基于联合去噪和频率调制的微弱信号检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于联合去噪和频率调制的微弱信号检测方法，属于信号处理【技术领域】。该方法包括以下步骤：1)将混有噪声的低信噪比待测信号通过自相关器，抑制部分噪声；2)对经过步骤1)处理后的待测信号进行小波阈值变换，去除信号自相关后的残留噪声；3)利用可调标准信号调制步骤2)中输出信号频率，使得调制后的信号频率能够满足双Duffing振子差分系统的检测条件，调制后的信号通过低通滤波器滤掉高频部分信号；4)将步骤3)中低通滤波器输出的信号输入双Duffing振子差分检测系统，设置系统初始状态参数；5)判断双Duffing振子差分检测系统是否有规律间歇混沌现象出现，有规律间歇混沌现象出现时，由连续零方法可得到间歇混沌周期，进而得到待测信号频率。较之传统检测方法，本方法可检测强噪声背景下任意频率微弱微弱信号，在实际应用中具有重大意义。
【专利说明】基于联合去噪和频率调制的微弱信号检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信号处理【技术领域】，涉及一种基于联合去噪和频率调制的微弱信号检 测方法，特别涉及一种利用自相关和小波阈值变换组成的联合去噪系统和频率可调标准信 号调制待测信号频率来检测微弱周期信号的方法。
【背景技术】
[0002] 信号检测技术在工程领域中有极其广泛应用，如果有用信号幅度相对于噪声很微 弱，或者有用信号自身幅度非常小，那么它就很容易被噪声淹没，对其检测会极为困难。传 统微弱信号检测方法在检测信噪比极低的信号时效果很差，而Duffing振子混沌系统由于 具有对初值极端敏感、对噪声具有较好免疫力等优点，在检测微弱信号时表现出良好效果。 作为一种新的微弱信号检测方法，混沌振子方法不是消除噪声，而是从噪声背景中提取信 号，针对其独特性可将其应用到实际工程中，包括纳伏级微弱信号检测、地震信号检测、GPS 信号捕获、转子早期故障诊断、齿轮早期疲劳裂纹检测、汽车飞轮壳检测、超声检漏、电网局 部放电窄带干扰等方面。
[0003] 混沌振子检测系统对与其策动力频率相差不大的微弱信号敏感，对与其策动力频 率相差较大的信号具有极强的免疫作用。而实际中，待测信号频率往往是未知的，且不一定 能够满足混沌振子信号检测系统的检测条件。为了能够检测任意未知频率的微弱信号，采 用Duffing振子阵列检测未知频率信号的方法需要较多Duffing振子组成的阵元，且在宽频 信号检测及实际工程中不易操作和实现。Duffing振子检测方法相比其它检测方法有极低检 测下限，但当信噪比很低时，系统不稳定，检测误差较大，如果能改善待测信号信噪比将提 高Duffing振子的检测能力。采用自相关方法能抑制待测信号的部分背景噪声，但检测信噪 比门限并不理想。因此迫切需要寻求能在低信噪比条件下实现任意未知频率微弱信号的检 测方法。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于联合去噪和频率调制的微弱信号检测 方法，该方法利用自相关和小波阈值变换组成的联合去噪系统和频率可调标准信号调制待 测信号频率来检测微弱周期信号。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] -种基于联合去噪和频率调制的微弱信号检测方法，包括以下步骤：步骤一：将 混有噪声的低信噪比待测信号通过自相关器，抑制部分噪声；步骤二：对经过步骤一处理 后的待测信号进行小波阈值变换，去除信号自相关后的残留噪声；步骤三：利用可调标准 信号调制步骤二中输出信号频率，使得调制后的信号频率能够满足双Duffing振子差分系 统的检测条件，调制后的信号通过低通滤波器滤掉高频部分信号；步骤四：将步骤三中低 通滤波器输出的信号输入双Duffing振子差分检测系统，设置系统初始状态参数；步骤五： 判断双Duffing振子差分检测系统是否有规律间歇混沌现象出现，有规律间歇混沌现象出 现时，由连续零方法可得到间歇混沌周期，进而得到待测信号频率。
[0007] 进一步，在步骤二中，信号经过小波变换后，由信号产生的小波系数包含有信号的 重要信息，其幅值大，但数目较少，而噪声对应的小波系数幅值小；通过在不同尺度上选取 一合适阈值，并将小于该阈值的小波系数置零，而保留大于该阈值的小波系数，从而使信号 中的噪声得到有效抑制；最后进行逆小波变换，得到去噪后的重构信号。
[0008] 进一步，在步骤四中，设置检测系统相关参数为：阻尼比k = 0. 5,系统初始状态 (.xvk ) = (0，()），待测信号幅值h = 0· 0003V，采用四阶Runge-Kutta方法对Duffing方程进行 数值求解。
[0009] 本发明的有益效果在于：本发明所述方法检测强噪声背景下高频工程微弱信号 时采用相关与小波阈值变换的联合去噪系统极大程度抑制了待测微弱信号中的背景噪 声，提高了检测系统的检测性能；待测信号经频率可调标准信号调制后的频率能够满足双 Duffing振子差分系统的检测条件，从而使得此检测系统能够检测任意未知频率的微弱周期 信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0011] 图1为差分间歇混沌现象X波形图；
[0012] 图2为-20dB待测工程故障信号图；
[0013] 图3为自相关去噪后波形图；
[0014] 图4为小波阈值变换去噪后的波形图；
[0015] 图5为不同信噪比下的SNIR ;
[0016] 图6为待测信号预处理仿真图；
[0017] 图7为绝对误差曲线；
[0018] 图8为本发明所述方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0020] 本发明提供的微弱信号检测方法采用相关去噪与小波阈值去噪相结合的联合去 噪方法，结合双Duffing振子差分系统，极大程度抑制了待测微弱信号中的背景噪声，提高 了检测系统的检测性能；利用可调标准信号调制待测信号频率，使得调制后的信号频率能 够满足双Duffing振子差分系统的检测条件，从而使得此检测系统能够检测任意未知频率 的微弱周期信号。
[0021] Duffing方程标准形式为：
[0022] X + Ι? + αχ + βχ' == 0 ( 1)
[0023] 式⑴中，为状态变量，k为阻尼比，αχ+βχ3为非线性恢复力，一般取α =-1，β = 1。在周期外力作用下检测任意频率微弱信号的Duffing方程形式为
[0024] x + ldc-x + x^ =rcos(uO+ ^(/) (2)
[0025] 其中，s (t) = h · cos ((w+Δ w) · t+Φ)+n (t) (3)
[0026] 式⑵和⑶中，1"和《分别为周期驱动力的振幅和频率，s(t)为待测微弱信号， h和Φ分别为待测信号的振幅和相位，Aw为周期策动力与待测信号的频差，n(t)为待测 信号中混有的噪声。
[0027] 对于，r · cos (wt)+h · cos ((w+Δ w) · t+Φ) (4)
[0028] 令 Aw · t+Φ = Δ Φ (5)
[0029] 贝丨J 式（4)可进一步化为，r · cos (wt)+h · cos ((w+Δ w) · t+Φ) = F(t) cos (wt+ Θ (t)) (6)
【权利要求】
1. 一种基于联合去噪和频率调制的微弱信号检测方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一：将混有噪声的低信噪比待测信号通过自相关器，抑制部分噪声； 步骤二：对经过步骤一处理后的待测信号进行小波阈值变换，去除信号自相关后的残 留噪声； 步骤三：利用可调标准信号调制步骤二中输出信号频率，使得调制后的信号频率能够 满足双Duffing振子差分系统的检测条件，调制后的信号通过低通滤波器滤掉高频部分信 号； 步骤四：将步骤三中低通滤波器输出的信号输入双Duffing振子差分检测系统，设置系 统初始状态参数； 步骤五：判断双Duffing振子差分检测系统是否有规律间歇混沌现象出现，有规律间歇 混沌现象出现时，由连续零方法可得到间歇混沌周期，进而得到待测信号频率。
2. 根据权利要求1所述的一种基于联合去噪和频率调制的微弱信号检测方法，其特征 在于：在步骤二中，信号经过小波变换后，由信号产生的小波系数包含有信号的重要信息， 其幅值大，但数目较少，而噪声对应的小波系数幅值小；通过在不同尺度上选取一合适阈 值，并将小于该阈值的小波系数置零，而保留大于该阈值的小波系数，从而使信号中的噪声 得到有效抑制；最后进行逆小波变换，得到去噪后的重构信号。
3. 根据权利要求2所述的一种基于联合去噪和频率调制的微弱信号检测方法， 其特征在于：在步骤四中，设置检测系统相关参数为：阻尼比k = 0.5,系统初始状态 (.ν,.νο) = (0,0),待测信号幅值h = 〇· 0003V，采用四阶Runge-Kutta方法对Duffing方程进行 数值求解。
【文档编号】G01R23/02GK104101780SQ201410167811
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】张刚, 王颖, 张天骐, 贺利芳, 王源, 李波 申请人:重庆邮电大学