基于随机共振方法的微弱信号检测技术研究

摘要

随机共振是一种检测微弱信号的新技术，论文主要讨论随机共振的背景和研究意义，分析随机共振的理论模型，并采用随机共振方法来实现微弱信号检测。以双稳态系统的数学模型作为研究对象，对经典的随机共振的方法加以补充和改进，使微弱信号的检测性能提高。将自适应系统输出的信噪比作为适应度函数，通过调节噪声和双稳态系统的参数，得到最优的微弱信号检测结果。随机共振的方法简单易行，收敛速度快，能够在较短的数据集下实现信号的快速检测。在双稳态模型的特殊构造中，随机共振能把噪声的部分能量转换成信号的激励，从而使信号特征更加凸显。与其他的检测方法相比，这种方法主要手段不是抑制噪声而是利用噪声，能够克服在抑制噪声时对有用信号损失的缺点，为信号检测提供一种新途径。随机共振能缩短微弱信号检测的时间，通过比较少的数据集获得更好的输出效果。
　　经典随机共振理论无法检测未知频率的信号，无法准确测量信号的幅值，信噪比增益有限，针对这些不足之处提出改进方法使随机共振理论更加完善。本文的主要内容如下:
　　(1)讨论随机共振方法的信号检测的选题背景和研究意义，在国内外研究成果中讨论随机共振理论提出过程，列举各种实验中发现的随机共振现象，分别讨论随机共振在机械故障、医学以及生物科学领域的应用。
　　(2)通过Langevin方程、绝热近似理论、线性响应理论来分析随机共振的理论基础，分析信号检测的衡量指标。讨论随机共振双稳态模型的建立，定性的分析Langevin方程的非线性特征。讨论基于双稳态系统的随机共振信号检测方法，分析双稳态检测模型对随机共振的影响。
　　(3)主要研究用随机共振方法实现微弱周期信号的频率检测方法，采用粒子群算法自适应的调整外界噪声强度和随机共振的系统参数。分别验证调节噪声强度和调节系统参数对检测结果的影响。最后提出级联随机共振的模型以及级联自适应的随机共振方法。
　　(4)对于周期信号幅值的检测，输入信噪比在一定范围内，随机共振能根据输出信噪比和信噪比的增益反推出被检测信号的幅值。然而这种方法并不能实现精确的检测信号幅度，针对这一问题提出随机共振与混沌振子相结合的检测方法。首先描述混沌振子微弱信号检测的原理，包括混沌振子在临界点相位的突变性，噪声和异频信号对duffing振子的影响。最后通过仿真验证基于随机共振与混沌振子的检测信号的方法。
　　(5)主要研究基于随机共振的非周期信号检测的理论与模型，通过仿真验证通过随机共振实现脉冲信号的检测，并分析脉冲信号的峰值高度对检测结果的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文的选题背景和研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 随机共振理论与实验研究

1．2．2 随机共振应用研究

1．3 论文的主要研究内容

2 随机共振的基本理论

2．1 郎之万方程

2．2 随机共振经典理论

2．2．1 绝热近似理论

2．2．2 线性响应理论

2．3 随机共振的测量指标

2．3．1 信噪比与信噪比增益

2．3．2 互相关系数

2．4 双稳态随机共振系统微弱信号检测

2．5 小结

3 微弱周期信号自适应随机共振方法

3．1 自适应随机共振基本理论

3．2 基于粒子群算法的自适应随机共振检测

3．2．1 噪声调节随机共振微弱信号检测方法

3．2．2 参数调节随机共振微弱信号检测方法

3．3 自适应算法在级联随机共振系统中的应用

3．3．1 多层随机共振算法

3．3．2 级联自适应随机共振

3．4 小结

4 基于混沌振子的微弱信号检测

4．1 混沌振子微弱信号检测原理

4．1．1 临界点相图突变性

4．1．2 噪声对Duffing振子混沌的影晌

4．1．3 异频信号Duffing振子混沌的影响

4．2 基于混沌振子与随机共振的微弱信号检测

4．3 小结

5 随机共振的非周期信号检测

5．1 非周期随机共振的理论与模型

5．1．1 非周期信号的互相关描述

5．1．2 随机共振系统近似单稳态模型

5．2 微弱非周期冲击信号检测

5．3 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果