专利名称：一种任意频率任意幅度微弱信号检测方法
技术领域：
本发明属于强噪声背景下的微弱信号检测方法，特别涉及一种利用随机共振的任意频率任意幅度微弱信号检测方法。
背景技术：
信号检测在雷达、地震勘探、石油测井、卫星通信等领域有着广泛的应用。由于这些领域的背景噪声很强，而被测信号又非常微弱，因此从中检测出有效信号非常困难。传统的信号检测方法主要有匹配滤波法、自适应滤波法、多尺度小波变换法、Kalman滤波法、信号模型参数辨识法等。这些方法主要是通过去除和抑制噪声来实现信号检测的，在去除噪声的同时对信号本身也造成了损失。与传统的方法相比，基于随机共振的微弱信号检测方法，强噪声不但不会削弱信号，在一定条件下反而将能量大幅度向小周期信号转移，使得 输出信噪比提高。由于随机共振的特有现象使得它在强噪声背景中检测微弱信号方面引起了很多学者的研究和关注。已有文献中的研究工作均采用通用非线性共振系统(系统参数a=l，b=l)，但是通用非线性随机共振系统，在应用中存在两个问题一是受小频率参数的限制，只能检测低频周期信号，范围0〈fD IHz ;二是受微弱信号幅度的限制，能够使这一系统产生随机共振的最小信号幅度约为O. 38V，如果输入信号幅度太低(尽管信噪比较高)，在噪声的帮助下仍然不能克服势垒而发生随机共振。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种任意频率任意幅度微弱信号检测方法，基于随机共振的任意频率任意幅度微弱信号检测方法是通过调整放大倍数k，使输入弱信号满足共振幅度要求；通过改变随机共振系统的参数R，构建了并行随机共振系统，与通用非线性随机共振系统相比，不再受小频率参数的限制，可以检测任意频率的周期信号。一种任意频率任意幅度微弱信号检测方法，包括以下步骤步骤一、首先对含有强噪声的微弱信号s (t) =Asin(2 ii ft)+η⑴通过可变增益放大器变为s 1 (t)=k · [Asin (2 ji ft) + η (t)],放大倍数k以10为步长调整，即k=l,10，20，30，…；步骤二、将放大后的信号S1 (t)=k · [Asin(2 π ft)+ η (t)]输入到并行随机共振系统，观察并行随机共振系统I n的输出是否达到共振；步骤三、对达到共振的输出信号作频谱分析，检测出输入弱信号的频率。所述的并行随机共振系统包括n个随机共振系统，满足如下非线性方程dx/dt=Rx-R3x3+s1 (t)式中，R为系统参数，设置随机共振系统I的参数R=I，随机共振系统2的参数R=IO,随机共振系统3的参数R=102，随机共振系统4的参数R=103，…以此类推，随机共振系统n的参数R=KT1,其中每个随机共振系统都由加法器、积分器、函数发生器连接组成非线性双稳系统，通过非线性随机共振系统I η设置不同的系统参数R，可使输入的任意频率弱信号、噪声和并行随机共振系统中的其一发生共振，从而使得输出信号x(t)的信噪比提闻。本发明的检测方案包括一个可变增益放大器，用于放大输入的微弱信号以满足通用随机共振系统发生共振的幅度要求；一个并行随机共振系统，由η个共振系统组成，用于实现任意频率信号的随机共振；一个频谱分析仪，用于对随机共振后的输出信号进行频谱分析以检测输入信号频率。该方法克服了通用非线性随机共振系统小频率参数和幅度的限制，为实际的工程应用提供了一种新的技术手段。该方法适合于雷达、地震勘探、石油测井、卫星通信等领域低信噪比条件下的微弱信号检测。
图I是任意频率任意幅度随机共振检测模型。
图2是非线性随机共振系统。图3是单一频率微弱信号检测实例仿真图；其中图3(a)是当k=l时，随机共振系统I的输出时域图，图3(b)是当k=l时，随机共振系统I的输出频谱图，图3(c)是当k=8. 75 X IO4时，随机共振系统I的输出时域图，图3(d)是当k=8. 75 X IO4时，随机共振系统I的输出频谱图，图3(e)是当k=8. 75X IO4时，随机共振系统11的输出时域图，图3(f)是当k=8. 75X IO4时，随机共振系统11的输出频谱图，图3(g)是当k=8. 75X IO4时，随机共振系统15的输出时域图，图3(h)是当k=8. 75X IO4时，随机共振系统15的输出频谱图。图4是复合彳目号检测实例仿真图；其中图4(a)是当k=9. 9X IO4时,随机共振系统
11的输出时域图，图4(b)是当k=9. 9X104时，随机共振系统11的输出频谱图，图4(c)是当k=9. 9X IO4时，随机共振系统13的输出时域图，图4(d)是当k=9. 9X IO4时，随机共振系统13的输出频谱图。图5是自相关法的功率谱。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作详细叙述。本发明方法的检测模型如图I所示。该方法的检测方案包括一个可变增益放大器，用于放大输入的微弱信号以满足通用随机共振系统发生共振的幅度要求；一个并行随机共振系统，由η个共振系统组成，用于实现任意频率信号的随机共振；一个频谱分析仪，用于对随机共振后的输出信号进行频谱分析以检测输入信号频率，可变增益放大器的信号输出端与并行随机共振系统的输入端相连，并行随机共振系统的输出端与频谱分析仪的输入端相连。上述的并行随机共振系统包括η个随机共振系统，满足如下非线性方程dx/dt=Rx-R3x3+s1 (t)式中，R为系统参数。设置随机共振系统I的参数R=l，随机共振系统2的参数R=IO,随机共振系统3的参数R=102，随机共振系统4的参数R=103，…以此类推，随机共振系统η的参数R=IOn'其中每个随机共振系统都由加法器、积分器、函数发生器连接组成非线性双稳系统，如图2所示。通过非线性随机共振系统I η设置不同的系统参数R，可使输入的任意频率弱信号、噪声和并行随机共振系统中的其一发生共振，从而使得输出信号x(t)的信噪比大大提高。一种任意频率任意幅度微弱信号检测方法，包括以下步骤步骤一、首先对含有强噪声的微弱信号s (t) =Asin(2 Ji ft)+η⑴通过可变增益放大器变为s 1 (t)=k · [Asin (2 ji ft) + η (t)],放大倍数k以10为步长调整，即k=l,10，20，30，…；步骤二、将放大后的信号S1 (t)=k · [Asin(2 π ft)+ η (t)]输入到并行随机共振系统，观察并行随机共振系统I n的输出是否达到共振；步骤三、对达到共振的输出信号作频谱分析，检测出输入弱信号的频率。上述检测方法的原理如下
非线性双稳系统的动力学方程可用Langevin方程表示 dx/dt=-dU (x) /dx+s (t)(I)通常势函数U(x)的表达式如下U (x) = ——ax~ +—bx^(2)s (t)为含有噪声的微弱信号，可表不如下s (t) =Asin (2 π ft) + η (t)(3)将势函数(2)和输入信号(3)式代入(I)式中得dx/dt=ax_bx3+A sin (2 π ft) + η (t)(4)其中a，b为非线性双稳系统参数，通常取a = 1，b=l，η (t)是强度为D的高斯白噪声。势函数的两个势阱分别为=±λ/^，势阱间距Δχ = 2·ν/^，势垒高度AU=a2/4b。当n (t)=0时，系统的平衡将被打破，若=^4α3 /27 为系统的双稳态临界值)，系统的状态将在势讲X1 或者X2 =-^/a/6处的势讲内作局部的周期运动;若八彡A。,系统输出将克服势垒在势阱间做周期运动。在噪声和周期信号同时激励下，即使A〈A。，在噪声驱动下，系统输出也可能克服势垒在势阱间做周期运动，这一现象称为随机共振。因此随机共振的产生需要满足两个条件(1)由噪声引起的平衡态间的跳变必须
aAU一
与输入信号周期同步，即f=rk/2,4 =-^|^exP(-~f)为Kramers逃逸率；(2)弱信号的幅度A
与临界值A。相比不能太小，否则尽管在I声帮助下仍然不能克服势垒而发生随机共振。通用非线性系统(参数a=l，b=l)中，双稳临界值為=^4/27 =0.384 V’经过多次数值仿真，发现能够引起共振的输入信号幅度A > O. 38V，而低于O. 38V则不能产生随机共振，受到了输入信号幅度的约束。而当弱信号的幅度A更低时，在噪声的帮助下仍然无法克服势垒产生随机共振。通常可以采用两种方法调整，一是对输入信号放大，以增大输入信号幅度A ;二是调整非线性参数a、b以减小A。。下面以第一种方法为例说明调整原理。设放大后的信号为S1 (t)=k· [Asin(2 Ji ft) + η (t) ](5)将方程(4)中的输入信号用(5)替代，则非线性双稳系统变为
Jx — = ax-bx + k[A%\x\{2rtfi) + //(/)](6)
dt 1
令
权利要求
1.一种任意频率任意幅度微弱信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一、首先对含有强噪声的微弱信号8α)=Α η(2π ^)+ι ⑴通过可变增 益放大器变为s ' (t)=k · [Asin (2 Ji ft)+n (t)],放大倍数k以10为步长调整，即k=l, 10，20，30，…； 步骤二、将放大后的信号s' (t)=k · [Asin(2 Jift)+n (t)]输入到并行随机共振系统，观察并行随机共振系统I η的输出是否达到共振； 步骤三、对达到共振的输出信号作频谱分析，检测出输入弱信号的频率。
2.根据权利要求I所述的一种任意频率任意幅度微弱信号检测方法，其特征在于，所述的并行随机共振系统包括η个随机共振系统，满足如下非线性方程dx/dt=Rx-R3x3+s' (t) 式中，R为系统参数，设置随机共振系统I的参数R=I，随机共振系统2的参数R=10，随机共振系统3的参数R=102，随机共振系统4的参数R=103，…以此类推，随机共振系统η的参数R=IOlri,其中每个随机共振系统都由加法器、积分器、函数发生器连接组成非线性双稳系统，通过非线性随机共振系统I η设置不同的系统参数R，可使输入的任意频率弱信号、噪声和并行随机共振系统中的其一发生共振，从而使得输出信号x(t)的信噪比提高。
全文摘要
一种任意频率任意幅度微弱信号检测方法，首先对含有强噪声的微弱信号s(t)=Asin(2πft)+η(t)通过可变增益放大器变为s′(t)=k·[Asin(2πft)+η(t)]，将放大后的信号s′(t)=k·[Asin(2πft)+η(t)]输入到并行随机共振系统，观察并行随机共振系统1～n的输出是否达到共振；对达到共振的输出信号作频谱分析，检测出输入弱信号的频率，本发明不再受弱信号幅度和小频率参数的限制，可用于检测任意幅度、任意频率的微弱周期信号。
文档编号G01R23/02GK102841248SQ201210324090
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者李利品, 党瑞荣, 邵敏 申请人:西安石油大学