一種利用單穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振效應(yīng)檢測(cè)微弱信號(hào)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于低信噪比條件下微弱信號(hào)的檢測(cè)方法，特別涉及一種利用單穩(wěn)系統(tǒng)隨 機(jī)共振效應(yīng)檢測(cè)微弱信號(hào)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微弱信號(hào)檢測(cè)的首要任務(wù)是提高信噪比，以便從強(qiáng)噪聲中檢測(cè)出有用的微弱信 號(hào)。由于微弱信號(hào)的檢測(cè)能提高測(cè)量靈敏度和可檢測(cè)下限，因此在物理、化學(xué)、生物以及許 多工程技術(shù)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。常采用的微弱信號(hào)檢測(cè)方法都是抑制噪聲來(lái)提取微弱 信號(hào)，在強(qiáng)噪聲背景和信號(hào)的頻率非常低的情況下，顯得無(wú)能為力。
[0003]當(dāng)系統(tǒng)的非線(xiàn)性、輸入信號(hào)與噪聲三者之間存在某種匹配時(shí)，系統(tǒng)輸出信噪比最 優(yōu)，這種非線(xiàn)性現(xiàn)象即隨機(jī)共振。隨機(jī)共振的概念是由意大利物理學(xué)家RobertoBenzi、美 國(guó)物理學(xué)家AlfonsoSutera和意大利物理學(xué)家AngeloVulpoiani等人1981年在研究古 氣象冰川問(wèn)題時(shí)提出的。當(dāng)有噪聲的系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)共振時(shí)，部分噪聲能量會(huì)轉(zhuǎn)化為有用信 號(hào)的能量，從而使系統(tǒng)輸出信噪比大大提高，即給特定系統(tǒng)加入一定強(qiáng)度的噪聲，不但不 會(huì)阻礙反而會(huì)提高信號(hào)檢測(cè)的性能。
[0004]目前基于隨機(jī)共振檢測(cè)信號(hào)模型通常為雙穩(wěn)系統(tǒng)或分段線(xiàn)性系統(tǒng)模型。其中，
應(yīng)用雙穩(wěn)模型檢測(cè)信號(hào)時(shí)模型參數(shù)與系統(tǒng)特性有關(guān)，改變系統(tǒng)參數(shù)則系統(tǒng)特性會(huì)隨著 改變，需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)a、b兩個(gè)參數(shù)；而分段線(xiàn)性系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)a、b、C三個(gè)參數(shù)，構(gòu)建模型復(fù) 雜，不利于工程應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種利用單穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振效應(yīng)檢測(cè)微弱信號(hào)的 方法，所述方法包括以下步驟：
[0006] 步驟二：選擇固定系統(tǒng)參數(shù)b或者乘性高斯分布白噪聲遞_中的一個(gè)，調(diào)節(jié)另一 個(gè)，直到系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比達(dá)到最大； 步驟三：固定上一步中被調(diào)節(jié)的對(duì)象最后的取值，調(diào)節(jié)另一個(gè)，直到系統(tǒng)輸出信號(hào)的信 噪比達(dá)到最大。
[0007] 步驟四：返回執(zhí)行步驟三，直到系統(tǒng)輸出信噪比不再增大為止。
[0008] 進(jìn)一步的，系統(tǒng)輸出信號(hào)_!進(jìn)行傅里葉變換（FFT)后計(jì)算信噪比。
[0009] 進(jìn)一步的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)4調(diào)節(jié)范圍為（0, 5)。
[0010] 進(jìn)一步的，乘性高斯分布白噪聲Ig強(qiáng)度D的調(diào)節(jié)范圍為（0, 1)。
[0011] 本發(fā)明的有益效果為： 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有雙穩(wěn)隨機(jī)共振和分段線(xiàn)性隨機(jī)共振檢測(cè)微弱信號(hào)需要調(diào)節(jié)參數(shù)較多， 不利于工程適用的不足，提供一種基于單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振的微弱周期信號(hào)檢測(cè)方法，該方法 基于隨機(jī)共振理論，利用噪聲，而非抑制噪聲，通過(guò)多次調(diào)節(jié)一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)和注入系統(tǒng)的噪 聲強(qiáng)度，使系統(tǒng)輸出信噪比最佳，可以最大化地提高系統(tǒng)輸出信噪比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào) 的最佳檢測(cè)。本發(fā)明特別適合機(jī)械故障、電子故障檢測(cè)等低信噪比、低頻微弱特征信號(hào)檢 測(cè) 。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明單穩(wěn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0013] 圖2為本發(fā)明方法的微弱低頻周期信號(hào)檢測(cè)流程圖。
[0014] 圖3為仿真信號(hào)時(shí)域波形圖。
[0015] 圖4為仿真信號(hào)幅度譜圖。
[0016] 圖5為調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)后單穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號(hào)幅度譜圖。
[0017] 圖6為調(diào)節(jié)乘性高斯白噪聲的強(qiáng)度i?后單穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號(hào)幅度譜圖。
[0018] 圖7為多次調(diào)節(jié)參數(shù)備和，系統(tǒng)輸出信噪比不再增大時(shí)的輸出信號(hào)幅度譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有雙穩(wěn)隨機(jī)共振和分段線(xiàn)性隨機(jī)共振檢測(cè)微弱信號(hào)需要調(diào)節(jié)參數(shù) 較多，不利用工程適用的不足，提供一種基于單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振的微弱周期信號(hào)檢測(cè)方法。下 面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0020] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述方法，先建立一個(gè)單穩(wěn)模型系統(tǒng)為： 々A~系統(tǒng)的框圖表示如圖1所示。
[0021] 其勢(shì)能函數(shù)為單穩(wěn)態(tài)形式，各個(gè)參數(shù)的含義為：:詞0:為系統(tǒng)輸出信 號(hào)，為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，紐琢是加性高斯白噪聲，為被噪聲遽難淹沒(méi)的周期信 號(hào)，I?是注入系統(tǒng)的乘性高斯白噪聲，其均值為O，強(qiáng)度為D。
[0022] 根據(jù)隨機(jī)共振理論及申請(qǐng)人數(shù)次實(shí)驗(yàn)研究，參數(shù)氯調(diào)節(jié)范圍為（0, 5)，乘性高斯白 噪聲J〃強(qiáng)度D的調(diào)節(jié)范圍為（0, 1)。
[0023]利用上述模型檢測(cè)微弱信號(hào)的方法包括如下步驟：
[0024] 步驟二：選擇固定系統(tǒng)參數(shù)b或者乘性高斯白噪聲:纖沖的一個(gè)，調(diào)節(jié)另一個(gè)，直 到系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比達(dá)到最大。
[0025] 步驟三：固定上一步中被調(diào)節(jié)的對(duì)象最后的取值，調(diào)節(jié)另一個(gè)，直到系統(tǒng)輸出信號(hào) 的信噪比達(dá)到最大。
[0026] 步驟四：重復(fù)步驟三，直到系統(tǒng)輸出信噪比不再增大為止。
[0027]采用上述方法，只需要調(diào)節(jié)一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，采用向單穩(wěn)系統(tǒng)注入乘性高斯白噪聲 的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)這個(gè)系統(tǒng)參數(shù)和注入系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱低頻周期信號(hào)的檢測(cè)。
[0028]本系統(tǒng)的技術(shù)原理為：?jiǎn)畏€(wěn)系統(tǒng)只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)，當(dāng)向該單穩(wěn)系 統(tǒng)注入乘性高斯白噪聲后系統(tǒng)變?yōu)?amp; 4、、、、^'、、設(shè)乘性噪聲強(qiáng)度為D，則此時(shí)系統(tǒng)有 兩個(gè)工作狀態(tài)，一個(gè)是穩(wěn)態(tài)$ 一個(gè)是非穩(wěn)態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)輸入含噪聲的微弱信號(hào) 時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)和注入的乘性噪聲強(qiáng)度，使該非線(xiàn)性系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)共振現(xiàn)象，將一部 分噪聲能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)的能量，從而大大提高系統(tǒng)輸出信噪比，檢測(cè)出微弱周期信號(hào)。
[0029] 需要強(qiáng)調(diào)的是，選擇先固定b調(diào)節(jié)或者選擇先固定周節(jié)b都是可行的，具 體根據(jù)實(shí)際使用選擇。這種可選擇性的設(shè)計(jì)與本單穩(wěn)模型單一調(diào)節(jié)方式使得本發(fā)明具有更 強(qiáng)的操作性，提高應(yīng)用范圍，降低設(shè)計(jì)難度。
[0030]優(yōu)選的，系統(tǒng)輸出信號(hào)_:進(jìn)行傅里葉變換（FFT)后計(jì)算信噪比。
[0031] 下面結(jié)合圖2到圖6對(duì)本發(fā)明方法具體應(yīng)用進(jìn)行舉例闡述。圖2為信號(hào)檢測(cè)流程 不意圖。取輸入信號(hào)4:￡?__:期> 其中4為信號(hào)幅度，I代表時(shí)間，#..代表信號(hào)頻率。 與信號(hào)一起輸入單穩(wěn)系統(tǒng)的加性高斯白噪聲續(xù)_是零均值的高斯分布白噪聲，其強(qiáng)度為凌 。本實(shí)例中取j= ，戶(hù)= 0105，/ =〇. 1Hz。圖3為加性高斯白噪聲與輸入信號(hào)相加后的仿 真信號(hào)時(shí)域波形圖，可以看出，輸入信號(hào)已經(jīng)被噪聲完全淹沒(méi)。圖4為加性高斯白噪聲與輸 入信號(hào)相加后的仿真信號(hào)幅度譜圖，從中不能分辨出信號(hào)麵的頻率，所以不能檢測(cè)出麵。
[0032] 實(shí)例的具體實(shí)現(xiàn)包括以下步驟： 步驟一：初始化單穩(wěn)態(tài)模型dwfS、< u、'> 的參數(shù)，包括系統(tǒng)參數(shù)備:， 以及注入的乘性高斯白噪聲:鍵紋的強(qiáng)度B。本實(shí)例中初始化值取&: =0. 2,_ =0. 4。
[0033] 步驟二：仿真信號(hào)加入單穩(wěn)系統(tǒng)、〗、、、…nM
[0034]基于隨機(jī)共振理論，本系統(tǒng)的輸出信噪比為

其中％為無(wú)信號(hào)輸入時(shí)系統(tǒng)的兩個(gè)狀態(tài)間的特征轉(zhuǎn)移速率，巧:為系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)間的 特征轉(zhuǎn)移速率對(duì)信號(hào)的導(dǎo)數(shù)。
[0035] 步驟三：固定注入的乘性高斯白噪聲強(qiáng)度U，調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)&:。當(dāng)表:=0. 6時(shí)，單穩(wěn) 系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)共振，輸出信噪比最大為7,輸出信號(hào)幅度譜如圖5所示，可以明顯分辨出在 0.IHz處存在信號(hào)。
[0036] 步驟四：固定系統(tǒng)參數(shù)為贏=0. 6,調(diào)節(jié)乘性高斯白噪聲強(qiáng)度於。當(dāng)=0. 35時(shí)，單 穩(wěn)系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)共振，輸出信噪比最大為12,輸出信號(hào)幅度譜如圖6所示，從圖中可以更明 顯分辨在〇.IHz處的信號(hào)。
[0037] 步驟五：固定步驟四中乘性高斯白噪聲的強(qiáng)度辦最后的取值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù) 氱，使系統(tǒng)輸出信噪比最大；然后固定系統(tǒng)參數(shù)為&:，調(diào)節(jié)乘性高斯白噪聲》的強(qiáng)度辦。重 復(fù)該步驟，直到輸出信噪比不再增大為止。
[0038] 本實(shí)例中當(dāng)寡=0.05,刃=0.75時(shí)，系統(tǒng)輸出信噪比不再增大。此時(shí)系統(tǒng)輸出信噪 比為25,輸出信號(hào)幅度譜見(jiàn)圖7。
[0039] 仿真結(jié)果表明：通過(guò)本發(fā)明的單穩(wěn)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)和注入的乘性高斯白 噪聲強(qiáng)度，利用隨機(jī)共振的特性，可以很好地把淹沒(méi)在噪聲中的微弱低頻周期信號(hào)提取出 來(lái)。本系統(tǒng)調(diào)節(jié)的參數(shù)少，可以減少系統(tǒng)成本，易于工程實(shí)現(xiàn)。本實(shí)例中輸出信號(hào)中還含有 噪聲，可以再級(jí)聯(lián)一個(gè)本單穩(wěn)系統(tǒng)以提高輸出信噪比，也可以采用濾波平滑等措施進(jìn)一步 處理。
[0040] 以上所述，僅為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于此，任 何在本發(fā)明涉及的技術(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行的變化或替換，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍 本發(fā)明的有益效果為： 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有雙穩(wěn)隨機(jī)共振和分段線(xiàn)性隨機(jī)共振檢測(cè)微弱信號(hào)需要調(diào)節(jié)參數(shù)較多， 不利于工程適用的不足，提供一種基于單穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振的微弱周期信號(hào)檢測(cè)方法，該方法 基于隨機(jī)共振理論，利用噪聲，而非抑制噪聲，通過(guò)多次調(diào)節(jié)一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)和注入系統(tǒng)的噪 聲強(qiáng)度，使系統(tǒng)輸出信噪比最佳，可以最大化地提高系統(tǒng)輸出信噪比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào) 的最佳檢測(cè)。本發(fā)明特別適合機(jī)械故障、電子故障檢測(cè)等低信噪比、低頻微弱特征信號(hào)檢 測(cè)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用單穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振效應(yīng)檢測(cè)微弱信號(hào)的方法，其特征在于，所述方法包括 以下步驟： 步驟一：初始化單穩(wěn)系統(tǒng)中的b、p| ;在該系統(tǒng) 中，_!為系統(tǒng)輸出信號(hào)，:為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，是加性高斯白噪聲，為周期信號(hào)，i_ 是注入系統(tǒng)的乘性高斯分布白噪聲。 步驟二：選擇固定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)b或者乘性高斯分布白噪聲Li:中的一個(gè)，調(diào)節(jié)另一 個(gè)，直到系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比達(dá)到最大； 步驟三：固定上一步中被調(diào)節(jié)的對(duì)象最后的取值，調(diào)節(jié)另一個(gè)，直到系統(tǒng)輸出信號(hào)的信 噪比達(dá)到最大； 步驟四：返回執(zhí)行步驟三，直到系統(tǒng)輸出信噪比不再增大為止。2. 如權(quán)利要求1所述的利用單穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振效應(yīng)檢測(cè)微弱信號(hào)的方法，其特征在 于，系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換（FFT)后計(jì)算信噪比。3. 如權(quán)利要求1所述的利用單穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振效應(yīng)檢測(cè)微弱信號(hào)的方法，其特征在 于，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)各調(diào)節(jié)范圍為（0, 5)。4. 如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的利用單穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振效應(yīng)檢測(cè)微弱信號(hào)的方法， 乘性高斯分布白噪聲I#強(qiáng)度D的調(diào)節(jié)范圍為（0, 1)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種利用單穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振效應(yīng)檢測(cè)微弱信號(hào)的方法。該方法基于隨機(jī)共振理論，利用噪聲，而非抑制噪聲，通過(guò)多次調(diào)節(jié)一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)和注入系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度，使系統(tǒng)輸出信噪比最佳，可以最大化地提高系統(tǒng)輸出信噪比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的最佳檢測(cè)。本發(fā)明特別適合機(jī)械故障、電子故障檢測(cè)等低信噪比、低頻微弱特征信號(hào)檢測(cè)。
【IPC分類(lèi)】G01D21/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105067025
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510458769
【發(fā)明人】郭鋒, 朱寶龍
【申請(qǐng)人】西南科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年7月31日