基于插值的隨機(jī)共振高頻弱信號(hào)檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低采樣率下基于插值的隨機(jī)共振高頻弱信號(hào)檢測(cè)方法，屬于信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域。其特征在于包括以下步驟：1）使用低采樣率對(duì)高頻待測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣；2）對(duì)采集得到的樣本信號(hào)進(jìn)行插值預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)采樣率的提升；3）將經(jīng)過(guò)插值處理后的信號(hào)送入?yún)?shù)歸一化單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)中，增強(qiáng)弱信號(hào)，達(dá)到檢測(cè)的目的。與現(xiàn)有的大參數(shù)隨機(jī)共振要求采樣率為信號(hào)頻率的50倍相比較，本發(fā)明可將采樣率降至信號(hào)頻率的6-10倍，極大降低了采樣電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，節(jié)省了硬件開銷，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，更易于實(shí)現(xiàn)。且單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)的使用，更利于參數(shù)的調(diào)節(jié)，易于隨機(jī)共振的實(shí)現(xiàn)。
【專利說(shuō)明】基于插值的隨機(jī)共振高頻弱信號(hào)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在低采樣率和低信噪比下的弱信號(hào)檢測(cè)方法，屬于信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨機(jī)共振是在強(qiáng)噪聲背景下，使弱信號(hào)和噪聲在非線性系統(tǒng)中產(chǎn)生共振現(xiàn)象，達(dá)到增強(qiáng)信號(hào)的效果，即使噪聲的能量往信號(hào)轉(zhuǎn)移?；陔S機(jī)共振的信號(hào)檢測(cè)與傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方法原理不同，傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方法是通過(guò)壓制噪聲來(lái)凸顯信號(hào)，但是在壓制噪聲的同時(shí)，信號(hào)也會(huì)被削弱，因此信噪比會(huì)減小；基于隨機(jī)共振的信號(hào)檢測(cè)是利用噪聲，通過(guò)將噪聲和信號(hào)送入非線性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噪聲和信號(hào)的共振，讓噪聲的能量向信號(hào)轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增強(qiáng)，提高信噪比。
[0003]傳統(tǒng)的隨機(jī)共振弱信號(hào)檢測(cè)多用于低頻微弱小信號(hào)，而在實(shí)際應(yīng)用中，待測(cè)信號(hào)多為高頻信號(hào)。近年來(lái)基于隨機(jī)共振的高頻信號(hào)檢測(cè)受到人們的廣泛關(guān)注。目前常用的大信號(hào)隨機(jī)共振弱信號(hào)檢測(cè)方法可分為頻移算法、參數(shù)調(diào)節(jié)算法和二次采樣算法。頻移算法是通過(guò)頻譜搬移技術(shù)將高頻信號(hào)搬至低頻后，再利用傳統(tǒng)隨機(jī)共振實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)；二次采樣算法針對(duì)周期信號(hào)，采用二次采樣技術(shù)，用較低的采樣頻率進(jìn)行采樣，通過(guò)二次采樣率與采樣率的比例換算確定待測(cè)信號(hào)頻率，達(dá)到檢測(cè)的效果；參數(shù)調(diào)節(jié)算法是通過(guò)等價(jià)代換，將低頻信號(hào)的小參數(shù)與高頻信號(hào)的大參數(shù)相對(duì)照，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振達(dá)到檢測(cè)目的。
[0004]現(xiàn)有的基于隨機(jī)共振高頻弱信號(hào)檢測(cè)方法多采用雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)，雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)有兩個(gè)可調(diào)節(jié)的參數(shù)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振，增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。且頻移算法、和參數(shù)調(diào)節(jié)算法均要求采樣頻率為待測(cè)信號(hào)頻率50倍以上的過(guò)采樣，使得利用隨機(jī)共振用于高頻信號(hào)檢測(cè)的采樣難度增加，采樣電路的設(shè)計(jì)難度增大，硬件成本增大，這對(duì)隨機(jī)共振用于高頻弱信號(hào)檢測(cè)造成了極大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)低采樣率低信噪比下高頻信號(hào)的檢測(cè)，提出了一種基于插值的單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振信號(hào)檢測(cè)方法。為滿足隨機(jī)共振高采樣率的要求，首先將低采樣率下得到的樣本信號(hào)進(jìn)行插值處理實(shí)現(xiàn)采樣率的提升；然后將插值后的信號(hào)送入?yún)?shù)歸一化單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)，對(duì)大參數(shù)弱信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，達(dá)到檢測(cè)的目的。與現(xiàn)有的隨機(jī)共振方法相比較本發(fā)明滿足隨機(jī)共振條件的同時(shí)，不僅降低了高頻信號(hào)的采樣率，實(shí)現(xiàn)高頻弱信號(hào)檢測(cè)的目的，而且參數(shù)歸一化單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)的使用，使系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)更加容易。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)一下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:低采樣率下基于插值的單穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)弱信號(hào)檢測(cè)算法，其特征在于以下3個(gè)大步驟:I)采用低速率對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣；2)對(duì)低采樣率下采集得到的信號(hào)進(jìn)行插值處理；3)將插值后的信號(hào)送入?yún)?shù)歸一化單穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振，達(dá)到檢測(cè)的目的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0007]圖1是本發(fā)明基于插值的隨機(jī)共振高頻弱信號(hào)檢測(cè)方法的系統(tǒng)原理圖 圖2是離散信號(hào)插值示意圖
圖3是頻率為A =勝，采樣率為J:' 二 6/0, miM.A=0.3的正弦信號(hào)的時(shí)域波形 圖4是頻率為/D =Vdiz，采樣率為^ = 6/0,幅值』=(O的正弦信號(hào)的頻譜 圖5是圖3的信號(hào)疊加噪聲且信噪比為-2(M5的系統(tǒng)輸入信號(hào)時(shí)域波形 圖6是圖3的信號(hào)疊加噪聲且信噪比為-2(M5的系統(tǒng)輸入信號(hào)頻譜 圖7是圖5的信號(hào)直接送入?yún)?shù)歸一化單穩(wěn)系統(tǒng)輸出的頻域波形 圖8是圖5的信號(hào)送入插值單穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻譜，插入因子/=H (插入16點(diǎn))。
【具體實(shí)施方式】
[0008]1.基于插值的采樣率提升原理
內(nèi)插與抽取是信號(hào)處理中采樣率轉(zhuǎn)換常用的兩種方式，離散信號(hào)可通過(guò)插值(內(nèi)插)來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣率的提升。對(duì)Nyquist采樣率下采樣得到的離散樣本信號(hào)，每?jī)蓚€(gè)樣本值間，采用
線性(非線性)插值方法等間隔地插入J-1個(gè)值,形成一個(gè)升采樣序列= s(nTx),參照?qǐng)D2。其中是離散樣本信號(hào)，?； =TJI是插值器輸出升序列信號(hào)&(?)的采樣周期，丁'是輸入信號(hào)的采樣周期。插值器使得原信號(hào)的頻譜沿?軸進(jìn)行/倍壓縮，即插值后的信號(hào)頻譜是原信號(hào)頻譜的I// , 因此待測(cè)信號(hào)的頻率應(yīng)等于插值的信號(hào)通過(guò)隨機(jī)共振系統(tǒng)
后，輸出信號(hào)的峰值頻率與插入因子< 的乘積。
[0009]2.參數(shù)歸一化單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)興振系統(tǒng) 2-1)單穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)
Langevin方程是雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振的系統(tǒng)方程，常用其來(lái)描述雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振，Langevin方程的表達(dá)式為:
【權(quán)利要求】
1.根據(jù)采樣率轉(zhuǎn)換原理，對(duì)樣本信號(hào)進(jìn)行采樣率的提升 采樣得到的樣本信號(hào)是離散序列，對(duì)離散序列進(jìn)行插值可達(dá)到信號(hào)采樣率提升的目的；對(duì)采樣得到的樣本序列，兩樣本值間，采用線性/非線性方法等間隔插入個(gè)值，可形成一個(gè)升采樣序列，；Φ)是離散的樣本值，A 是插值器輸出的升序列信號(hào)的采樣周期，Ts是輸入樣本信號(hào)<_的采樣周期；插值使得輸入信號(hào)的頻譜沿Φ軸進(jìn)行/倍壓縮，插值器輸出的信號(hào)頻譜是輸入信號(hào)頻譜的I//倍，因此待測(cè)信號(hào)的頻率/ = I' *1，即待測(cè)信號(hào)的頻率等于輸出信號(hào)的峰值頻率/’與插入因子J的乘積。
2.根據(jù)隨機(jī)共振理論，確定單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)模型 Langevin方程是雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振的系統(tǒng)方程，常用其來(lái)描述雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振，Langevin方程的表達(dá)式為:
3.利用參數(shù)歸一化進(jìn)行尺度變換 z = M 將單穩(wěn)模型變換為歸一化形式:
4.將權(quán)利要求1中插值器輸出的待測(cè)弱信號(hào)送入權(quán)利要求3的參數(shù)歸一化單穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)使輸入混合信號(hào)產(chǎn)生隨機(jī)共振，系統(tǒng)輸出即為增強(qiáng)的弱周期信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。
【文檔編號(hào)】G01R23/02GK103969505SQ201410187783
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】李智, 李健, 劉志芳 申請(qǐng)人:四川大學(xué)