基於隨機共振的微弱特徵信息恢復系統的製作方法

2023-05-28 09:44:11 1

專利名稱：基於隨機共振的微弱特徵信息恢復系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於檢測技術與信號處理，具體涉及一種利用隨機共振技術在強噪聲背景下 對多周期任意波形進行恢復的方法。
背景技術：
傳統的低通濾波器在對一定噪聲強度下的信號濾波後會使信號出現較大程度的失
真(如圖1 5所示)，虔il是原始標準正弦波，其幅值為(X2V，頻率為100Hz;圖2是
有效值為0.35V的白噪聲；圖3是圖2強噪聲疊加圖1正弦波後的混合信號波形圖；圖
4為該混合信號經過500Hz低通濾波器後的信號圖；圖5為該混合信號經過1500Hz低
通濾波器後的信號圖。m圖1 5可看出，在一定噪聲強度下的信號濾波後會出現較大
的失真，這將給較弱信號的提取帶來極大的困難，所以目前在工程上需要研究一種能夠
進行信號恢復的方法與裝置。
隨機共振概念是1981年Benzi等人研究古氣象冰川問題時提出的，從那之後，隨
機共振以其在信號處理的增強放大、檢測識別、傳輸還原等方面所特有的優勢，正在越
來越多的應用於多學科之中。近年來，隨機共振技術在機械、電子、信息等工程領域也
引起廣泛的關注，並開始廣泛應用於故障診斷、圖象處理、目標跟蹤等工程方面，在信
號處理領域，隨機共振主要用來研究微弱信息的檢測、放大、傳輸、恢復等特性。對於
隨機共振來說，其信號共振過程可以看作是在驅動力為單頻正弦信號= sin(2;^or)
和白噪聲"(O的作用下， 一個粒子在方程^700 = -1/2似2 +1/4&C4的雙穩勢阱內進行震 蕩運動；而其信號恢復的過程可以看作是經過雙穩方程C/(x)後的粒子在由 A(x)^[/'(x)--^ + Z)x3決定的系統中運動的結果。兩個過程系統分別稱為"雙穩系統 f/(x)"和"恢復系統/7(X)"。從整體上看，共振和恢復過程實質上是粒子順次經過"雙 穩系統t/(x)"和"恢復系統/ (;c)"的運動結果。
因此，如何準確應用隨機共振的共振和恢復原理從而不失真地恢復檢測出混雜在一 定噪聲中的原始信號，以得到真實的微弱信號，並能將此信號進行後續分析應用是攻破 此項技術的難點所在，同時此方法也對在強噪聲背景下的信號檢測分析具有極強的實用 價值。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種基於隨機共振的微弱特徵信息恢復系統， 為精細信息分析和信號處理提供一種新的信息檢測技術。
以下結合附圖對本發明的技術方案予以說明。基於隨機共振的微弱特徵信息恢復系 統包括傳感器、雙穩模擬電路、恢復模擬電路和濾波模塊等。被檢測的含噪原始弱信號 經傳感器輸入至雙穩模擬電路，實現信號的隨機共振提取，恢復模擬電路及其後續的濾 波模塊完成對信號的恢復和低通濾波。傳感器實測信號中的原始弱信號被噪聲完全淹沒 而不可分辨(如圖11或圖16或圖21所示)，該實測信號作為原始採樣數據送入雙穩模 擬電路。雙穩模擬電路的作用是對含噪信號進行隨機共振。雙穩模擬電路輸出的信號由 恢復模擬電路進行信號恢復。恢復模擬電路主要由三個乘法器晶片、放大器以及直流電 源組成(圖8)。恢復模擬電路的作用是將已經產生隨機共振現象的信號進行去噪恢復， 其電路結構是第一個乘法器的兩個輸入端分別與雙穩模擬電路的輸出端相連；第二個 乘法器的一個輸入端與第一個乘法器的輸出端相連，另一個輸入端也與雙穩模擬電路的 輸出端相連；第三個乘法器的一個輸入端仍與雙穩模擬電路的輸出端相連，另一個與直 流電源相連。第二個乘法器與第三個乘法器的輸出端同時接到反饋放大器，並由反饋放 大器對第二個乘法器與第三個乘法器的輸出端輸出的信號進行反饋輸出。此種連接方式 完成如前所述"恢復系統"中Z/(;c)的-ax + fc^連接，並對已經產生隨機共振現象的信 號進行恢復，隨後恢復模擬電路的輸出信號輸入濾波模塊進行低通濾波，最終得出混雜 在噪聲中的原始弱信號(如圖13或圖18或圖23所示)。同時可以看出圖13、圖18和 圖23分別與圖9、圖14和圖19波形基本一樣，說明本發明的效果非常好。
傳感器實測的信號可以是含噪的振動信號、力信號等，經雙穩模擬電路進行隨機共 振後，信號進入雙穩狀態，之後信號進入恢復模擬電路，經恢復模擬電路的3個乘法器 共同作用輸出後，再經濾波模塊低通濾波輸出得到純淨的信號。


圖1是原始標準正弦波圖形。 圖2是有效值為0.35V的白噪聲。
圖3是圖2強噪聲疊加圖1正弦波後的混合信號波形圖。 圖4是混合信號經過500Hz低通濾波器後的信號圖。 圖5是混合信號經過1500Hz低通濾波器後的信號圖。 圖6為本發明系統連接原理圖。圖7為雙穩模擬電路原理圖。 圖8為恢復模擬電路原理圖。
圖9為原始正弦信號波形曲線圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻度為10ms;縱坐
標為電壓值，其刻度為200mV。正弦波幅值為0.2V，周期為O.Ols。
圖IO為原始強噪聲的波形圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻度為10ms;縱坐標為 電壓值，其刻度為500mY。噪聲強度有效值0.35V。
圖11為圖10強噪聲疊加圖9正弦波後的波形圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻度 為10ms;縱坐標為電壓直，其刻度為500mV。
圖12為經過系統恢復輸出的正弦信號波形曲線圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻 度為10ms;縱坐標為電玉值，其刻度為500mV。
圖13為圖12經過濾波後輸出的正弦波波形曲線圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻 度為10ms;縱坐標為電壓值，其刻度為200mV。
圖14為原始調頻信號波形曲線圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻度為10ms;縱坐
標為電壓值，其刻度為200mV。
圖15為原始強噪聲的波形圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻度為10ms;縱坐標為 電壓值，其刻度為500nA。噪聲強度有效值0.35V。
圖16為圖15強噪盧疊加圖14調頻波後的波形圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻 度為10ms;縱坐標為電壓值，其刻度為500raV。
圖17為經過系統恢復輸出的調頻波形曲線圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻度為 lOms;縱坐標為電壓值，其刻度為500mV。
圖18為圖17經過濾波後輸出的調頻波形曲線圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻度 為10ms;縱坐標為電壓值，其刻度為200mV。
圖19為原始調幅信號波形曲線圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻度為10ms;縱坐 標為電壓值，其刻度為200mV。
圖20為原始強噪聲的波形圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻度為10ms;縱坐標為 電壓值，其刻度為500mV。噪聲強度有效值0.35V。
圖21為圖20強噪聲疊加圖19調幅波後的波形圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻 度為10ms;縱坐標為電'E值，其刻度為500mV。
圖22為經過系統恢復輸出的調幅波波形曲線圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻度 為10ms;縱坐標為電壓值，其刻度為500mV。圖23為圖22經過濾波後輸出的調幅波波形曲線圖。圖中橫坐標為時間軸，其刻 度為10ms;縱坐標為電壓值，其刻度為200mV。
具體實施例方式
以下結合附圖並通過實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。 本發明器件的連接方案為由傳感器l、雙穩模擬電路2、恢復模擬電路3、濾波 模塊4按所述順序串聯i封妾(如圖6所示)。雙穩模擬電路2由運算放大器、乘法器等 所組成的模擬電路來實現(如圖7所示)，其中s(0是雙穩系統的輸入，x(O是雙穩系統 的輸出。恢復模擬電路3可由模擬乘法器、反饋放大器等所組成的模擬電路來實現(如 圖8所示)，其電路連接為第一個乘法器5-1的兩個輸入端分別與雙穩模擬電路2的 輸出端相連；第二個乘法器5-2的一個輸入端與第一個乘法器5-1的輸出端相連，另一 個輸入端也與雙穩模擬電路2的輸出端相連；第三個乘法器5-3的一個輸入端與雙穩模 擬電路2的輸出端相連，另一個輸入端與直流電源6相連，第二個乘法器5-2與第三個 乘法器5-3的輸出端同時接到反饋放大器7，並由反饋放大器7對其進行反饋輸出。其 中WO是恢復模擬電路的輸入也即雙穩模擬電路的輸出，y(0是恢復模擬電路的輸出。
雙穩模擬電路2 (圖7)其參數為R=15KQ， R1=R2=150KQ， C=180pf，雙穩模 擬電路中的乘法器與恢復模擬電路中的3個乘法器結構相同，其係數的乘積^T為0.001。 信號的隨機共振狀態由分壓器K1 、 K2進行調節產生，其分壓比分別為0.4和0.2。恢 復模擬電路3如圖8所示，第一個至第三個乘法器5-l 5-3參數分別可調，其係數按照 順序分別為0.05， 0.1， 0.02;直流電源6電壓為1.5V，恢復模擬電路3中所用到的電阻 均為15KQ。原始信號、噪聲信號、傳感器l、恢復模擬電路3以及濾波模塊4等諸步 的輸出信號均由NI數據採集系統進行信號採集再上傳至PC機上進行波形顯示。
實施例1:傳感器1實測到的信號是由一個正弦波信號(如圖9所示)和強噪聲(如 圖IO所示)組成，且正弦波信號被噪聲完全淹沒而不可分辨(如圖11所示)。正弦波 信號的幅值為0.2V，周期為O.Ols，噪聲的強度為0.35V，由雙穩模擬電路2對該含噪 信號進行隨機共振，其輸出信號隨後輸入恢復模擬電路3進行波形恢復。恢復後的輸出 信號(圖12)輸入濾波模塊進行200Hz (butterworth)低通濾波(為最大限度體現出波 形的完整性，低通濾波器的通帶設為5KHz)得出最終結果，如圖13所示。
實施例2:傳感器1實測到的信號是由一個調頻信號(如圖14所示)和強噪聲(如 圖15所示)組成，且調頻波信號被噪聲完全淹沒而不可分辨(如圖16所示)。在調頻 波信號中，載波幅值為0.2V,載波周期為0.01s;調製信號的頻率為O.ls，其調製度為5(調頻信號表達式為f/, =0.2cos(200;r + cos20;^)。噪聲的強度為0.35V。由雙穩模擬
電路2對該含噪信號進行隨機共振，其輸出信號隨後輸入給恢復模擬電路3進行波形恢 復。恢復後的輸出信號(圖17)輸入濾波模塊進行200Hz (butterworth)低通濾波(為 最大限度體現出波形的5g整性，低通濾波器的通帶設為5KHz)得出最終結果，如圖18所示。
實施例3:傳感器1實測到的信號是由一個調幅信號(如圖19所示)和強噪聲(如 圖20所示)組成，且調幅信號被噪聲完全淹沒而不可分辨(如圖21所示)。在調幅信 號中，載波幅值為0.2￥，載波周期為0.01s;調製信號的頻率為O.ls，其調製度為1，(調 幅信號表達式為t/、. —0.2 + 0.2cos20對)cos200對)。噪聲的強度為0.35V。由雙穩模擬電
路2對該含噪信號進行隨機共振，其輸出信號隨後輸入恢復模擬電路3進行波形恢復。 恢復後的輸出信號(圖:2)輸入濾波模塊4進行200Hz (butterworth)低通濾波(為最 大限度體現出波形的完整性，低通濾波器的通帶設為5KHz)得出最終結果，如圖23所示。
濾波模塊4的作用主要用於對由恢復模擬電路3輸出的信號進行低通濾波，以使輸 出信號的信噪比得到進一歩增強。
本發明的特點和有益的效果在於該系統解決了強噪聲中弱信號的精細檢測問題，
突破了以往低通濾波器對強噪聲中弱信號的信息檢測失真的局限性，可實現多周期、多 頻率、多成分的複雜微弱特徵信息識別與信號還原等功能。
權利要求
1.基於隨機共振的微弱特徵信息恢復系統，具有傳感器(1)、雙穩模擬電路(2)、恢復模擬電路(3)和濾波模塊(4)，其特徵在於由傳感器(1)、雙穩模擬電路(2)、恢復模擬電路(3)和濾波模塊(4)按所述順序串聯連接，由傳感器(1)實測的信號作為原始數據依次送入雙穩模擬電路(2)、恢復模擬電路(3)和濾波模塊(4)，由濾波模塊(4)得出待提取具有實用價值的原始弱信號，恢復模擬電路(3)由3個模擬乘法器晶片及直流電源(6)和反饋放大器(7)組成，第一個乘法器(5-1)晶片的兩個輸入端與雙穩模擬電路(2)的輸出端相連；第二個乘法器(5-2)晶片的一個輸入端與第一個乘法器5-1的輸出端相連，另一個輸入端接於雙穩模擬電路(2)的輸出端；第三個乘法器(5-3)晶片的一個輸入端與雙穩模擬電路(2)的輸出端相連，另一個輸入端與直流電源(6)相連，第二個乘法器(5-2)與第三個乘法器(5-3)的輸出端同時接到反饋放大器(7)，由反饋放大器(7)進行反饋輸出。
2. 按照權利要求1所述的基於隨機共振的微弱特徵信息恢復系統，其特徵在於所述 恢復模擬電路(3)的係數取值範圍對所述第一至第三個模擬乘法器晶片(5-l 5-3)均 為0 1。
3. 按照權利要求1所述的基於隨機共振的微弱特徵信息恢復系統，其特徵在於所述 濾波模塊(4)採用低通濾波器。
全文摘要
本發明公開了一種基於隨機共振的微弱特徵信息恢復系統，該系統由傳感器、雙穩模擬電路、恢復模擬電路和濾波模塊組成，傳感器實測信號作為原始數據送入雙穩模擬電路等系統。恢復模擬電路由3個模擬乘法器晶片搭建及直流電源和反饋放大器組成，第三個乘法器的輸出端接到反饋放大器，對信號進行反饋輸出。其原理是傳感器實測到的信號被噪聲完全淹沒而不可分辨，通過隨機共振、波形恢復、濾波等處理，使系統輸入的原始弱信號的信噪比得到較大增強。本發明解決了強噪聲中弱信號的精細檢測問題，突破了以往低通濾波器對強噪聲中弱信號的信息檢測失真的局限性，可實現多周期、多頻率、多成分的複雜微弱特徵信息識別與信號還原等功能。
文檔編號H03K19/00GK101561293SQ20091006878
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月11日 優先權日2009年5月11日
發明者冷永剛, 瑩 張, 輝 鄧, 焱 郭 申請人:天津大學