1.本实用新型属于微弱信号处理技术领域，提供了一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置，用于对含有噪声的微弱信号进行降噪与放大。
背景技术：
2.近年来，随着信号处理技术的不断发展，强噪声背景下的微弱信号成为信号检测领域的热点。微弱信号的降噪与放大技术在机械、物理、无线电等领域有广泛运用，如早期机械设备的故障诊断，雷达导航等领域。因此，合适的微弱信号检测技术对于提取和识别微弱信号中含有的有效信息具有十分重要的作用和意义。
3.传统信号处理技术中，微弱信号降噪和放大往往作为独立的两部分，不能同时进行，使得降噪和放大装置分离，需要的器件和装置也较多。且传统对于微弱信号的线性放大技术，在放大微弱信号的同时，噪声信号也被放大，导致放大效果不佳，也不利于信号的进一步降噪处理。
4.因此本实用新型阐述了一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置，该微弱信号降噪与放大装置由两个四维非线性电路级联而成，两级四维非线性电路可以对输入装置的信号进行两级降噪和放大。对于微弱信号的降噪和放大处理能在同一电路中完成，并且放大幅值可以调节，灵活可控。经过两级非线性系统的降噪，微弱信号大部分噪声将被滤除。该装置结构简单，处理的信号能达到极低的信噪比，信号降噪和放大效果较好，具有良好的应用价值。
技术实现要素：
5.本实用新型目的在于提供一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置，旨在对微弱信号进行降噪的同时对微弱信号幅值进行放大。微弱信号输入至降噪及放大装置，经四维非线性电路对信号进行处理，级联开关控制两个四维非线性电路的级联状态，每个四维非线性电路均有输出可调旋钮对处理后的信号进行调节。
6.为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置，其特征在于，所述微弱信号降噪及放大装置包括信号输入端口、第一级四维非线性降噪与放大电路、级联切换开关、第二级四维非线性与放大电路、供电电源组成。待处理信号经信号输入端口输入至第一级四维非线性降噪与放大电路进行降噪与放大处理，若级联开关断开，则信号仅经过一级降噪放大处理。若级联开关闭合，则待处理信号经第二级四维非线性降噪与放大电路进行进一步降噪与放大处理。供电电源为整个降噪及放大装置提供稳定工作电源。
7.进一步的，所述第一级四维非线性信号降噪与放大电路包括第一级固定输出信号端口、第一级可调输出信号端口、第一级输出信号调节旋钮。第一级固定输出信号端口用于输出固定幅值的减噪放大后的信号，并与级联切换开关一端相连。第一级可调输出信号端口可以输出不同幅值的降噪后的信号。第一级可调输出信号输出端口的信号幅值可以由第
一级输出信号调节旋钮调节。
8.进一步的，所述第二级四维非线性信号降噪与放大电路包括第二级固定输出信号端口、第二级可调输出信号端口、第二级输出信号调节旋钮。第二级固定输出信号端口用于输出固定幅值的减噪放大后的信号，第二级可调输出信号端口可以输出不同幅值的降噪后的信号。第二级可调输出信号输出端口的信号幅值可以由第二级输出信号调节旋钮调节。
9.进一步的，所述级联切换开关与第一级固定输出信号端口、第二级将降噪与放大电路输入信号端口相连，用于切换降噪及放大装置级联关系，级联开关断开时，降噪及放大装置仅进行一级将降噪与放大，级联开关闭合时，降噪及放大装置将进行两级将降噪与放大。
10.本实用新型的有益效果：
11.（1）本实用新型中的一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置，采用非线性电路对含噪声微弱信号进行降噪放大处理，在对信号进行放大时，能有效抑制噪声，能够实现对低信噪比、低幅值的信号进行降噪与放大，降噪效果好，提高了信号降噪与放大的效率；
12.（2）本实用新型中的一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置，仅由运算放大器、模拟乘法器、电阻、电容构成，电子器件构成简单，容易实现，降低了装置成本和微弱信号处理难度；
13.（3）本实用新型中的一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置，含噪声微弱信号的降噪与放大在同一电路中完成，简化了微弱信号处理的流程；
14.（4）本实用新型中的一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置，通过合理调节积分电路中电阻电容值，可以灵活调节装置处理信号的频率范围，同时，经装置处理后的信号幅值可以通过调节旋钮实现处理后信号的可变输出，具有输入的信号频率范围广，输出的信号幅值灵活可调的特点；
15.（5）本实用新型中的一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置，通过控制级联切换开关的断开与闭合可以实现一级降噪与两级降噪的切换，适用于不同的信号降噪要求。
附图说明
16.图1为本实用新型一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置信号处理流程图；
17.图2为本实用新型一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置结构图；
18.图3为本实用新型一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置第一级降噪及放大电路图；
19.图4为本实用新型一种基于四维非线性电路的微弱信号减噪及放大装置第二级降噪及放大电路图。
20.图中：
21.1-降噪与放大装置输入信号端口、2-第一级降噪与放大电路固定输出信号端口、3-第一级降噪与放大电路可调输出信号端口、4-第二级降噪与放大电路输入信号端口、5-第二级降噪与放大电路固定输出信号端口、6-第二级降噪与放大电路可调定输出信号端
口、7-直流+15v电源接入端口、8-直流-15v电源接入端口、9-直流接地端口、10-第一级降噪与放大电路输出信号调节旋钮、11-第二级降噪与放大电路输出信号调节旋钮。
具体实施方式
22.如图1所示，一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置信号处理流程图，含噪声信号由装置输入信号端口进入第一级四维非线信降噪与放大电路，处理后的信号经第一级电路输出信号调节旋钮调节后输出第一级电路幅值调节后的信号，若级联开关闭合，则第一级固定输出端口与第二级电路输入端口连接，信号进入第二级四维非线性降噪与放大电路进行进一步降噪处理，经第二级电路处理后的信号经过第二级电路输出信号调节旋钮输出第二级电路幅值调节后的信号。供电电源分别为运算放大器、模拟乘法器及电路中其他器件提供稳定的电源。
23.如图2所示，一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置结构图，本实用新型所述的微弱信号降噪与放大装置包括第一级四维非线性信号降噪与放大电路、第二级四维非线性降噪与放大电路、级联切换开关以及供电电源构成。第一级四维非线性信号降噪与放大电路将输入信号进行第一级降噪与放大处理，其固定输出信号可作为第二级降噪与放大电路的输入信号源，当级联开关将第一、二级降噪与放大电路的连接断开时，此时固定输出信号和可调输出信号端口均可输出降噪放大后的信号；级联开关将第一、二级将降噪与放大电路连接时，第二级四维非线性信号降噪与放大电路将第一级四维非线性信号降噪与放大电路输出信号作为输入信号，同时可以通过第二级降噪与放大电路中固定输出端口和可调输出端口输出二级降噪后的输出信号；级联开关用于控制第一级、第二级降噪与放大电路的连接，当仅须一级降噪时，级联模块将一二级电路断开，本装置仅对含噪声微弱信号进行一次降噪与放大。当需要两级降噪时，级联模块将第一、第二级电路连接，输入信号依次经过第一、第二级电路进行两级降噪。
24.如图3所示，一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置第一级降噪及放大电路图，其工作原理为：微弱信号中含有的部分噪声分量经过非线性电路的迭代可以转换为微弱信号自身的能量，从而使得经过迭代输出后的微弱信号幅值被增强，噪声信号被削弱。
25.第一维电路中：电阻r1、电阻r2一端分别与运算放大器op3a输出端、运算放大器op5a输出端相连，另一端与电阻r3及运算放大器op1a反相输入端相连、电阻r4一端与电阻r3、运算放大器op1a输出端连接，电阻r4另一端与电容c1、运算放大器op2a反相输入端连接，电容c1另一端与电阻r5连接、运算放大器op2a输出端连接，电阻r5另一端与电阻r6、运算放大器op3a反相输入端连接，电阻r6另一端与运算放大器op3a输出端相连，运算放大器op1a、op2a、op3a正向输入端接地，供电电压均为
±
15v。电阻r4、电容c1，运算放大器op2a构成积分电路，用于第一维电路中的积分运算，电阻r5、r6与运算放大器op3a构成反向放大电路，用于将积分运算后的信号等比反向放大。
26.第二维电路中：电阻r7、r8、r9、r10一端分别与运算放大器op2a输出端、模拟乘法器mult1输出端、运算放大器op6a输出端、降噪与放大装置输入信号端口相连，另一端与电阻r11及运算放大器op4a反相输入端相连，模拟乘法器mult1两个输入端分别与运算放大器op3a、运算放大器op8a输出端相连。电阻r12一端与电阻r11、运算放大器op4a输出端连接，
电阻r12另一端与电容c2、运算放大器op5a反相输入端连接，电容c2另一端与电阻r13连接、运算放大器op5a输出端连接，电阻r13另一端与电阻r14、运算放大器op6a反相输入端连接，电阻r14另一端与运算放大器op6a输出端相连，运算放大器op4a、op5a、op6a正向输入端接地，供电电压均为
±
15v。电阻r12、电容c2，运算放大器op5a构成积分电路，用于第二维电路中的积分运算，电阻r13、r14与运算放大器op6a构成反向放大电路，用于将积分运算后的信号等比反向放大。
27.第三维电路中，电阻r15、r16一端分别与模拟乘法器mult2输出端、运算放大器op9a输出端相连，另一端与电阻r17及运算放大器op7a反相输入端相连、电阻r18一端与电阻r17、运算放大器op8a输出端连接，模拟乘法器mult2两个输入端分别与运算放大器op2a、运算放大器op5a输出端相连。电阻r18另一端与电容c3、运算放大器op8a反相输入端连接，电容c3另一端与电阻r19连接、运算放大器op8a输出端连接，电阻r19另一端与电阻r20、运算放大器op9a反相输入端连接，电阻r20另一端与运算放大器op9a输出端相连，运算放大器op7a、op8a、op9a正向输入端接地，供电电压均为
±
15v。电阻r18、电容c3，运算放大器op8a构成积分电路，用于第三维电路中的积分运算，电阻r19、r20与运算放大器op9a构成反向放大电路，用于将积分运算后的信号等比反向放大。
28.第四维电路中，电位器r21、电阻r22一端分别与运算放大器op5a输出端，运算放大器op12a输出端相连，另一端与电阻r23及运算放大器op10a反相输入端相连，电阻r24一端与电阻r23、运算放大器op10a输出端连接，电阻r24另一端与电容c4、运算放大器op11a反相输入端连接，电容c4另一端与电阻r25、运算放大器op11a输出端连接，电阻r25另一端与电阻r26、运算放大器op12a反相输入端连接，电阻r26另一端与运算放大器op12a输出端相连。运算放大器op10a、op11a、op12a正向输入端接地，供电电压均为
±
15v。电阻r24、电容c4，运算放大器op11a构成积分电路，用于第四维电路中的积分运算，电阻r25、r26与运算放大器op12a构成反向放大电路，用于将积分运算后的信号等比反向放大，调节电位器r21的阻值可以调节第一级可调输出信号端口的信号幅值。
29.以上电路描述的数学模型为：
[0030][0031]
其中x, y, z, u为系统的四个状态变量；signal为输入装置的微弱信号；k由电位器r21调节，其具体计算方式为k=r23/r21。
[0032]
上述电路中，同时调节电阻r4、r12、r18、r24阻值可以调节第一级降噪及放大电路工作的频率范围，电阻r4、r12、r18、r24阻值同时降低时、电路工作的频率变大。电阻r4、r12、r18、r24阻值同时增大时、电路工作的频率变小。
[0033]
如图4所示，一种基于四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置第二级降噪及
放大电路图，第二级四维非线性电路的工作原理为：经第一级四维非线性电路迭代后的信号依旧含有噪声分量，此时第一级电路输出信号中含有的噪声分量经过第二级非线性电路迭代，使得信号中的噪声分量被进一步削弱，从而增强信号输出。
[0034]
第一维电路中：电阻r27、电阻r28一端分别与运算放大器op15a输出端、运算放大器op17a输出端相连，另一端与电阻r29及运算放大器op13a反相输入端相连、电阻r30一端与电阻r29、运算放大器op13a输出端连接，电阻r30另一端与电容c5、运算放大器op14a反相输入端连接，电容c5另一端与电阻r31、运算放大器op14a输出端连接，电阻r31另一端与电阻r32、运算放大器op15a反相输入端连接，电阻r32另一端与运算放大器op15a输出端相连，运算放大器op13a、op14a、op15a正向输入端接地，供电电压均为
±
15v。电阻r30、电容c5，运算放大器op14a构成积分电路，用于第一维电路中的积分运算，电阻r31、r32与运算放大器op15a构成反向放大电路，用于将积分运算后的信号等比反向放大。
[0035]
第二维电路中：电阻r33、r34、r35、r36一端分别与运算放大器op14a输出端、模拟乘法器mult3输出端、运算放大器op18a输出端、级联切换开关s1a相连，另一端与电阻r37及运算放大器op16a反相输入端相连，切换开关s1a另一端与第一级电路中运算放大器op6a输出端相连，模拟乘法器mult3两个输入端分别与运算放大器op15a、运算放大器op20a输出端相连。电阻r38一端与电阻r37、运算放大器op16a输出端连接，电阻r38另一端与电容c6、运算放大器op17a反相输入端连接，电容c6另一端与电阻r39连接、运算放大器op17a输出端连接，电阻r39另一端与电阻r40、运算放大器op18a反相输入端连接，电阻r40另一端与运算放大器op18a输出端相连，运算放大器op16a、op17a、op18a正向输入端接地，供电电压均为
±
15v。电阻r38、电容c6，运算放大器op17a构成积分电路，用于第二维电路中的积分运算，电阻r39、r40与运算放大器op18a构成反向放大电路，用于将积分运算后的信号等比反向放大。
[0036]
第三维电路中，电阻r41、r42一端分别与模拟乘法器mult4输出端、运算放大器op21a输出端，另一端与电阻r43及运算放大器op19a反相输入端相连、电阻r44一端与电阻r43、运算放大器op19a输出端连接，模拟乘法器mult4两个输入端分别与运算放大器op14a、运算放大器op17a输出端相连。电阻r44另一端与电容c7、运算放大器op20a反相输入端连接，电容c7另一端与电阻r45连接、运算放大器op20a输出端连接，电阻r45另一端与电阻r46、运算放大器op21a反相输入端连接，电阻r46另一端与运算放大器op21a输出端相连，运算放大器op19a、op20a、op21a正向输入端接地，供电电压均为
±
15v。电阻r44、电容c7、运算放大器op20a构成积分电路，用于第三维电路中的积分运算，电阻r45、r46与运算放大器op21a构成反向放大电路，用于将积分运算后的信号等比反向放大。
[0037]
第四维电路中，电位器r47、电阻r48一端分别与运算放大器op17a输出端、运算放大器op24a输出端相连，另一端与电阻r49及运算放大器op22a反相输入端相连，电阻r50一端与电阻r49、运算放大器op22a输出端连接，电阻r50另一端与电容c8、运算放大器op23a反相输入端连接，电容c8另一端与电阻r51连接、运算放大器op23a输出端连接，电阻r51另一端与电阻r52、运算放大器op24a反相输入端连接，电阻r52另一端与运算放大器op24a输出端相连运算放大器op22a、op23a、op24a正向输入端接地，供电电压均为
±
15v。电阻r50、电容c8，运算放大器op23a构成积分电路，用于第四维电路中的积分运算，电阻r51、r52与运算放大器op24a构成反向放大电路，用于将积分运算后的信号等比反向放大，调节电位器r47
的阻值可以调节第二级可调输出信号端口的信号幅值。
[0038]
以上电路描述的数学模型为：
[0039][0040]
其中x1, y1, z1, u1为系统的四个状态变量；x为第一级电路固定输出信号，当级联开关断开时，x=0；k1由电位器r47调节，其具体计算方式为k1=r49/r47。
[0041]
上述电路中，同时调节电阻r30、r38、r44、r50阻值可以调节第一级降噪及放大电路工作的频率范围，电阻r30、r38、r44、r50阻值同时降低时、电路工作的频率变大。电阻r30、r38、r44、r50阻值同时增大时、电路工作的频率变小。级联切换开关用于切换四维非线性电路的微弱信号降噪及放大装置的工作状态，当级联切换开关处于断开状态时，系统处于一级降噪放大状态，当级联切换开关处于关闭状态时，系统处于两级降噪放大状态；所述运算放大器均型号均为tl082，模拟乘法器型号均为ad633。
[0042]
如图2,3,4所示，图2降噪与放大装置输入信号端口与图3中电阻r10相连，图2中第一级降噪与放大电路固定输出信号端口与图3中运算放大器op6a输出端相连，用于固定幅值的信号输出；图2中第一级降噪与放大电路可调输出信号端口与运算放大器op12a输出端相连，用于第一级降噪放大后可调幅值的信号输出；图2中第二级降噪与放大电路固定输出信号端口与图4中运算放大器op18a输出端相连，用于第二级降噪放大后固定幅值的信号输出；图2中第二级降噪与放大电路可调输出信号端口与运算放大器op24a输出端相连，用于可调幅值的信号输出。