一種利用單穩系統隨機共振效應檢測微弱信號的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于低信噪比條件下微弱信號的檢測方法，特別涉及一種利用單穩系統隨 機共振效應檢測微弱信號的方法。
【背景技術】
[0002] 微弱信號檢測的首要任務是提高信噪比，以便從強噪聲中檢測出有用的微弱信 號。由于微弱信號的檢測能提高測量靈敏度和可檢測下限，因此在物理、化學、生物以及許 多工程技術領域都得到了廣泛應用。常采用的微弱信號檢測方法都是抑制噪聲來提取微弱 信號，在強噪聲背景和信號的頻率非常低的情況下，顯得無能為力。
[0003]當系統的非線性、輸入信號與噪聲三者之間存在某種匹配時，系統輸出信噪比最 優，這種非線性現象即隨機共振。隨機共振的概念是由意大利物理學家RobertoBenzi、美 國物理學家AlfonsoSutera和意大利物理學家AngeloVulpoiani等人1981年在研究古 氣象冰川問題時提出的。當有噪聲的系統發生隨機共振時，部分噪聲能量會轉化為有用信 號的能量，從而使系統輸出信噪比大大提高，即給特定系統加入一定強度的噪聲，不但不 會阻礙反而會提高信號檢測的性能。
[0004]目前基于隨機共振檢測信號模型通常為雙穩系統或分段線性系統模型。其中，
應用雙穩模型檢測信號時模型參數與系統特性有關，改變系統參數則系統特性會隨著 改變，需要調節系統a、b兩個參數；而分段線性系統需要調節a、b、C三個參數，構建模型復 雜，不利于工程應用。
【發明內容】
[0005] 為解決上述問題，本發明提供了一種利用單穩系統隨機共振效應檢測微弱信號的 方法，所述方法包括以下步驟：
[0006] 步驟二：選擇固定系統參數b或者乘性高斯分布白噪聲遞_中的一個，調節另一 個，直到系統輸出信號的信噪比達到最大； 步驟三：固定上一步中被調節的對象最后的取值，調節另一個，直到系統輸出信號的信 噪比達到最大。
[0007] 步驟四：返回執行步驟三，直到系統輸出信噪比不再增大為止。
[0008] 進一步的，系統輸出信號_!進行傅里葉變換（FFT)后計算信噪比。
[0009] 進一步的，系統結構參數4調節范圍為（0, 5)。
[0010] 進一步的，乘性高斯分布白噪聲Ig強度D的調節范圍為（0, 1)。
[0011] 本發明的有益效果為： 本發明針對現有雙穩隨機共振和分段線性隨機共振檢測微弱信號需要調節參數較多， 不利于工程適用的不足，提供一種基于單穩態隨機共振的微弱周期信號檢測方法，該方法 基于隨機共振理論，利用噪聲，而非抑制噪聲，通過多次調節一個系統參數和注入系統的噪 聲強度，使系統輸出信噪比最佳，可以最大化地提高系統輸出信噪比，從而實現對微弱信號 的最佳檢測。本發明特別適合機械故障、電子故障檢測等低信噪比、低頻微弱特征信號檢 測 。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明單穩系統結構框圖。
[0013] 圖2為本發明方法的微弱低頻周期信號檢測流程圖。
[0014] 圖3為仿真信號時域波形圖。
[0015] 圖4為仿真信號幅度譜圖。
[0016] 圖5為調節系統結構參數后單穩系統輸出信號幅度譜圖。
[0017] 圖6為調節乘性高斯白噪聲的強度i?后單穩系統輸出信號幅度譜圖。
[0018] 圖7為多次調節參數備和，系統輸出信噪比不再增大時的輸出信號幅度譜圖。
【具體實施方式】
[0019] 本發明針對現有雙穩隨機共振和分段線性隨機共振檢測微弱信號需要調節參數 較多，不利用工程適用的不足，提供一種基于單穩態隨機共振的微弱周期信號檢測方法。下 面進行詳細說明。
[0020] 為實現本發明所述方法，先建立一個單穩模型系統為： 々A~系統的框圖表示如圖1所示。
[0021] 其勢能函數為單穩態形式，各個參數的含義為：:詞0:為系統輸出信 號，為系統結構參數，紐琢是加性高斯白噪聲，為被噪聲遽難淹沒的周期信 號，I?是注入系統的乘性高斯白噪聲，其均值為O，強度為D。
[0022] 根據隨機共振理論及申請人數次實驗研究，參數氯調節范圍為（0, 5)，乘性高斯白 噪聲J〃強度D的調節范圍為（0, 1)。
[0023]利用上述模型檢測微弱信號的方法包括如下步驟：
[0024] 步驟二：選擇固定系統參數b或者乘性高斯白噪聲:纖沖的一個，調節另一個，直 到系統輸出信號的信噪比達到最大。
[0025] 步驟三：固定上一步中被調節的對象最后的取值，調節另一個，直到系統輸出信號 的信噪比達到最大。
[0026] 步驟四：重復步驟三，直到系統輸出信噪比不再增大為止。
[0027]采用上述方法，只需要調節一個系統參數，采用向單穩系統注入乘性高斯白噪聲 的方法，通過調節這個系統參數和注入系統的噪聲強度，實現對微弱低頻周期信號的檢測。
[0028]本系統的技術原理為：單穩系統只有一個穩態，當向該單穩系 統注入乘性高斯白噪聲后系統變為& 4、、、、^'、、設乘性噪聲強度為D，則此時系統有 兩個工作狀態，一個是穩態$ 一個是非穩態。當系統輸入含噪聲的微弱信號 時，通過調節系統參數和注入的乘性噪聲強度，使該非線性系統發生隨機共振現象，將一部 分噪聲能量轉換為信號的能量，從而大大提高系統輸出信噪比，檢測出微弱周期信號。
[0029] 需要強調的是，選擇先固定b調節或者選擇先固定周節b都是可行的，具 體根據實際使用選擇。這種可選擇性的設計與本單穩模型單一調節方式使得本發明具有更 強的操作性，提高應用范圍，降低設計難度。
[0030]優選的，系統輸出信號_:進行傅里葉變換（FFT)后計算信噪比。
[0031] 下面結合圖2到圖6對本發明方法具體應用進行舉例闡述。圖2為信號檢測流程 不意圖。取輸入信號4:￡?__:期> 其中4為信號幅度，I代表時間，#..代表信號頻率。 與信號一起輸入單穩系統的加性高斯白噪聲續_是零均值的高斯分布白噪聲，其強度為凌 。本實例中取j= ，戶= 0105，/ =〇. 1Hz。圖3為加性高斯白噪聲與輸入信號相加后的仿 真信號時域波形圖，可以看出，輸入信號已經被噪聲完全淹沒。圖4為加性高斯白噪聲與輸 入信號相加后的仿真信號幅度譜圖，從中不能分辨出信號麵的頻率，所以不能檢測出麵。
[0032] 實例的具體實現包括以下步驟： 步驟一：初始化單穩態模型dwfS、< u、'> 的參數，包括系統參數備:， 以及注入的乘性高斯白噪聲:鍵紋的強度B。本實例中初始化值取&: =0. 2,_ =0. 4。
[0033] 步驟二：仿真信號加入單穩系統、〗、、、…nM
[0034]基于隨機共振理論，本系統的輸出信噪比為
其中％為無信號輸入時系統的兩個狀態間的特征轉移速率，巧:為系統兩個狀態間的 特征轉移速率對信號的導數。
[0035] 步驟三：固定注入的乘性高斯白噪聲強度U，調節系統參數&:。當表:=0. 6時，單穩 系統發生隨機共振，輸出信噪比最大為7,輸出信號幅度譜如圖5所示，可以明顯分辨出在 0.IHz處存在信號。
[0036] 步驟四：固定系統參數為贏=0. 6,調節乘性高斯白噪聲強度於。當=0. 35時，單 穩系統發生隨機共振，輸出信噪比最大為12,輸出信號幅度譜如圖6所示，從圖中可以更明 顯分辨在〇.IHz處的信號。
[0037] 步驟五：固定步驟四中乘性高斯白噪聲的強度辦最后的取值，調節系統參數 氱，使系統輸出信噪比最大；然后固定系統參數為&:，調節乘性高斯白噪聲》的強度辦。重 復該步驟，直到輸出信噪比不再增大為止。
[0038] 本實例中當寡=0.05,刃=0.75時，系統輸出信噪比不再增大。此時系統輸出信噪 比為25,輸出信號幅度譜見圖7。
[0039] 仿真結果表明：通過本發明的單穩系統，通過調節系統參數和注入的乘性高斯白 噪聲強度，利用隨機共振的特性，可以很好地把淹沒在噪聲中的微弱低頻周期信號提取出 來。本系統調節的參數少，可以減少系統成本，易于工程實現。本實例中輸出信號中還含有 噪聲，可以再級聯一個本單穩系統以提高輸出信噪比，也可以采用濾波平滑等措施進一步 處理。
[0040] 以上所述，僅為本發明的一個實例實施方式，但本發明的保護范圍不局限于此，任 何在本發明涉及的技術范圍內進行的變化或替換，都屬于本發明的保護范圍 本發明的有益效果為： 本發明針對現有雙穩隨機共振和分段線性隨機共振檢測微弱信號需要調節參數較多， 不利于工程適用的不足，提供一種基于單穩態隨機共振的微弱周期信號檢測方法，該方法 基于隨機共振理論，利用噪聲，而非抑制噪聲，通過多次調節一個系統參數和注入系統的噪 聲強度，使系統輸出信噪比最佳，可以最大化地提高系統輸出信噪比，從而實現對微弱信號 的最佳檢測。本發明特別適合機械故障、電子故障檢測等低信噪比、低頻微弱特征信號檢 測。
【主權項】
1. 一種利用單穩系統隨機共振效應檢測微弱信號的方法，其特征在于，所述方法包括 以下步驟： 步驟一：初始化單穩系統中的b、p| ;在該系統 中，_!為系統輸出信號，:為系統結構參數，是加性高斯白噪聲，為周期信號，i_ 是注入系統的乘性高斯分布白噪聲。 步驟二：選擇固定系統結構參數b或者乘性高斯分布白噪聲Li:中的一個，調節另一 個，直到系統輸出信號的信噪比達到最大； 步驟三：固定上一步中被調節的對象最后的取值，調節另一個，直到系統輸出信號的信 噪比達到最大； 步驟四：返回執行步驟三，直到系統輸出信噪比不再增大為止。2. 如權利要求1所述的利用單穩系統隨機共振效應檢測微弱信號的方法，其特征在 于，系統輸出信號進行傅里葉變換（FFT)后計算信噪比。3. 如權利要求1所述的利用單穩系統隨機共振效應檢測微弱信號的方法，其特征在 于，系統結構參數各調節范圍為（0, 5)。4. 如權利要求1至3任一項所述的利用單穩系統隨機共振效應檢測微弱信號的方法， 乘性高斯分布白噪聲I#強度D的調節范圍為（0, 1)。
【專利摘要】本發明提供了一種利用單穩系統隨機共振效應檢測微弱信號的方法。該方法基于隨機共振理論，利用噪聲，而非抑制噪聲，通過多次調節一個系統參數和注入系統的噪聲強度，使系統輸出信噪比最佳，可以最大化地提高系統輸出信噪比，從而實現對微弱信號的最佳檢測。本發明特別適合機械故障、電子故障檢測等低信噪比、低頻微弱特征信號檢測。
【IPC分類】G01D21/00
【公開號】CN105067025
【申請號】CN201510458769
【發明人】郭鋒, 朱寶龍
【申請人】西南科技大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月31日