為FPGA或SoPC芯片，F(xiàn)PGA芯片可由20K系列40～200萬(wàn)門(mén)規(guī)模的芯片擔(dān)任，SoPC芯片可由StratixII系列2S30～2S90芯片擔(dān)任，智能處理單元U4負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)Duffing振子和區(qū)域檢測(cè)器模型，具體算法采用VHDL語(yǔ)言和μ/COSII嵌入式匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)；時(shí)鐘源U5負(fù)責(zé)為智能處理單元U4提供系統(tǒng)時(shí)鐘。
以上描述為本發(fā)明的一種實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案可以進(jìn)行相應(yīng)變化。
權(quán)利要求
1.一種Duffing振子相案域分割檢測(cè)方法，其特征在于1.1選擇一個(gè)歸一化方程具下列特征之一的典型Duffing振子d2ydt2+δdydt-y+y3=γcos(t)+x(t)]]>或d2ydt2+δdydt-y3+[1+x(t)]y5=γsin(t)]]>1.2在典型Duffing振子前面插入一個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，在后面插入一個(gè)區(qū)域分割器；1.3輸入含噪待檢信號(hào)給模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；1.4以待檢信號(hào)的4～10分之一周期作為模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換周期和Duffing振子方程的解算步長(zhǎng)；1.5把經(jīng)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后數(shù)字化的含噪信號(hào)作為擾動(dòng)量送入Duffing振子中，對(duì)Duffing振子采用四階龍格-庫(kù)塔算法解算，解算步長(zhǎng)與模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期相同，運(yùn)算結(jié)果以相軌跡橫、縱坐標(biāo)分量的形式實(shí)時(shí)地送給區(qū)域分割器；1.6區(qū)域分割器對(duì)域分界線內(nèi)是否包含了Duffing振子的相跡點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)判決，并以一維時(shí)間信號(hào)的形式給出判決結(jié)果并輸出攜帶待檢信號(hào)信息的檢出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Duffing振子相案域分割檢測(cè)方法，其特征在于所述的含噪待檢信號(hào)的幅值不超過(guò)±0.30～±0.40V。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Duffing振子相案域分割檢測(cè)方法，其特征在于所述的區(qū)域分割器的區(qū)域分割線選取為方形或圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的Duffing振子相案域分割檢測(cè)方法，其特征在于所述的區(qū)域分割線選取為方形區(qū)域，則區(qū)域分割器方程為y‾(t)=+1,|y1|<1,|y2|<1-1or0,|y1|≥1,|y2|≥1.]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的Duffing振子相案域分割檢測(cè)方法，其特征在于所述的區(qū)域分割線選取為圓形區(qū)域，則區(qū)域分割器方程為y‾(t)=+1,y12+y22<1-1or0,y12+y22≥1.]]>
6.一種Duffing振子相案域分割檢測(cè)設(shè)備，它包括差分放大單元U1、模-數(shù)轉(zhuǎn)換單元U2、后置配置單元U3、智能處理單元U4和時(shí)鐘源U5，差分放大單元U1電連接模-數(shù)轉(zhuǎn)換單元U2，模-數(shù)轉(zhuǎn)換單元U2、后置配置單元U3、和時(shí)鐘源U5電連接智能處理單元U4，智能處理單元U4和后置配置單元U3連接JTAG插座。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的Duffing振子相案域分割檢測(cè)設(shè)備，其特征在于所述的智能處理單元U4為FPGA或SoPC芯片，F(xiàn)PGA芯片為20K系列40～200萬(wàn)門(mén)規(guī)模的芯片，SoPC芯片為StratixII系列2S30～2S90芯片。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種Duffing振子相案域分割檢測(cè)方法。1.選擇一個(gè)典型Duffing振子歸一化方程；2.在典型Duffing振子前面插入一個(gè)模－數(shù)轉(zhuǎn)換器，在后面插入一個(gè)區(qū)域分割器；3.輸入含噪待檢信號(hào)給模－數(shù)轉(zhuǎn)換器；4.以待檢信號(hào)的4～10分之一周期作為模－數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換周期和Duffing振子方程的解算步長(zhǎng)；5.Duffing振子采用四階龍格－庫(kù)塔算法解算，運(yùn)算結(jié)果送給區(qū)域分割器；6.區(qū)域分割器判決，輸出攜帶待檢信號(hào)信息的檢出信號(hào)。本發(fā)明能把二維混沌振子相圖識(shí)別問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一維的信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題，可以徹底解決目前無(wú)法把相圖分析法直接用于檢測(cè)通信信號(hào)的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01R29/00GK101038304SQ20071007189
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者付永慶, 張 林, 吳冬梅, 趙武生 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)